Turbina De Aviones

1. INTRODUCCIO N AL MOTOR DE TURBINA

La propulsión por escape de gas (jet propulsion) puede definirse como la fuerza que se genera en sentido opuesto a la de expulsión de los gases.

El primer motor de reacción de la historia puede atribuirse a Hero de Alexandria, alrededor de 250 aC. Este motor consistía de una esfera con dos toberas soportada por una base que se calentaba por su parte inferior. El fluido contenido en la base, al incrementar su temperatura salía a presión por las dos toberas de escape.

Los motores de turbina se basan en la 3ª ley de Newton (acción-reacción).

No obstante, el primer motor de reacción aplicado a la aviación fue desarrollado por el alemán Hans von Ohain en 1936. El motor era el HeS 3 y se utilizó para propulsar el primer avión a reacción de la historia, el Heinkel HE-178. Paralelamente, el ingeniero inglés Frank Whittle también realizó estudios sobre el motor de turbina de gas, aunque fueron los alemanes los que se avanzaron.

¿Qué es un motor de turbina de gas?

 Un mecanismo que quema una mezcla de combustible y aire y diseñado de tal forma que los gases resultantes producto de la combustión empujen a un objeto.

 Cuanto más combustible quemado, mayor será la fuerza de reacción y por tanto mayor empuje.

LEYES DE NEWTON

 1ª ley: un cuerpo continúa en MRU si no se le aplica una fuerza externa. ΣF=0

 2ª ley: un cuerpo al que se le aplica una fuerza mantendrá un MRUA. ΣF=m·a

 3ª ley: cuando se aplica una fuerza sobre un cuerpo se produce una fuerza de igual magnitud pero de sentido contrario.

El empuje se expresa de la siguiente manera: E = G (Vs – Ve)

También aparece el término eficiencia propulsiva, que es la relación entre lo que obtenemos y lo que hemos empleado. La forma de conseguir empuje se puede realizar de dos modos distintos:

1. Acelerando poco una gran masa de aire (turbo-hélices). Método preferido, pues se ha comprobado que las pérdidas de empuje por turbulencia son menores y la eficiencia es mayor.

2. Acelerando mucho una pequeña masa de aire (turbojet y turbofan).

El motor de turbina 3

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E l m o t o r d e t u r b i n a

RAMJET SCRAMJET

SPECIFIC FUEL CONSUMPTION (SFC): relación entre la masa de combustible y la

potencia.

Se mide en o típicamente en Kg/CV·h.

Hay diferentes tipos de motores jet:

 Cohetes: combustionan sustancias en su interior.

 Reactores para aviación (air jets): necesitan aire atmosférico para poder operar.

Pueden ser de dos tipos:

 Compresión dinámica: debido a la velocidad del aire (ramjet,

scramjet).

 Compresión estática: contienen compresores (turbojet, turbofan,

turbo-hélice, turboshaft).

El motor de turbina 4

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El motor de turbina

Tanto los motores ramjet como los scramjet sólo funcionan a alta velocidad. Los ramjet operan en la gamma de velocidades de entre 3.0 y 6.0 Mach. Fuera de estas velocidades no funcionan bien. La compresión de estos motores es subsónica. En cambio, los motores scramjet la compresión es supersónica. Son motores en que la combustión es instantánea (utiliza hidrógeno como combustible, ya que no crea fricción). La velocidad límite es de 20.0 Mach.

1.1 MOTORES DE COMPRESIÓN ESTÁTICA

Vamos a estudiar el más simple, el turbojet, pues los turbofan y turbo-hélices se basan en los mismos principios que rigen al motor turborreactor puro (salvo pequeñas diferencias).

 Entrada de aire (intake)

Capta la masa de aire del exterior y la introduce al compresor. A mayor velocidad mayor gasto másico (G) y mayor empuje. El gasto másico se mide en Kg/s.

 Compresor

Ubicado detrás de la toma de aire. Se encarga de comprimir el aire (disminuir su velocidad) antes de introducirlo en la cámara de combustión. El empuje aumenta cuanto mayor es la compresión (mayor ratio de compresión). Pueden ser:

 Centrífugos (3 ó 4 etapas)  comprimen el aire desde el centro al exterior (90º).

 Axiales (13 o más etapas)  comprimen el aire a través del centro.

 Turbina

El aire sale expulsado a toda velocidad de la cámara de combustión y mueve los álabes de la turbina. Está compuesta por una o más etapas (juego de palas rotor + estator). El movimiento de los álabes de la turbina acciona el eje que mueve el compresor.

Spool: es el conjunto de compresor + eje + turbina.

 Tobera (nozzle)

El aire sale a alta velocidad por la tobera y genera una fuerza de reacción contraria (empuje).

El motor de turbina 5

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E l m o t o r d e t u r b i n a

El empuje varía con la altitud.

 A mayor altitud, disminuye el empuje (ya que la densidad disminuye).

El empuje también es función de la velocidad.

 A mayor velocidad, disminuye el empuje (ya que el aire es más turbulento).

1.2 CICLO BRAYTON

A diferencia de los motores de pistón, el motor a reacción es un motor de ciclo

abierto que opera a presión constante.

o Recordemos que:

 Motor de pistón: ciclo OTTO  ciclo cerrado a volumen cte.

 Motor de reacción:

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