Thread by @AngelJB20_08

Originalmente este Hilo seria sobre los motores Turboeje usados en Helicópteros. Pero hay que explicar algunas cosas primero para que todo se entienda lo mejor posible, así que en cambio... Hoy hablaremos sobre los ''Motores de Turbina de Gas''. Hilo↓↓↓.

Desde sus inicios la aviación se ha visto limitada principalmente por los sistemas de propulsión. Cuando comenzó la era del vuelo tripulado en aeronaves mas pesadas que el aire casi la única opción para propulsarlas eran los motores de pistón unidos a una hélice.

Tanto motores como hélices con el tiempo se fueron haciendo cada vez mas eficientes, capaces y confiables y evolucionaron en diferentes configuraciones para adaptarse mejor a las aeronaves aumentando sus prestaciones.

Aun así cerca de la mitad del siglo pasado se llego a un punto donde no se podían expandir mas sus capacidades. En el ámbito militar por obvias razones se volvió cada vez mas crucial el aumentar la velocidad de las aeronaves para tener ventaja sobre el enemigo.

El empuje es una de las 4 fuerzas fundamentales que rigen el vuelo en las aeronaves y es fácil notar el por que es importante contar con un motor mas potente que a su vez pese menos para lograr características de vuelo superiores ya que esto determina directamente la velocidad.

Los motores de pistón ya sean radiales o en línea producían una escasa potencia en relación a su gran peso, y hacerlos un poco mas potentes y eficientes requería la instalación de complicados sistemas sobrealimentadores y de refrigeración que los hacían aun mas pesados.

Las hélices entonces se volvían mas grandes y rápidas pero cuando sus puntas se acercaban a la velocidad del sonido su empuje caía considerablemente y requerían aun mas potencia del motor para funcionar bien. Dificultando a los aviones llegar a velocidades de mas de 700 Km/h.

Para incrementar el rendimiento de los aviones y superar esta barrera, se necesitaba un nuevo tipo de planta motriz sin hélices, ya que estas habían llegado a su limite de diseño. Esto llevo a que varios ingenieros intentaran crear un nueva manera de propulsar aeronaves.

Uno de los primeros intentos de crear un nuevo y diferente sistema de propulsión fue realizado por Henri Coanda tan pronto como 1910 cuando utilizo un tipo de ''Termorreactor'' para propulsar su avión homónimo, el Coanda-1910, aunque hay muy poco registro de ello.

Este tenia un compresor movido por un motor de pistón y el aire era luego encendido en dos cámaras de combustión proporcionando el empuje. Aunque sembró una semilla para la propulsión a chorro no fue muy exitoso y aun años después el éxito del Termorreactor fue limitado.

Alrededor de 1930 un joven Inventor e Ingeniero Aeronáutico Ingles llamado Frank Whittle presento la patente para un novedoso Motor a Reacción que utilizaba un compresor centrifugo de dos caras conectado a una turbina de gas evitando el uso de otro motor para comprimir el aire.

Este detalle seria el factor clave que ayudaría a desencadenar todo el potencial de los ''Motores a Reacción de Turbina de Gas'' en las próximas décadas ya que permitía aprovechar la energía del fluido propulsor para mantener el ciclo y al motor en funcionamiento continuo.

Paralela y aparentemente sin relación a los trabajos de Whittle, el Ingeniero alemán Hans von Ohain trabajaba junto a otros científicos alemanes en el desarrollo de este tipo de motores para propulsar sus aviones desde poco antes de la Segunda Guerra Mundial.

Al estar respaldado por el gran aparato productivo alemán Ohain pudo desarrollar y adaptar mas rápido su motor a reacción para utilizarlo en el Heinkel He 178, que cuenta como el primer avión en volar con un motor a reacción de turbina de gas el 27 de Agosto de 1939.

Casi dos años después fue que Whittle logro el apoyo del Ministerio del Aire ingles y su compañía Power Jets obtuvo los fondos para construir y probar un motor a reacción en un avión Gloster diseñado para ello. Este fue el E28/39 cuyo primer vuelo ocurrió el 15 de Mayo de 1941.

Este tipo de motores debido a su nuevo diseño y complejas propiedades técnicas hasta entonces poco conocidas los hizo difícil de fabricar y de adaptar a las aeronaves tripuladas lo que significo que dichos diseños no llegaron a tiempo para participar extensamente en la guerra.

En los años posteriores el interés global en esta nueva forma de propulsión creció increíblemente y se dedico gran cantidad de esfuerzo y fondos desarrollándolos, mejorándolos y adaptando sus características a diversas aeronaves hasta llegar a la gran industria que es hoy día.

Antes de adentrarnos un poco mas en sus principios de funcionamiento, haremos un inciso para aclarar algunas cosas: normalmente a estos motores se les encontrara con una gran variedad de nombres como motores a reacción, jets, reactores, turbinas, turbinas de gas, etc...

La definición ''Motores a Reacción'' o de propulsión a chorro (Jet Engines) incluye también a; los Motores Cohete, los Estatorreactores, los Pulsorreactores y a otros diseños menos comunes en los cuales la propulsión se obtiene al lanzar un ''chorro'' de fluido a gran velocidad.

La tercera ley de Newton enuncia que ''Toda acción tendrá una reacción igual y de sentido contrario'' por lo que podemos intuir que al acelerar un fluido y expulsarlo en una dirección, se crea un empuje en sentido opuesto y bajo este principio funcionan todos los mencionados.

Actualmente la definición Motores a Reacción, aunque no es la mas especifica, es la mas usada para referirse a los Turborreactores, Turbohélices y Turboventiladores, solo que estos además caen en la categoría de ''Motores de Turbina de Gas'' (Gas turbine Engines).

Esto significa que tendrán una de ellas como su componente fundamental. Por metonimia es muy común llamarles simplemente turbinas o turbinas de gas pero esto no es precisamente correcto ya que estas son solo partes de dichos motores.

Los motores desarrollados por Whittle y Ohain son conocidos como Turborreactores o ''Turbojets'' en Ingles, estos fueron de la primera generación y por lo tanto definieron los principios básicos sobre los cuales trabajaran todos los otros.

Los motores a reacción son considerados como un tipo de ''Turbomaquina Térmica'' lo que quiere decir que imparten y absorben energía a un fluido, en este caso el aire, mediante cambios en su velocidad, presión y temperatura.

Este tipo de maquinas trabajan bajo un ciclo conocido como Brayton abierto no regenerativo de simple compresión y simple expansión. En donde el aire es comprimido, encendido en la cámara de combustión y expandido de nuevo hasta la temperatura ambiente.

A diferencia del Ciclo Otto en el que se basan los motores de pistón donde (en los de cuatro tiempos) la admisión, compresión, combustión y expulsión ocurren en cuatro etapas separadas bien definidas...

En el Ciclo de Propulsión de los Motores a Reacción basado específicamente en el Brayton estos procesos ocurren en secciones consecutivas diferentes y de manera simultanea mientras el aire atraviesa el motor.

En ellos el aire del ambiente ingresa al motor con una presión y temperatura atmosféricas, luego su presión es aumentada por un compresor para pasar posteriormente a una cámara de combustión donde es mezclado con combustible y encendido.

Aunque la presión permanezca casi constante en esta etapa su temperatura y por lo tanto volumen especifico aumentan considerablemente lo que provocara su expansión, luego pasa por una turbina de gas que extrae parte de esta energía y la utiliza para alimentar el compresor.

Posteriormente el aire que aun conserva mucha energía calorífica se sigue expandiendo hasta la temperatura ambiente en la tobera cambiando presión y temperatura por volumen causando que este se acelere considerablemente provocando un chorro que propulsa la aeronave.

Simplificando; el aire entra, se comprime, se enciende y se expande dándole energía a la turbina y acelerándose en la tobera para causar el chorro de gases calientes a alta velocidad que son útiles para impulsar el avión.

Los partes principales que mantienen este ciclo en funcionamiento varían de un tipo de motor a otro y del uso que este tenga, pero todos tienen tres partes fundamentales que conforman el ''Generador de Gas'', que son; El Compresor, La Cámara de Combustión y la Turbina.

La función del generador de gas es proveer continuamente gases con gran presión y temperatura para expandirlos en una tobera en el caso de los Turborreactores de empuje puro y/o expandirlos en secciones adicionales de turbina para los Turbohélices y Turboventiladores.

Los primeros motores utilizaban compresores centrífugos o ''impellers'' cuyas superficies dirigen el aire perpendicularmente al eje y junto a la fuerza centrifuga lo comprimen, su uso es limitado en la actualidad por tener un menor flujo másico (kilogramos de aire por segundo).

Eran usados en los primeros diseños por ser muy robustos y relativamente fáciles de construir, aunque su forma los hace mas anchos (mayor resistencia al avance) y además su diseño dificulta su utilización en varias etapas sucesivas si se requieren mayores presiones.

En los primeros años de investigación de estos motores se noto que se podían hacer considerables mejoras de rendimiento al utilizar compresores axiales, llamados así porque mantienen el aire fluyendo paralelo al eje del motor.

Estos utilizan una serie de ''paletas'' fijas llamadas estatores o ''vanes'' que optimizan el flujo de aire y una serie de paletas giratorias conocidas como alabes o ''blades'' que son las que imparten el movimiento al fluido y que junto a los estatores aumentan su presión.

Aunque la relación de compresión de cada etapa (alabe-estator) es baja (de alrededor de 1,5:1... es decir 1.5 litros de aire en el espacio de 1) estos se pueden poner en muchas etapas sucesivamente para lograr relaciones de compresión que pueden ser tan altas como 30:1.

Los compresores centrífugos con una relación de compresión de alrededor de 5:1 son usados principalmente en motores de escasa longitud, para la mayoría de los otros motores la mejor opción siempre es el compresor axial con su relación promedio de alrededor de 20:1.

El aire luego de pasar por los compresores a parte de aumentar su presión aumenta también su temperatura debido a la fricción, desde la temperatura atmosférica puede llegar hasta los 600 °C en algunos diseños y eso antes de entrar si quiera a la cámara de combustión.

En la cámara de combustión como su nombre lo indica es donde ocurre la adición del combustible y su posterior ignición para provocar la gran expansión del aire, en ellas las temperaturas pueden llegar a alcanzar mas de 2.000 grados centígrados.

Esto no siempre fue así y en los primeros motores con eficiencias generales mas bajas las temperaturas de la cámara de combustión eran de apenas 500-600 °C (esos compresores casi no calentaban el aire) y fueron aumentando con el desarrollo de materiales mas resistentes.

En los motores de turbina de gas en general mientras mas calor se añada, ósea mientras combustible se queme mayor será la propulsión pero las temperaturas que se pueden alcanzar están limitadas por las temperaturas máximas que pueden soportar la cámara y la turbina.

En la mayoría de los motores actuales el aire que ingresa a la cámara se separa y se usa para aislar y refrigerar el material, por lo tanto solo alrededor del 20% es ''quemado'' y el resto ayuda a mantener la llama en posición y a disminuir la temperatura de salida.

Las cámaras de combustión al igual que los motores en si han ido evolucionando a través del tiempo en materiales y forma, los tipos principales son; las tubulares, las anulares y las can-anulares que son una mezcla de las otras dos.

Las cámaras de combustión por excelencia son las anulares y como su nombre lo indica son un ''anillo'' continuo alrededor de motor que permite una construcción mucho mas simple, un mayor flujo másico y pocos cambios de dirección al aire manteniendo la energía cinética.

El aire al salir de la cámara tiene una temperatura extremadamente alta y mezclarlo con el flujo externo de la cámara ayuda a reducir el excesivo calor evitando posibles daños en la turbina.

La turbina por su parte, como es el órgano fundamental de estos motores aprovecha la energía del flujo de gases (alrededor del 30%) y la utiliza para propulsar el compresor manteniendo dicho flujo constante y el ciclo en continuo funcionamiento.

El número de etapas de turbina es menor que el de las etapas del compresor axial debido a que el gas al salir de la cámara de combustión esta en continua expansión aportando mucha más energía. Por eso una etapa de turbina puede mover hasta cinco del compresor

Este es uno de los trabajos mas críticos del motor y por eso es el componente de mayor complejidad ya que debe soportar elevadas fuerzas de torsión, de rotación y las altas temperaturas de los gases, por eso es la parte que normalmente limita la potencia de estos de motores.

Cada etapa de turbina esta conformada, al igual que el compresor, por un conjunto alabe-estator. El tipo de motor determinara la cantidad de etapas sucesivas necesarias y el diseño de ellas determinara la cantidad de energía que es extraída del fluido.

A principios de los 50's se tuvo la idea de usar los motores a reacción en aviones con hélices, adaptándolos para mezclar las ventajas de los turborreactores en cuanto a relación potencia-peso y la de las hélices en cuanto a ahorro de combustible y versatilidad.

Para aviones que no requieran una velocidad tan alta pero si un motor con buen rendimiento de combustible y buena cantidad de potencia es ideal acoplar una hélice a la sección de turbinas, de ahí nace el motor Turbohélice o ''Turboprop'' del ingles Turbopropeller.

En este tipo de motor de turbina de gas el funcionamiento básico es igual al del turborreactor y sus partes son muy similares, pero al final hay una etapa adicional de turbinas cuyo eje se conecta a una caja de engranajes reductora para lograr una velocidad optima de la hélice.

Su rango eficiente de operación es de alrededor de 600Km/h y su consumo es menor a los 7.000-8.000 metros. En la actualidad son usados ampliamente en aviones de todos los tamaños que precisan características como la eficiencia de combustible y la capacidad de despegues cortos.

Y siguen en producción debido a que aprovechan grandemente los avances tecnológicos y especialmente los diseños de nuevas hélices mas avanzadas, otro dato es que entre el 80-90% de la propulsión proviene de la tracción de la hélice y el resto del chorro del escape.

Inherentemente debido a estas ventajas en la producción de potencia a un eje con bajo peso este tipo de motores se hizo sumamente atractivo para su uso en helicópteros y de ellos se creo el motor Turboeje... Pero ahí hay mas que contar así que quedaran para un próximo hilo.

En la década de los 60's ya con el uso del Turborreactor bastante extendido se buscaba incrementar ahora su eficiencia del combustible para hacerla competitiva con la de los motores Turbohélice pero manteniendo las altas velocidades, naciendo así el Turboventilador.

Este tipo de motor mejor conocido como Turbofan (por su nombre en ingles) en las ultimas décadas desplazo completamente al turborreactor en todo tipo de aviones. Su diferencia mas significativa respecto a estos es la adición de un ''Ventilador'' (Ducted Fan) en su parte frontal.

En ellos el aire es dividido en dos flujos, uno primario que recorre el núcleo del motor al igual que en un turborreactor y uno secundario que rodea este núcleo y se mantiene relativamente frio, proporcionando en muchos casos la mayor parte del empuje.

Dependiendo del tamaño del Fan estos motores se clasificaran como Turbofans de Baja Relación de Derivación (Low Bypass) o de Alta Relación de Derivación (High Bypass). La Relación de Derivación o ''Bypass Ratio'' indica la cantidad de aire que fluye por cada parte del motor.

En los primeros motores Turbofan la relación de derivación era baja o de menos de 2:1, es decir que por cada parte de aire que atraviesa el núcleo dos lo rodean propulsados solo por el ventilador, que en relaciones tan bajas se comporta como una extensión del compresor.

Estos motores tienen una generación de empuje ideal por lo que incluso sustituyeron al Turborreactor en aviones de combate que pueden alcanzar velocidades supersonicas y ahora son el estándar. De ejemplo el Pratt & Whitney F-100 que propulsa al F-16 Fighting Falcon.

Para los aviones de pasajeros mucho mas grandes los motores utilizados tienen relaciones de derivación mas altas que comúnmente van desde 4:1 hasta 9:1. En ellos el flujo secundario movido por el Fan tiende a salir por un ducto mas corto sin mezclarse con el flujo primario.

Los motores de alta relación de derivación normalmente tienen dos (Dual Spool) o tres (Triple Spool) ejes concéntricos que van desde las turbinas de alta, media y baja presión hasta los compresores de baja y media presión y hasta el Fan.

En ellos aproximadamente el 80% del empuje proviene del flujo secundario del Fan y el resto del núcleo del motor que es el corazón de la maquina. Tiene ventajas significativas en cuanto al ahorro de combustible y pueden operar eficientemente a velocidades subsónicas altas.

Por esto y por su capacidad de reducir el ruido (debido a que el flujo secundario atenúa la fricción del aire de mas alta velocidad del flujo primario) estos motores son la opción predeterminada para los aviones comerciales que transportan pasajeros y carga.

Podemos además mencionar que tanto a los Turborreactores como a los Turbofanes de baja deriva se les puede instalar un postquemador que se encarga de agregar mas combustible en la sección de la tobera el cual se enciende automáticamente por los calientes gases de escape.

Esto causa que el chorro nuevamente se cargue de energía calorífica provocando una expansión aun mayor al momento de salir que aumenta la velocidad del chorro e incrementa el empuje en hasta en un 40% aunque a costa de un uso ineficiente del combustible.

Como pueden notar este es un tema bastante extenso y complejo para un solo Hilo pero hasta ahora hemos visto todo lo esencial. En el próximo Hilo nos enfocaremos en los motores Turboeje y veremos las diferencias entre turbinas. Pero creo que por hoy es suficiente...

La sorprendente ingeniería detrás de todos estos motores expresa la excepcional capacidad del ingenio humano para propulsar sus ideas y lograr lo que parece imposible. Y hasta aquí el Hilo, espero lo hayan disfrutado.