Mecánica y Resistencia de Materiales

Durand Porras, Juan Carlos

Universidad Privada del Norte (UPN- Lima), Escuela de Ingeniería Industrial

Un turborreactor es un motor de funcionamiento continuo, a diferencia de los motores alternativos, de funcionamiento discontinuo. Los grandes compresores axiles o centrífugos llevan enormes volúmenes de aire a una presión aproximada de 8 atmósferas para comprimirlos. Una vez que se dispone del aire comprimido, se introduce en cámaras de combustión en las que se quemará combustible de forma continua para proporcionar energía a ese aire. El aire, a mayor presión y a mayor temperatura, se traslada hasta la turbina. Allí se expande parcialmente y consigue la energía necesaria para mover el compresor. Luego, el aire pasa por la tobera de escape, donde se acelera hasta la salida, de modo que la presión existente se transforme en velocidad. En este tipo de motor la fuerza motora se obtiene gracias a la cantidad de movimiento generado. El aire es lanzado hacia atrás haciendo que la nave se vea impulsada hacia delante. En aeronáutica se usa este tipo de motores porque permiten mucha más potencia que los motores alternativos a igualdad de peso. 

Introducción

El turborreactor es el tipo más antiguo de los motores de reacción de uso general. El concepto fue desarrollado en motores prácticos a finales de los años 1930 de manera independiente por dos ingenieros, Frank Whittle en el Reino Unido y Hans von Ohain en Alemania; sin embargo el reconocimiento de crear el primer turborreactor se le da Whittle por ser el primero en concebir, describir formalmente, patentar y construir un motor funcional. Von Ohain, en cambio, fue el primero en utilizar el turborreactor para propulsar un avión.

El ciclo de trabajo de este tipo de motores es el de Brayton, es similar al del motor recíproco por contar con la misma disposición de los tiempos de trabajo (admisión, compresión, combustión y escape o expansión). Un turborreactor consiste en una entrada de aire, un compresor de aire, una cámara de combustión, una turbina de gas (que mueve el compresor del aire) y una tobera. El aire entra comprimido en la cámara, se calienta y expande por la combustión del combustible y entonces es expulsado a través de la turbina hacia la tobera siendo acelerado a altas velocidades para proporcionar la propulsión.

Los turborreactores son solo eficientes a velocidades supersónicas y son muy ruidosos. Es por ello que la mayoría de los aviones y algunos helicópteros modernos usan en su lugar motores turbohélice a velocidades bajas o turbofan a velocidades altas, que consumen menos combustible y son más silenciosos. No obstante, los turborreactores todavía son muy comunes en misiles de crucero de medio alcance debido a su gran velocidad de escape, baja área frontal y relativa simplicidad.

Por este mismo motivo, su utilidad en otro tipo de vehículos es muy limitada. Han sido utilizados en casos aislados para batir récords de velocidad en tierra.

Diagrama del funcionamiento de un turborreactor

Funcionamiento

Grandes compresores axiales o centrífugos llevan enormes volúmenes de aire a una presión aproximada de entre 4 y 32 atmósferas para comprimirlos. Una vez que se dispone del aire comprimido, se introduce en cámaras de combustión en las que se quemará combustible de forma continua para proporcionar energía a ese aire. El aire, a mayor presión y a mayor temperatura, se traslada hasta la turbina. Allí se expande parcialmente y consigue la energía necesaria para mover el compresor.

Después, el aire pasa por la tobera de escape, donde se acelera hasta la salida, de modo que la presión existente se transforme en velocidad. En este tipo de motor la fuerza motora se obtiene gracias a la cantidad de movimiento generado. El aire es lanzado hacia atrás haciendo que la nave se vea impulsada hacia delante.

En aeronáutica se usa este tipo de motores porque permiten mucha más potencia que los motores alternativos a igualdad de peso.

El ciclo de trabajo de este tipo de motores es el de Brayton, es similar al del motor recíproco por contar con la misma disposición de los tiempos de trabajo (Admisión, Compresión, combustión y Escape).Un turborreactor consiste en una entrada de aire, un compresor de aire, una cámara de combustión, una turbina de gas (que mueve el compresor del aire) y una tobera. El aire entra comprimido en la cámara, se calienta y expande por la combustión del combustible y entonces es expulsado a través de la turbina hacia la tobera siendo acelerado a altas velocidades para proporcionar la propulsión.

En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por la variación de la cantidad de movimiento según la Tercera Ley de Newton, que establece que toda acción conlleva una reacción igual de sentido contrario. Al propulsar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. Actualmente, estos motores alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.

Componentes Fundamentales de los Turborreactores:

Los componentes fundamentales de los turborreactores enumerados desde la admisión de aire al escape de gas son:

• Difusor de admisión.

• Compresor o compresores.

• Cámara o cámaras de combustión.

• Turbina o turbinas.

• Tobera de escape.

Es decir:

• Dos conductos: difusor de admisión, y tobera de escape.

• Dos turbomáquinas: compresores y turbinas.

• 

• Una cámara de combustión: simple y múltiple.

Vista en corte de un de Havilland Goblin, un turborreactor de flujo centrífugo utilizados en los primeros aviones de reacción británicos.

Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turborreactor de flujo centrífugo.

Vista en corte de un General Electric J85, un turborreactor de flujo axial diseñado en los años 1950 utilizado por el Northrop F-5 y otros aviones militares.

Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turborreactor de flujo axial.

Comparación con otros motores similares

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta varias ventajas frente a los motores alternativos:

• Es más eficiente en términos de consumo de combustible.

• Es más sencillo y tiene menos partes móviles.

• Tiene una mejor relación peso/potencia.

• Requiere menor mantenimiento.

• La vida útil es más larga.

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeronáutico, comparado a los estatorreactores tiene desventajas técnicas a la hora de la construcción y del mantenimiento. Los estatorreactores, a diferencia de los reactores, pulsorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless (sin válvula como los tipos Lockwood Hiller) y que tienen ventajas significativas tales como:

• Carencia de piezas móviles.

• Relaciones peso/empuje mayores que los reactores.

• Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas.

• Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o gases licuados sin modificación alguna.

• Construcción simple.

• Fácil disponibilidad de materiales.

Mejoras en la eficiencia

La relación de compresión se ha ido incrementando progresivamente desde los primeros turborreactores (en 1930 era de entre 3:1 y 6:1, mientras que los más recientes varían entre 40:1 y 50:1). Esto aumenta la eficiencia del ciclo termodinámico según la ecuaciónsiendo el rendimiento, y las presiones a la entrada y salida del compresor respectivamente y el coeficiente de dilatación adiabática (en el aire es aproximadamente 1,4).

Incremento de la relación de presión en el compresor

Cuanto mayor es la distancia entre las dos isobaras, mayor es el rendimiento del Ciclo Brayton.

Mediante el uso de palas variables en el estátor se pueden conseguir mejores sistemas de control del flujo de aire y se evitan fugas de aire a altas presiones y temperaturas.

Además una configuración con dos rotores coaxiales ofrece ventajas adicionales:

Selección de velocidades óptimas para las etapas de alta y baja presión (abreviado HP y LP, del inglés High Pressure y Low Pressure).

• Reducción del número de etapas en el compresor.

• La refrigeración del aire se realiza más fácilmente entre ambos rotores.

• El arranque del motor es más sencillo, puesto que solo es necesario hacer rotar al rotor de alta presión.

Incremento de la temperatura en la turbina de alta presión

Al igual que ocurre con la presión, la temperatura a la entrada de la turbina influye en la eficiencia del ciclo Brayton.

Los primeros turborreactores utilizaban palas sólidas, de modo que la temperatura máxima dependía directamente de las mejoras en los materiales estructurales (unos 1.100 °C). A partir de las décadas de 1960 y 1970 se empezaron a construir palas huecas con refrigeración interna mediante el moldeo a la cera perdida. Actualmente esta refrigeración se realiza mediante la técnica single crystal casting o moldeo con monocristales, lo que aumenta el tiempo que pueden estar sometidas a grandes tensiones.

INNOVACION PARA LA CONSTRUCCION DE NUEVAS PALAS

Doble flujo de aire

En un motor turbofan parte del aire es desviado a un flujo lateral.

La mayoría de los aviones modernos, tanto civiles como militares, usan una versión modificada del turborreactor denominada turbofan, que posee las siguientes ventajas:

Evita las pérdidas por compresibilidad que limitan la velocidad de crucero a la que se puede volar de forma eficiente en los aviones de hélice.

• El peso por unidad de potencia es significativamente menor, o lo que es lo mismo, aumenta la relación empuje a peso.

• Es capaz de producir una cantidad enorme de potencia sin restricciones mecánicas importantes.

• La eficiencia es aproximadamente la misma que la de los motores alternativos más eficientes diseñados para aviación, con la ventaja de que este rendimiento máximo se consigue a una velocidad mayor.

Tipos de Motores de reacción

El turborreactor (en inglés: turbojet) es el tipo más antiguo de los motores de reacción de propósito general. Son motores pertenecientes al grupo de las turbinas de ciclo abierto, con la única diferencia que para llamarse turborreactor es indispensable que en él se encuentre un compresor o turbocompresor, de ahí viene su prefijo "turbo", hecho que ocurre también con muchos de los coches con motores sobrealimentados.

El concepto fue desarrollado en motores prácticos a finales de los años 1930 de manera independiente por dos ingenieros, Frank Whittle en el Reino Unido y Hans von Ohain en Alemania; aunque el reconocimiento de crear el primer turborreactor se le da Whittle por ser el primero en concebir, describir formalmente, patentar y construir un motor funcional. Von Ohain, en cambio, fue el primero en utilizar el turborreactor para propulsar un avión.

Tipos según el compresor

Otra de las partes que componen los turborreactores son los compresores, que por cierto son los encargados de dar el prefijo a la palabra turborreactores.

Un compresor es un aparato, maquina, que como su propio nombre dice, se encarga de comprimir el aire o cualquier otro gas. Por lo tanto lo que hace es reducir el espacio de este y incrementar su presión y temperatura (aunque muchas veces es esto último lo que se intenta evitar). De compresores los hay de diferentes tipos, medidas, materiales, capacidades, etc., pero los más utilizados en la industria aeronáutica actualmente son dos: los centrífugos y los axiales.

Turborreactor de flujo centrífugo

Los compresores centrífugos fueron los primeros utilizados en los motores a reacción, tanto en los modelos ingleses como en la americanos, ya que su relativa ligereza y facilidad de fabricación era y es compatible con la gran masa de aire que pueden llegar a comprimir cuando la elevación de presión exigida no es muy elevada.

Este tipo de compresores está formado principalmente por tres componentes: el rotor, el difusor y el colector. El rotor esta montado sobre un eje, y el conjunto esta cerrado en un cárter. Por una parte el aire tiene su entrada a este en el difusor y después de haber pasado por el espiral que supone el rotor sale a diferente presión por el colector. El hecho de que el aire se comprima es debido a que al girar el rotor, su gran velocidad arrastra el aire por la acción de la fuerza centrifuga hacia la periferia (de ahí su nombre), apareciendo así un incremento de presión velocidad y temperatura.

Turborreactor de flujo axial

Los compresores axiales, por su configuración, elevado rendimiento y facilidad de acoplamiento de varios escalones, han adquirido un gran desarrollo en la técnica de la propulsión a reacción, y de ellos han partido multitud de variantes: compresores axiales, sencillos, compresores axiales dobles, turbocompresores para motores de doble flujo en disposición serie o paralelo.

La principal diferencia respecto al compresor centrífugo es, que en el axial la corriente de aire sigue una dirección sensiblemente paralela al eje de rotor; la velocidad radial es nula puesto que el radio de la salida y entrada del rotor es de iguales dimensiones. Los compresores axiales distan también de los centrífugos en el número de partes que están compuestos; en el caso de los axiales solo son dos el número de componentes básicos: el rotor y el estator o difusor.

Su funcionamiento es un tanto diferente respecto al compresor centrífugo.

Debido a la rotación de la cascada de alabes del rotor, el aire adquiere una velocidad tangencial la cual proporciona un momento cinético respecto del eje del rotor mediante el cual se comunica un trabajo al aire para la elevación de presión.

Ventajas y desventajas

Este tipo de motores se utiliza principalmente en la aeronáutica, ya que presenta una seria de características que no poseen los motores alternativos. Resultan:

• Ser más eficientes respecto a los términos de consumo del combustible.

• Ser más sencillos y tener menos partes móviles.

• Tener una mejor relación entre el peso y la potencia.

• Un menor requerimiento del mantenimiento.

• Tener la vida útil más larga.

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeronáutico, comparado a los estatorreactores tiene desventajas técnicas a la hora de la construcción y del mantenimiento. Los estatorreactores, a diferencia de los reactores, pulsorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless (sin válvula como el tipo Lockwood Hiller) y que tienen ventajas significativas tales como:

• Carencia de piezas móviles.

• Relaciones peso/empuje mayores que los reactores

• Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas

• Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o gases licuados sin modificación alguna

• Construcción simple

• Fácil disponibilidad de materiales.

La velocidad de los aviones de hélice era bastante limitada, por lo tanto para volar más rápidamente era necesario otro diseño. Durante los años 30 un ingeniero alemán, Hans von Ohain, y un ingeniero inglés, Frank Whittle intentaban diseñar un nuevo tipo de motor, cada uno por separado. Hacia 1938, Hans von Ohain y su mecánico Max Hahn ya habían diseñado, construido y realizado pruebas de vuelo de un avión de propulsión a chorro. Su diseño contenía un compresor (cierto tipo de rotor) y una turbina en el mismo eje. El diseño de Frank Whittle también incluía un rotor o hélice interna accionada por una turbina con un combustor. Su avión de propulsión a chorro voló con éxito en 1941. Así, ambas naciones, Inglaterra y Alemania, dieron inicio a la era de la propulsión a chorro.

Especificaciones técnicas de Motores y aviones

De Havilland Goblin

El De Havilland Goblin (en inglés, Duende), es uno de los primeros turborreactores, diseñado por Frank Halford. El Goblin construido por de Havilland fue el segundo reactor británico en volar, y el primero en pasar las pruebas y recibir la clasificación de "turbina de gas". El Goblin fue el motor primario del de Havilland Vampire, y también motorizó al Saab 21R, al Fiat G.80 y al de Havilland Swallow. El Goblin fue agrandado para crear el de Havilland Ghost.

Especificaciones (D.H Goblin II)

Tipo: Turborreactor de flujo centrífugo

Largo: 2.718 mm

Diámetro: 1.270 mm

Peso: 703 kg

Compresor: centrífugo de una cara

Combustión: 16 cámaras

Turbina: una etapa

Combustible: Kerosene

Empuje: 1.800 kgf (13,3 kN) a 10.200 rpm

Compresión: 3,3:1

Conclusión

En resumen, el diseño mecánico de turborreactores es un reto.

Un primer desafío es el estudio de la dinámica del rotor múltiple sistemas sometidos a grandes velocidades de rotación.

Entonces, dependiendo del componente de motor (cuchilla, disco) y en su

• En los «fríos» partes del motor (ventilador, compresor LP, HP compresor), el diseño mecánico se basa en la solución de problemas dinámicos (vibraciones blade, aleteo aeroelástico, pájaroimpacto).

• En los «calientes» partes del motor (compresor de HP, la combustión cámara, HP turbina), el diseño se basa en la fluencia y la fatiga y cálculos y una filosofía de tolerancia al daño se aplica.

Bibliografía

• Jorge García de la Cuesta Terminología aeronáutica

• inta.es/descubreAprende/htm/hechos6.html

3. Vallbona. «Motor de Turbina». Consultado el 21 de noviembre de 2014.

4. Volver arriba «Turbojet and Turbofan Systems». NASA (en inglés). Consultado el 21 de noviembre de 2014.

DEDICATORIA:

A nuestras familias por todo el apoyo y comprensión que siempre nos han demostrado.

A nuestros compañeros de la carrera de Ingeniería Industrial por sus palabras de aliento.

Autor:

Karin Reyes Alvarez

Renzo Valdivia Vilca

2015