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Componentes de los motores a reacción

Un motor desnudo. El motor de avión Rolls-Royce Trent . El motor está orientado hacia la derecha. [ nb 1 ] Este artículo describe los componentes y sistemas que se encuentran en...

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Un motor desnudo. El motor de avión Rolls-Royce Trent . El motor está orientado hacia la derecha. [ nb 1 ]

Este artículo describe los componentes y sistemas que se encuentran en los motores a reacción. Utiliza dos ejemplos de motores: el tipo más conocido por el público general, el motor de avión comercial moderno, y el motor militar con postcombustión. Los componentes y sistemas conforman lo que se conoce como un motor básico. [ 1 ]

El artículo también incluye una sección sobre las tomas de aire. Si bien la toma de aire no forma parte del motor, este la utiliza para evitar sobretensiones en el compresor (al reducir la distorsión de la entrada) y para proporcionar un aumento de presión que reduce el consumo de combustible (al convertir la velocidad relativa del aire incidente en presión).

El artículo también menciona la góndola porque la parte exterior del motor de un avión comercial debe tener un diseño aerodinámico para que se pierda la menor cantidad posible de empuje debido a la resistencia del aire que fluye alrededor del motor.

Descripción general de los componentes de un motor de avión moderno

Componentes principales de un motor de avión moderno que muestra el generador de gas (amarillo) en el centro del motor girando más rápido que el ventilador y su turbina. [ nb 2 ]
Un modelo de un motor V2500. [ nb 3 ]

Los motores de los aviones comerciales están alojados en una cápsula aerodinámica llamada góndola, que cuelga debajo del ala o, en aviones más pequeños, en el lateral del avión, detrás del ala.

La parte más fundamental del motor es el generador de gas (también conocido como núcleo), ya que todo motor de turbina de gas necesita uno (consta de tres partes: compresor, cámara de combustión y turbina). [ 2 ] Los primeros motores a reacción (turboreactores) eran simplemente un generador de gas hasta que se añadieron componentes adicionales para reducir el consumo de combustible. En la parte delantera se añadió un ventilador y, en la parte trasera, otra turbina, ambas conectadas por un eje que atraviesa el centro del generador de gas (y que se conoce como turbofán, motor de derivación o turboventilador).

Para un pasajero de avión, el generador de gas queda fuera de la vista, en el centro del motor, y lo único que se puede ver del motor en sí son el ventilador en la parte delantera y la turbina del ventilador en la parte trasera, dentro de la tobera central.

Componentes principales

Esquema de un turboventilador de alto índice de derivación.

Los componentes principales de un motor de avión comercial se muestran en el «Esquema de un turbofán de alto índice de derivación». El motor se identifica como de dos ejes. El término «eje» se refiere a un rotor completo que consta de compresor, turbina y eje de conexión. [ 3 ]

  • Admisión : Un pequeño conducto situado delante del ventilador no forma parte del motor (viene con la góndola), pero es necesario para que el ventilador garantice que el aire que le llega sea razonablemente suave (sin demasiada distorsión). Un borde redondeado en la entrada de la admisión lo asegura.
  • Ventilador : La primera parte del motor es el ventilador. Este compresor aumenta ligeramente la presión del aire que ingresa al motor (aproximadamente media atmósfera). La mayor parte del aire que pasa por el ventilador sale del motor por la boquilla. Una cantidad menor se dirige al compresor de baja presión (LP) y luego al generador de gas (que consta de un compresor de alta presión (HP), una cámara de combustión y una turbina de alta presión).
La boquilla del ventilador es el anillo exterior, y el ventilador queda oculto tras la curvatura de la cubierta del núcleo. La turbina de baja presión es visible dentro de la boquilla del núcleo. El tubo en el cuerpo central de escape es el respiradero del sistema de aceite (véase la sección «Sistema de aceite»).
Inversor de empuje de góndola. [ nota 4 ]
  • Boquilla del ventilador : Es el área necesaria para generar contrapresión en el ventilador y que funcione correctamente como compresor. [ 4 ] Al mismo tiempo, la boquilla acelera el flujo de aire del ventilador al salir del conducto de derivación. [ 5 ] [ 6 ]
  • Compresor de baja presión : El aire que pasa por el ventilador cerca del cubo (con un ligero aumento de presión) pasa por el compresor de baja presión con un aumento de presión adicional. Este aire se conoce como aire de núcleo y proporciona un aumento de presión al generador de gas.
  • Generador de gas: Entre el ventilador y su turbina se encuentra un generador de gas donde se quema el combustible y su energía se transfiere al aire que pasa por la cámara de combustión. El generador de gas consta de un compresor de alta presión (HP) , una cámara de combustión (el combustible se quema continuamente después de encenderse inicialmente durante el arranque del motor) y una turbina de alta presión (HP) . El compresor es necesario porque el combustible debe quemarse en aire a alta presión para obtener la máxima energía [ 7 ] (el compresor de baja presión (LP) ya ha contribuido a esto). La turbina es necesaria para accionar el compresor.
  • Turbina de baja presión : Esta es la turbina que acciona el ventilador y el compresor de baja presión. Se puede ver mirando hacia la parte trasera del motor.
  • Boquilla del núcleo : Es el área necesaria para contrapresurizar el compresor del generador de gas y que funcione correctamente como compresor. [ 8 ] También acelera el flujo del núcleo al salir del motor. [ 9 ]
  • Góndola : la estructura aerodinámica que rodea el motor. Incorpora un inversor de empuje con ventilador, que cuenta con compuertas de bloqueo y un conjunto de aletas deflectoras para dirigir el aire hacia adelante y ayudar a frenar la aeronave durante el aterrizaje.

Los motores de los aviones comerciales modernos también utilizan dos componentes adicionales importantes en comparación con la configuración de dos ejes que se muestra arriba.

  • Sistema de engranajes de transmisión del ventilador ( FDGS): El FDGS es una caja de engranajes planetarios reductores . La potencia de la turbina de baja presión se transmite a través de los engranajes y el ventilador gira a solo un tercio de la velocidad de la turbina, cuando se utiliza en el motor Pratt & Whitney PW1000G . Este tipo de motor se conoce como turbofán con engranajes . El motor de dos ejes descrito anteriormente se conoce como turbofán de transmisión directa .
  • Carrete de presión intermedia : en el Rolls-Royce Trent se utiliza un tercer carrete, conocido como carrete IP .

Descripción general de los componentes de un motor supersónico moderno.

Un motor desnudo. El motor con postcombustión Eurojet EJ200 . El motor está orientado hacia la izquierda. [ nb 5 ]

Se necesitan la mayoría de los mismos componentes, pero algunos difieren notablemente en su apariencia, al igual que el propio motor. El ventilador es mucho más pequeño y tiene más de un juego de aspas, por ejemplo. No hay inversor de empuje, pero sí postquemador. Uno o dos motores se instalan en el fuselaje de la aeronave, detrás de la cabina.

Conducto interno curvo de admisión supersónica, Dassault Rafale . [ nb 6 ]
  • Entrada de aire : En comparación con la entrada de aire de un avión comercial, la de un avión de combate es un conducto curvo, ya que el motor, situado detrás de la cabina, está desplazado con respecto a la entrada. Es necesario impedir que el aire que fluye a baja velocidad sobre la superficie del avión (capa límite) entre en la entrada. El aire que se aproxima a la entrada a velocidad supersónica debe reducirse a velocidad subsónica en la entrada, conservando la mayor cantidad de energía posible en forma de aumento de presión para el motor.
  • Ventilador : El ventilador es mucho más pequeño porque pasa menos aire alrededor del núcleo que a través de él (en el motor de un avión comercial, pasa más de ocho veces más aire que pasa por el núcleo). Cuando se necesita mucho menos aire de derivación, el motor ofrece su mejor rendimiento si este aire se comprime más, por lo que se necesitan 3 etapas (solo una en un motor de avión comercial).
Postquemador EJ200 con área de boquilla ajustable. [ nb 7 ]
  • Postquemador : El aire frío del ventilador y los gases de escape calientes de la turbina de baja presión se combinan en el postquemador. Al activar el postquemador, se inyecta combustible y se enciende mediante encendedores (los gases de escape de la turbina no alcanzan la temperatura suficiente para ello). La llama se mantiene en su posición dentro del flujo de gas mediante soportes de llama, visibles al observar el interior del postquemador.
  • Boquilla : La boquilla tiene un área ajustable que aumenta cuando se quema combustible en el postquemador (a mayor cantidad de combustible, mayor área). El aumento del área en proporción a la combustión mantiene el motor funcionando igual que cuando el postquemador no está encendido (ya que el flujo de aire a través del motor no ha cambiado).

Cómo funcionan los componentes y los sistemas

Compresores

Animación de un compresor axial que muestra las palas giratorias y los estatores estacionarios.
General Electric J79 mostrando aspas fijas de ángulo variable. [ nb 8 ]
Modelo a escala 1/4 del J57 que muestra 2 compresores.
Avon mostrando tres válvulas de descarga/purga (BOV).
Modelo de un motor V2500 que muestra compresores que giran de forma independiente, álabes fijos de ángulo variable y dos válvulas de purga (con juntas de aire naranjas).

La función del compresor es elevar la presión del aire ambiente lo máximo posible con la tecnología disponible en ese momento (cuanto mayor sea la presión, mayor será la proporción de energía del combustible que se transfiere al aire en la cámara de combustión, lo que significa menos combustible desperdiciado). [ 10 ] Para el motor J79 ilustrado, la presión era de 12 atmósferas (conocimientos de compresores de General Electric en 1952).

El aire es comprimido por álabes que se mueven a gran velocidad dentro de un tubo ajustado. La salida del tubo es menor que la entrada, ya que el aire comprimido (mayor densidad/menor volumen) ocupa menos espacio. La alta presión se alcanza a alta velocidad, y la pequeña área de salida solo es adecuada para la densidad (pequeño volumen) a alta velocidad. A bajas revoluciones del motor, los álabes, al moverse más lentamente, no comprimen tanto el aire, y el área de salida es demasiado pequeña para el paso del volumen (mayor) a baja velocidad. Esto afecta el ángulo con el que los álabes inciden sobre el aire (véase la explicación a continuación).

La velocidad del aire que circula por el compresor y la velocidad de los álabes se combinan para determinar el ángulo de ataque de los álabes (explicado mediante triángulos de velocidad [ 11 ] ). Si este ángulo es excesivo, al igual que en el ala de un avión, el flujo de aire del compresor entra en pérdida. Esta situación se produce a bajas velocidades del compresor e impide que este alcance su estado óptimo de funcionamiento a alta velocidad. Tres modificaciones en un compresor permiten que funcione sin pérdida de los álabes a bajas velocidades (véase a continuación).

La ilustración J79 muestra el uso de álabes de ángulo variable en la primera mitad del compresor. La ilustración J57 muestra un compresor (de 12 atmósferas en total) dividido en dos compresores que giran por separado, los cuales funcionan bien porque, individualmente, solo comprimen su propio flujo de aire 3 o 4 veces (3 x 4 = 12). La ilustración de Avon muestra por dónde escapa el aire a bajas velocidades del motor (tres válvulas de purga).

Todos estos ejemplos corresponden a motores a reacción antiguos. Los motores más recientes utilizan las tres soluciones conjuntamente, como se ilustra aquí en un modelo del motor del avión de pasajeros V2500.

Fuentes: [ 12 ] [ 13 ]

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Combustores

¿Por qué se necesita una cámara de combustión?

El volumen de aire determina la cantidad de trabajo que se debe realizar para comprimirlo o que se puede obtener durante la expansión. Por lo tanto, se puede obtener más trabajo después de calentar el aire comprimido (debido al mayor volumen del fluido de trabajo ) al expandirlo (en una turbina) que el que se necesitó para comprimirlo. La cámara de combustión calienta el aire y, con la turbina impulsando el compresor, hay un excedente disponible para formar un chorro propulsor (o impulsar una turbina adicional). [ 14 ]

Tipo de cámara de combustión (anular) utilizada en motores modernos, vista posterior mirando hacia el interior donde se encuentra la llama. El flujo de aire se mueve de derecha a izquierda. Cuando se instala en un motor, la abertura anular posterior tiene un anillo de toberas de turbina que aceleran los gases de combustión hacia los álabes de la turbina. [ nb 9 ]
Cámara de combustión en un turbofán con postcombustión Rolls-Royce Turbomeca Adour . El aire se mueve de derecha a izquierda, desde la fila de álabes de salida del compresor (color blanco), a través de la carcasa de la cámara de combustión que la contiene, y hacia la turbina (tobera fija de color naranja, una de varias). [ nb 10 ]

El aire que sale del compresor debe ralentizarse para que se produzca la combustión.

La disminución de la velocidad del aire reduce la pérdida de presión en la cámara de combustión (menor pérdida de presión, menor consumo de combustible). Además, una menor pérdida de presión implica que la combustión se produce a una presión más alta, lo que aumenta la eficiencia de la combustión (menor consumo de combustible). [ 15 ] El aire que sale del compresor se ralentiza inicialmente al entrar en un anillo más grande (véase la imagen adjunta del motor Adour). El aire que entra en la cámara de combustión con el chorro de combustible aún va demasiado rápido para que exista una llama. El frente de llama no se mueve lo suficientemente rápido como para permanecer dentro de la cámara de combustión contra el flujo de aire entrante. Es necesario establecer una zona de combustión protegida con una región de flujo inverso (utilizando un remolino de aire alrededor del chorro de combustible y orificios en la pared de la cámara de combustión). Esto permite que la llama permanezca en una ubicación estable (zona primaria) cerca de las boquillas de combustible y es una fuente de ignición continua para el aire y el combustible entrantes. [ 16 ]

Enfriamiento de la cámara de combustión

Después de que el aire necesario para la combustión ha entrado por la parte frontal de la cámara de combustión, entra más aire a través de numerosos orificios en la pared de la cámara para proporcionar refrigeración a la pared con una película de aire más frío que aísla las superficies metálicas que tienen una barrera térmica protectora. [ 17 ]

Enfriamiento de los gases de combustión para la turbina

Dado que la turbina no puede soportar las temperaturas estequiométricas (una relación de mezcla de alrededor de 15:1) en la zona de combustión, el aire del compresor que queda después de suministrar la zona primaria y la película de enfriamiento de la pared, y que se conoce como aire de dilución, se utiliza para reducir la temperatura del gas a la entrada de la turbina a un nivel aceptable (se utiliza una relación de mezcla global de entre 45:1 y 130:1 [ 18 ] ).

Turbinas

La turbina de 3 etapas en el GE J79. [ nb 11 ]

Debido a que una turbina se expande desde alta a baja presión, no existe el fenómeno de sobretensión o pérdida de sustentación. La turbina requiere menos etapas que el compresor. Los álabes tienen mayor curvatura y las velocidades del flujo de gas son más altas.

Sin embargo, los diseñadores deben evitar que las palas y los álabes de la turbina se fundan en un entorno de alta temperatura y tensión. Por consiguiente, a menudo se utiliza aire comprimido extraído del sistema de compresión para enfriar internamente las palas y los álabes de la turbina. Otras soluciones incluyen materiales mejorados y/o recubrimientos aislantes especiales . Los discos deben tener una forma específica para soportar las altas tensiones impuestas por las palas giratorias. Los materiales mejorados contribuyen a reducir el peso de los discos.

Sistemas de refrigeración

Todos los motores a reacción requieren gas a alta temperatura para un buen rendimiento, lo que generalmente se logra mediante la combustión de hidrocarburos o hidrógeno. Las temperaturas de combustión pueden alcanzar los 3500 K (5841 °F) en los cohetes, muy por encima del punto de fusión de la mayoría de los materiales, pero los motores a reacción convencionales que utilizan aire como combustible emplean temperaturas bastante más bajas.

Se emplean sistemas de refrigeración para mantener la temperatura de las piezas sólidas por debajo de la temperatura de fallo.

Sistemas de aire

Las turbinas de gas cuentan con un sistema de aire secundario fundamental para el funcionamiento del motor. Este sistema proporciona aire de refrigeración a las turbinas, flujo de aire hacia las cavidades de los cojinetes para evitar fugas de aceite y presurización de dichas cavidades para garantizar que las cargas axiales del rotor proporcionen una vida útil aceptable a los cojinetes axiales.

El aire, extraído de la salida del compresor, pasa por la cámara de combustión y se inyecta en el borde del disco giratorio de la turbina. A continuación, el aire de refrigeración circula por complejos conductos dentro de los álabes de la turbina. Tras disipar el calor del material de los álabes, el aire (ahora bastante caliente) se ventila, a través de orificios de refrigeración, hacia la corriente principal de gas. El aire de refrigeración para los álabes de la turbina sigue un proceso similar.

Enfriar el borde de ataque del álabe puede resultar difícil, ya que la presión del aire de refrigeración justo dentro del orificio de refrigeración puede ser muy similar a la del flujo de gas incidente. Una solución consiste en incorporar una placa de cubierta en el disco. Esta actúa como un compresor centrífugo para presurizar el aire de refrigeración antes de que entre en el álabe. Otra solución es utilizar un sello de borde de turbina ultraeficiente para presurizar la zona por donde pasa el aire de refrigeración hacia el disco giratorio.

Las juntas se utilizan para evitar fugas de aceite, controlar el aire para la refrigeración y evitar que el aire se filtre en las cavidades de la turbina.

Una serie de juntas (por ejemplo, de tipo laberinto) permiten que un pequeño flujo de aire de purga lave el disco de la turbina para extraer el calor y, al mismo tiempo, presurizar la junta del borde de la turbina para evitar que los gases calientes entren en la parte interna del motor. Otros tipos de juntas son hidráulicas, de cepillo, de carbón, etc.

También se utilizan pequeñas cantidades de aire de purga del compresor para enfriar el eje, las cubiertas de la turbina, etc. Asimismo, se emplea aire para mantener la temperatura de las paredes de la cámara de combustión por debajo de la temperatura crítica. Esto se logra mediante orificios de ventilación primarios y secundarios que permiten que una fina capa de aire cubra las paredes internas de la cámara, evitando así un calentamiento excesivo.

La temperatura de salida depende del límite superior de temperatura de la turbina, que a su vez depende del material. Reducir la temperatura también previene la fatiga térmica y, por consiguiente, las fallas. Los accesorios también pueden requerir sus propios sistemas de refrigeración, utilizando aire del compresor o aire exterior.

El aire procedente de las etapas del compresor también se utiliza para calentar el ventilador, para el sistema antihielo del fuselaje y para la calefacción de la cabina. La etapa de la que se extrae el aire depende de las condiciones atmosféricas a esa altitud.

Sistema de control

Los motores a reacción se controlan mediante sistemas de control electrónico digital de plena autoridad . El empuje del motor debe mantenerse o variarse a voluntad del piloto mediante la modificación del flujo de combustible. Sin embargo, esto debe hacerse sin exceder ningún límite que pueda dañar el motor o provocar una parada de la llama (es necesario mantener una mezcla combustible en las cámaras de combustión para evitar una parada de la llama por mezcla pobre o rica). Antes del desarrollo de los sistemas de control electrónico de motores, se utilizaban unidades hidromecánicas complejas para cumplir con estos requisitos.

Encendido

Normalmente, el sistema de combustión cuenta con dos bujías de encendido ubicadas en posiciones diferentes. Se utiliza una chispa de alto voltaje para encender los gases. Este voltaje se almacena a partir de una fuente de bajo voltaje (generalmente 28  V CC) proporcionada por las baterías de la aeronave. Se acumula hasta alcanzar el valor adecuado en los excitadores de encendido (similares a las bobinas de encendido de los automóviles) y luego se libera como una chispa de alta energía. Dependiendo de diversas condiciones, como volar bajo fuertes lluvias, el encendedor continúa generando chispas para evitar que la combustión falle si la llama se apaga. Por supuesto, en caso de que la llama se apague, debe existir un sistema para volver a encenderla. Existe un límite de altitud y velocidad para que un motor pueda lograr un reencendido satisfactorio.

Por ejemplo, el General Electric F404-400 utiliza un encendedor para la cámara de combustión y otro para el postquemador; el sistema de encendido para el A/B incorpora un sensor de llama ultravioleta para desactivar el encendedor una vez que se detecta el encendido con un mínimo de combustible.

La mayoría de los sistemas de encendido modernos proporcionan suficiente energía (20-40  kV) como para suponer un peligro letal si una persona entra en contacto con el cable eléctrico cuando se activa el sistema, por lo que la comunicación en equipo es vital al trabajar con estos sistemas.

Sistema de aceite

Depósito de aceite con tapón de llenado visible. También hay un indicador de nivel, aunque no es visible.
En el centro de la imagen se encuentra un enfriador de aceite refrigerado por aire (intercambiador de calor). El aire frío entra por la abertura de la izquierda y pasa a través del intercambiador de calor, que enfría el aceite.
Supresor de llamas (centro) para el aire que ha pasado a través del separador de aire/aceite en el extremo del pozo de baja presión. [ 19 ]
Los 5 tubos pequeños, en la parte inferior central de la imagen, son tubos de drenaje de aceite y combustible, abiertos en la parte inferior para eliminar las fugas de fluidos. [ 20 ]

El aceite se utiliza para lubricar y enfriar cojinetes y engranajes, para enfriar las superficies internas de los compartimentos calientes de los cojinetes y para mantener limpio el sistema haciéndolo pasar por filtros. También se utiliza como película lubricante en los cojinetes principales. [ 21 ]

El aceite se pierde del sistema en forma de neblina a través del respiradero exterior (válvula de ventilación) y también por goteo debido a las fugas en los sellos de los ejes de transmisión de los accesorios.

Funciones del sistema

Fuente: [ 22 ]

  • Almacenamiento: en el tanque de petróleo,
  • Distribución: suministra aceite a presión a los cojinetes y engranajes, eliminando el calor y los residuos, filtra los residuos y enfría el aceite utilizando combustible y aire de derivación.
  • Barrido: elimina el aceite de los compartimentos de los cojinetes y lo devuelve al tanque.
  • Ventilación: elimina el aire y la neblina de aceite de los compartimentos de los cojinetes, separa el aceite hacia el tanque y el aire hacia el exterior a través de un respiradero.
  • Indica la cantidad de aceite en el tanque, la presión del aceite, la temperatura del aceite, la presencia de partículas en los detectores de virutas y los residuos en el filtro que se manifiestan como una obstrucción en desarrollo.

Ruta seguida por el petróleo

El aceite comienza su recorrido en el depósito. Una bomba (de presión) lo impulsa a través de todos los conductos que llegan a los cojinetes y engranajes. Sale a presión por pequeños orificios (chorros) que apuntan a ellos dentro de sus compartimentos sellados (cámaras o cárteres). El aceite los lubrica y enfría, calentándose a su vez. También se introduce en el pequeño espacio alrededor del cojinete, donde se comprime cuando este intenta moverse radialmente. Esta película de aceite reduce (amortigua) la intensidad con la que el eje soportado (en caso de desequilibrio) vibra el motor.

La neblina de aceite que se arremolina alrededor del cojinete "ve" vías de escape muy estrechas alrededor del eje por donde atraviesa las paredes del cárter, pero en su mayor parte es retenida por el aire entrante (de sellado).

El aceite se drena del cárter y pasa por un imán (el detector de partículas) que atrae cualquier residuo magnético. Luego, mediante bombas de recuperación, se bombea junto con el aire que lo selló en el cárter, y posteriormente a través de un filtro que retiene cualquier residuo presente.

El aceite caliente se enfría haciéndolo pasar por tubos con combustible frío en el otro extremo (intercambiador de calor combustible/aceite). Si el aceite aún está demasiado caliente, pasa por tubos con aire frío en el otro extremo (intercambiador de calor aire/aceite) en el conducto de derivación.

El aire de sellado debe eliminarse, pero con la menor cantidad posible de neblina de aceite. La mayor parte del aceite se separa del aire (centrifugación) y regresa al depósito. El aire sale del motor a través de un respiradero. El aceite que se escapa por el respiradero contribuye al consumo de aceite del motor. [ 23 ]

Las rejillas de ventilación se encuentran en la caja de cambios de los motores Rolls-Royce y Pratt & Whitney. El aire de ventilación utiliza el eje hueco del ventilador en los motores CFM. [ 24 ] Pasa a través de un parallamas antes de salir del motor por la punta del cono de escape.

Las fugas de aceite en los sellos del eje de transmisión de accesorios son otro factor que contribuye al consumo de aceite. Por ejemplo, el máximo permitido es de 3 gotas por minuto en los sellos de carbono.

Modelo a escala 1/4 del J57 que muestra la ubicación del cárter para el cojinete de empuje del rotor HP (2 filas de bolas [ 25 ] ) y el engranaje cónico adyacente que debe ubicarse con precisión para su engranaje de transmisión radial acoplado.

Cárter de toma de fuerza

Uno de los cárteres de los cojinetes también incluye los engranajes (por lo que a veces se denomina caja de cambios interna) que toman fuerza del carrete para accionar una caja de cambios de accesorios situada en el exterior del motor.

La toma de fuerza para la transmisión de accesorios es un engranaje cónico ubicado específicamente junto al cojinete de empuje (de bolas) del eje para minimizar el movimiento no deseado en relación con su engranaje cónico radial del eje de transmisión correspondiente. [ 26 ]

Este cárter puede incluir los cojinetes de empuje para todos los ejes, así como la transmisión radial de accesorios. Por ejemplo, 3 rodamientos de bolas en el motor Rolls-Royce Trent de 3 ejes que utiliza el eje IP para la caja de cambios externa, y 2 rodamientos de bolas en el motor CFM International LEAP de 2 ejes con transmisión de accesorios desde el eje HP.

tomas de aire

La toma de aire (entrada US [ 27 ] ) es un conducto aerodinámico que se extiende desde un borde de entrada hasta el ventilador/compresor del motor. Para tomas supersónicas con geometría variable, se denomina sistema de admisión, en referencia a la necesidad de gestionar la onda de choque y el flujo interno del conducto mediante superficies de posición variable (rampas o conos) y compuertas de derivación. [ 28 ] El conducto puede formar parte de la estructura del fuselaje con un borde de entrada en varias ubicaciones (nariz del avión - Corsair A-7 , lateral del fuselaje - Dassault Mirage III ), o estar ubicado en una góndola del motor unida al fuselaje ( Grumman F-14 Tomcat , Bombardier CRJ ) o al ala ( Boeing 737 ).

Entradas subsónicas

Modos de funcionamiento de la toma de Pitot

Las tomas de Pitot se utilizan en aeronaves subsónicas. Una toma de Pitot no es más que un tubo con un carenado aerodinámico a su alrededor.

Cuando una aeronave está parada y no hay viento, el aire se aproxima a la toma de aire desde todas las direcciones: directamente de frente, desde los lados y desde atrás.

A bajas velocidades, el tubo de corriente que se aproxima al borde tiene una sección transversal mayor que el área de flujo del borde, mientras que al número de Mach de diseño de la entrada, ambas áreas de flujo son iguales. A altas velocidades, el tubo de corriente es más pequeño y el exceso de aire se derrama alrededor del borde.

El redondeo del borde evita la separación del flujo y la distorsión de la entrada del compresor a bajas velocidades durante el funcionamiento con viento cruzado y la rotación de despegue.

Labio de admisión delgado y redondeado

Entradas supersónicas

Las tomas de aire supersónicas aprovechan las ondas de choque para desacelerar el flujo de aire hasta alcanzar una condición subsónica a la entrada del compresor.

Básicamente existen dos tipos de ondas de choque:

  1. Las ondas de choque normales se sitúan perpendiculares a la dirección del flujo. Estas ondas tienden a provocar una gran caída de la presión de estancamiento . Cuanto mayor sea el número de Mach supersónico de entrada a una onda de choque normal, menor será el número de Mach subsónico de salida y más fuerte será la onda de choque (es decir, mayor será la pérdida de presión de estancamiento a través de la onda).
  2. Las ondas de choque cónicas (tridimensionales) y oblicuas (bidimensionales) se dirigen hacia atrás, como la ola de proa de un barco, y se originan en una perturbación del flujo, como un cono o una rampa. Para un número de Mach de entrada dado, son más débiles que la onda de choque normal equivalente y, aunque el flujo disminuye su velocidad, permanece supersónico en todo momento. Las ondas de choque cónicas y oblicuas desvían el flujo, que continúa en la nueva dirección hasta que encuentra otra perturbación aguas abajo. Nota: Los comentarios sobre las ondas de choque cónicas tridimensionales generalmente también se aplican a las ondas de choque oblicuas bidimensionales.

Una versión de labio afilado de la toma de aire Pitot, descrita anteriormente para aplicaciones subsónicas, funciona bastante bien a velocidades de vuelo supersónicas moderadas. Una onda de choque normal separada se forma justo delante del labio de la toma de aire y "comprime" el flujo hasta una velocidad subsónica. Sin embargo, a medida que la velocidad de vuelo aumenta a números Mach más altos, la onda de choque se vuelve más fuerte, lo que provoca una mayor disminución porcentual en la presión de estancamiento (es decir, una peor recuperación de la presión). Un caza supersónico estadounidense de los primeros tiempos, el F-100 Super Sabre , utilizaba una toma de aire de este tipo. También se encuentran en diseños de aviones de combate más modernos, como el F-16 Fighting Falcon y el F/A-18 Hornet , que operan principalmente a velocidades subsónicas y transónicas con breves vuelos supersónicos, y por lo tanto se eligen por su ligereza y simplicidad debido a su geometría fija.

Un labio sin barrido genera una onda de choque, que se refleja varias veces en la entrada. Cuantas más reflexiones haya antes de que el flujo se vuelva subsónico, mejor será la recuperación de presión.

Tomas de aire supersónicas más avanzadas, excluyendo los tubos Pitot:

a) Aprovechar una combinación de ondas de choque cónicas y ondas de choque normales para mejorar la recuperación de presión a altas velocidades de vuelo supersónico. Las ondas de choque cónicas se utilizan para reducir el número de Mach supersónico al entrar en la onda de choque normal, reduciendo así las pérdidas totales resultantes.

b) tener un número de Mach de vuelo de choque en el labio, donde la(s) onda(s) de choque cónica/oblicua(s) interceptan el labio de la cubierta, lo que permite que el área de captura del tubo de corriente sea igual al área del labio de admisión. Sin embargo, por debajo del número de Mach de vuelo de choque en el labio, el/los ángulo(s) de la onda de choque son menos oblicuos, lo que provoca que la línea de corriente que se aproxima al labio se desvíe por la presencia del cono/rampa. En consecuencia, el área de captura de admisión es menor que el área del labio de admisión, lo que reduce el flujo de aire de admisión. Dependiendo de las características del flujo de aire del motor, puede ser conveniente disminuir el ángulo de la rampa o mover el cono hacia atrás para reenfocar las ondas de choque en el labio de la cubierta y maximizar el flujo de aire de admisión.

c) están diseñados para tener una onda de choque normal en el conducto aguas abajo del borde de admisión, de modo que el flujo en la entrada del compresor/ventilador sea siempre subsónico. Esta admisión se conoce como entrada de compresión mixta. Sin embargo, surgen dos dificultades para estas admisiones: una ocurre durante la reducción de potencia del motor, mientras que la otra ocurre cuando cambia la velocidad (o Mach) de la aeronave. Si se reduce la potencia del motor, hay una reducción en el flujo de aire corregido (o adimensional) del compresor/ventilador de baja presión, pero (en condiciones supersónicas) el flujo de aire corregido en el borde de admisión permanece constante, porque está determinado por el número Mach de vuelo y la incidencia/guiñada de la admisión. Esta discontinuidad se supera cuando la onda de choque normal se mueve a un área de sección transversal menor en el conducto, para disminuir el número Mach en la entrada de la onda de choque. Esto debilita la onda de choque, mejorando la recuperación de la presión general de admisión. Por lo tanto, el flujo de aire absoluto permanece constante, mientras que el flujo de aire corregido en la entrada del compresor disminuye (debido a una mayor presión de entrada). El exceso de flujo de aire de admisión también puede ser expulsado al exterior o al sistema de escape, para evitar que las ondas de choque cónicas u oblicuas se vean alteradas por el choque normal que se desplaza demasiado hacia adelante debido a la aceleración del motor.

La segunda dificultad surge cuando cambia el número Mach de la aeronave. El flujo de aire debe ser el mismo en el borde de entrada, en la garganta y en el motor. Esta afirmación es consecuencia de la conservación de la masa . Sin embargo, el flujo de aire generalmente no es el mismo cuando cambia la velocidad supersónica de la aeronave. Esta dificultad se conoce como el problema de igualación del flujo de aire, que se resuelve con diseños de entrada más complejos que los típicos de las entradas subsónicas. Por ejemplo, para igualar el flujo de aire, una garganta de entrada supersónica puede hacerse variable y parte del aire puede desviarse alrededor del motor y luego bombearse como aire secundario mediante una tobera eyectora. [ 29 ] Si el flujo de entrada no está igualado, puede volverse inestable, con la onda de choque normal en la garganta moviéndose repentinamente hacia adelante más allá del borde, lo que se conoce como pérdida de entrada . [ 30 ] La resistencia por derrame es alta y la recuperación de presión baja, con solo una onda de choque plana en lugar del conjunto normal de ondas de choque oblicuas. En la instalación del SR-71, el motor continuaría funcionando aunque a veces ocurría una explosión del postquemador. [ 31 ]

Cuchara Ferri

Una toma de aire tipo Ferri, que utilizaba un labio prominente y en flecha hacia adelante, una configuración también utilizada para las tomas de aire de la raíz del ala. [ 32 ] Entre los aviones notables que utilizaron este ejemplo se encuentran el Republic AP-75, el XF-103 , el F-105 , el XF8U-3 y el misil de crucero SSM-N-9 Regulus II . [ 33 ]

Cono de entrada

Muchos aviones de combate supersónicos de segunda generación incorporaban un cono de entrada de aire , que se utilizaba para generar la onda de choque cónica. Este tipo de cono de entrada de aire se aprecia claramente en la parte frontal de los aviones English Electric Lightning y MiG-21 , por ejemplo.

Se puede utilizar el mismo método para las tomas de aire montadas en el lateral del fuselaje, donde un medio cono cumple la misma función que una toma de aire semicircular, como se ve en el F-104 Starfighter y el BAC TSR-2 .

Algunas tomas de aire son bicónicas ; es decir, presentan dos superficies cónicas: al primer cono se le suma una segunda superficie cónica, menos oblicua, que genera una onda de choque cónica adicional que se irradia desde la unión entre ambos conos. Una toma de aire bicónica suele ser más eficiente que una toma de aire cónica equivalente, ya que el número de Mach de entrada a la onda de choque normal se reduce debido a la presencia de la segunda onda de choque cónica.

La entrada del SR-71 tenía una espiga cónica móvil que controlaba las posiciones de la onda de choque para lograr la máxima recuperación de presión. [ 34 ]

Rampa de entrada

Para las tomas de aire rectangulares, la forma equivalente de generar el sistema de choque necesario, en comparación con las tomas de aire cónicas circulares, es mediante el uso de rampas. Una rampa provoca una desviación abrupta del flujo de aire en el flujo supersónico, al igual que la presencia de una superficie cónica.

Se utilizaron dos rampas verticales en la toma de aire del F-4 Phantom , la primera con un ángulo de cuña fijo de 10 grados y la segunda con una deflexión adicional variable por encima de Mach 1.2. [ 35 ] Se utilizaron rampas horizontales en las tomas de aire del Concorde . Algunos diseños tienen un área de captura variable, como en el F-15 Eagle .

Las tomas de aire más modernas, del tipo "caret", como las del F-22 Raptor , cuentan con rampas y cubiertas fijas que se desplazan en múltiples ejes para generar ondas de choque oblicuas, cuyas posiciones se ajustan mediante la presión aguas abajo. Esta geometría fija mejora las características de sigilo y la capacidad de supervivencia de la aeronave.

entrada supersónica sin desviador

Una evolución y optimización adicional de la toma de aire Ferri, la entrada supersónica sin deflectores (DSI) consta de una protuberancia y una cubierta de entrada inclinada hacia adelante, que trabajan en conjunto para desviar el flujo de aire de la capa límite lejos del motor de la aeronave, al tiempo que generan una estructura de choque tridimensional para comprimir el aire y reducir su velocidad supersónica. Esto permite eliminar los sistemas de purga y derivación, ahorrando así peso y costes. La DSI puede utilizarse para reemplazar los métodos convencionales de control del flujo de aire supersónico y de la capa límite.

A velocidades de hasta Mach 2, el DSI logra un rendimiento de recuperación de presión relativamente decente y puede usarse para reemplazar la rampa de admisión y el cono de entrada , que son más complejos, pesados ​​y costosos. La primera aplicación de producción del DSI es en el F-35 Lightning II [ 36 ].

Puertas de soplado

Las compuertas de soplado (o de succión) son paneles accionados por resorte en las tomas de aire de los primeros motores a reacción (como en los Boeing 707, [ 37 ] los primeros 737 y los Harrier) que se abren a bajas velocidades y alto empuje (despegue/aterrizaje) para proporcionar un flujo de aire adicional, evitando la entrada en pérdida del motor y reduciendo el ruido de admisión, una solución de compromiso que no se encuentra en los motores modernos a medida que evolucionaron sus diseños. Funcionan por presión negativa, esencialmente "inyectando" aire cuando el motor demanda más de lo que la velocidad del aire disponible puede proporcionar, y luego cerrándose a medida que aumenta la velocidad. [ 38 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Nótese la gran diferencia de tamaño del núcleo en comparación con la parte delantera del motor (porque pasa 8 veces más aire alrededor del núcleo que a través de él).
  2. ↑ A. Ventilador y su turbina (turquesa) B. Generador de gas (amarillo) produce gas de alta energía para accionar el ventilador y proporcionar una pequeña cantidad de empuje C. Góndola (verde) incluye entrada, conducto de derivación, inversor de empuje (no se muestra) 1. Entrada de aire para el generador de gas y aire de derivación 2. Ventilador 3. Compresor de refuerzo para el generador de gas 4/5/6. Componentes del generador de gas: compresor/cámara de combustión/turbina 7. Turbina para el ventilador y el compresor de refuerzo 8. Escape del generador de gas 9. Salida de aire de derivación
  3. ↑ Este modelo muestra el ventilador, compresor de baja presión de 4 etapas, generador de gas con compresor de alta presión de 10 etapas, cámara de combustión y turbina de alta presión de 2 etapas, ventilador/turbina compresora de baja presión de 5 etapas.
  4. ↑ Vista desde la perspectiva de un pasajero que muestra por dónde sale el aire del ventilador del lateral del motor, después de que su trayectoria normal se haya bloqueado. Sale a través de la rejilla negra, donde se dirige hacia adelante. La aeronave se mueve hacia la izquierda.
  5. ↑ Nótese que el diámetro del motor es apenas perceptiblemente mayor que el de la parte delantera porque solo la mitad del aire pasa por el núcleo.
  6. ↑ Nótese que la entrada está desplazada con respecto al motor, con un conducto que se curva hacia arriba hasta el ventilador del motor.
  7. ↑ Nótese la presencia de los estabilizadores radiales. Deben enfriarse con aire que fluye radialmente hacia el interior desde el conducto de derivación.
  8. ↑ El aire se mueve de izquierda a derecha. Cada etapa del compresor consta de una hilera de álabes de rotor que le dan al aire una velocidad tangencial, seguida de una hilera fija de álabes de estator que lo desaceleran y aumentan su presión estática. La carcasa superior que sostiene los estatores se ha retirado para mostrar los álabes del rotor. En la carcasa inferior se ven las palancas de accionamiento de las seis etapas de estatores variables. Los álabes y el paso del aire se estrechan de izquierda a derecha porque el volumen de cada libra de aire disminuye a medida que el aire se comprime de 1 atmósfera a 12.
  9. ↑ La cámara de combustión se aloja en una carcasa que debe resistir la presión del aire que sale del compresor, la presión de gas más alta del motor. La presión exterior es la presión ambiente, por lo que la carcasa está sometida a la presión total del motor.
  10. ↑ La disminución de la velocidad del aire al entrar en la cámara de combustión es visualmente evidente al comparar la altura del álabe de salida del compresor y el paso ensanchado en la carcasa de la cámara de combustión (se ha difundido debido al aumento del área de flujo).
  11. ↑ Cada etapa consta de un anillo fijo de álabes guía de la boquilla, seguido de palas giratorias. El gas se mueve de izquierda a derecha y se han retirado el segundo y el tercer anillo de álabes para mostrar mejor las palas. El primer anillo muestra la forma de los álabes y cómo desvían el gas de la cámara de combustión en la dirección tangencial necesaria para hacer girar el disco de álabes.

Referencias

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