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Turbinas, TI-3436 Docente: Pedro J. Boschetti

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Componentes principales de la turbina de gas Sistema de admisión,

Toma de aire o nácela (Inlet) Compresor (compressor) Cámara de combustión (Burner or Combustion chambers) Turbina (Turbine) Sistema de Escape (Nozzle or Exhaust system) Turbinas, TI-3436

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Componentes principales de la turbina de gas

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Toma de aire (Inlet)  El sistema de admisión debe dar el libre paso de aire atmosférico a la

turbina evitando caídas de presión o variaciones del flujo másico a pesar de cambios en el ángulo de ataque, ángulo de deslizamiento  El sistema de admisión no forma parte del motor, este es fabricado por el fabricante de la aeronave  El sistema de admisión esta directamente relacionado con la ubicación del motor, ya que este debe “llevar” el aire atmosférico hasta la entrada del compresor

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Sistema de admisión [Ubicación del motor y la toma de aire]

[Raymer (1989)] Turbinas, TI-3436

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Sistema de admisión [Ubicación del motor y la toma de aire]

[Raymer (1989)] Turbinas, TI-3436

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Sistema de admisión [Desviador de capa limite]

[Raymer (1989)] Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices] La caja de engranaje que utiliza un turbohélice

generalmente puede interrumpir la toma de aire del motor y su recubrimiento genera resistencia aerodinámica . Estas cajas de engranaje deben ser compactas, no interrumpir la toma de aire y tener la menor área frontal posible. Las cajas de engranajes generalmente utilizan un sistema planetario para disminuir la velocidad angular del motor y transmitir la potencia. Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Garrett TPE331 [Roskam (1985)] Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Garrett TPE331

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Garrett TPE331

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Piper PA-42 Cheyenn e

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

General Electric CT7-5 Turboprop Engine Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

General Electric CT7-5 Turboprop Engine Turbinas, TI-3436

[Roskam (1985)]

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Toma de aire (Inlet) [Cajas de engranajes en turbohélices]

Let LetL-610 L-610 Turbinas, TI-3436

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Toma de aire (Inlet)  La toma de aire no debe ser

perturbada por la estela generada por otra parte de la aeronave  Para evitar el daño por objetos externos a la turbina (Foreign Object Damage, FOD), algunas aeronaves, generalmente aviones turbohélices y helicópteros poseen mallas protectoras que protegen la toma de aire del motor.  Estas mallas puede impedir la libre entrada de aire atmosférico y deben ser diseñadas con sumo cuidado y solo son utilizadas cuando el riesgo de un FOD es considerable debido a la operación de la aeronave (vuelo a baja altura en zonas agrícolas y de guerra)

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Compresor (compressor) El compresor se encargan de tomar el aire atmosférico y comprimirlo Estos reciben la potencia de la turbina del motor o alguna etapa o etapas de esta Pueden ser  Centrífugos  Axiales

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Compresor Centrífugo

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Compresor Centrífugo El impulsor agrega

energía al fluido entrante aumentando su velocidad y presión Luego del difusor, disminuye la velocidad del fluido aumentando aun mas su presión

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Compresor Axial  Los compresores axiales

comprimen el aire al agregarle energía a través de múltiples etapas rotoras y controlando la dirección del flujo en etapas estatoras  Cada etapa (rotor-estator) incrementa en una relación de 1 a 1,25 aproximadamente la presión, por lo que se requieren muchas etapas para lograr una gran relación de compresión  Para hacer mas efectivo el control de flujo axial algunos compresores (en algunas etapas) poseen alabes estatores de ángulo variable

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Compresor Axial

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Compresor Axial

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Cámara de combustión (Burner or Combustion chambers)  La cámara de combustión toma el aire   

  

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comprimido y a baja velocidad del compresor Una fracción de este pasa a través de los inyectores y se mezcla con el combustible evaporado La mezcla entra en combustión excitada por la chispa de una bujía en el arranque o por el calor remanente Se crea una flama a muy elevada temperatura que es alimentada por el aire comprimido que entra en la zona primaria de la cámara de combustión El resto del aire entra a la zona de dilución y enfría parcialmente la mezcla Como resultado del proceso, la mezcla de gases eleva su velocidad desde unos 5 m/s hasta 450 m/s aproximadamente Aproximadamente entre un 80 y 60 % del aire que entra a la cámara de combustión no se quema. Este se expande y acelera su velocidad junto con los gases producto de la combustión

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Cámara de combustión (Burner or Combustion chambers)  La estabilidad de la

combustión dependerá de a mezcla de aire/combustible y del valor del flujo másico que pasa a través de la cámara de combustión  Tipos de cámaras de combustión (Clasificación de Pratt & Whitney) de acuerdo a su manera de operación y montaje en el motor  Tipo lata o tubo (Can)  Tipo Anular (Annular)  Tipo Can-anular o tuboanular (Can-annular)

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Cámara de combustión Tipo lata o tubo (Can)

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Cámara de combustión Tipo Anular (Annular)

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Cámara de combustión Tipo Can-anular o tubo-anular (Canannular)

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Turbina (Turbine)  Las turbinas que utilizan los

motores de reacción son turbinas de acción-reacción  De esta forma extraen mucho mejor la energía del flujo de gases que sale de la cámara de combustión  Una línea estatora se encuentra entre el escape de la cámara de combustión y la turbina, de esta manera dirige el flujo de gases en la dirección apropiada  En un motor habrá tantas etapas estatoras como existen etapas rotoras  Cada alabe rotor de forma independiente genera una fuerza que contribuye a mover a la turbina en la dirección de giro

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Turbina (Turbine)

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Turbina (Turbine)

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Turbina (Turbine)

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Turbina (Turbine) Construcción de los alabes

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Turbina (Turbine) Formas de sujeción de los alabes rotores

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Turbina (Turbine) Formas de sujeción de los alabes estatores

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Sistema de Escape (Nozzle or Exhaust system)  Los sistemas de escape se encargan

de entregar los gases producto de la combustión y aire caliente a la atmósfera  Dependiendo de la función del motor (generar empuje o entregar potencia), la función del escape es distinta  Si la función del motor es entregar potencia (turbohélices y turboejes) la función de la sección de escape de gases es entregar estos gases ocasionando la menor perturbación a la operación de la aeronave (o contribuir lo mejor posible a esta)  Por esta razón muchos turboejes y turbohélices poseen una sección de escape que descarga lejos de la estructura de la aeronave, de sección constante o divergente, lo cual no acelera los gases de escape o desacelera su velocidad 39

Sistema de Escape (Nozzle or Exhaust system)  En motores que generan empuje el

sistema de escape es básicamente una tobera que acelera el flujo de gases de escape para que la velocidad de estos (V4) sea la mayor posible, y así generar mayor empuje  Si la velocidad de escape de los

gases es menor a la velocidad del sonido (subsónico o transónico), esta debe ser convergente  Si la velocidad de escape de los gases es mayor a la del sonido (supersónico) la sección debe ser convergente-divergente

 Pueden existir sistemas supresores

de ruido, unidades post-quemadoras, o reversores de empuje en esta sección del motor. Esto dependerá de la aeronave y su misión

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Sistema de Escape (Nozzle or Exhaust system)

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Sistema de Escape (Nozzle or Exhaust system) El sistema de escape de los motores de

reacción esta formado por todos los componentes y sistemas posteriores a la turbina. Estos componentes dependerán de la función del motor Entre estos esta Sistema de reversión de empuje Sistema de post-quemador Sistema de supresión de ruido 42

Sistema de reversión de empuje

 El sistema de reversión de

empuje es un dispositivo encargado de entregar un vector de empuje en sentido contario al avance regular de la aeronave  Estos componentes son utilizados para ayudar a frenar a los aviones durante la primera fase del aterrizaje, aunque en aplicaciones militares pueden “frenar” el avión en vuelo  Para generar el vector de empuje contario al avance se invierte todo o parte del flujo de gases de escape del motor en aproximadamente 45 grados

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Sistema de reversión de empuje Durante el aterrizaje, este sistema solo es activado a velocidades superiores a 60 knot para evitar la recirculación de gases de escape.

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Sistema de reversión de empuje Los diversos sistemas de reversión de empuje pueden ser clasificados en tres grupos: Sistema de compuerta de almeja (Clamshell

door system) Sistema de cubeta corrediza (Bucket target system) Sistema de reversión de corriente fría (Cold stream reverser system)

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Sistema de compuerta de almeja (Clamshell door  Este sistema bloquea y revierte el flujo total de system) gases de escape por medio de dos compuertas operadas neumáticamente.  El flujo de escape es direccionado por medio de la rejilla de alabes.  Todo el sistema funciona a temperaturas de aproximadamente 600˚C durante un corto periodo. 46

Sistema de compuerta de almeja (Clamshell door system)

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Sistema de cubeta corrediza (Bucket target Este sistema rota y traslada un par de system) compuertas en forma de cubeta por medio de un sistema hidráulico que bloquea y revierte todo el flujo de gases de escape del motor Son usados por turbofán de bajo by-pass

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Sistema de cubeta corrediza (Bucket target system)

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Sistema de reversión de corriente fría (Cold stream reverser system)  Este sistema solo revierte el

flujo de aire frío del by-pass por medio de un conjunto de componentes que bloquean el aire en el ducto y un conjunto de alabes de cascada que direccionan el flujo.  La rejilla de alabes de cascada permanecen cerrados por medio de una compuerta en operación regular  Son empleados por turbofán de alto by-pass.

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Sistema de reversión de corriente fría (Cold stream reverser system)

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Sistema de postquemador Algunos aeroplanos necesitan empuje adicional en ciertas fases de vuelo como despegue o para alcanzar velocidades por encima de la del sonido. Para esto se utiliza un sistema que aprovecha el oxigeno no quemado en la combustión llamado postquemador. 53

Sistema de postquemador El sistema de postquemado entrega combustible a los gases de escape del motor y lo quema en una zona cerrada agregando mas energía los gases de escape. El sistema se complemente con un subsistema que varia el área de la sección de escape y la forma del ducto.

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Sistema de postquemador  El postquemador se compone básicamente:  Ducto  Sistema de inyección de combustible  Ducto de combustión  Sección de área variable

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Sistema de postquemador

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Sistema de postquemador

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Sistema de supresión de ruido Las regulaciones exigen un nivel de

ruido máximo para las aeronaves en operación en los aeropuertos (OACI anexo 16, FAR Part 36, JAR 36, RAV 36). El ruido es medido en Effective Perceived Noise deciBel (EPNdB). Este toma en cuenta la oscilación y la presión del sonido (deciBel).

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Sistema de supresión de ruido El ruido de los motores de reacción tiene diversas fuentes, todas estas causadas por los diversos componentes del motor. Los gases de escape producen ruido de baja frecuencia, y al mezclarse con el aire de la atmósfera produce ruido de alta frecuencia. Turbinas, TI-3436

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Sistema de supresión de ruido

El ruido del compresor y la turbina se genera

por los cambios de presión producidos entre los alabes estatores y los rotores. Turbinas, TI-3436

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Sistema de supresión de ruido Los sistemas de supresión 

de ruido pueden disminuir el ruido causado por el chorro de aire por medio de la mezcla de aire atmosférico con los gases de escape.

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