Motores de turbina
Motores de turbina
Un motor de turbina de avión consta de una toma de aire, compresor, cámaras de combustión, una sección de turbina, y escape. El empuje es producido por el aumento de la velocidad del aire que fluye a través del motor. Los motores de turbina son plantas de poder altamente deseables en las aeronaves. Se caracterizan por un funcionamiento suave y una alta relación potencia-peso, y utilizan combustible para reactores fácilmente disponible. Antes de los recientes avances en los materiales, diseños de motores, y los procesos de fabricación, el uso de motores de reacción en aviones pequeños/livianos eran de un costo prohibitivo. En la actualidad, varios fabricantes de aviones están produciendo o planean producir aviones pequeños/livianos con turbina. Estos pequeños aviones de reacción por lo general tienen capacidad de tres a siete pasajeros y se les conoce como jets muy livianos (VLJVery Light Jet) o microjet.
Tipos de motores de turbina
Los motores de turbina se clasifican según el tipo de compresores que utilizan. Hay tres tipos de compresores: de flujo centrífugo, de flujo axial, y de flujo centrífugo-axial. La compresión del aire de entrada se consigue en un motor de flujo centrífugo, acelerando el aire hacia el exterior perpendicular al eje longitudinal del motor. El motor de flujo axial comprime el aire por una serie de álabes rotatorios y estacionarios moviendo el aire paralelo al eje longitudinal. El diseño de flujo centrífugo-axial utiliza ambos tipos de compresores para lograr la compresión deseada.
El camino que toma el aire a través del motor y cómo se produce la potencia determina el tipo de motor. Hay cuatro tipos de motores de turbina: turborreactor, turbohélice, turboventilador, y turboeje.
Turborreactor
El turborreactor consta de cuatro secciones: compresor, cámara de combustión, sección de la turbina, y el escape. La sección del compresor pasa aire de entrada a una velocidad alta hacia la cámara de combustión. La cámara de combustión contiene la entrada de combustible y el encendido para la combustión. El aire se expande moviendo una turbina, que está conectada por un eje al compresor, manteniendo el motor en funcionamiento. Los gases de escape acelerados por el motor proporcionan empuje. Esta es básicamente una acción de comprimir aire, encender la mezcla aire/combustible, produciendo potencia para auto-sostener el funcionamiento del motor, y expulsar gases para la propulsión.
Los turborreactores están limitados en alcance y autonomía. También son lentos para responder al acelerador a bajas velocidades de compresor.
Turbohélice
Un motor turbohélice es un motor de turbina que impulsa una hélice a través de un engranaje de reducción. Los gases de escape accionan una turbina de potencia conectada por un eje que acciona el conjunto de engranajes de reducción. Los engranajes de reducción son necesarios en los turbohélices, porque el rendimiento óptimo de la hélice se logra a velocidades mucho más lentas que las rpm de funcionamiento del motor. Los turbohélices son un compromiso entre turborreactores y motores de pistón.
Los turbohélices son más eficientes a velocidades de entre 250 y 400 nudos y altitudes entre 18.000 y 30.000 pies. También funcionan bien a las bajas velocidades necesarias para el despegue y aterrizaje, y son eficientes con el combustible. El consumo mínimo específico de combustible del turbohélice está normalmente disponible en altitudes entre 25.000 pies y la tropopausa.
Turbofan
Los turbofan o turboventiladores se desarrollaron para combinar algunas de las mejores características de los turborreactores y turbohélices. El turboventilador está diseñado para crear empuje adicional al desviar un flujo de aire secundario alrededor de la cámara de combustión. El aire derivado (bypass) del turbofan genera mayor empuje, enfría el motor, y ayuda en la supresión del ruido de escape. Esto proporciona velocidades de crucero como los turborreactores y un menor consumo de combustible.
El aire de entrada que pasa a través de un turbofan se divide en dos corrientes separadas de aire. Una corriente pasa a través del núcleo del motor, mientras que una segunda corriente no pasa por el núcleo. Es este aire derivado el que es responsable por el término “motor de derivación”. La relación de derivación del turboventilador se refiere a la relación de la masa de aire que pasa a través del fan, dividido por la masa de aire que pasa a través del núcleo.
Turboeje
El cuarto tipo común de motor a reacción es el turboeje.
Entrega potencia a un eje que impulsa algo que no sea una hélice. La mayor diferencia entre un turborreactor y un turboeje es que en un turboeje, la mayor parte de la energía producida por los gases en expansión se utiliza para girar una turbina en lugar de producir empuje. Muchos helicópteros utilizan un motor de turbina de gas o turboeje. Además, los motores turboeje son ampliamente utilizados como unidades de energía auxiliares en aeronaves de gran tamaño.
Control digital del motor de mando total (FADEC)
El FADEC (Full Authority Digital Engine Control) es un sistema que consta de una computadora digital y componentes auxiliares que controlan el motor y la hélice de un avión.
Utilizado primeramente en motores de turbina de aeronaves, y conocido como control
electrónico digital de mando total, estos sofisticados sistemas de control son cada vez más utilizados en aviones con motores de pistón.
En un motor alternativo de encendido por chispa el FADEC utiliza sensores de velocidad, temperatura y presión para controlar el estado de cada cilindro. Una computadora digital calcula el pulso ideal para cada inyector y ajusta el tiempo de encendido según sea necesario para lograr un rendimiento óptimo. En un motor de encendido por compresión el FADEC opera de manera similar y realiza las mismas funciones, excepto los específicamente relacionados con el proceso de encendido por chispa.
Los sistemas FADEC eliminan la necesidad de magnetos, calefacción del carburador, controles de mezcla, y cebado del motor. Una sola palanca de acelerador es característica de una aeronave equipada con un sistema FADEC. El piloto simplemente coloca la palanca del acelerador en una posición deseada, tal como arranque, ralentí, potencia de crucero, o potencia máxima, y el sistema FADEC ajusta el motor y la hélice de forma automática para el modo seleccionado. No hay
necesidad de que el piloto para vigile o controle la relación de mezcla aire/combustible.
Durante el arranque de la aeronave, el FADEC ceba los cilindros, ajusta la mezcla, y posiciona el acelerador basado en la temperatura del motor y presión ambiente.
Durante el vuelo de crucero, el FADEC controla constantemente el motor y ajusta el flujo de combustible, y el tiempo de encendido individualmente en cada cilindro. Este preciso control del proceso de combustión resulta en menor consumo de combustible y aumento de potencia.
Los sistemas FADEC se consideran una parte esencial del control del motor y la hélice, y puede ser alimentado por el sistema eléctrico principal de la aeronave. En muchos aviones el FADEC usa energía de un generador separado conectado al motor. En cualquier caso, debe haber una fuente eléctrica de seguridad disponible porque el fallo del sistema FADEC podría resultar en una completa pérdida de la potencia del motor. Para evitar la pérdida de empuje, dos canales digitales separados e idénticos se incorporan para redundancia, siendo cada canal capaz de proporcionar todas las funciones de motor y hélice sin limitaciones.
Para saber más:
Bibliografía.
U.S. Department of Transportation
Federal Aviation Administration