Comprender los 4 tipos de motores de turbina
Hoy en día, las turbinas de gas son la forma de propulsión más utilizada, pero existen diferentes tipos y variaciones de este motor.
Las turbinas de gas modernas pueden generar decenas de miles de libras de empuje o caballos de fuerza mecánicos, lo que permite que los aviones viajen más rápido, más lejos y mejor que nunca.
En este artículo, aprenderá sobre los cuatro tipos principales de motores de turbina: turborreactor, turbohélice, turbofán y turboeje.
La tecnología aeronáutica ha avanzado mucho desde el histórico primer vuelo de los hermanos Wright. Con el paso del tiempo, los aviones evolucionaron para hacerse más resistentes y capaces de transportar cargas más pesadas, a la vez que alcanzaban mayores velocidades en el aire. Esto requirió la invención de un sistema de propulsión para generar empuje.
Hoy en día, las turbinas de gas son la forma de propulsión más utilizada, pero existen diferentes tipos y variaciones de este motor.
Las turbinas de gas modernas pueden generar decenas de miles de libras de empuje o caballos de fuerza mecánicos, lo que permite que los aviones viajen más rápido, más lejos y mejor que nunca.
En este artículo, aprenderá sobre los cuatro tipos principales de motores de turbina: turborreactor, turbohélice, turbofán y turboeje.
RESUMEN
Básicamente, todos los motores de aeronaves comparten un principio de funcionamiento común basado en la tercera ley del movimiento de Newton:
"Por cada acción hay una reacción igual y opuesta."
Todos siguen el mismo ciclo, pero difieren en cómo convierten la energía en empuje o potencia. A continuación, un resumen:
- Turborreactor: Rendimiento a alta velocidad, ruidoso, consume mucho combustible.
- Turbohélice: eficaz a velocidades moderadas con empuje impulsado por hélice.
- Turbofán: común en aviones de pasajeros, confiable y con operaciones más silenciosas.
- Turboeje: impulsa helicópteros y unidades auxiliares concentrándose en la potencia mecánica.
¿Qué son los motores de turbina?
Los motores de turbina de gas son un tipo de motor de combustión interna que genera energía utilizando un flujo de aire a alta velocidad.
Funcionan haciendo circular el aire de forma continua mediante estos cuatro procesos clave:
- Consumo
- Compresión
- Combustión
- Escape
Estos motores comparten un principio de diseño fundamental: separar los procesos en diferentes secciones para mejorar las operaciones de rendimiento.
Pero a diferencia de los motores alternativos, donde estas funciones se realizan secuencialmente en una sola cámara, las turbinas de gas las realizan simultáneamente.
1. Motor turborreactor
El turborreactor fue el primer tipo de motor de turbina de gas que se desarrolló para la propulsión de aeronaves y sigue siendo un diseño notable en la historia de la aviación (a pesar de haber sido reemplazado en gran medida en la aviación comercial moderna).
El motor a reacción ofrece un rendimiento superior en velocidad y altitud en comparación con los motores alternativos. Sin embargo, su capacidad de despegue y ascenso es limitada. Las hélices son más eficaces a velocidades más bajas y durante el despegue y el aterrizaje, lo que se traduce en una mayor eficiencia de combustible.
Tenga en cuenta que es importante que todos los motores de turbina funcionen dentro de los límites designados de temperatura, velocidad de rotación y torque.
La configuración de potencia puede variar según la instalación y puede incluir parámetros como temperatura, torque, flujo de combustible o RPM.
Por lo general, los límites operativos se alcanzan antes de avanzar completamente los aceleradores, independientemente de las condiciones climáticas.
Los turborreactores funcionan comprimiendo aire, mezclándolo con combustible, encendiendo la mezcla y expulsándola a altas velocidades para producir empuje.
Cómo funciona
- Admisión de aire: La admisión dirige el aire suavemente hacia los álabes del compresor. En aeronaves que vuelan a velocidades supersónicas, el sistema de admisión reduce el flujo de aire a velocidades subsónicas para proteger el motor.
- Compresor: El aire es comprimido por múltiples etapas de ventiladores, aumentando significativamente su presión.
- Cámara de combustión: El aire comprimido se mezcla con el combustible y se enciende. Los turborreactores funcionan con una relación aire-combustible pobre de aproximadamente 50:1, lo que facilita la refrigeración del motor.
- Turbina: Los álabes de la turbina absorben la energía de los gases de escape a alta velocidad. Esta energía impulsa el compresor.
- Escape: Los gases a alta presión salen del motor, generando empuje.
Los turborreactores se utilizaron ampliamente en los primeros aviones a reacción, como el Heinkel He 178 , pero ahora se encuentran principalmente en aplicaciones militares y de alta velocidad.
2. Motor turbohélice
El motor turbohélice es básicamente un turborreactor conectado a una hélice mediante una caja de engranajes reductora. Es ideal para vuelos regionales a velocidades y altitudes medias.
Ahora bien, el motor turbohélice presenta múltiples ventajas frente a otros tipos de motores, como su peso ligero, su sencillez de funcionamiento y su mínima vibración.
Es más capaz cuando vuela a velocidades entre 250 y 400 mph y altitudes entre 18.000 y 30.000 pies.
Su potencia se mide en caballos de fuerza al eje y se determina mediante las rpm y el par motor. El motor también genera empuje a reacción, pero este solo representa un pequeño porcentaje de su potencia total.
Los motores de turbohélice son más pesados y complejos que los de turborreactor, pero destacan por su capacidad de proporcionar empuje a bajas velocidades. La desventaja es que su eficiencia disminuye a medida que aumenta la velocidad de vuelo.
Cómo funciona
- Núcleo del turborreactor: el núcleo del motor funciona como un turborreactor, generando energía.
- Caja de cambios: El eje de la turbina de alta velocidad se conecta a una caja de cambios, que reduce la velocidad de rotación para impulsar la hélice.
- Hélice: La hélice genera empuje desplazando un gran volumen de aire a velocidades más bajas.
Aproximadamente entre el 80 y el 85% de la energía del motor se utiliza para impulsar la hélice, mientras que la energía restante sale por el escape.
Los motores turbohélice se pueden encontrar en aviones como el King Air y el Dash 8, que normalmente operan en rutas regionales y de carga.
3. Motor de turbofán
Un motor de turbofán es un motor a reacción con un ventilador canalizado que desvía parte del aire de admisión alrededor del núcleo.
Los motores de turbofán están presentes en la aviación comercial moderna gracias a su excelente equilibrio entre capacidad, potencia y reducción de ruido. Pueden ser de bajo o alto bypass.
Son una evolución de la tecnología de los turborreactores, diseñados para generar la mayor parte de su empuje a través de un gran ventilador de derivación.
Cómo funciona
- Ventilador: Un gran ventilador conducido en la parte delantera impulsa el aire de derivación alrededor del núcleo del motor. Este aire de derivación genera empuje adicional y refrigera el motor.
- Motor central: Parte del aire entra en el núcleo, donde sufre compresión, combustión y escape, de forma similar a un turborreactor.
- Relación de derivación: Esta relación compara la cantidad de aire que desvía el núcleo con la que lo atraviesa. Los motores con alta derivación son más eficientes y silenciosos.
Muchos motores de turbofán utilizan dos carretes, con compresores y turbinas independientes de alta y baja presión. Este diseño mejora el rendimiento y la fiabilidad.
Aviones como el Boeing 747 y el Airbus A320 dependen de motores turbofán para un rendimiento confiable en distintas altitudes y velocidades.
4. Motor de turboeje
Los motores de turboeje están diseñados principalmente para transferir potencia mecánica en lugar de generar empuje. Se utilizan ampliamente en helicópteros y unidades de potencia auxiliares (APU).
Cómo funciona
- Núcleo del turborreactor: El núcleo del motor funciona de manera similar a un turborreactor.
- Eje de potencia: La turbina impulsa un eje de potencia conectado a una transmisión.
- Transmisión: Este sistema transfiere energía rotacional a las palas del rotor del helicóptero.
En helicópteros, esto permite un control preciso de la sustentación y la dirección. Los motores de turboeje también proporcionan potencia a bordo para aeronaves de mayor tamaño cuando están en tierra.
El Bell 206 y el Sikorsky UH-60 Black Hawk son ejemplos de helicópteros propulsados por motores turboeje.
Motores de gas vs. motores alternativos
Una distinción notable entre las turbinas de gas y los motores alternativos radica en cómo manejan las cuatro funciones principales del motor.
En un motor alternativo, estas funciones ocurren dentro de la misma cámara de combustión en etapas secuenciales. Esto significa que cada fase debe esperar a que la anterior se complete.
En un motor de turbina de gas, cada función tiene su propia sección dedicada, lo que permite que todos los procesos ocurran de manera simultánea y continua.
Un motor de turbina de gas típico se compone de las siguientes secciones:
- Entrada de aire: dirige el aire hacia el motor.
- Sección del compresor: aumenta la presión del aire a través de múltiples etapas de compresión.
- Sección de combustión: mezcla el aire con el combustible y enciende la mezcla.
- Sección de turbina: extrae energía de los gases de escape para impulsar el compresor.
- Sección de escape: expulsa gases a alta velocidad para producir empuje.
- Sección de accesorios: proporciona sistemas de soporte, como energía para instrumentos y componentes auxiliares.
- Sistemas de apoyo: incluye sistemas esenciales para el arranque, la lubricación, el suministro de combustible y funciones auxiliares como antihielo y presurización.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué los turborreactores son menos comunes hoy en día?
- Los turborreactores no son tan eficaces ni ruidosos. Son menos adecuados para la aviación comercial. Los motores de turbofán ofrecen una alternativa más silenciosa y eficiente en términos de consumo de combustible.
- ¿Qué es una relación de derivación en motores de turbofán?
- La relación de derivación es la cantidad de aire que fluye alrededor del núcleo del motor en comparación con el aire que lo atraviesa. Los motores con alta derivación son más silenciosos y eficientes a velocidades subsónicas.
- ¿Qué son las APU y cómo funcionan?
- Las unidades de potencia auxiliar (APU) son motores de turboeje que proporcionan energía eléctrica y aire presurizado en tierra. También pueden servir como fuentes de energía de respaldo durante el vuelo.
- ¿Cómo logran los turbohélices eficiencia de combustible?
- Los turbohélices generan empuje acelerando grandes volúmenes de aire con una hélice. Esto los hace ideales a velocidades y altitudes moderadas.
- ¿Los motores de turboeje se utilizan sólo en helicópteros?
- No, los motores de turboeje también alimentan las APU y otros sistemas mecánicos en aviones grandes.
Llevar
Los motores de turbina de gas han recorrido un largo camino y han evolucionado hasta convertirse en cuatro tipos principales para diferentes necesidades de la aviación.
Los turborreactores priorizan la velocidad, los turbohélices se destacan en operaciones de alcance medio, los turbofán equilibran el rendimiento y la reducción de ruido, y los turboejes proporcionan potencia mecánica para helicópteros y sistemas auxiliares.
A medida que aprenda más sobre estos motores, comenzará a ver la notable ingeniería detrás de la aviación moderna.
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