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• Diego Melgar

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TEMAS A DESARROLLAR PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR A REACCIÓN. CLASIFICACIÓN DE MOTORES A REACCIÓN. COMPONENTES DE LOS MOTORES A REACCIÓN. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN. EFICIENCIA. FACTORES QUE AFECTAN EL EMPUJE. CICLO DE FUNCIONAMIENTO. SISTEMA DE INDUCCIÓN. SISTEMA DE COMBUSTIBLE. SISTEMA DE ARRANQUE Y ENCENDIDO. SISTEMA DE LUBRICACIÓN. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO. SISTEMA DE ESCAPE.

OBJETIVOS DESPUÉS DE ESTAS LECCIONES LOS PARTICIPANTES ESTARÁN EN LA CAPACIDAD DE: DEFINIR TÉCNICAMENTE UN MOTOR A REACCIÓN. CONOCER EL FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL MOTOR Y DESCRIBIR EL CICLO TERMODINÁMICO. DEFINIR EL TÉRMINO EMPUJE Y LOS FACTORES QUE AFECTAN AL EMPUJE DE UN MOTOR. DESCRIBIR LOS DIFERENTES TIPOS DE MOTORES A REACCIÓN. CONOCER LOS COMPONENTES DEL MOTOR A REACCIÓN. CONOCER SUS SISTEMAS Y FUNCIONAMIENTO BÁSICO.

PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR A REACCIÓN

UNA PEQUEÑA HISTORIA

LA EOLIPILA

UNA PEQUEÑA HISTORIA

LA CHIMENEA DE DA VINCI

UNA PEQUEÑA HISTORIA

LA CALDERA DE GIOVANI BRANCA

UNA PEQUEÑA HISTORIA

“EL CARRRUAJE SIN CABALLOS”

CONCLUSIÓN

PROPELLER VS. JET PROPULSION Mvjet

TURBOHÉLICE mueve GRAN MASA de aire a bajas velocidades. Mvaircraft

Thrust = M(vaircraft - vjet)

Thrust = m(Vaircraft - Vjet)

mVjet mVaircraft

TURBORREACTOR mueve pequeña masa de gases a ALTAS VELOCIDADES.

DEFINICIÓN DE UN MOTOR A REACCIÓN Es un motor térmico en el que la energía liberada de la combustión es transformada en energía cinética de la corriente de gas que sale del motor. La fuerza de reacción que se obtiene de esta corriente (empuje) sirve para impulsar la aeronave.

Leyes de Newton Existen tres leyes fundamentales de la Dinámica enunciadas por Isaac Newton en el siglo XVII. 1ra. Ley: Ley de la Inercia. 2da. Ley: Ley de la Aceleración. 3ra. Ley: Ley de la Acción y Reacción.

EJEMPLO PRÁCTICO

Principio de Bernoulli

La presión es inversamente proporcional a la velocidad. Cuando la presión aumenta, la velocidad disminuye y viceversa.

Divergencia y Convergencia DIVERGENCIA.- Se considera una sección

divergente cuando el área de entrada es menor al área de salida.

P2 > P1 V1> V2

P1

P2

V1

V2

Divergencia y Convergencia CONVERGENCIA.- Se considera una sección convergente cuando el área de entrada es mayor al área de salida.

P1 > P2 V2> V1

P1

P2

V1

V2

EXPERIENCIA DEL TUBO TEÓRICO

EXPERIENCIA DEL TUBO TEÓRICO

EXPERIENCIA DEL TUBO TEÓRICO

EXPERIENCIA DEL TUBO TEÓRICO

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR A REACCIÓN

Funcionamiento básico del motor a reacción El aire que incide en el motor, se comprime debido a la velocidad antes de entrar en el motor a través del conducto de entrada. Al llegar al compresor sufre un gran aumento de presión debido al trabajo suministrado por la turbina. El aire comprimido pasa a la cámara de combustión donde se le aporta calor a presión constante debido al combustible quemado.

Los gases de salida de la cámara de combustión poseen gran presión, temperatura y energía cinética. Parte de esta energía según el diseño se convierte en la turbina en trabajo mecánico para mover el compresor y la caja de accesorios. Finalmente en la tobera de salida, la energía restante se transforma en energía cinética, al acelerar la corriente de los gases de escape.

EXPLICACIÓN EN BLOQUES

CICLO BRAYTON Es el ciclo termodinámico que corresponde al motor a reacción y se caracteriza porque la combustión se realiza teóricamente a presión constante (proceso isobárico). El área encerrada dentro del ciclo representa el trabajo útil.

0-1 Compresión de admisión 1-2 Compresión en compresor 2-3 Combustión en cámaras 3-4 Expansión en turbinas 3 4-5 Expansión en tobera

2

4 1 0

0

5

EMPUJE Y POTENCIA

El Empuje El parámetro fundamental que caracteriza al motor a reacción como planta propulsora es el empuje que desarrolla, el cual es una fuerza y por lo tanto se mide en unidades de fuerza.

F=MxA ƒ

F = Fuerza de Empuje.

ƒ

M = Masa de aire que atravieza el motor.

ƒ

A = Aceleración del gas dentro del motor.

Fn = Wa (V2 – V1) + Wf (V2) + Aj (P2 – Pam) g

g

E= G (Vs-Ve) g ƒG

= Gasto o consumo de aire en Kg/s.

ƒ Vs= Velocidad de salida de los gases (m/s). ƒ Ve= Velocidad de entrada del aire (m/s). ƒ g = Aceleración de la gravedad (m/s2).

Potencia No debe emplearse el término potencia en el motor de reacción. Generalmente se habla de potencia de despegue o potencia máxima, cuando debería decirse empuje de despegue o empuje máximo. La potencia es el cociente del trabajo realizado por un cuerpo en un tiempo determinado. P= W t

=F

xD t

=

FxV

P= FxV

Ejemplo de potencia Queremos saber la potencia equivalente de un motor a reacción de 2,000 Kg de empuje que vuela a 720 km/h. ‰ Pasamos los km/h a m/s: 720 km/h ÷ 3.6 = 200 m/s P = FxV = 2,000 Kg x 200 m/s = 400,000 Kgm/s Como 1 H.P. = 76.3 Kgm/s 400,000 Kgm/s = 5,242 H.P. 5,242 H.P. es el equivalente de 2,000 Kg de empuje a 720 Km/h

Masa del flujo de Aire Cualquier cosa que aumente la masa de aire aumenta el empuje. Los dos factores que afectan a la masa de aire son su densidad y el efecto impacto.

A MEDIDA QUE LA TEMPERATURA DEL AIRE AUMENTA, SU DENSIDAD DISMINUYE Y EL EMPUJE PRODUCIDO POR EL MOTOR DISMINUYE.

A MEDIDA QUE LA PRESIÓN DEL AIRE AUMENTA, SU DENSIDAD AUMENTA, HACIENDO QUE EL EMPUJE PRODUCIDO POR EL MOTOR AUMENTE.

LA ALTITUD TIENE UN DOBLE EFECTO SOBRE EL EMPUJE. A MEDIDA QUE LA ALTITUD AUMENTA, EL AIRE SE HACE MENOS FRÍO Y DENSO, HASTA EL COMIENZO DE LA ESTRATÓSFERA. ESTO HACE QUE EL EMPUJE AUMENTE.

PERO AL MISMO TIEMPO, UN AUMENTO EN ALTITUD ORIGINA PÉRDIDA DE PRESIÓN, DISMINUCIÓN DE DENSIDAD Y UNA CORRESPONDIENTE DISMINUCIÓN DEL EMPUJE.

PUESTO QUE LA PÉRDIDA DE EMPUJE POR LA CAÍDA DE PRESIÓN ES MAYOR QUE EL AUMENTO ORIGINADO POR LA DISMINUCIÓN DE TEMPERATURA. EL EMPUJE DISMINUYE A MEDIDA QUE EL AVIÓN SUBE.

-56.5°C

TIPOS DE MOTORES A REACCIÓN Turborreactor. Turbofan. Turboeje. Turbohélice. Pulsorreactor. Estatorreactor. Cohete. Photo Courtesy of NASA

GENERADOR DE GASES

GENERADOR DE GASES

GENERADOR DE GASES COMPRESOR

TURBINA

CÁMARA

MOTOR TURBORREACTOR El Empuje es producido por los gases expulsados desde la tobera de escape. Usado en aviones de alta velocidad debido a su pequeño tamaño. Muy ruidoso.

Drawing Courtesy of Understanding Flight

MOTOR TURBORREACTOR

MOTOR TURBOHÉLICE Un turbohélice es esencialmente un motor a reacción unido a una hélice. Una hélice es más eficiente a bajas velocidades que un turbofan o un turborreactor.

Drawing Courtesy of www.aircraftenginedesign.com

MOTOR TURBOHÉLICE

TURBOHÉLICE PT6 PRATT & WHITNEY CANADA

FUNCIONAMIENTO DEL TURBOHÉLICE PT6

MOTOR PW123, DE PRATT & WHITNEY CANADA

MOTOR T56 QUE PROPULSA AL AVIÓN HÉRCULES

MOTOR TURBOEJE Es un motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje para operar a las palas de un rotor, son similares a los motores turbohélices. Es usado en helicópteros.

MOTOR TURBOEJE

MOTOR TURBOEJE

MOTOR PT6T TWINPACK, DE PRATT & WHITNEY CANADA

MOTOR PW206B, DE PRATT & WHITNEY CANADA

MOTOR TURBOFAN La mayoría del empuje es producido por la gran entrada del ventilador (fan). El índice de derivación de un turbofan es típicamente de 8:1 (ocho veces más aire es bypasseado por la parte periférica que el que pasa por el generador de gases)

CONT…TURBOFAN Si se busca incrementar el empuje se debe incrementar la velocidad del aire o incrementar la masa de aire que está siendo movido. Es más eficiente acelerar una gran masa de aire a baja velocidad. Debido a este principio el turbofan es más eficiente que el turborreactor. La mayoría de los modernos aviones comerciales usan motores turbofan.

MOTOR TURBOFAN

MOTOR TURBOFAN

MOTOR TURBOFAN

FUNCIONAMIENTO TURBOFAN

ÍNDICE DE DERIVACIÓN DE FLUJO

Es la relación entre el flujo secundario y el primario, denominado también by-pass ratio.

σ = G 2 / G1 Los motores se clasifican de acuerdo al σ: - Baja relación : De 1:1 a menos. - Media relación : De 2:1 a 3:1 - Alta relación : De 4:1 a 9:1

FLUJOS DE AIRE Flujo primario……G1 Flujo secundario...G2

G2 G1

Ejemplo 1: σ = 0.5................ Motor militar

Ejemplo 2: σ = 5.0................ Motor comercial

Ejemplo 3: σ = 9.0................ Motor comercial

TURBOFAN ENGINE Diámetro Fan: 2.95 metros Propulsa al Avión A380 Empuje 338kN (Trent 977) Turbofan Civil (alto índice de derivación)

TURBOFAN ENGINE

Motor RM12 que implusa el Caza Sueco GRIPEN Turbofan Militar (bajo bpr)

El avión más grande del mundo es propulsado con motores turbofan

MOTOR TURBOFAN GE90 FABRICADO POR GENERAL ELECTRIC

PRATT & WHITNEY JT9D TURBOFAN

PRATT & WHITNEY PW4000 TURBOFAN

GENERAL ELECTRIC CF6 TURBOFAN

ROLLS-ROYCE RB-211-524G/H TURBOFAN

GENERAL ELECTRIC GE90 TURBOFAN

SNECMA CFM56 TURBOFAN

MOTOR PW100 QUE PROPULSA A LA AERONAVE F-16

EL MOTOR TURBOFAN RD-33 PROPULSA AL AVIÓN MIG-29

COMPONENTES DE LOS MOTORES A REACCIÓN

Generalidades ESTACIONES DEL MOTOR.- Los motores están identificados según sus secciones para toma de parámetros de presión y temperatura. Los números de las estaciones coinciden con la posición de delante hacia atrás de los componentes del motor y se utilizan como símbolos distintivos escritos a la derecha debajo de la letra.

ESTACIONES DEL MOTOR JT8

Principio de Bernoulli

La presión es inversamente proporcional a la velocidad. Cuando la presión aumenta, la velocidad disminuye y viceversa.

Divergencia y Convergencia DIVERGENCIA.- Se considera una sección

divergente cuando el área de entrada es menor al área de salida.

Divergencia y Convergencia CONVERGENCIA.- Se considera una sección

convergente cuando el área de entrada es mayor al área de salida.

Flujo subsónico a través de un conducto

Flujo supersónico a través de un conducto

Componentes de un motor de turbina a gas

Parámetros de presión, velocidad y temperatura

DIFUSOR O CONDUCTO DE ENTRADA Conduce el flujo de aire hacia el compresor libre de distorsiones, con estabilidad y siendo capaz de transformar la mayor parte de energía cinética en energía de presión. Se pueden clasificar en difusores subsónicos y supersónicos.

DIFUSOR SUBSÓNICO Los conductos de entrada del tipo subsónico son divergentes, expandiéndose ligeramente y convirtiendo parte de su velocidad en energía de presión.

EJEMPLOS DE DIFUSORES SUBSÓNICOS

DIFUSOR SUPERSÓNICO El aire que se aproxima a la entrada del compresor debe estar siempre a una velocidad por debajo de la velocidad del sonido, por lo tanto son convergentes-divergentes.

Difusores supersónicos

ENTRADA SUPERIOR

Difusores supersónicos

ENTRADA TIPO BELLMOUTH

ENTRADA DE MOTOR TURBOHÉLICE

COMPRESOR Componente que sirve para suministrar aire en suficiente cantidad y presión requeridas para la cámara de combustión. Además proporciona sangrado de aire para varios propósitos en el avión y motor. Pueden ser de dos tipos: centrífugo y el axial, asimismo la combinación de ellos resulta en un compresor mixto.

COMPRESOR CENTRÍFUGO Es aquel compresor que recibe el aire en forma axial y lo expulsa comprimiéndolo en forma centrífuga.

Componentes.- Está compuesto de rotor (parte móvil), difusor (parte estática) y colector.

Funcionamiento El aire entra en el ojo o centro del rotor que gira a altas vueltas y es acelerado a gran velocidad a medida que es lanzado hacia la periferia por fuerza centrífuga. Luego fluye dentro del difusor que se ajusta estrechamente alrededor de la periferia del rotor. Allí fluye a través de conductos divergentes donde parte de la energía de velocidad se transforma en energía de presión.

Funcionamiento

FUNCIONAMIENTO

ROTOR DE DOBLE CARA

ROTOR DE SIMPLE CARA

COMPRESOR AXIAL Comprime el aire en forma paralela al eje del motor. Un escalón o etapa está compuesto de un rotor más un estator.

Partes del compresor axial

Funcionamiento Los compresores de flujo axial están constituidos de un número de etapas de álabes rotatorios que son arrastradas por la turbina y que giran entre las etapas de álabes estatores o fijos. Ambos tienen formas de perfiles aerodinámicos y están montados de manera que forman una serie de pasos divergentes a través de los cuales el aire fluye en una dirección axial al eje de rotación.

Funcionamiento ÁLABES ROTORES

ÁLABES ESTATORES

Diagrama de funcionamiento

Compresor de flujo axial de doble compresor

RELACIÓN DE COMPRESIÓN

La relación de compresión de un compresor de flujo axial es alta. La relación de presión por cada etapa es baja, pero usando un gran número de etapas, la relación total puede ser muy alta. Si la relación de presión a través de cada etapa es solo de aproximadamente 1.2:1, la presión del aire en la descarga de cada etapa es de 1´2 veces la presión del aire a la entrada de cada respectiva etapa.

POMPAJE El pompaje o surge es una entrada en pérdida que afecta a todo el compresor y restringe el flujo de aire a través del motor. Esto puede resultar en un ruido de explosión sonoro, con una fluctuación resultante de las RPM y un serio aumento de la temperatura de los gases de escape. Dos características de diseño que pueden utilizarse para disminuir o evitar la entrada en pérdida del compresor son los álabes guías variables y los sangrados de aire en interetapas.

CAUSAS DE ENTRADA EN PÉRDIDA Obstrucción de la entrada de flujo de aire. Excesiva presión en la sección del quemador. Brusca maniobra de vuelo que impida que el aire fluya directamente dentro del conducto de entrada de aire. Ahogo del flujo de aire a través del motor. Alta componente de viento cruzado, especialmente en el despegue y a baja velocidad.

Stall de compresor Ángulo de ataque.- El ángulo de ataque de cualquier perfil aerodinámico es el ángulo agudo formado entre la cuerda del perfil y el viento relativo. En un compresor de flujo axial, se determina por dos parámetros: la velocidad del aire que fluye a través del compresor y la velocidad de rotación del compresor. Por lo tanto los álabes del compresor están sujetos a entrar en pérdida cuando su ángulo de ataque se hace excesivo.

Ángulo de ataque de los álabes del compresor α

MÉTODOS DE CONTROL DEL FLUJO DE AIRE

Válvulas de sangrado de aire. Álabes guías de paso variable, estator de ángulo variable, álabes de estator giratorios.

EFECTO CASCADA

Las convexidades de los álabes de rotor y los álabes de estator están opuestas. Esto le permite al aire a alta presión procedente del álabe de estator introducirse en la baja presión producida por el álabe de rotor siguiente. Esta serie de diferenciales de presión a través de todas las etapas origina una acción de bombeo que desplaza al aire a través del compresor.

EQUILIBRADO DEL COMPRESOR

CÁMARA DE COMBUSTIÓN Tiene la difícil tarea de quemar grandes cantidades de combustible, suministrado a través de inyectores de combustible, con extensos volúmenes de aire, suministrados por el compresor y liberar la energía de tal manera que el aire se expanda y acelere para proporcionar una constante corriente de gas uniformemente calentada en todas las condiciones requeridas por la turbina.

Proceso de combustión El aire procedente del compresor entra a la cámara a una velocidad de hasta 500 ft/s (150 m/s ó 540 Km/h), pero como es demasiado alta para la combustión, lo primero que la cámara debe hacer es difundirla (dispersarla), es decir desacelerarla y elevar su presión estática. La reduce de esta manera hasta aprox. 80 ft/s (24 m/s o 87 Km/h), porque de lo contrario la cámara se apagaría.

Proceso de combustión Cuando el aire ingresa a la cámara, éste se divide en dos flujos: al flujo primario (que ingresa a quemarse con el combustible) y el flujo secundario (que pasa alrededor de la cámara para realizar la refrigeración).

PROCESO DE COMBUSTIÓN

Tipos de cámaras de combustión Existen tres tipos de cámaras de combustión: - Cámara Tubular. - Cámara anular (de flujo directo e indirecto). - Cámara Tuboanular o Mixta.

Cámara Tubular (tipo can)

Cámara Anular (flujo directo)

Cámara Anular

CÁMARA ANULAR (FLUJO INDIRECTO)

Cámara Tuboanular (canular)

TURBINAS Transforma parte de la energía calorífica que se libera en la cámara en energía mecánica para dar movimiento al compresor y caja de accesorios. Existen dos tipos de turbinas: centrípetas y axiales, éstas últimas son usadas en motores a reacción.

Rueda de Turbina

Funcionamiento Álabes estatores

Álabes rotores

Turbinas axiales Turbina de Acción o Impulso.- Son aquellas de grado de reacción cero, que significa físicamente que toda la expansión del gas se da en el estator.

K= 0

Turbinas axiales Turbina de Reacción.- Cuyo grado de reacción es mayor que cero. Parte de la expansión se da en el estator y otra en el rotor.

K>0

Turbinas axiales Turbina de Impulso-Reacción.- Son aquellas cuyo característica especial es que en la raíz del álabe es de tipo impulso (1/4 aprox) y el resto (los 3/4) es de tipo reacción. Resultando de esta forma un álabe de más rendimiento.

Sección de reacción

Sección de impulso

REFRIGERACIÓN DE LAS TURBINAS

REFRIGERACIÓN DE LAS TURBINAS

REFRIGERACIÓN DE LAS TURBINAS

Control Activo de Holgura (ACC) Algunos motores turbofanes modernos de gran empuje controlan las pérdidas en las puntas de los álabes de turbina por medio de un control activo de la holgura (ACC). Soplando una corriente de aire frío procedente de la descarga del fan por unos orificios alrededor de los cárteres de turbina cuando el motor está desarrollando empuje de despegue. Este aire frío reduce el cárter alrededor de la turbina disminuyendo las pérdidas por las puntas de los álabes y aumentando el rendimiento térmico del motor. El ACC está controlado por el FADEC.

UNIÓN DE LA TURBINA AL COMPRESOR

TOBERA La tobera de escape expande los gases desde la turbina hasta la presión atmósferica, de manera que produzca un máximo empuje, aumentando la velocidad de los gases de escape y por ende el empuje. Existen dos tipos de toberas: la tobera subsónica y la tobera supersónica.

Tobera Subsónica

CONVERGENTE

Tobera convergente

CONVERGENTE

Tobera Supersónica

CONVERGENTE - DIVERGENTE

Tobera Supersónica con cámara de post-combustión

Post-combustión funcionando

Sistemas de empuje vectorial El empuje vectorial redirecciona los gases de escape para crear empuje en otro vector que la línea del centro del avión. El empuje vectorial es usado en aeronaves tales como el Harrier, el Raptor F-22 y el JSF Joint Strike fighter F-35. El empuje vectorial puede ser usado para incrementar la maniobrabilidad o permitir al avión realizar el decolaje y aterrizaje vertical.

Motor con tobera de empuje vectorial

GRACIAS POR SU ATENCIÓN