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• Carlos Reyes

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Factores que afectan el funcionamiento de un MCIR Los motores de combustión interna rotativos usados en aviación, a diferencia otros tipos de motores que se encuentran estacionarios o en movimiento lento, se encuentran sometidos a diversas condiciones ambientales, tanto por la altitud a la que la aeronave vuela, como por las condiciones meteorológicas en la zona las cuales modifican sus características de funcionamiento.

Fig – 1 Vista de los motores GEnx-2B67 en un 747 volando en crucero. Su altitud crucero estándar es de 13 km, donde las condiciones ambientales de acuerdo a la atmósfera estándar son de -56°C y 0.16 atm

Difusor Desperfectos o rugosidades en el interior de la toma de aire provocarán turbulencia interna, que puede propiciar la pérdida del compresor. Compresores Fenómeno de inestabilidad: Se da en los compresores centrífugos, sucede cuando hay variaciones en el gasto de aire a unas determinadas RPM, lo que genera variaciones de presión, produciendo un flujo anormal en el espacio entre

álabes. La variación del gasto ya sea arriba o abajo del normal provocará variaciones de presión e inestabilidad. Entrada en pérdida: Se da en compresores axiales, es la falta de continuidad en la compresión y se manifiesta principalmente como pulsaciones que pueden ir acompañados de fuerte ruido, incapacidad del motor de acelerar correctamente y deceleración del motor. Se debe al aumento del ángulo de ataque efectivo en lo álabes del rotor. Puede aparecer principalmente por el efecto que produce un aumento del ángulo de ataque por la disminución relativa de la velocidad axial respecto de las RPM, o el vuelo en una zona turbulenta. Cámaras de combustión: Extinción de llama: Puede ocurrir a bajas revoluciones y alturas elevadas, produciendo una atomización pobre y la temperatura en la zona de combustión es baja; también ocurre con mezcla rica o temperaturas excesivamente altas Inestabilidad: Es un fenómeno de fluctuaciones de presión cuyo origen es desconocido, se debe tener en cuenta en el diseño de cámaras de combustión Carbonización: La formación de depósitos carbonosos en la superficie interior de la cámara de combustión puede producir flujo puslatorio por puntos de concentración más calientes Turbina: Temperaturas y esfuerzos en los alabes: Los alabes están sometidos a grandes esfuerzos que se pueden clasificar como:

De tracción, debido a la fuerza centrífuga.

De flexión, Debido a la acción de los gases.

Secundarios, esfuerzos de flexión debido a que los centros de gravedad de los perfiles que forman el alabe no están alineados. Además, las altas temperaturas y el rápido cambio de estas producen esfuerzos en los álabes debidos a las rápidas dilataciones y contracciones. Efectos de la altura La altura tiene diversos efectos en el rendimiento de los varios elementos del motor, habiendo tanto aumentos como reducciones de rendimiento, así como ventajas y desventajas. A mayor altura, debido a las condiciones ambiente, existe un menor arrastre, lo que propicia una mayor velocidad de vuelo. El aumento en la velocidad de vuelo incrementa el rendimiento de la propulsión, además, aumenta la presión dinámica, la presión a la entrada, incrementando la energía mecánica obtenida en el motor y mejorando el rendimiento global. También, la baja temperatura del aire a la entrada, hace que requiera menos energía para la compresión, además que la misma compresión del aire no produce un aumento de temperatura tan grande que pueda afectar al motor. Sin embargo, las desventajas de la altura son la disminución de la densidad del aire y la masa del fluido a través del motor, disminuyendo el empuje y la energía

comunicada al compresor por la turbina. Si se mantiene el consumo de combustible, al disminuir la densidad del aire aumentará la temperatura de entrada del gas a la turbina y con ello el rendimiento térmico, pero al verse incrementada la velocidad de salida de gases, disminuirá el rendimiento de propulsión. Temperatura La temperatura afecta al rendimiento del motor debido a que influye en la masa de aire admitida en el motor, de igual forma, sobre los elementos mecánicos del motor, ya que una temperatura excesiva muy baja los puede dañar. En la turbina, se tiene especial cuidado en la relación aire combustible que se emplea ya que esta puede producir una temperatura excesiva en la turbina que puede dañar a la turbina, y provoca un decrecimiento en el empuje.

Humedad Su efecto es mínimo, pues solo afecta a la densidad del aire en la entrada. El empuje no acusa ningún efecto adverso debido a lluvia, nieve o granizo, sin embargo, debe aumentarse el empuje con respecto al anterior con que el motor operaba, pues este disminuirá al ser desviado parte del aire al sistema de deshielo. Objetos ajenos al motor El impacto de objetos ajenos al motor, como lo son piedras u otros materiales contra la toma de aire y las palas de ventilador, la hélice o los compresores del motor pude dañar el elemento y afectar el funcionamiento del motor. Esto pude suceder en cualquier etapa del vuelo, aunque siendo principalmente durante el despegue y el aterrizaje.

Gasto de Aire Es la cantidad en peso de aire que atraviesa el motor por unidad de tiempo. Se expresa por lo general en Kg/seg, o en gramos/seg. Depende de

la

configuración de las secciones del motor, del rendimiento de los componentes fundamentales, de las RPM y de las condiciones exteriores de altura y velocidad. Este aumenta con la velocidad, debido tanto al aumento del flujo volumétrico y el flujo másico por el aumento en la densidad a la entrada al motor. Consumo de combustible Aumenta con la velocidad, pues varía con el gasto de aire. De igual forma disminuye con la altura, debido a que disminuye la densidad del aire, esto mejora las actuaciones del avión al incrementar la autonomía del avión. Empuje Las variaciones en las RMP del conjunto compresor-turbina tienen gran efecto en el empuje, ya que el flujo másico de aire está en función de las RPM, y estas en función de la cantidad de combustible suministrado. Esto es regulado a través de la unidad de control de combustible, de tal forma que se obtenga el mayor empuje pero sin sobrepasar los límites del motor.

Conclusión El funcionamiento de los motores rotativos depende de muchos factores que pueden o no estar relacionados entre sí, y que no necesariamente variarán en conjunto, de tal forma que son varios los elementos a cuidar para obtener el mayor rendimiento del motor. Como se mostró, no necesariamente el rendimiento de los elementos del motor incrementa a la par o al mismo tiempo, puede reducirse uno e incrementar otro, sin embargo, la relación con la que lo hacen puede imponer ventajas o desventajas en el funcionamiento global del motor. Además, hay que tomar en consideración las limitaciones mecánicas de los elementos del motor y su correcto funcionamiento, que también influye en el rendimiento del motor. Bibliografía

Martín Cuesta Alvarez Motores de reacción, Tecnología y operación de vuelo Madrid, Editorial Parafino, 5ta edición, 1980

Esteban Terradas Motores de reacción y Turbinas de gas Madrid, Instituto Nacional de Técnica Aeronáutica, Tomo I, 1951

Vallbona Vilajosana El motor de Turbina CESDA, 2011

Límites Operacionales de los MCIR

El motor a reacción Se trata de un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje. Se comprenden a los motores, en el campo de la aviación, el turborreactor, el turboventilador, turbohélice y turboeje y propfan. Su funcionamiento se basa en la turbina de gas y el ciclo de potencia Brayton; donde el aire entra a un compresor rotatorio a través de la toma de aire y es comprimido, durante una o más etapas sucesivas, una vez a alta presión entra en la cámara de combustión, donde el combustible es mezclado con el aire comprimido e inflamado, esto aumenta considerablemente la temperatura del gas, el resultado de la combustión sale para expandirse a través de la turbina, donde se extrae energía del gas para mover el compresor, reduciendo tanto la temperatura como la presión del gas, sin embargo estos se mantienen generalmente superiores a los

del ambiente. El flujo de gas de salida de la turbina se expande a la presión ambiental a través de una tobera de propulsión, produciendo un chorro a altas velocidades. Si la velocidad de este chorro de gases supera a la velocidad del avión, entonces hay un empuje neto hacia delante. También en variaciones del motor a reacción, como lo es el turbohélice, o el turboeje, se pone un poco más de énfasis en la producción de potencia en flecha, y no tanto en el empuje. Cada uno de los componentes del motor se puede encontrar operando en condiciones extremas, y resulta importante el tener cuidado en que estas condiciones no superen los márgenes de seguridad.

Fig 1 - Las 4 fases del Ciclo Brayton y elementos en que se desarrolla cada fase en un turboreactor

Altitud critica: Es la altitud máxima a la que el motor puede operar correctamente, de sobrepasarse, el motor puede sufrir congelamiento interno, ya sea en los elementos mecánicos por la formación de hielo derivado de la humedad en el aire, o por congelación de alguno de los fluidos de operación, como el combustible o aceite, lo que provoca una disminución de potencia muy notoria, o sufrirá un apagado total. Densidad del aire: Está ligada con la altitud de vuelo, la masa de aire consumido por motor es el primer factor en determinar el empuje producido por el motor, de modo que el empuje disminuye. Condiciones que afectan la densidad el aire son:  

Temperatura ambiente. Presión atmosférica.



Humedad del aire.

Las RPM del motor: Para cualquier motor, el empuje aumenta rápidamente como las RPM aprovechan la máxima velocidad del motor. La masa de aire que penetra en el motor es función principal de las rpm y estas, a su vez, de la cantidad de combustible suministrado. La función de la unidad de control de combustible es regular las RPM y el consumo de combustible de forma que se obtenga una mayor empuje cuando mayores sean dichos factores, hasta los valores que no provoquen sobrevelocidad del rotor ni alta temperatura en las turbinas. Altitud y velocidad de vuelo: Al aumentar la altitud, se modifican varios parámetros en el ambiente. Entre los cuales se encuentra la densidad del aire la cual disminuye, al igual que la presión atmosférica y la temperatura, los cuales pueden tener efectos benéficos o perjudiciales en el funcionamiento del motor. Por ejemplo, una baja temperatura aumenta la densidad del aire, sin embargo también puede propiciar el congelamiento. La baja densidad de aire reduce el flujo másico a la entrada del motor, reduciendo el empuje. Y una baja presión a la entrada resulta en un mayor trabajo del compresor. A una gran altura, el avión produce un menor arrastre, lo que deriva en una mayor velocidad, esto resulta benéfico puesto que esta velocidad ayuda a tener una mayor presión a la entrada, sin embargo una excesiva velocidad y presión puede dañar los elementos del motor. La falta de uniformidad en la mezcla puede aparecer a elevadas alturas, y es un fenómeno que naturalmente tiene por origen la carbonización y la inestabilidad en las cámaras de combustión. Cuando se vuela a mach 0.8, en los motores turboeje y opera a una baja eficiencia de propulsión, ya que, en un turboeje la velocidad de vuelo es muy alta, por diversos efectos aerodinámicos que se presentan en la hélice del mismo, implicando un límite en la velocidad del mismo Temperatura: Ya se mencionó el efecto de una baja temperatura en el motor, mientras que una alta temperatura puede llegar a afectar durante la etapa

de compresión, puesto que favorece el incremento excesivo de temperatura cuando el aire se comprime. Por otro lado de no regularse correctamente la mezcla aire combustible de acuerdo a las condiciones de vuelo, se puede producir una temperatura excesiva a la entrada de la turbina, lo que puede ocasionar daño en la misma. También en las cámaras de combustión, se debe cuidar no tener una temperatura excesiva y mantenerlas en óptimas condiciones. Aceite: Debe encontrarse a una presión y temperatura adecuados, puesto que estos afectan a su viscosidad, y por lo tanto, su capacidad lubricante, como a su capacidad de evacuar el calor resultado de la fricción de los elementos mecánicos del motor. Una baja presión de aceite, le impedirá a este poder llegar a todas las zonas del motor que requieran lubricación, situación que pone en riesgo el correcto funcionamiento del motor. Elementos mecánicos del motor: Se debe evitar someter a los elementos del motor a esfuerzos excesivos, resultado de la mala operación de los sistemas ya mencionados o en condiciones anormales, puesto que estos pueden llegar a fallar, lo que puede llegar a desembocar en un fallo general del motor.

Tabla comparativa entre los MCIA y los MCIR Motor de combustión interna alternativo

Motor de combustión interna rotativo

Las principales ventajas de estos motores, que han motivado su gran desarrollo son:

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta varias ventajas frente a los motores alternativos:



El uso de combustibles líquidos, de gran poder calorífico, lo que proporciona elevadas potencias y amplia autonomía. 

Rendimientos aceptables, aunque raramente sobrepasan el 50%



Es más eficiente en términos de consumo de combustible.



Es más sencillo y tiene menos partes móviles. 

Tiene una mejor relación





Amplio campo de potencias, desde 0,1 kW hasta más de 30 MW lo que permite su empleo en la alimentación de máquinas manuales pequeñas así como grandes motores marinos. Su combustión es isométrica (volumen constante) en los motores de gasolina e isobárica (presión constante) en motores diésel y utilizan el ciclo Otto y ciclo Diésel respectivamente. 

Sin embargo, estos motores no están exentos de inconvenientes, entre los que cabe señalar: 

Estos motores están alimentados en su mayoría por gasolina o diésel, dos derivados del petróleo que como sabemos es un recurso no renovable, además de sufrir su precio fluctuaciones de consideración. 

Los gases de la combustión de estos motores son los principales responsables de la contaminación en las ciudades

peso/potencia. 

Requiere menor mantenimiento.  

La vida útil es más larga.

Su proceso de combustión es isobárica (presión constante) con el uso del ciclo joule-brayton. 

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeronáutico y tienen ventajas significativas tales como: 

Carencia de piezas móviles. 

Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas. 

Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o gases licuados sin modificación alguna. 

Construcción simple.



Fácil disponibilidad de materiales.