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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA PROPULSIÓNLa propulsión requiere la aparición de una fuerza en un vehículo para acelerarlo, oponerse a las fuerzas de resistencia y mantener su estado de movimiento.
La tercera Ley de Newton dice: “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”
La aparición de una fuerza lleva consigo la aparición de otra que se llama reacción.
Para propulsarse es necesario que exista otro medio físico distinto al del vehículo que se quiere propulsar, en este medio se aplica la fuerza de reacción.
Además, se necesita cambiar la cantidad de movimiento de varios medios. Estos cambios de movimiento llevan aparejados cambios de energía cinética que será la necesaria para propulsar el vehículo.
En 1913 el ingeniero francés René Lorin patentó un sistema de propulsión que, aunque no llegó a construirse, fue la base a futuras investigaciones.
En 1930 Frank Whittle obtuvo la primera patente de un turbo jet aunque hubo que esperar once años a que se pudiera poner en práctica.
FUNCIONAMIENTO BÁSICO DEL TURBORREACTOR
El proceso es similar al del motor de combustión interna, en el que tenemos cuatro etapas:
En un turborreactor el aire es aspirado por el difusor de admisión. A continuación es comprimido y acelerado en el compresor. De aquí pasa a la cámara de combustión donde, con la adición de combustible, aumenta su temperatura, por la tanto aumenta su entalpía que se traduce en un aumento de su energía cinética. El aire energizado sale con gran velocidad chocando, primero, con la turbina que impulsará, a través del eje, más aire a la entrada del compresor y, a continuación saldrá por la tobera de escape con gran velocidad produciendo el efecto de reacción.
El turborreactor ha evolucionado mucho en estos años y han aparecido gran cantidad de diseños distintos basados en la eficiencia, el impulso, el ruido o el consumo.
Poco después del primer modelo de turborreactor aparecieron los modelos con varias etapas en la compresión, doble eje y turbofan.
Los compresores de tipo axial se impusieron rápidamente por la facilidad de instalar varias etapas en el compresor.
Las cámaras de combustión se hicieron más eficientes para crear la turbulencia necesaria en el flujo de aire y para facilitar las tareas de mantenimiento.
En la figura la inyección de combustible se hace por izquierda (“Fuel Spray Nozzle”). El aire entrará por los orificios situados a lo largo de la cámara de combustión. No todo el aire que entra en el compresor se quema en la cámara de combustión. Esta relación es de 60 partes de aire por cada parte de combustible. De todo el aire sólo entra dentro de la cámara de combustión 15 partes de aire, que será el dosado normal para producir una buena combustión del keroseno.
En esta figura vemos un conjunto completo de cámaras de combustión en disposición tubular. Esta disposición facilita las tareas de mantenimiento. Se observa el manguito principal para la inyección del combustible (“Main Fuel Manifold”).
Para mejorar el funcionamiento en un amplio regímenes de giro del motor se comenzaron a construir compresores y turbinas de dos etapas.
En este dibujo vemos un compresor con una etapa de baja compresión de color azul y otra etapa interior de alta compresión.
Con esta disposición conseguimos que la etapa de baja presión gire a menos revoluciones consiguiendo un mejor llenado de aire del motor al poder recoger las palas de los álabes todo el aire de las etapas anteriores sin que se produzca el efecto de “surge” o efecto que se produce en los turbocompresores cuando la velocidad de giro es superior a la velocidad de paso del aire en el turbocompresor. En este caso parte del aire no es capaz de entrar en el compresor por lo que baja el rendimiento.
Con esta disposición la etapa de baja presión se calcula para que gire por debajo del “surge” pero con un volumen de aire muy alto.
En la etapa de alta presión, el aire ya ha sido comprimido y acelerado lo suficiente para la velocidad de giro superior de esta etapa que, al que tener más presión, admite más revoluciones y aumenta, aun más, la compresión.
El funcionamiento de la turbina será similar a las etapas del compresor.
TURBOFAN
La primera etapa del compresor puede ser un fan (o ventilador) que impulse gran cantidad de aire a las etapas siguientes y que parte de ese aire no pase por las etapas de compresión ni combustión, si no que pase directamente a la tobera de escape.
Este aire también generará reacción que ayudará a la impulsión y, además, tendrá algunas ventajas como una reducción del consumo y del ruido del motor.
El límite de revoluciones a las que puede girar el fan (o cualquier etapa del compresor o turbina) está limitado por dos límites:
- La velocidad lineal de la punta de las palas no puede superar la velocidad del sonido (v = w.r, siendo w la velocidad angular en rpm y r el radio de giro). En este caso aparecen fenómenos de compresibilidad y, en esas zonas, no tiene ningún rendimiento las palas.
- Aparición del surge. Este fenómeno es un desprendimiento de la capa límite del aire en la pala al girar a velocidades altas lo que provoca que no impulse aire, modificando el ángulo de ataque de las palas se evita este fenómeno.
Es este dibujo vemos un fan situado en la parte delantera del motor. Este fan impulsa la mayor cantidad del aire sin pasar por el motor. Se observa una reductora con el fin de hacer girar el fan a menor velocidad que el resto del motor ya que, al tener más radio de palas aparecerían los fenómenos de compresibilidad antes que al resto del compresor.
Motor Trent 900 de Rolls Royce con tres etapas: Baja, Media y Alta presión. Actualmente instalado en aviones de pasajeros y carga de gran tamaño como el SuperJumbo Airbus 380.POSTCOMBUSTIÓN
En aeronaves que necesitan una potencia instantánea extra se recurre a realizar una postcombustión de keroseno en la zona de la tobera. El aire que sale energizado por la tobera y mezclado con gran cantidad de aire sin quemar arde fácilmente al inyectarle nuevamente keroseno en la tobera. Esta nueva combustión produce un aumento de la velocidad de salida de los gases. El área de salida de la tobera varía para facilitar la aparición de ondas de choque.
En la zona convergente de la tobera se produce la primera onda de choque (Mach = 1) a partir de aquí, para acelerar aún más el fluido se abre la tobera haciéndola divergente y consiguiendo una aceleración de fluido de 2, o más la velocidad de sonido.
Este tipo de toberas se utiliza en aviones de combate y en momentos puntuales ya que el consumo de combustible es muy elevado.
En esta fotografía de un F-16 belga se observan los anillos que forman las ondas de choque de la postcombustión.
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