Motores a Reacción | Funcionamiento – Ciclo Brayton

Principios básicos de funcionamiento

La parte de la Mecánica que estudia la relación entre las fuerzas y los movimientos que provocan se denomina DINÁMICA. La Dinámica se basa en tres Principios fundamentales que fueron enunciados por Isaac Newton:

  • Principio de Inercia (Primera Ley de Newton): Para modificar el estado de reposo o movimiento de un cuerpo, partícula o grupo de partículas es necesario aplicarle una fuerza.
  • Principio de Proporcionalidad entre fuerzas y aceleraciones (Segunda Ley de Newton): la fuerza que actúa sobre un cuerpo, partícula o grupo de partículas es igual a su masa multiplicada por su aceleración.
  • Principio de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton): A toda fuerza se opone otra igual y de sentido contrario. Cuando un cuerpo (partícula o grupo de partículas) interacciona con otro cuerpo (partícula o grupo de partículas), la fuerza que ejerce el primero sobre el segundo es igual y de sentido opuesto a la que este ejerce sobre el primero.

Para que un cuerpo se acelere es necesario aplicarle una fuerza igual y contraria. Si como consecuencia de la fuerza aplicada sobre el cuerpo (avión) este se desplaza en una determinada dirección, debe haber otro cuerpo (gases de escape de motor) que lo haga en sentido contrario.

Se consigue que haya una fuerza aplicada sobre el avión (motor) que lo hace acelerar y/o vencer la resistencia aerodinámica que le opone la atmósfera en la que vuela mediante la variación de la cantidad de movimiento que el motor imprime a los gases que lo atraviesan.

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Los distintos sistemas empleados para hacer mover cualquier móvil disponen para hacerlo de un motor y de un propulsor que, generalmente, se encuentran bien diferenciados. El motor es el encargado de extraer la energía (química) contenida en la fuente que la contiene (combustible) y transformarla en energía mecánica. El propulsor es el encargado de transformar esa energía mecánica proporcionada por el motor en energía cinética.

Los motores a reacción usados en aviación son a la vez motores y propulsores

(“motopropulsores”), ya que transforman directamente la energía química contenida en el combustible en energía cinética del chorro de gases que sale del motor y que es la que propulsa al avión en sentido contrario. Se denominan Grupos Motopropulsores a los formados por la combinación de un motor (generador de energía) y un propulsor (encargado de ejercer la fuerza de propulsión).

Los motores a reacción (turborreactores) puede dividirse en:

  • Autónomos: aquellos que no necesitan tomar ningún elemento del ambiente en que operan para realizar la reacción química que los propulsa porque su composición les permite actuar en solitario (cohetes).
  • No autónomos: precisan del aire (oxidante o comburente) para reaccionar químicamente con el combustible (motores empleados en aviación).
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Los elementos básicos de todo Turborreactor son: conducto de admisión, sección de compresión, difusor pre‐cámara(s), cámara(s) de combustión, sección de turbina y tobera de escape (salida). El principio de funcionamiento general de todos los motores a reacción es el siguiente:

  • El aire en la entrada del motor se comprime debido a su velocidad y cambio de dirección al atravesar el conducto de admisión.
  • Los compresores, movidos a través de ejes internos por las turbina, elevan la presión del aire aún más.
  • El aire comprimido se desacelera al ingresar por el difusor pre‐cámaras de manera de que cuando ingrese a la cámara de combustión pueda mezclarse con el combustible y producir la mezcla óptima que una vez encendida elevará la temperatura de los gases producto de la combustión.
  • Los gases de combustión, a una elevada presión y temperatura, pasan por las turbinas en donde se expanden y parte de esos gases se extraen para mover los compresores, caja de accesorios del motor, etc.
  • Finalmente los gases de escape se terminan de expandir en la tobera de salida en donde se aceleran y al incrementar la cantidad de movimiento respecto al aire de entrada generan una fuerza de empuje que propulsará al avión.

La admisión y la sección de compresión constituyen la zona fría (“Cold Section”) del motor y las cámaras de combustión, sección de turbinas y tobera es la zona caliente (“Hot Section”) del motor. El proceso termodinámico mediante el cual el motor de reacción realiza el funcionamiento descrito se puede representar mediante el ciclo (“BRAYTON”).

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• “0 – 1”: Compresión (adiabática, sin adición de calor) hasta la entrada en el compresor (incluyendo la compresión dentro del conducto de admisión del motor).

• “1 – 2”: Compresión (adiabática) en el compresor y difusor pre‐cámara.

• “2 – 3”: Combustión a presión constante en la cámara.

• “3 – 4”: Expansión (adiabática) en la sección de turbinas.

• “4 – 5”: Expansión (adiabática) final en la tobera de salida.

• “5 – 0”: Exclusivamente ideal y a efectos de completar el ciclo. Significa que los gases de escape se han devuelto a la atmósfera y por tanto su presión será la atmosférica.

A los fines de realizar una comparación con los motores recíprocos, en el gráfico se representan los ciclos OTTO y BRAYTON. En el caso de los primeros, se puede observar como el factor de partida es la velocidad de funcionamiento del motor (RPM: Revolutions Per Minute), mientras que en el caso de los reactores la presión es determinante para poder calcular la relación de empuje entre la entrada y salida (EPR: Engine Pressure Ratio).

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Sistemas de incremento de empuje

Existen básicamente dos métodos para incrementar el empuje de los motores de reacción:

  • Inyección de agua
  • Postcombustión.

Inyección de agua (desmineralizada): el empuje de un motor de reacción es producido por su capacidad para incrementar la cantidad de movimiento del gas que lo atraviesa, es decir, el empuje depende de la masa (de aire) que es capaz de eyectar a mayor velocidad. Por lo tanto siempre uno de los factores que hacen incrementar el empuje cuando se inyecta agua en el motor es por la masa de agua y por su velocidad de eyección (igual que la del resto de los gases que expulsa el motor).

El agua se inyecta en el motor en uno de los siguientes puntos:

  • Entrada del compresor.
  • Difusor pre‐cámara.
  • Cámara de combustión.

Cuando se inyecta agua a la entrada del compresor el agua pulverizada se vaporiza quitando calor a la masa de aire que entra en el compresor, enfriándose y aumentado la densidad (aumenta la masa del aire que mueve el compresor y el motor). Es decir,

incrementa el empuje porque aumenta la masa eyectada por el motor. Además, disminuye la temperatura a lo largo del motor, por lo tanto, la temperatura en la entrada de la turbina también disminuye y de esta manera estaremos perdiendo parte de la capacidad que tiene el motor para generar empuje.

Por lo dicho anteriormente, en lugar de inyectar solamente agua, se suele inyectar una mezcla de agua‐metanol (70% de agua y 30% de metanol), con lo que se consiguen dos efectos importantes:

-Se evitan posibles problemas de engelamiento del agua inyectada en el motor porque el metanol añadido rebaja el punto de congelación de la mezcla agua-metanol.

-Al quemarse el metanol en las cámaras de combustión se restablece la temperatura de entrada en la turbina, o sea, se restaura el nivel inicial de empuje sin necesidad de emplear más combustible.

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Si se inyecta agua en las cámaras se incrementa la masa que se descarga a través de la turbina y tobera y con ello aumenta la presión.

La reducción de la temperatura de entrada en turbina es compensada por la unidad de  control de combustible. Al actuar las bombas de inyección la unidad de control recibe la señal de que se ha conectado la inyección de agua-metanol y regulando la cantidad de combustible  que permita compensar y mantener la temperatura dentro de límites.

Mediante el empleo de la inyección de agua se consigue incrementar el empuje entre un 10% y un 35%, incluso con temperaturas ambiente más elevadas. Sin embargo también se incrementa el consumo específico porque la unidad de control de combustible, compensa con combustible adicional la reducción de la temperatura de las turbinas ocasionada por la inyección de agua.

Por este motivo, la inyección de agua se emplea solamente para despegues durante un tiempo limitado y cuando las condiciones del aeropuerto y avión lo requieran (operaciones en las que sea necesario incrementar el empuje, ya sea por elevación, temperatura, peso, entre otras).

Postcombustión: es el método de incremento de empuje empleado para motores que equipen aviones con capacidad para vuelo supersónico. Al hablar de la combustión se vio que solamente el 25% del aire que entra en el motor se emplea para quemar el combustible. El resto (75%) sale de la tobera del motor mezclado con los gases generados en la combustión. De esta manera, todavía hay un gran porcentaje de aire que puede utilizarse para la “extra combustión”. Esta es la base de la postcombustión.

Un postquemador consiste en una enorme cámara de combustión tubular finalizada en una tobera propulsora (de área de salida variable o de doble posición) que se conecta a la salida de la turbina del motor.

El combustible que se inyecta en el postquemador llega a los anillos inyectores que lo atomizan y mezclan con la corriente de aire‐gases que lo atraviesa. Así se consigue elevar la temperatura de los gases de salida (puede exceder los 1.700º C) y aumentar considerablemente su velocidad de salida y el empuje.

Los anillos inyectores se disponen de forma que la llama y los gases más calientes se concentren en el centro de la cámara, mientras que los gases más fríos, procedentes de la salida de turbina del motor o del flujo secundario si se trata de un motor de doble flujo, circulen por la periferia manteniendo a salvo la temperatura de la pared del postquemador.

A la salida de la turbina los gases tienen una velocidad alta por lo que antes de llegar a la zona de combustión pasan por una zona de difusión que reduce su velocidad e incrementa su presión. A pesar de esto la velocidad en la zona de difusión sigue siendo alta y, como la velocidad de propagación de la llama del combustible es de unos pocos pies por segundo, la llama podría apagarse. Para evitar esto se colocan debajo de los inyectores, unos perfiles estabilizadores de llama que crean una pequeña turbulencia que reduce más la velocidad del gas y la llama se estabiliza.

Al final del tubo del postquemador se sitúa la tobera propulsora, en la que el área de salida permanece en su posición más cerrada mientras no funcione el postquemador.

Cuando el postquemador funciona el área de salida de la tobera se abre más para dejar pasar una mayor masa de gas a mayor velocidad que cuando no funciona el postquemador.

El uso del postquemador debe restringirse a periodos muy breves por su alto consumo de combustible (puede ser entre 2 y 4 veces mayor al consumo normal).

Los postquemadores permiten incrementos de hasta un 70% de empuje (estático) en turborreactores de doble flujo y bajo índice de derivación además de que puede emplearse como una reserva de empuje para la aceleración transónica (atravesar la “barrera del sonido”), como para mejorar las performances del motor en el despegue o en condiciones en las que se necesita mucha energía (combate aéreo).

Factores influyentes y tipos de empuje

El empuje es la suma de tres fuerzas:

  • Fuerza debida a la variación de la cantidad de movimiento de la masa de aire por unidad de tiempo (gasto de aire) que atraviesa el motor
  • Fuerza debida a la variación de la cantidad de movimiento de la masa de combustible que se inyecta en el motor por unidad de tiempo (gasto de combustible), o sea, el producto del gasto de combustible por la velocidad del combustible a la salida del motor.
  • Fuerza debida a la diferencia entre las fuerzas de presión en el área de salida del motor y las fuerzas de presión en el área de entrada del motor.

Al hablar de empuje debemos diferenciar neto de bruto. Hablamos de empuje neto, cuando la aceleración es producto de la diferencia entre la velocidad del aire de entrada al motor y la de salida. Uno de los instrumentos que nos permite medir esta diferencia es el EPR (Engine Pressure Ratio) que tendrá un valor determinado de acuerdo a altitud, velocidad, temperatura y posición del comando de empuje. Generalmente, para medir la cantidad de empuje, se utilizan las N1 del motor (RPM).

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En el caso del empuje bruto, es aquel que entrega el motor cuando el avión no se está moviendo, cuando está estático. Se considera que el aire de ingreso no tiene velocidad y lo que entrega la aceleración son los gases que abandonan la tobera.

El empuje que el motor proporciona al avión se ve parcialmente contrarrestado por la fuerza exterior (resistencia) que la corriente libre del aire ejerce sobre toda la planta de potencia (motor + góndola). A su vez, la resistencia exterior aumenta con la velocidad de vuelo del avión y la diferencia entre el empuje del motor y la resistencia exterior es lo que denominamos Empuje Efectivo.

Hay cuatro tipos de factores que tienen efecto sobre el empuje:

  • Velocidad de vuelo
  • Factores que afectan a la masa del flujo de aire que atraviesa el motor:

1) Temperatura exterior

2) Presión exterior

3) Altura de vuelo

  • Efecto dinámico (“Ram”)
  • Velocidad de giro del motor (RPM)

Al incrementar la velocidad, el empuje disminuye porque la diferencia de cantidad de movimiento de la masa de aire entre la entrada y salida disminuye (a altos valores de RPM la tobera supera la condición crítica y la velocidad de salida de los gases no puede superar la velocidad local del sonido).

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Cualquier variable que modifique la masa de aire modificará el empuje ya que una de las tres componentes del empuje es directamente proporcional al gasto (aire, presión, combustible).

Al aumentar la temperatura ambiente disminuye el empuje. El aire se hace menos denso y un mismo volumen de aire contiene menos masa disminuyendo el gasto de aire.

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Al aumentar la presión ambiente se incrementa el empuje. Un aumento de la presión ambiente incrementa la densidad del aire y por tanto el gasto de aire aumenta.

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Al aumentar la altura de vuelo el empuje disminuye ya que la presión, temperatura y densidad disminuyen hasta los 11Km en donde comienza la estratosfera y en ella la temperatura permanece casi constante hasta los 26 Km. La disminución del empuje por la disminución de presión es mayor que el incremento que éste tiene por la disminución de la temperatura ya que en el caso de la disminución de temperatura, generan un aumento de densidad, pero ese aumento de densidad se ve contrarrestado por una disminución de la presión.

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El efecto dinámico (“Ram”) de la velocidad del avión hace que el empuje aumente con la velocidad de vuelo. El aumento de la velocidad de vuelo hace que se incremente la presión total (estática más dinámica) a la entrada del motor.

El incremento de presión total a la entrada del motor produce un incremento de la masa de aire que entra en el motor (gasto de aire) y de la velocidad de salida de los gases de escape. Eso se traduce en un incremento de empuje.

Habíamos visto antes que el aumento de la velocidad de vuelo hacía disminuir el empuje por disminuir la diferencia entre las velocidades salida y entrada en el motor Combinados el efecto dinámico (aumento de empuje) con el efecto de reducción de la diferencia entre las velocidades de entrada y salida en el motor (disminución de empuje) da como resultado un incremento total de empuje que se va haciendo más fuerte a partir de una cierta velocidad.

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El empuje aumenta con las revoluciones del motor (RPM). Es la única variable (de todas las vistas hasta aquí) que depende exclusivamente del propio motor. El empuje es función de los flujos (gastos) de aire y combustible en el motor.

El consumo de combustible es comandado por la unidad de control de combustible a través del comando de empuje. Al acelerar el incremento de inyección de combustible provoca un incremento de presión y temperatura en las cámaras de combustión y como consecuencia un incremento de las RPM del motor y de esta manera aumentará el flujo de aire que circula en el motor incrementando el empuje.

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En definitiva, las dos variables externas al motor que más influyen sobre el empuje son la presión y temperatura. Con las RPM controlamos el empuje del motor.

Las “performances” del motor aumentan su eficacia con la velocidad de vuelo (efecto dinámico) y con la altura de vuelo (disminuye la resistencia aerodinámica y el consumo específico de combustible mejorando el rendimiento general del motor) pero a cierta altura de vuelo ocurre que el empuje y el rendimiento propulsivo del motor disminuyen considerablemente.

La altura máxima de operación (techo absoluto) de un avión es aquella en que se igualan el máximo empuje disponible con la resistencia aerodinámica al avance.

Factores que afectan al consumo específico

El Consumo Específico de combustible (“Thrust Specific Fuel Consumption” o “TSFC”) es la relación entre el consumo de combustible y el empuje neto que proporciona un motor. El consumo específico de combustible estará afectado por todas las variables que afecten al consumo de combustible y/o al empuje:

  • Aumenta con la velocidad de vuelo
  • Disminuye con la altura de vuelo
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El consumo de combustible es proporcional al gasto de aire en el motor y el gasto de aire sufre un incremento constante con las RPM por lo tanto el consumo de combustible también crecerá de forma constante con las RPM. A partir del momento en que las RPM crezcan más que el empuje el consumo de combustible comenzará a disminuir rápidamente.

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