Motores a reacción

Índice
ÍNDICE
CAPÍTULO I: Introducción ...........................................................................................5
1.1.- Generalidades ........................................................................................................5
1.2.- Ventajas del motor alternativo utilizado para bajas potencias ..............................6
1.3.- Motor, propulsor, motopropulsor y grupo motopropulsor ....................................8
1.4.- Diferencias propulsivas de un turborreactor y un turbohélice ...............................9
1.5.- Conceptos fundamentales de la propulsión ...........................................................9
1.6.- Funcionamiento básico de un turborreactor ........................................................10
CAPÍTULO II: Clasificación de los sistemas propulsivos .........................................11
2.1.- Sistemas no autónomos .......................................................................................13
2.1.1.- Turborreactor de flujo único .........................................................................13
2.1.2.- Turbofán........................................................................................................14
2.1.3.- Estatorreactor ................................................................................................17
2.1.4.- Pulsorreactor .................................................................................................19
2.1.5.- Turboestatorreactor .......................................................................................21
2.1.6.- Turbocohete ..................................................................................................21
2.1.7.- Sistemas mixtos ............................................................................................22
2.2.- Sistemas autónomos ............................................................................................23
2.2.1.- Propulsión fluidodinámica ............................................................................23
2.2.2.- Propulsión eléctrica ......................................................................................25
CAPÍTULO III: Rendimiento y ciclo de trabajo ........................................................27
3.1.- Curva de rendimiento propulsivo ........................................................................27
3.2.- Ciclo brayton .......................................................................................................29
3.3.- Diferencias entre el motor alternativo y el motor a reacción...............................31
CAPÍTULO IV: Partes fundamentales del motor a reacción ...................................35
4.1.- Difusor o toma dinámica .....................................................................................35
4.2.- Cárter de entrada ..................................................................................................36
4.3.- Compresor ...........................................................................................................36
4.4.- Difusor precámara ...............................................................................................36
4.5.- Cámara de combustión ........................................................................................37
Motores a reacción
1
Índice
4.6.- Turbina.................................................................................................................37
4.7.- Tobera ..................................................................................................................37
4.8.- Cárter de accesorios .............................................................................................38
CAPÍTULO V: Difusor de admisión ...........................................................................39
CAPÍTULO VI: Compresor .........................................................................................41
6.1.- Compresor centrífugo ..........................................................................................42
6.1.1.- Estructura ......................................................................................................43
6.1.2.- Funcionamiento ............................................................................................46
6.2.- Compresor axial ...................................................................................................50
6.2.1.- Estructura ......................................................................................................50
6.2.2.- Funcionamiento ............................................................................................53
6.3.- Materiales ............................................................................................................57
6.4.- Diferencias fundamentales entre compresor axial y centrífugo ..........................57
6.5.- Álabes guía ..........................................................................................................60
6.5.1.- Generalidades................................................................................................60
6.5.2.- Ventajas e inconvenientes .............................................................................61
6.6.- Mapa de un compresor ........................................................................................61
CAPÍTULO VII: Cámara de combustión .................................................................. 67
7.1.- Características operativas deseables ....................................................................68
7.2.- Partes de una cámara de combustión ...................................................................71
7.3.- Funcionamiento ...................................................................................................73
7.4.- Suministro de combustible ..................................................................................75
7.5.- Tipos de cámara de combustión ..........................................................................76
7.6.- Materiales ............................................................................................................80
7.7.- Arranque del motor ..............................................................................................81
CAPÍTULO VIII: Turbina ...........................................................................................83
8.1.- Estructura .............................................................................................................84
8.2.- Funcionamiento ...................................................................................................85
8.3.- Tipos de turbinas axiales .....................................................................................86
8.4.- Turbinas refrigeradas ...........................................................................................87
8.5.- Materiales ............................................................................................................88
CAPÍTULO IX: Tobera ................................................................................................89
9.1.- Partes de la tobera ................................................................................................90
2
Motores a reacción
Índice
9.2.- Funcionamiento ...................................................................................................90
9.3.- Reducción de ruido ..............................................................................................91
CAPÍTULO X: Postcombustor ................................................................................... 93
10.1.- Partes de la Tobera con Postcombustor .............................................................94
10.2.- Funcionamiento del Postcombustor...................................................................96
10.3.- Tipos de tobera de área variable ........................................................................96
10.4.- Inestabilidad de la Postcombustión ...................................................................98
CAPÍTULO XI: Preguntas de examen ........................................................................99
Motores a reacción
3
Índice
4
Motores a reacción
Introducción
CAPÍTULO I:
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I: Introducción
1.1.- GENERALIDADES
La turbina es el medio más importante para producir potencia mecánica. Gracias a
la ausencia de elementos alternativos y friccionantes se minimizan los problemas de
equilibrado, el consumo de aceite lubricante es excepcionalmente bajo y el rendimiento
y fiabilidad de la máquina aumenta.
Las ventajas que ofrecen las turbinas se ponen de manifiesto cuando uno de los
fluidos operantes era el agua, siendo las turbinas de vapor uno de los principales
recursos para la producción de energía. Tanto que tiene 500 MW de potencia con un
rendimiento de un 40%. A pesar de todo esto que ha acompañado a su desarrollo, la
turbina presenta un inconveniente intrínseco. Y es que la necesidad de crear vapor a alta
presión y temperatura requiere la instalación de sistemas voluminosos tanto como si se
trata como de una turbina grande como de una pequeña. Otro inconveniente es que se
necesita un vehículo intermedio (fluido operante) para la producción de vapor. Se
Motores a reacción
5
Introducción
comprueba fácilmente que la planta productora será mucho más compacta si son los
propios gases de la combustión los que mueven la turbina eliminando el paso de agua a
vapor.
Los éxitos más importantes de este desarrollo los marcó el inglés Frank Whittle
en 1937 y a partir de ese momento, con la única excepción del automóvil, la turbina ha
desplazado al motor alternativo porque su relación potencia/peso es mucho mayor.
La transición de los motores de émbolo a los motores de reacción vino motivada
como consecuencia de la necesidad del aumento de la velocidad de vuelo. Esta
necesidad de aumentar la velocidad de vuelo tiene como consecuencia un incremento de
la potencia de las plantas de empuje. Con motores alternativos de peso y tamaño
aceptable no se consigue la potencia necesaria para desplazar el avión a altas
velocidades. Así, se ve que en la historia de la aviación se pasa de los motores
alternativos a los de reacción debido a la mayor relación potencia/peso de estos últimos.
1.2.-
VENTAJAS
DEL
MOTOR
ALTERNATIVO
UTILIZADO PARA BAJAS POTENCIAS
Por debajo de 400 CV aproximadamente predominan los motores alternativos,
esto es debido a varias razones:
 Para bajas potencias, se tienen gastos de aire pequeños, si se pone un compresor
axial, los álabes correspondientes a los últimos escalones son muy pequeños,
entonces lo que ocurre es que el número de Reynolds de la corriente desciende por
debajo de su valor crítico de forma que se originan turbulencias y grandes
pérdidas aerodinámicas que tienen como consecuencia una gran disminución del
rendimiento. Por otra parte si se pone un compresor centrífugo hay que tener en
cuenta su mayor área frontal, se tienen que poner cámaras de combustión
individuales y que la aerodinámica del compresor centrífugo tiene sus
limitaciones, para relaciones de compresión de 3,8 la velocidad de entrada son ya
supersónicas. Y para velocidades de entrada Mach 1,2 existe una interacción entre
la onda de choque y la capa límite que trae como consecuencia el desprendimiento
de la corriente y unas grandes pérdidas de compresión. Entonces, lo que se hace es
6
Motores a reacción
Introducción
poner un compresor axial como etapa de baja presión y como etapa de alta presión
se pone un compresor centrífugo.
 Las turbinas giran a grandes velocidades, si giran a muchas revoluciones no se
puede acoplar directamente una hélice (o a las ruedas de un coche) y habrá que
poner grandes reductores. En el caso de un turbohélice, su rendimiento propulsivo
sólo es bueno para un número de Mach no superior a 0,65, que combinado con la
velocidad de la hélice producirían fenómenos de compresibilidad en la punta de
las palas que producirían una entrada en pérdida o una gran resistencia
aerodinámica. Esto se evita poniendo reductores, ya que las hélices pueden girar
sin tener fenómenos de compresibilidad entre 2300 y 2800 rpm.
 Por otra parte, se sabe que el trabajo específico por escalón es aproximadamente
2

proporcional a la velocidad tangencial al cuadrado:    r  . Si se habla de


motores pequeños, y se quiere mantener constante el trabajo por escalón, y así el
rendimiento total del compresor se tiene que mantener la velocidad tangencial
constante y para ello habría que aumentar las revoluciones ya que el radio
disminuye y se tendrían que poner aún mayores reductores.

  u2

u  cte

u    ·r 
En turbohélices pasa lo mismo, se tienen unos radios pequeños y para
mantener constante el trabajo por escalón tendría que funcionar a muchas
revoluciones y habría que poner unas grandes reducciones.
 Otro factor es el rendimiento propulsivo. Los motores a reacción están diseñados
para tener unos rendimientos propulsivos elevados para velocidades de vuelo
elevadas. En el caso de motores pequeños (para realizar trayectos cortos y con
bajas potencias) las velocidades de vuelo serán muy bajas y el rendimiento
propulsivo también; en consecuencia el consumo específico será elevado. Por lo
Motores a reacción
7
Introducción
tanto, para motores pequeños se tienen rendimientos propulsivos pequeños y
grandes consumos específicos. (Fig. 3.1)
 Los motores a reacción tienen un pequeño retraso debido a la inercia (tardan más
en reaccionar). Con motores de baja potencia se está hablando de alturas poco
elevadas y de trayectos cortos. Entonces es mucho más rápido un motor
alternativo, que un turborreactor.
1.3.- MOTOR, PROPULSOR, MOTOPROPULSOR Y
GRUPO MOTOPROPULSOR
Cuando se habla del motor de un avión se está refiriendo al dispositivo o a la
máquina que es capaz de producir una fuerza motriz como para desplazar al avión
venciendo la resistencia del medio ambiente y contrarrestando los campos gravitatorios.
En el caso de un motor alternativo, este no es capaz de producir la fuerza motriz para
desplazar el avión sino que necesita un sistema auxiliar: la hélice. En el caso de un
turborreactor, por su configuración sí que es suficiente para producir el empuje
necesario y desplazar el avión.
 Motor: Unidad que transforma la energía química del combustible en energía
mecánica en forma de par motor. Ejemplo: Motor alternativo.
 Propulsor: Unidad que transforma la energía mecánica, proporcionada por el
motor, en energía cinética. Y que obtiene un empuje en sentido contrario al gas
portador de esa energía cinética. Ejemplo: Hélice.
 Motopropulsor: Dispositivo que transforma directamente la energía química del
combustible en energía cinética. Y que obtiene un empuje en sentido contrario al
gas portador de esa energía cinética. Ejemplo: Turborreactor.
 Grupo motopropulsor: Dispositivo formado por un motor y un propulsor. Por
ejemplo, el motor alternativo y una hélice o el turbohélice debido al carácter
mixto que tiene. No es lo mismo motopropulsor que grupo motopropulsor.
8
Motores a reacción
Introducción
1.4.- DIFERENCIAS DESDE EL PUNTO DE VISTA
PROPULSIVO DE UN TURBORREACTOR Y UN
TURBOHÉLICE
 Turborreactor: Se comunica a una pequeña masa de aire una gran aceleración.
Por otra parte, aproximadamente 1/3 de la energía que se libera en el proceso de
combustión se emplea en mover el compresor y sistemas auxiliares y 2/3 para
obtener empuje por el principio de acción y reacción.
 Turbohélice: Se comunica a una gran masa de aire una pequeña aceleración. Por
otra parte, aproximadamente 9/10 de la energía que se libera en el proceso de
combustión se emplea en mover la hélice, compresor y sistemas auxiliares, y 1/10
para obtener empuje debido a las fuerzas de reacción.
1.5.-
CONCEPTOS
FUNDAMENTALES
DE
LA
PROPULSIÓN
Para mover un vehículo hay que crear una fuerza en el sentido del movimiento
para, acelerando, vencer la resistencia del medio ambiente y contrarrestar los campos
gravitatorios. Según las leyes de la dinámica esa fuerza se opondrá a otra fuerza igual en
la misma dirección y de sentido contrario que es la reacción. Esa otra fuerza, se ha de
aplicar a un cuerpo distinto del vehículo porque sino se produciría una deformación y
no un desplazamiento del vehículo. En la propulsión aérea y espacial se necesitan otros
cuerpos para permitir la propulsión del vehículo; esos otros cuerpos son la atmósfera o
las masas almacenadas a bordo del vehículo.
A causa de que la cantidad de movimiento del sistema completo (vehículo más
masas más atmósfera es constante) si se transfiere cantidad de movimiento a la
atmósfera, la atmósfera transfiere cantidad de movimiento en sentido contrario y si se
transfiere a las masas almacenadas, éstas transfieren cantidad de movimiento en sentido
contrario al vehículo, por lo que la fuerza que actúa sobre el vehículo se obtiene
transfiriendo cantidad de movimiento a la atmósfera o a las masas almacenadas. El aire
entra en el motor y es lanzado hacia atrás a una velocidad superior a la que ha entrado,
Motores a reacción
9
Introducción
así sobre el motor actuará la reacción del aire que lo propulsará hacia delante (al motor).
Los motores a reacción están basados en la segunda y tercera ley de Newton: el
incremento de la cantidad de movimiento es igual al impulso de la fuerza aplicada en la
misma dirección que ésta, y a toda fuerza le corresponde una reacción en la misma
dirección y de sentido contrario.
c  m(vs  ve )  F ·t
m
·(vs  ve )
t
E  F
F
1.6.-
FUNCIONAMIENTO
BÁSICO
DE
UN
TURBORREACTOR
El aire llega al difusor de entrada donde se transforma la energía cinética en
presión, pasa al compresor donde se sigue aumentando la presión de este aire gracias a
un trabajo mecánico comunicado por el compresor, después se pasa por el difusor
precámara que decelera la corriente para que tenga una velocidad adecuada para que se
queme con el combustible y no se apague la llama; tras la combustión se pasa a la
turbina donde se expanden los gases en un elemento que es el estátor, y luego, la energía
cinética que adquiere se transforma en energía mecánica en el rotor, y finalmente, se
expanden los gases en la tobera para obtener el empuje.
10
Motores a reacción
Clasificación de los sistemas propulsivos
CAPÍTULO II:
CLASIFICACIÓN
DE LOS SISTEMAS
PROPULSIVOS
CAPÍTULO II: Clasificación de los sistemas propulsivos
Motores a reacción
11
Clasificación de los sistemas propulsivos
12
Motores a reacción
Clasificación de los sistemas propulsivos
2.1.- SISTEMAS NO AUTÓNOMOS
2.1.1.- Turborreactor de flujo único
El aire que penetra en el
motor es sometido a una
compresión
y
a
combustión
parcial
una
para
después expansionarse en la
turbina, captando la energía
necesaria
para
mover
el
compresor y para obtener un
2.1 Turborreactor de compresor centrífugo de una
etapa y doble entrada.
gran incremento de velocidad de la masa de aire que
penetró en el motor en la tobera de salida.
Se
pudieron
desarrollar
los
turborreactores,
primero aumentando la relación de compresión y
después aumentando temperatura de entrada en turbina.
Se pueden clasificar en: de compresor simple, si
van dotados de un compresor; y de compresor doble,
cuando tienen dos. Estos a su vez pueden ser clasificados
en compresor de tipo centrífugo o axial.
2.2 Compresor centrífugo
de doble cara.
En un compresor centrífugo pueden ponerse álabes por las dos caras para
aumentar el gasto de aire sin aumentar el área frontal (Fig. 2.2). Para un determinado
gasto si sólo se pusieran por una
cara se tendría un área frontal muy
grande. Poniendo dos escalones1 lo
que se hace es aumentar la relación
de compresión sin aumentar el
gasto (Fig. 2. 14).
2.3 Turborreactor con un sólo compresor axial.
1
En centrífugo se refiere a dos etapas de compresión si los dos compresores son independientes.
Motores a reacción
13
Clasificación de los sistemas propulsivos
Cuando se ponen dos etapas de compresión (dos compresores independientes) el
compresor de baja es movido por la turbina de baja y el compresor de alta es movido
por la turbina de alta. Las dos etapas de compresión se colocan para aumentar la
flexibilidad de operación del compresor, es decir, para aumentar el rango en el que el
compresor puede funcionar de manera estable.
A partir determinadas relaciones de compresión, aproximadamente de 6 a 8,
disminuye el rango en el que el compresor puede funcionar de manera estable. Para
ampliar esta gama se puede utilizar:
 Sangrado de aire: Se sangra aire de las últimas etapas y así se evita que se pueda
crear una contrapresión que haga inestable al compresor.
 Se pueden poner álabes guía de incidencia variable: Con estos álabes se
disminuye la velocidad relativa de entrada al compresor de la corriente.
 Se colocan dos etapas de compresión: Llega un momento que los métodos
anteriores son insuficientes para relaciones de compresión de 6 a 8 para arriba,
entonces se recurre a dividir el compresor en dos. Al estar el compresor dividido
en dos funciona mucho mejor fuera de las condiciones de diseño ya que cada uno
compresor tiene su régimen óptimo.
2.1.2.- Turbofán
En este tipo de turborreactor
solamente una parte del aire que
penetra en el motor es sometido a las
mismas transformaciones que en un
turborreactor simple; a este aire se le
denomina flujo primario. La otra parte
del aire que penetra en el motor no es
2.4 Turbofán de triple eje con alto índice de
derivación.
sometida a un proceso de combustión,
sino que pasa por el fan, se comprime,
14
Motores a reacción
Clasificación de los sistemas propulsivos
se expande por las toberas adecuadas y se obtiene un incremento de volumen; a este aire
se le denomina flujo secundario.
Un turbofán consigue que al empuje obtenido por la masa de aire sometida a
compresión-combustión-expansión se le sume el de una masa adicional de aire
acelerada únicamente por la acción de los álabes de un compresor de baja elevación de
presión (fan). Así se obtiene un mayor gasto de aire con una velocidad de salida de los
gases de escape menor, lo que mejora el rendimiento propulsivo y por lo tanto el
consumo específico, por lo que se dispone de mayor energía para propulsar respecto de
la energía mecánica total que proporciona el motor.
El rendimiento propulsivo es la ley de como se transforma en energía cinética la
energía potencial que tiene el fluido a la entrada de la tobera, entonces lo que hace el
rendimiento propulsivo es transformar el trabajo mecánico que ha realizado el motor en
fuerza de empuje. Entonces lo que se va a buscar es tener un rendimiento propulsivo
alto.
2vo
por lo tanto si vs  vo   p  1
vs  vo
E  m ·(vs  vo )  0
p 
Como se ve en las ecuaciones para que el rendimiento propulsivo sea alto
teóricamente que tendría que suceder, que la velocidad de entrada sea igual que la
velocidad de salida con lo cual el rendimiento propulsivo sería uno. Todo esto
suponiendo que el rendimiento de la tobera es la unidad y que no hay pérdidas por
fricción pero en realidad nunca se podrá transformar en energía cinética toda la energía
potencial que llega a la entrada de la tobera. Suponiendo que se tiene un rendimiento
propulsivo unidad se ve que en este caso el empuje sería nulo. Para tener un
rendimiento propulsivo alto sin una reducción de empuje se coloca un fan y un escalón
de turbina que mueva el fan. Lo que se consigue es que el gas cuando salga realice un
trabajo al mover el escalón de turbina por lo tanto pierde velocidad y así se consigue
una velocidad de salida más próxima a la de entrada que hace que aumente el
rendimiento propulsivo. Y por otra parte para que no disminuya el empuje debido a la
reducción de la velocidad de salida con el trabajo realizado por la turbina se mueve un
fan para conseguir gasto de aire mayor y así evitar una posible pérdida de empuje. Al
Motores a reacción
15
Clasificación de los sistemas propulsivos
aumentar el rendimiento propulsivo sin una disminución de empuje disminuye el
consumo específico.
La relación de derivación es la relación entre el flujo secundario y el flujo
primario.
Relación de derivación =
Flujo secundario
Flujo primario
Hasta 3:1 (3 a 1) de relación de derivación se puede considerar de baja relación de
derivación y a partir de ahí es de alta relación de derivación.
Ejemplos: Las relaciones de compresión de los aviones civiles pueden llegar de
40:1 hasta 50:1, incluso un poco más; la relación de derivación puede estar entre 4:1 y
8:1 y la temperatura de entrada en turbina alrededor de 1900º a 2050º kelvin. Y en los
aviones militares la relación de compresión puede estar en 35:1 y la relación de
derivación entre 0,3:1 y 0,4:1; y la temperatura de entrada en turbina sobre unos 1900º
kelvin.
Se pueden clasificar según el lugar donde se separan los flujos:
 Tipo serie: Si los dos flujos son admitidos de forma conjunta dándose la
separación después de la compresión.
 Tipo paralelo: Si la admisión es independiente existiendo un compresor para
cada flujo.
Los turbofán de flujo mezclado
(Fig. 2.5) permiten que los gases del flujo
primario y secundario se mezclen en la
tobera. Se suele utilizar con bajos índices
de derivación y esto es especialmente
interesante
en
el
caso
de
la
postcombustión, ya que el aire procedente
2.5 Turbofán de doble compresor con bajo
índice de derivación y flujo mezclado.
del flujo secundario es aire fresco, mientras que el del flujo primario está mezclado con
los productos de la combustión, el flujo secundario también sirve para refrigerar. El
turbofán de flujo mezclado tendrá peor consumo específico porque la relación de
16
Motores a reacción
Clasificación de los sistemas propulsivos
derivación es menor que en el de flujo independiente y por lo tanto los rendimientos
serán menores.
Dentro de los turborreactores de doble flujo se tiene el afterfan, que se diferencia
de los anteriores en que lleva el fan en la parte posterior. La ventaja de este sistema es
que es más ligero, ya que no tiene eje de transmisión primario y secundario. En cambio
las desventajas son varias: la diferencia de temperaturas a la salida entre el flujo
primario (1000º C) y secundario (200º C) es muy elevada, por lo que los esfuerzos
térmicos son elevados dilatándose una parte de la estructura más que la otra pudiendo
causar la ruptura (fenómeno de termofluencia estructural); el flujo primario, al
encontrarse a gran presión, se filtrará (leakage) por los huecos antes y después del fan
ocasionando una pérdida de potencia en la turbina; tiene un funcionamiento menos
flexible ya que el fan delantero ayuda a
precomprimir el aire haciendo que sea
más fácil de manejar en distintas
situaciones.
Otro tipo es el contra-rotating fan
(Fig. 2.6), en el que se tienen dos grupos
fan de baja presión (LPT) girando uno en
2.6 Contra-rotating fan de alto índice de
derivación.
sentido contrario al otro.
2.1.3.- Estatorreactor
Es un motor que carece de los elementos
fundamentales de las turbomáquinas como son el
grupo compresor-turbina. Se puede considerar que
es el motor de reacción más sencillo que existe
puesto que carece de elementos móviles a
2.7 Estatorreactor.
excepción de la bomba de combustible. Tiene una elevada relación potencia-peso pero
sin embargo también tiene un consumo elevado razón por la cual se reduce mucho su
radio de acción.
Motores a reacción
17
Clasificación de los sistemas propulsivos
Las partes fundamentales del estatorreactor son el difusor, la cámara de
combustión y la tobera.
Para su funcionamiento necesita una velocidad inicial. La compresión dinámica se
efectúa como consecuencia de esta elevada velocidad inicial (de vuelo). En el difusor se
transforma la energía cinética en presión, luego se inyecta combustible en la cámara de
combustión, se produce la combustión por la chispa de una bujía que permanece
constantemente encendida por motivos de seguridad, luego se expanden los gases en la
tobera y se produce un incremento de la cantidad de movimiento de los gases y un
empuje en sentido contrario.
El sistema de funcionamiento es como el del motor de reacción: un sistema de
funcionamiento continuo y la combustión se realiza a presión constante.
El difusor y la tobera son diferentes si se trata de un estatorreactor para vuelo
subsónico o supersónico (ram - jet y scram - jet). En el caso de vuelo subsónico el
difusor es divergente y la tobera es convergente y en el caso de vuelo supersónico el
difusor y la tobera son convergente - divergente.
En el caso supersónico,
en el difusor, la velocidad va
disminuyendo y transformándose en presión. Esta presión es
máxima en el punto donde el
Mach
=
1,
mientras
la
velocidad sigue disminuyendo.
2.8 Cono de Mach.
Lo que pasa es que debido a las
variaciones de gasto aparecen ondas de
choque normales que producen grandes
pérdidas de presión y por lo tanto grandes
pérdidas de rendimiento. Para evitar esto
se coloca a la entrada del difusor el cono
de Mach (Fig. 2.8) que produce un
18
Motores a reacción
2.9 Ondas oblicuas en el cono de Mach.
Clasificación de los sistemas propulsivos
desplazamiento axial adaptándose a la velocidad de vuelo de tal manera que se forman
ondas de choque oblicuas (Fig. 2.9) de forma controlada que evitan las grandes pérdidas
de presión que ocasionan las ondas de choque normales.
En cuanto a la tobera se ha dicho también que es convergente-divergente. Los
gases de escape van aumentando su velocidad a la vez que se expanden hasta alcanzar
M = 1 en la garganta, y luego continúan aumentando esta velocidad.
Principales aplicaciones del estatorreactor:
 Como propulsión adicional en los aviones cuando se ha adquirido una velocidad
adecuada para su funcionamiento.
 Como tipo de potencia auxiliar en la propulsión de los helicópteros. Se encuentran
en la punta de las palas, son pequeños, unos 6 kg. Son estatorreactores que tienen
un enorme ruido y un gran consumo.
 Como propulsión para lanzamiento de cohetes y misiles.
 Como sistema propulsor del estado propulsor de la lanzadera espacial.
 Aviones experimentales, por ejemplo combinando lo que es un turborreactor con
un estatorreactor.
 Bombas volantes.
2.1.4.- Pulsorreactor
Es otro sistema que tampoco tiene los
elementos fundamentales de las turbomáquinas
(grupo compresor-turbina). El funcionamiento es
similar al del estatorreactor sólo que aquí el
sistema de combustión es discontinuo, a
volumen constante y a impulsos de alta
frecuencia derivados de unas válvulas que
permiten la entrada de los gases para que se
2.10 Pulsorreactor.
Motores a reacción
19
Clasificación de los sistemas propulsivos
produzca la combustión. A diferencia del estatorreactor el pulsorreactor si puede
funcionar en condiciones estáticas.
El conducto de entrada tiene una serie de válvulas abiertas en reposo que están
accionadas por resortes. El flujo de aire pasa a través de las válvulas abiertas hacia la
cámara de combustión donde se produce la combustión del combustible inyectado a la
cámara. El resultado es una expansión de los gases que causa una elevación de la
presión forzando a las válvulas a cerrarse y entonces los gases son expulsados hacia
atrás. Una depresión creada por la inercia de los gases a la salida permite que los
resortes puedan abrir las válvulas y que se repita el ciclo.
Las partes fundamentales son el difusor, las válvulas, la cámara de combustión y
la tobera. Debido a que soporta mayores presiones es de construcción más robusta que
el estatorreactor.
Tiene un rendimiento global bajo porque a pesar de que el rendimiento propulsivo
es elevado el rendimiento motor es muy bajo. Esto es debido a la dificultad que tienen
las válvulas (presentan un pequeño retardo llamado histéresis) para cerrarse y abrirse a
velocidades de vuelo elevadas. Estas válvulas que permiten el funcionamiento tienen
una vida útil muy corta (como media hora). Debido a este problema y al excesivo
consumo, este sistema ha caído en desuso.
En resumen:
 Tiene un gran ruido.
 Rendimiento bajo.
 No se utiliza.
 Fue empleado como bomba volante.
 Funciona con un ligero soplado.
 El consumo es muy alto porque no se puede controlar el consumo combustible y
aspira mucho combustible quedando mucho sin quemar.
20
Motores a reacción
Clasificación de los sistemas propulsivos
2.1.5.- Turboestatorreactor
Es un sistema propulsivo
experimental, funciona como un
turborreactor
para
Mach
pequeños, M < 3, y como un
estatorreactor para M > 3, el cual
tiene un alto rendimiento a un alto
nº de Mach. Se utiliza generalmente en aviación supersónica.
2.11 Turboestatorreactor.
El motor está rodeado por un conducto que tiene un difusor de área variable y a la
salida un postcombustor con una tobera de área variable. Durante el despegue y la
aceleración funciona como un turborreactor convencional con el postcombustor
encendido, en otras condiciones de vuelo hasta Mach 3 el postcombustor está apagado.
Cuando el avión supera Mach 3 el turborreactor deja de funcionar, y la toma de aire
desvía el aire que iba al compresor, por medio de los álabes guía, y es conducido hasta
el postcombustor, el cual actúa como la cámara de combustión de un estatorreactor.
2.1.6.- Turbocohete
Es un sistema propulsivo experimental más pequeño que el turboestatorreactor,
más ligero, pero también tiene un consumo más alto que este. La principal diferencia es
que transporta oxígeno para realizar la combustión. Se emplea como lanzadera espacial,
misiles, aviones que van a gran velocidad y gran altura.
2.12 Turbocohete.
Motores a reacción
21
Clasificación de los sistemas propulsivos
Tiene un compresor de baja presión que es movido por una turbina. La energía
necesaria para mover esa turbina se obtiene al quemar un combustible con el oxígeno en
una cámara como la de los cohetes. Cuando el gas alcanza unos 3500ºC, combustible
adicional es pulverizado en la cámara de combustión por motivos refrigerantes antes de
que el gas entre en la turbina. Esta mezcla rica en combustible es mezclada con el aire
del compresor y con un extra de combustible que se quemaran en un postcombustor
convencional.
2.1.7.- Sistemas mixtos
Constan de un generador de gas y una turbina que comunica la potencia extraída a
un sistema propulsor externo al motor o bien a un sistema general para aprovechar la
potencia.

Turbohélice:
Es
un
sistema
propulsivo formado por un turborreactor
simple y una hélice arrastrada por una o
varias turbinas movidas por la energía
cinética de los gases en la expansión después
de la combustión. Su ciclo termodinámico es
2.13 Turbohélice de doble compresor
axial
igual al del reactor puro, pero aquí la
propulsión se obtiene por medio de la tracción
de la hélice que recibe la energía procedente de
la turbina. El turbohélice puede considerarse
como el límite de un turborreactor de doble
flujo para el que no existe apenas propulsión
del flujo primario, provocando un alto
2.14 Turbohélice de compresor
centrífugo de una cara y doble etapa.
rendimiento propulsivo. La diferencia entre un
turbohélice y un turbofán es que el primero no
está carenado.

Propfan:
Turbohélice
que
guarda
similitud con un turbofán. Aquí la hélice es
supersónica y hay dos palas girando en
22
Motores a reacción
2.15 Propfan.
Clasificación de los sistemas propulsivos
sentidos opuestos. Su índice de derivación es
mayor de 15:1, mejorando el rendimiento
propulsivo
y
disminuyendo
el
consumo
específico. (Turbofán)

Turboeje o turbina de gas: En este caso
el empuje en comparación con la potencia que se
2.16 Turboeje con doble compresor
axial y turbina de potencia libre.
extrae en el eje es prácticamente nulo, por lo que
Vs ≈ 0. Aquí no existe tobera ni tampoco propulsión. (Propulsión por hélice)
2.2.- SISTEMAS AUTÓNOMOS
Los motores cohete funcionan también según el principio de acción y reacción.
No necesitan aire para su funcionamiento. Se emplea un oxidante (oxígeno, flúor…) y
un combustible (hidrógeno, amoniaco, hidracina N2H4, queroseno, gasolina…). Se
inyecta el oxidante y el combustible de forma que se produce la combustión dando lugar
a un incremento de la cantidad de movimiento de los gases y un empuje en sentido
contrario.
2.2.1.- Propulsión fluidodinámica
Se aumenta la presión y la temperatura del propulsante, este se expande y así se
consigue el empuje. Las fuerzas que entran en juego son fuerzas de presión.
 Químicos: La energía química del propulsante se transforma en energía térmica
mediante una reacción química. El combustible tiene una energía interna que
mediante una chispa se libera en forma de calor. La energía térmica aumenta la
presión y temperatura del propulsante, consiguiendo así la energía cinética que
proporcionará el empuje. Se clasifican dependiendo del estado físico en el que
esté el propulsante:
o Propulsante sólido: La chispa provoca que el sólido genere gases como
reacción química, saliendo estos a altas presiones (100 atm) y temperaturas
Motores a reacción
23
Clasificación de los sistemas propulsivos
(3000º K). Es una reacción exotérmica. El gas se expande y sale por una
tobera convergente-divergente aumentando su velocidad. Antes de la
garganta el gas estará en régimen subsónico, en régimen sónico en la
garganta (M = 1), y supersónico tras ella. Con este tipo de tobera el
aprovechamiento de la energía es máximo.
El propulsante se compone de granos que se clasifican en doble base,
la molécula tiene parte de oxidante y parte de reductor diferenciadas; y base
simple, la molécula es mezcla de oxidante y reductor sin que se puedan
diferenciar.
Las ventajas de estos propulsores son que su diseño es sencillo,
aportan grandes empujes durante tiempos muy pequeños, los granos pueden
ser almacenados durante bastante tiempo (pues no son corrosivos)… En
cambio tienen varios inconvenientes como que el empuje no puede ser
controlado dándose de forma caótica sin poder controlar el gasto, no es
reutilizable, tiene problemas de refrigeración debido a que no se puede
introducir ningún elemento refrigerante, la tobera se desintegra debido a las
altas temperaturas y el rendimiento es bastante bajo.
o Propulsante líquido: Se va a dar una reacción
redox en estado líquido. Se comprimen el
combustible y el oxidante aumentando la presión y
se inyectan los dos en la cámara de combustión en
estado gaseoso. Se provoca una chispa que genera
una reacción química de combustión produciendo
energía térmica que eleva la presión y temperatura
del tal forma que sale por la tobera en régimen
supersónico. El combustible refrigera la tobera.
Las ventajas que presenta son su largo
tiempo
de
funcionamiento,
mayor
impulso
específico que los anteriores, se puede controlar el
empuje por medio del control de gasto, se pueden
refrigerar utilizando distintos métodos…
24
Motores a reacción
2.17
Cohete
de
propulsante líquido.
Clasificación de los sistemas propulsivos
o Propulsante híbrido: El oxidante está en estado líquido y el combustible en
estado sólido. El líquido, que suele ser O2, se introduce donde el
combustible sólido está almacenado comenzando así la reacción. Buen
control de la combustión.
 Eléctricos: Al propulsante se le añade calor por alguno de los métodos siguientes
por lo que se consigue energía térmica que posteriormente será transformada en
energía mecánica.
o Resistojet: Se compone de una resistencia eléctrica que aporta mucho calor
al fluido. La energía se produce en forma de disipación eléctrica.
o Arcojet: Existe un arco eléctrico de alto potencial que genera mucho calor,
que se transfiere al fluido expandiéndose en la tobera.
 Nuclear: El calor es generado por una reacción nuclear. Este calor es de fisión y
se transfiere al fluido aumentando su presión temperatura produciéndose la
expansión y posterior salida por la tobera.
2.2.2.- Propulsión eléctrica
Las fuerzas que mueven el fluido son de tipo electromagnético. Se obtienen
empujes muy pequeñitos y sirven para cambiar la órbita de los satélites.
 Electrostáticos: Motores de iones (ion rockets) ionizan el propulsante y lo
aceleran mediante campos eléctricos. Los componentes básicos de este tipo de
motores son: generador de iones, acelerador de iones y neutralizador de iones. Los
propulsantes que utilizan son fácilmente
ionizables (bajan la energía de
ionización): Cs, Hg, Ar, Xe. En el generador de iones la ionización se produce
mediante bombardeo de electrones o por contacto con un filtro poroso. En el
acelerador de iones, la aceleración se produce mediante un campo eléctrico. La
neutralización se hace por inyección de electrones para obtener el efecto contrario
que en el generador de iones, para que la nave no se cargue con energía
electrostática.
Motores a reacción
25
Clasificación de los sistemas propulsivos
 Electromagnéticos: Se tiene el propulsante en estado de plasma que se acelera
mediante un campo electromagnético.
26
Motores a reacción
Rendimiento y ciclo de trabajo
CAPÍTULO III:
RENDIMIENTO Y
CICLO DE
TRABAJO
CAPÍTULO III: Rendimiento y ciclo de trabajo
3.1.- CURVA DE RENDIMIENTO PROPULSIVO
En primer lugar se tiene el turbohélice, que tiene buenos rendimientos propulsivos
hasta una velocidad de vuelo aproximada de M = 0,65 (a partir de ahí cae), que es la
máxima velocidad que combinada con la velocidad tangencial de la hélice, permite que
no haya fenómenos de compresibilidad en las palas de las hélices que se caracteriza por
una gran resistencia frente a la tracción que puede proporcionar.
A continuación se tiene el turbofán de alta relación de derivación tiene buenos
rendimientos propulsivos desde M = 0,65 hasta M = 0,85, con un buen consumo
específico.
Motores a reacción
27
Rendimiento y ciclo de trabajo
Para volar en un rango de velocidades
de vuelo altas con unos consumos bajos
suele utilizarse un turbofán de flujos
mezclados con postcombustor que tienen
baja relación de derivación (Fig. 3.2). El
turbofán de baja relación de derivación con
postcombustor puede tener una relación de
derivación del orden de 0,3:1 – 0,4:1. Tiene
una gran maniobrabilidad y un rango
amplio de velocidades de vuelo debido al
postcombustor. Funciona bien entre Mach
de vuelo de 1,8 a 2,6 con un Mach de
3.1
Curvas
propulsivo.
de
rendimiento
crucero de 0,85 con consumos bajos. El 80% del flujo secundario es introducido en el
postcombustor para tener un aire más puro que quemar ya que el aire del flujo primario
está en muy malas condiciones y no se podría quemar según la relación estequiométrica,
y el 20% restante se emplea para refrigeración del postcombustor.
3.2 Turbofán de baja relación de derivación de flujos mezclados con postcombustor.
Por último aparece el turborreactor simple que tiene un buen rendimiento
propulsivo para 2,5 < M < 3. Tiene una relación de derivación de 0. Puede considerarse
que es un sistema propulsivo puro, sencillo, compacto, fácil de fabricar y barato, pero
tiene un elevado consumo. Se utiliza para pequeños aviones ya que no tiene la
complejidad que puede tener un turbofán, es barato, funciona bien, y tiene uno
rendimiento propulsivo aceptable para Mach de vuelo del orden de 0,85 a 1.
28
Motores a reacción
Rendimiento y ciclo de trabajo
3.2.- CICLO BRAYTON
El fluido que evoluciona por un turborreactor pasa por una serie de estados
termodinámicos, y la secuencia de estos estados termodinámicos tiene un marco
comparativo con el llamado ciclo de Brayton, en el cual la combustión se realiza a
presión constante.
Brayton, en el año 1872, patentó un motor de explosión que funcionaba con
queroseno y luego se pasó al campo de las turbinas. Anteriormente, en 1792, “Balber”
ya había hecho trabajos sobre turbinas; y en 1831, Foster y “Avery” también
construyeron una turbina de gas (de vapor) que tenía un diámetro de 1,5m. En cambio,
al ciclo de un turborreactor se le dio el nombre de ciclo de Brayton porque parece que
fue él el que más contribuyó al desarrollo de la turbina.
• El ciclo de Brayton:
1-2 Compresión adiabática: se transforma un trabajo mecánico en un aumento de
la presión total del fluido que circula por el motor.
2-3 Combustión a presión constante.
3-4 Expansión adiabática.
4-1 Evacuación o sustracción de calor a presión
mínima constante.
3.3 Ciclo de Brayton.
Este es el ciclo básico, pero en realidad en un turborreactor la compresión se
efectúa en dos etapas: la compresión dinámica en el difusor y la compresión mecánica
en el compresor. Posteriormente, la expansión se produce también en dos pasos:
expansión en la turbina y expansión en la tobera.
Por otra parte el fluido que circula por el motor siempre lleva una serie de
pérdidas por rozamientos, fugas, por la propia fricción de la combustión… de tal
manera que nunca se verifica un ciclo ideal. El ciclo por tanto, teniendo en cuenta estas
pérdidas, queda de la siguiente manera:
0-1 Compresión dinámica: Compresión en el difusor donde se transforma la
energía cinética de la corriente en presión (energía de presión).
Motores a reacción
29
Rendimiento y ciclo de trabajo
1-2 Compresión adiabática: Se transforma un trabajo mecánico en un aumento de
la presión total del fluido que circula.
2-3 Combustión a presión constante: Hay una serie de pérdidas debido a la
fricción que se produce en la combustión (por eso la presión baja un poquito).
3-4 Expansión adiabática.
4-5 Expansión dinámica.
5-0 Evacuación de calor a presión mínima
constante.
Este sería ya el ciclo completo de un motor de
reacción.
3.4 Ciclo completo de Brayton.
Comparación del ciclo de Brayton con el ciclo de Otto.
El proceso a presión constante es el siguiente:
1-2 Compresión adiabática
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-4 Expansión
4-1 Sustracción de calor
Si se toma un elemento diferencial de “Q” (calor):
3
3
2
2
dQ  TdS → QS   dQ   TdS  área(a23c) ; QS  calor suministrado
4
4
QR   dQ   TdS  área(a14c) ; QR  calor restado
1
1
Rendimiento térmico   
30
Motores a reacción
a 23c  a14c
a14c
 1

a 23c
a 23c
Rendimiento y ciclo de trabajo
Se ve ahora el proceso a volumen constante. Se sabe
por termodinámica que en un diagrama T-S las líneas de
volumen constante tienen más pendiente que las líneas de
presión constante. Por lo tanto, para el mismo salto de
presiones y para la misma cantidad de calor suministrado.
Así:
3*
4*
QS*   TdS  a 23* b ;
QR*   TdS  a14* b
2
* 
1
a 23* b  a14* b
a14* b

1

 *
a 23* b
a 23* b
a14c a14* b
Como para la misma cantidad de calor suministrado:

   *
a 23c a 23c
3.3.-
DIFERENCIAS
ENTRE
EL
MOTOR
ALTERNATIVO Y EL MOTOR A REACCIÓN
1. En el ciclo Brayton la combustión se produce a presión constante y en el ciclo
Otto la combustión es a volumen constante. Para el mismo salto de presiones y
para la misma cantidad de calor suministrado se obtiene más rendimiento cuando
la combustión es a volumen constante.
(Apartado 3.2)
2. La relación potencia/peso es mayor en
un motor de reacción. En un motor
alternativo de cuatro tiempos (y cuatro
cilindros) se realizan cuatro carreras
simultáneamente en las que una sola es
la que produce potencia. En el caso del
motor de reacción, al ser un sistema de
combustión
constante,
continua
se
está
a
presión
quemando
3.5 Comparación motor de reacción y
motor alternativo.
Motores a reacción
31
Rendimiento y ciclo de trabajo
continuamente combustible, se quema más combustible por unidad de tiempo y
así se saca más potencia para un mismo tamaño de motor.
3. El proceso en los motores de reacción es un proceso de combustión continua y en
los motores alternativos es un proceso discontinuo. En los motores de reacción las
distintas fases se realizan a la vez en distintos sitios (ciclo abierto): se está
comprimiendo, quemando y expansionando todo a la vez. En el motor alternativo
las distintas fases se realizan en distinto tiempo y en el mismo sitio (ciclo
cerrado).
4. Hay una gran diferencia entre las presiones máximas alcanzadas. El motor de
reacción al ser un sistema de combustión continua a presión constante no hay
picos fluctuantes de presión, la presión se mantiene (aunque se ha visto que la
presión disminuye un poco con las pérdidas de fricción en la combustión). En un
motor a reacción la presión máxima vendrá determinada por la relación de
compresión. Sin embargo, en los motores alternativos hay un pico fluctuante de
presión cuando se produce la combustión que puede llegar a alcanzar hasta cuatro
veces la presión que se alcanza en un motor de reacción. Como consecuencia de
estos picos de presión, para soportar estos esfuerzos estructurales que se producen
en los motores alternativos se tienen que tener unos cilindros más robustos; en
contrapartida de los motores de reacción, la cámara de combustión es mucho más
sencilla y mucho más ligera porque no tiene que soportar esos esfuerzos
estructurales que tiene que soportar el motor alternativo.
5. Las relaciones de compresión que se obtienen son distintas y tienen un distinto
significado. La relación de compresión en un motor de reacción puede llegar de
35:1 en los militares hasta 40:1 – 50:1 en los civiles; en el caso de los motores
alternativos la relación de compresión puede ser de 8:1 hasta 10:1 en MIF, y de
12,5:1 hasta 23:1 en MEC.
La relación de compresión así como se justifica en un motor
alternativo no es lo mismo que en un motor de reacción, en
los alternativos es una relación de volúmenes y en los de
reacción es una relación de presiones. La relación de
compresión en un motor alternativo se refiere a la relación
32
Motores a reacción
Rendimiento y ciclo de trabajo
entre el volumen máximo de la cámara, cuando el émbolo está en el PMI, y el
volumen mínimo de la cámara, cuando el émbolo está en el PMS (de tal manera
que una relación de compresión de 10:1 significa que el volumen inicial se ha
reducido diez veces, y que la presión inicial se ha multiplicado más o menos por
25). El nombre correcto es relación volumétrica de compresión pero se acorta por
comodidad. Sin embargo la relación de compresión en un motor de reacción es la
relación entre la presión máxima a la salida del compresor y la presión máxima a
la entrada del compresor, es decir, es una relación de presiones (por lo tanto una
relación de compresión de 10:1 la presión inicial se multiplica por 10).
6. Las temperaturas que hay al final de la combustión son mayores en los motores
alternativos (3000º K) que en los de reacción (2000 - 2100º K), pero estas son
temperaturas instantáneas de forma que los gases enseguida se expanden siendo la
temperatura media más baja en los motores alternativos que en los motores de
reacción. Pero los motores de reacción es un sistema de combustión continua y
por lo tanto mantiene estas temperaturas, por ello los materiales de los motores de
reacción (de todo lo que está en contacto con los gases de escape) debe ser de una
gran resistencia a la temperatura.
Diferencias de menor importancia:
7. Los alternativos son más flexibles, mayor rango de revoluciones que los de
reacción.
8. El octanaje en los combustibles de motores alternativos es superior al de los
combustibles empleados en motores de reacción.
Motores a reacción
33
Rendimiento y ciclo de trabajo
34
Motores a reacción
Partes fundamentales del motor a reacción
CAPÍTULO IV:
PARTES
FUNDAMENTALES
DEL MOTOR A
REACCIÓN
CAPÍTULO IV: PARTES FUNDAMENTALES DEL MOTOR A REACCIÓN
Las partes fundamentales de un motor de reacción son: difusor, compresor,
difusor pre-cámara, cámara de combustión, turbina y tobera. Hay una parte muy
importante que casi puede ser considerada como parte del turborreactor, el cárter de
accesorios.
4.1.- DIFUSOR O TOMA DINÁMICA
El difusor es un conducto cuya función que el aire pierda velocidad y gane
presión. Se intenta que existan las menores pérdidas de presión posible. Aunque el
conducto de entrada no forma parte de la célula del motor tiene una gran influencia
sobre las actuaciones del motor, porque un rendimiento bajo del difusor trae como
Motores a reacción
35
Partes fundamentales del motor a reacción
consecuencia una gran inestabilidad a lo largo del motor. Para que el aire entre bien,
tiene que estar libre de distorsiones y tener formas suaves. Respecto del avión el difusor
tiene que causar pérdidas aerodinámicas mínimas.
4.2.- CÁRTER DE ENTRADA
Se encuentra delante del compresor, aunque no forma parte de él porque no
comprime el aire. Lleva los álabes guía para orientar la corriente con el ángulo
adecuado para su entrada al compresor. (Los álabes guía sólo se ponen si se consideran
necesarios).
4.3.- COMPRESOR
Este elemento tiene la misión de aumentar la energía del fluido mediante un
incremento de la presión total gracias a un trabajo mecánico. Existen dos tipos:
compresores centrífugos y axiales. Ambos tienen el funcionamiento básico de los
compresores dinámicos, aumentar la velocidad de la corriente (aumentar la energía
cinética) en un elemento llamado rotor y esa energía cinética transformarla en presión
en otro elemento llamado estátor. Al conjunto rotor – estátor se llama escalón de
compresión.
4.4.- DIFUSOR PRECÁMARA
Detrás del compresor hay un ensanchamiento divergente que es el difusor precámara. Al salir el aire del difusor pasa por el último estátor del compresor. Este estátor
del compresor orienta la corriente en el sentido axial quitando así la componente
tangencial de la velocidad absoluta, permitiendo que luego la mezcla con el combustible
sea buena. Posteriormente, a la salida del compresor la velocidad de la corriente es
demasiado alta (del orden de 120 - 150 m/s) para que se produzca una buena mezcla con
el combustible y no se produzca el apagado de la llama. Entonces, lo que se hace en el
36
Motores a reacción
Partes fundamentales del motor a reacción
difusor pre-cámara es reducir la velocidad a 100 - 120 m/s. Por otra parte, ésta es la
zona de mayor presión, por lo que se sacan sangrados de aire para distintos servicios del
motor.
4.5.- CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Su misión fundamental es realizar la combustión de la mezcla aire-combustible y
entregar la energía a la turbina a una temperatura admisible para su correcto
funcionamiento.
Para que una cámara de combustión sea más o menos aceptable debe tener
pérdidas de presión mínimas, alto rendimiento, contaminar poco y no tener tendencia al
apagado (dependiendo como queme la cámara, los gases de escape serán más o menos
contaminantes).
4.6.- TURBINA
Lo que hace la turbina es transformar aproximadamente 1/3 de la energía liberada
en el proceso de la combustión en energía mecánica para mover el compresor y los
sistemas auxiliares, y el resto de la energía de la combustión se utiliza para la
propulsión.
El gas a la salida de la cámara de combustión en el primer estátor de la turbina se
expansiona transformando la energía de presión en energía cinética, después esta
energía cinética se transforma en energía mecánica en un segundo elemento que es el
rotor.
4.7.- TOBERA
El gas a la entrada a la tobera posee una elevada entalpía estática que luego se
transforma en energía cinética; es decir, la tobera es un conducto donde el gas pierde
Motores a reacción
37
Partes fundamentales del motor a reacción
presión y gana velocidad para expandir los gases hasta la atmósfera y conseguir el
máximo empuje.
4.8.- CÁRTER DE ACCESORIOS
El motor de reacción no sólo tiene por misión dar empuje sino que además
produce una serie de energías como son por ejemplo dar energía eléctrica, hidráulica,
neumática… Por otra parte, necesita del servicio de una serie de sistemas como pueden
ser las bombas de aceite, de combustible, el control de combustible, etc. Para que estos
sistemas funcionen, necesitan el aporte de energía. Lo que se hace es extraer esta
energía de un punto del eje de alta por medio de un sistema de engranajes cónicos (se
extrae energía mecánica del eje). Este eje por medio de otro sistema de engranajes le
comunica la energía a otros ejes que son los que van a mover esta serie de sistemas; esto
constituye el cárter de accesorios. La situación del cárter de accesorios cambia mucho
en cada motor.
38
Motores a reacción
Difusor de admisión
CAPÍTULO V:
DIFUSOR DE
ADMISIÓN
CAPÍTULO V: Difusor de admisión
El difusor de admisión de un turborreactor debe cumplir la difícil misión de
canalizar el flujo de aire hacia el compresor libre de distorsiones, con estabilidad, y
siendo capaz de transformar la mayor parte de la energía cinética en presión. La falta de
rendimiento de un conducto de admisión de aire ocasiona el descenso de las actuaciones
del motor (performance).
El difusor debe tener una arquitectura acorde con las funciones que cumple, su
forma y diseño son muy calculados y estudiados, para que estos puedan proporcionar un
máximo rendimiento a los motores en los cuales se acoplan. En resumen una buena
toma de aire debe suministrar el gasto de aire requerido por el compresor, para lo cual
su forma interna y tamaño son fundamentales, también tiene que establecer un campo de
velocidades lo más uniformemente posible de manera que pueda generar un flujo lo más
laminar posible.
Motores a reacción
39
Difusor de admisión
El proceso de compresión dinámica, que se desarrolla desde la garganta de la
toma hasta el plano de entrada del compresor, debe evitar la separación de la capa límite
de las paredes. La separación se traduce en una caída de presión total e irregularidades
del flujo en la entrada del compresor. Por último debe efectuar el proceso global de
compresión dinámica con pérdidas energéticas mínimas, es decir, máxima recuperación
de presión total.
Aunque el difusor no forma parte del motor, sino que pertenece a la célula del
avión, puede considerarse como parte importante del motor ya que un bajo rendimiento
del difusor tiene como consecuencia grandes pérdidas a lo largo del motor.
5.1 Condición estática,
insuficiente aire para el
motor.
40
5.2 Operación a baja
velocidad, aire correcto
para el motor.
Motores a reacción
5.3 Operación a alta
velocidad, más aire del
que el motor necesita.
Compresor
CAPÍTULO VI:
COMPRESOR
CAPÍTULO VI: Compresor
Es el encargado de comprimir el fluido antes de que se produzca la combustión.
El fluido se comprime por dos razones aumenta el rendimiento motor, (menos
combustible para una potencia dada) y aumenta el gasto del motor (motores más
pequeños para una potencia dada).
La relación de compresión en los compresores centrífugos puede ser de 7:1 hasta
8:1 y en los axiales de 1,1:1 hasta 2:1 por escalón.
Se clasifican los compresores en dos tipos: los turbocompresores y los
compresores volumétricos.
 Turbocompresores: comprimen grandes cantidades de aire de forma continua y a
presión moderada. (Los utilizados en aviación).
 Compresores volumétricos: comprimen pequeñas cantidades de aire de forma
discontinua y a una presión elevada.
Motores a reacción
41
Compresor
Una de las características más importantes de los compresores es la relación de
compresión, que es la presión total a la salida del compresor dividida por la presión total
a la entrada del compresor.
El consumo específico está relacionado con
la relación de compresión, según aumenta la
relación
de
compresión
baja
el
consumo
específico. A relaciones de compresión muy altas
podría aumentar el consumo específico porque
también depende de otros parámetros.
6.1 Consumo específico frente a la
relación de compresión.
Las características del compresor ideal son:
 Área frontal pequeña, con lo cual se tienen menos pérdidas aerodinámicas.
 Elevada relación de compresión, con lo cual se tendría más rendimiento.
 Ligero, que no pese mucho.
 Resistente a los fenómenos de inestabilidad o entrada en pérdida.
Dentro de los compresores dinámicos, que son los que se emplean en los motores
de reacción. Se tienen dos tipos: los compresores centrífugos y los compresores axiales.
6.1.- COMPRESOR CENTRÍFUGO
Consta de un disco, que es el impulsor o rotor y que lleva regularmente
espaciados una serie de álabes de tal manera que la corriente que entra en sentido axial
sale con una velocidad absoluta casi tangencial para luego entrar al difusor donde se
transforma esta energía cinética en presión. Luego la corriente fluida pasa a través de
los colectores a la cámara de combustión.
Cuando se pone un compresor centrífugo normalmente se ponen cámaras de
combustión individuales y cada colector va a una cámara. Cuando se pone un compresor
centrífugo como etapa de alta presión de un compresor axial para evitar agrandar el
motor se colocan las cámaras de flujo invertido (Fig. 2.16).
42
Motores a reacción
Compresor
En
muchos
motores,
delante
del
compresor se encuentra el cárter de entrada con
los álabes guía que no forman parte del
compresor (no comprimen el aire) pero orientan
la corriente para entrar al compresor con un
ángulo adecuado.
Los compresores centrífugos fueron los
primeros utilizados, ya que estaban más
desarrollados que los compresores axiales y
6.2 Compresor centrífugo.
obtenían mayores rendimientos.
En estos compresores la relación
gasto de aire
es pequeña, todavía se utilizan en
área frontal
motores pequeños donde la simplicidad y la robusted pesan más que otras desventajas;
como etapa de alta presión en motores de baja potencia como turboejes pequeños,
turbohélices pequeños y como etapa de alta presión de turbofanes pequeños, o en las
A.P.U.’s.
6.1.1.- Estructura
La
estructura
del
compresor
centrífugo
está
constituida por el rotor o impulsor, el estátor o difusor y el
colector.
 Rotor o impulsor: Está montado sobre un eje, que
puede ser el mismo de la turbina u otro separado que
se ensambla al de la turbina. El conjunto rotor-eje va
encerrado en un cárter, dentro del cual está girando
con muy poca tolerancia dimensional para que no se
produzcan pérdidas de presión en el aire comprimido.
6.3 Rotores típicos de
un compresor centrífugo.
Motores a reacción
43
Compresor
Es un disco metálico que
lleva regularmente espaciados
una serie de álabes formando
pasajes
convergentes
en
conjunto con la carcasa del
compresor.
Para facilitar la entrada
de aire al compresor los álabes
suelen estar curvados en la
6.4 Componentes del compresor centrífugo.
dirección de giro, esto
se llama adaptación de
la corriente a la vena
fluida (Fig. 6.5), si se
tuvieran álabes rectos,
cuando entrase el aire
habría una serie de
turbulencias.
6.5 Adaptación de la corriente a la vena fluida.
Los rotores se pueden clasificar según la curvatura a su salida (Fig. 6.6):
o Curvados hacia atrás: Evitan turbulencias. Se utilizan en compresores y
en bombas y tienen buen rendimiento. Lo que pasa es que no soportan
bien los esfuerzos por la curvatura que tienen.
o Curvados hacia delante: No se utilizan mucho porque trabajan fuera de
las condiciones de diseño. Se obtendrían mayores relaciones de
compresión pero están sometidos a muchas cargas y encima las soportan
muy mal, entre otras desventajas.
o Rectos: Se utilizan mucho en aviación, están altamente solicitados.
Mayores relaciones de compresión que los curvados hacia atrás y
aguantan muy bien los esfuerzos ya que reduce los esfuerzos centrífugos
a esfuerzos de tracción. Mantienen unas altas revoluciones, sencillez de
diseño y de fabricación.
44
Motores a reacción
Compresor
6.6 Rotores curvados hacia atrás, curvados hacía delante y rectos.
El slip o deslizamiento dependerá del número de álabes. Si se tienen pocos
álabes habrá deslizamiento de aire y remolinos. Si hay muchos álabes se origina
una gran resistencia debido a pérdidas por fricción. Debido a que la distancia entre
los álabes aumenta radialmente se colocan unos álabes intermedios que guían la
corriente para evitar el deslizamiento. Colocar un número primo de álabes
también reduce el deslizamiento.
En compresores pequeños tanto el disco como los álabes se hacen de una
sola pieza y en compresores grandes, tipo industrial, se pueden hacer los álabes
por una parte y el disco por otra y luego unirlos mediante remaches. Los
materiales que se suelen utilizar son: para relaciones de compresión bajas,
aleaciones de aluminio forjado; y para relaciones de compresión más elevadas,
aleaciones de titanio o de acero. Hay rotores que tienen los álabes por ambos
lados, ya que con ello se conseguiría aumentar el gasto de aire sin necesidad de
aumentar el área frontal.
 Estátor o difusor: Consta de una serie de canales que están orientados en el
sentido de la corriente. Va montado alrededor del rotor y radialmente con éste; a
su vez va unido al cárter. Lleva unos álabes guía fijos colocados tangencialmente
al rotor en la salida, y en la entrada con el ángulo de la corriente.
Es una pieza estática que puede ser parte de la carcasa del motor o parte
separada de éste. Su misión es disminuir la velocidad y aumentar la presión. Los
Motores a reacción
45
Compresor
álabes forman pasajes divergentes. Tiene unos álabes directores que hacen que la
corriente adquiera una dirección adecuada.
Entre rotor y estátor va a existir un
espacio
muy importante en el que no hay
álabes que se denomina “tip clearance” (Fig.
6.7),
ese
espacio
viene
fijado
por
las
condiciones de diseño y el diseño viene fijado
por el número de Mach de la corriente de
entrada. Si ese espacio es grande, se van a tener
filtraciones (leakage) y el fluido bordearía el
álabe causando pérdidas de presión; si es
pequeño, debido a las variaciones de presiones
6.7 Flujo de aire a la entrada
del difusor.
producidas por el rotor daría lugar a vibraciones
y turbulencias.
La función más importante del difusor, además de canalizar el aire hacia los
conductos de salida, es transformar la energía cinética en presión. En esta
transformación hay pérdidas de energía por fricción en cojinetes, disco y
superficie de los álabes, fugas y un trabajo adicional por elevación de temperatura.
En total, las pérdidas suponen aproximadamente un 22%.
 Colector: Es una parte estática que forma parte de la carcasa del motor. Tiene
forma de espiral con una o varias conexiones al exterior para descargar el aire
comprimido. Lleva unos álabes directores de corriente cuya función es dirigir el
aire de manera adecuada (ángulo adecuado) para entrar en la cámara de
combustión. Normalmente tiene salidas individuales.
6.1.2.- Funcionamiento
El rotor gira a gran velocidad accionado por la turbina y el aire ingresa
continuamente hacia el centro del mismo. La acción centrífuga hace que el aire fluya
radialmente, a lo largo de los álabes hacia la periferia del rotor, acelerándose de esta
manera, sufriendo también una elevación de presión. El conducto de entrada puede
46
Motores a reacción
Compresor
contener álabes que proporcionan una turbulencia inicial
al aire que entra en el compresor.
El aire que abandona el rotor, pasa hacia el difusor
donde pasajes divergentes convierten la mayoría de la
energía cinética en energía de presión, como se ilustra en
la Fig. 6.8. En la práctica, es usual diseñar el compresor
para que la mitad de la elevación de la presión ocurra en
el rotor y la otra mitad en el difusor.
6.8 Cambios de presión y
velocidad a través del
compresor centrífugo.
Para maximizar el gasto y la elevación de
presión, el compresor requiere que el rotor gire a gran
velocidad. Otro factor que influye en la elevación de
presión es la temperatura del aire de entrada. Cuanto
menor es la temperatura del aire que entra al rotor,
tanto mayor es la elevación de presión, para una
cantidad determinada de trabajo efectuado sobre el aire
por el rotor.
Para mantener la eficiencia en este tipo de
compresores, es necesario prevenir el exceso de aire
que se filtra (leakage) entre el rotor y la carcasa (Fig.
6.9 Rotor trabajando, espacios y aire que se filtra.
6.9), esto se consigue manteniendo los espacios lo más pequeños posible. En el
compresor centrífugo el leakage (filtración) está relacionado con el slip (deslizamiento).
Funcionamiento desde el punto de vista del triángulo de velocidades
Para el caso real, cuando se parte del reposo, al comunicar movimiento de
rotación al rotor los álabes del mismo, lo que hacen es arrastrar el fluido que hay dentro
comunicándole una velocidad tangencial dada. El fluido se acelera radialmente debido a
las fuerzas centrífugas creándose una velocidad relativa respeto al rotor w ' . La
depresión que se crea en la zona por el movimiento del fluido lo que hace es mantener
un flujo en el sentido axial. Cuando el compresor entra en funcionamiento normal esta
depresión lo que hace es mantener una vena fluida en sentido axial. El fluido entra con
Motores a reacción
47
Compresor
una velocidad absoluta w1 que combinada con la velocidad tangencial de arrastre u1
(velocidad lineal del rotor) da una velocidad relativa w '1 . Entonces el fluido se
comprime parcialmente en el rotor debido a la velocidad tangencial de arrastre, en
cualquier parte del rotor el fluido debido a la aceleración centrífuga el fluido tiene una
presión estática mayor a la entrada que a la salida.
Luego el fluido sale del rotor con una velocidad relativa w '2 que combinada con
la tangencial de arrastre u2 da la velocidad absoluta de salida w2 .
wt 2 es la
componente tangencial de w2 . La relación de compresión depende fundamentalmente
de la velocidad de entrada que tenga el estátor o difusor y en definitiva dependerá de la
velocidad que haya en la periferia del rotor. Y esa velocidad a su vez dependerá de las
revoluciones del rotor. Las velocidades de salida pueden ser del orden de 400 m/s y la
velocidad de arrastre puede estar entre 350 y 470 m/s. Hay que recordar que la
aerodinámica del compresor centrífugo es compleja porque para relaciones de
compresión de 3,8 la velocidad de entrada es supersónica, y que para un número de
Mach de 1,2 se desprende la capa límite de la corriente.
6.10 Triángulo de velocidades en el compresor centrífugo. Entrada y salida del
rotor.
En el caso real el aire que hay entre los álabes por inercia ofrece
una resistencia a moverse, de tal manera que eso crea una presión
P1  P2 haciendo que bordee el álabe (Fig. 6.11), y esto es lo que se
llama slip (deslizamiento).
El slip afecta al triángulo de velocidades en el caso real ya que
para el caso ideal no existe.
48
Motores a reacción
6.11 Slip.
Compresor
El caso ideal es el rojo y el caso real el
azul (Fig. 6.12). En el caso ideal la velocidad
relativa es radial, pero en el caso real debido
al slip la salida no es radial. En ambos casos
se tiene que la velocidad tangencial de
arrastre es constante porque es ·r , y como
se aprecia la velocidad absoluta es menor en
el caso real. Es una pérdida de velocidad que
influye en la relación de compresión y por
6.12 Slip y
velocidades.
el
triángulo
de
tanto una pérdida de presión.
La relación de compresión en función de las rpm (Fig. 6.13): La relación de
compresión depende de la velocidad de la periferia del rotor y esa velocidad dependerá
de la velocidad de giro.
La relación de compresión en función del gasto
de aire: (Fig. 6.14) La relación de compresión va
aumentando pero llega un momento que el flujo se
hace inestable y aparecen pulsaciones. Para este
gasto de aire debido a este flujo inestable baja la
relación de compresión de tal manera que la curva
del rendimiento sería como se ilustra en la Fig. 6.15.
6.14 Relación de compresión
en función del gasto de aire.
6.13 Relación de compresión
en función de las rpm.
6.15 Rendimiento en función
del gasto de aire.
Motores a reacción
49
Compresor
6.2.- COMPRESOR AXIAL
El compresor axial fue utilizado en alguna de las primeras turbinas pero como no
tenían conocimientos en aerodinámica dio como resultado compresores con un
rendimiento muy bajo lo cual afectaba al rendimiento motor.
Por
su
alto
rendimiento y su facilidad
de acoplamiento es el más
utilizado en el avión. Los
compresores
axiales
constan de varios discos
que llevan regularmente
espaciados una serie de
álabes que van unidos al
6.16 Típico compresor axial doble.
motor (rotor). Entre rotor
y rotor se colocan los espaciadores, que dejan el suficiente espacio para introducir entre
ellos el estátor correspondiente Los espaciadores pueden ser independientes o
pertenecer al rotor. Cada disco de rotor y disco de estátor forman un escalón. La función
del rotor es acelerar la corriente y luego el estátor la decelera transformando la energía
cinética en presión; este proceso se repite para cada escalón. Los compresores axiales
son multietapa ya que utilizan varios escalones y en cada uno aumenta un poco la
presión. En algunos compresores se ponen los álabes guía de entrada que no forman
parte del compresor y no comprimen, pero orientan la corriente con el ángulo adecuado.
Están situados en el cárter de entrada. Pueden llevarlos o no, depende del compresor.
6.2.1.- Estructura
 Rotor: Son piezas estructurales de vida limitada, lo cual significa que se tiene que
seguir un mantenimiento durante su ciclo de vida. El rotor está formado por álabes
situados radialmente regularmente espaciados. Los rotores van unidos al eje del
motor dejando unos espacios para que se pueda acoplar el estátor del compresor.
Existen dos tipos (Fig. 6.17):
50
Motores a reacción
Compresor
o Rotor de tambor: Discos ensamblados y soldados unos con otros, están
unidos por dos piezas forjadas, llevan encastrados los álabes. Soporta mejor
la carga centrífuga del álabe. Suele ser mucho más pesado por lo que se
suele utilizar en plantas estacionarias de turbinas grandes. Tiene más masa,
cuesta más trabajo moverlo el mantenimiento es más complicado porque
hay que desmontarlo todo.
o Rotor de disco: Los discos no están ensamblados unos con otros. Es más
ligero y más utilizado en motores de aviación. Es más fácil de mantener. Es
más caro pero predomina el peso frente al coste.
En cuanto a la forma de
encastrar los álabes en el
compresor, no hay un criterio
unánime
sino
que
cada
fabricante tiene su propio
sistema, por lo general se
intentan hacer lo más ligero
posible para minimizar la
carga que soporta. Aquí se
tienen
tres
ejemplos:
con
bulón y cerrado con un cir-clip
6.17 Tipos de rotor, tambor y disco.
para impedir que se salga; de raíz de abeto y luego para evitar que se salga
(desplazamiento axial) se colocan unos aros metálicos, y de cola de milano asegurado
mediante un tornillo. (Fig. 6.18).
Mientras que la mayoría de los motores tienen discos con álabes separados porque
es más fácil de mantener y de manufacturar en los motores más pequeños el encastre se
hace más difícil, por eso se utilizan los Blisks (BLaded dISKS) que son discos con los
álabes integrados por lo tanto rotor y álabe son de una pieza. Se utiliza en motores
pequeños y últimas etapas de compresión. Ventaja: Disminuye el peso, se mejoran las
prestaciones porque evitan filtraciones (se evita la fuga de aire entre el rotor y el anclaje
del álabe), mejora la fiabilidad porque al ser menos piezas en movimiento hay menor
posibilidad de fallo, el precio total es más bajo. Desventaja: Mantenimiento caro porque
Motores a reacción
51
Compresor
si se rompe obliga a cambiar toda la pieza o cortar el álabe y soldar pero esta última no
es buena solución para piezas que trabajan a velocidades.
6.18 Métodos de asegurar los álabes al rotor.
 Estátor: Se tienen varios sistemas:
o Pieza única: Los álabes van
montados sobre el cárter, que
es de una sola pieza. El cárter
lleva una serie de uñetas
donde van encastrados los
álabes y luego llevan unos
aros que los aprisionan, son
los
espaciadores.
El
6.19 Estátor de pieza única.
inconveniente de este sistema
es que se tiene que ir montando un rotor y un estátor, seguido de otro rotor y
otro estátor debido a su configuración (muy complicado). (Fig. 6.19).
52
Motores a reacción
Compresor
o Dividido en dos partes: Los álabes van
montados sobre el cárter y este está dividido
en dos mitades. Se facilita el montaje,
puesto que se puede abrir y cerrar. Muy
usado. (Fig. 6.20).
o Discos o anillos independientes: Los álabes
van formando anillos independientes. Para
su montaje se va poniendo un rotor, un disco
6.20 Estátor dividido en dos
partes.
de estátor y así sucesivamente. Se ve que
también se facilita el montaje. (Fig. 6.21).
6.21 Estátor de discos independientes.
6.2.2.- Funcionamiento
La corriente fluida es comprimida de una forma continua mediante el aporte
exterior de potencia. Al comprimir la corriente se incrementa su densidad, disminuye su
volumen específico por lo que la masa ocupa un volumen menor, disminuyendo la
sección transversal de paso para asegurar una velocidad axial de avance prácticamente
constante. Comprimir la corriente requiere de un buen diseño aerodinámico puesto que
la corriente avanza frente a un gradiente adverso de presiones, prestando especial
atención a la energía cinética de la corriente; suficientemente elevada para evitar la
pérdida aerodinámica pero sin alcanzar las condiciones sónicas que bloqueen el
parámetro gasto. En la conversión de energía interviene la velocidad de rotación de
forma cuadrática y la ecuación de Euler, por lo que ante requerimientos de grandes
Motores a reacción
53
Compresor
relaciones de compresión se opta por ensamblar en serie compresores, de baja, media y
alta, que de forma escalonada incrementen la presión al funcionar éstos a diferentes
regímenes de giro. Un mapa de compresor muestra las prestaciones de su diseño en todo
el rango posible de actuación.
El diseño de un compresor axial comienza con unos álabes fijos IGV (Inlet guide
vane, álabes guía), que deflectan la corriente a un ángulo predeterminado, función de la
velocidad de giro, en la dirección de giro de la primera fila de álabes giratorios (rotating
air foils, rotor blades), al tiempo que actúan como tobera, reduciendo la sección de paso
de la corriente fluida, expansionando la corriente e incrementando la velocidad. En el
rotor, su velocidad tangencial de giro produce una velocidad de arrastre o de giro sobre
la corriente fluida, incrementando su energía cinética, (flow turning). En el estátor
(stationary air foils, stator vanes) concéntricos con el rotor, se produce una compresión
dinámica (diffusing) convirtiendo la energía cinética en presión, al tiempo que se
corrige la dirección de la corriente fluida a un ángulo adecuado para los siguientes
álabes giratorios. Los álabes del estátor del último escalón OGV (Oulet guide vane)
guían la corriente para su entrada a la cámara de combustión. Aquí la corriente va a
seguir siempre una dirección paralela al eje del motor, siendo la componente radial y
tangencial prácticamente nulas.
La combinación de una fila de álabes rotor y estátor forman un escalón del
compresor (compressor stage) produciendo una relación de compresión bastante
pequeña, siendo esta entre 1:1 y 1:2. La razón del pequeño incremento de presión tiene
como motivo evitar el desprendimiento de la capa límite y la entrada en pérdida. La
pequeña elevación de presión de cada escalón, junto con la trayectoria uniforme del
flujo del aire, contribuye a lograr el alto rendimiento de los compresores axiales, en
torno al 85%.
En el compresor axial se consiguen relaciones de compresión altas debido a la
facilidad de acoplamiento y su configuración.
Para obtener un control del gasto de aire se utilizan álabes guía y álabes de estátor
variables.
54
Motores a reacción
Compresor
Funcionamiento desde el punto de vista del triángulo de velocidades2
La velocidad absoluta va a tener dos componentes una en sentido axial y otra en
sentido tangencial. Delante de la primera fila del rotor se ha puesto lo que son los álabes
guía, que orientan la corriente para darle un ángulo adecuado de entrada al primer rotor.
Son como una pequeña tobera donde sólo orientan. En vez de álabes guía también se
puede poner un estátor, tienen mayor carácter estructural porque son más rígidos, lo
malo que no se adaptan a cualquier condición de vuelo como los álabes guía. Ca1
componente axial de la velocidad absoluta. Cw1 componente tangencial de la velocidad
absoluta.
Una vez que pasa los álabes guía el aire entra al rotor con una velocidad absoluta
c1 que junto con la velocidad tangencial de arrastre u da la velocidad relativa de
entrada v1 . (Fig. 6.22).
6.22 Triángulo de velocidades a la entrada del rotor.
2
No pregunta que es el triángulo de velocidades pero si como afecta el slip triángulo de velocidades en
centrífugo y como afectan los álabes guía al triángulo de velocidades en axial.
Motores a reacción
55
Compresor
El aire entra al rotor, en el rotor se le comunica un trabajo y se aumenta su
velocidad absoluta gracias a una energía cinética que se le comunica. Lo que se hace es
aumentar la componente tangencial y gracias a ello da una velocidad absoluta mayor. El
aire sale del rotor con una velocidad relativa v2 que combinada con la velocidad
tangencial de arrastre u da la velocidad de salida C2 . Donde Ca 2 es la componente
axial y Cw 2 es la componente tangencial. (Fig. 6.23).
6.23 Triángulo de velocidades a la salida del rotor.
Luego entra al estátor o difusor, donde se produce una difusión (compresión
dinámica) y sale con una velocidad absoluta C3  C1 de tal manera que 3  1 , esto se
hace por facilidad de diseño.
Motivo de poner álabe guía y como afecta al triángulo de velocidades.
El triángulo de velocidades con álabe guía ya se tiene en la Fig. 6.22. Ahora se
comparan los dos casos en la Fig. 6.24. Sin álabe guía en rojo y con álabe guía en azul.
56
Motores a reacción
Compresor
A determinadas velocidades
la velocidad relativa es muy alta y
aparecen
fenómenos
compresibilidad,
entrada
de
en
pérdida, se produce una pérdida de
rendimiento por escalón, etc. Para
evitar eso se ponen álabes guía que
disminuyen la velocidad relativa de
6.24 Triángulo de velocidades con (azul) y sin
(rojo) álabe guía.
entrada de la corriente. (Ventajas e
inconvenientes: Apartado 6.5.2)
6.3.- MATERIALES
 Compresor: aleaciones ligeras de aluminio o ultraligeras de magnesio, las bajas
densidades de estos materiales y su facilidad de mecanización por moldeo
constituyen una de sus principales ventajas.
 Disco de compresor: aleaciones de Ni-Al hasta 200º C, por encima de esa
temperatura hasta 450º C se tendría titanio que reducen el peso en un 20%
 Álabes del compresor: depende de su situación y de la temperatura a la que estén
expuestos. Hasta 450º C aproximadamente se pueden poner aleaciones de titanio y
a partir de esas temperaturas se emplean aceros inoxidables, como por ejemplo un
acero cromo molibdeno vanadio.
6.4.-
DIFERENCIAS
FUNDAMENTALES
ENTRE
COMPRESOR AXIAL Y CENTRÍFUGO
1. En los compresores axiales la corriente entra en sentido axial y así continúa; en
los compresores centrífugos la corriente entra en sentido axial y luego sale con
una velocidad absoluta casi tangencial debido a la fuerza centrífuga.
Motores a reacción
57
Compresor
2. En cuanto a las relaciones de compresión son diferentes para ambos casos. Las
relaciones de compresión en compresores centrífugos han ido evolucionando
desde 3,5:1 hasta 8:1 y con un rendimiento adiabático de la compresión del orden
de un 70% hasta un 82% (se pone un valor medio del 75%); mientras que los
compresores axiales, la relación de compresión por escalón ha sido de 1,1:1 hasta
2:1 y con un rendimiento que puede fluctuar de 80-88% (un término medio de un
85%). Lo que pasa es que los compresores axiales debido a la forma que tienen, a
la constitución que tienen, permiten agruparlos y poner muchos escalones y
conseguir relaciones de compresión más altas. Se recuerda que la relación de
compresor de los motores actuales son de 40:1 – 50:1 para los civiles y 35:1 para
los militares. También se debe recordar que la máxima relación de compresión por
eje era por debajo de 8:1, porque al alcanzar valores próximos a 8:1 disminuye es
rango de velocidades en el cual el compresor funciona de manera estable y habría
que hacer sangrados, etc. y esto no da buenos resultados.
El rendimiento adiabático del compresor es el trabajo requerido en un
proceso ideal isentrópico para obtener una relación de compresión dividido por el
trabajo real para obtener esa misma relación de compresión. Si se tiene un
compresor, se puede obtener la relación de compresión total de esta manera:
P4t P4t P3t P2t P1t

  
P0t P3t P2t P1t P0t
Para gastos de aire pequeños se usan generalmente compresores centrífugos;
se podrían emplear compresores axiales, pero llegaría un momento en que los
álabes serían tan pequeños que el número de Reynolds de la corriente bajaría
alcanzando cierto valor crítico ocasionándose pérdidas aerodinámicas. Otra
variante es poner un compresor axial seguido como etapa de alta presión de un
compresor centrífugo, obteniéndose una máquina con un rendimiento superior al
centrífugo e inferior al axial.
3. El compresor centrífugo, debido a su forma, es más robusto que el axial.
58
Motores a reacción
Compresor
4. Para igualdad de área frontal y misma
elevación de presión se obtiene más
gasto de aire en el compresor axial,
esto se debe a que la superficie frontal
permeable al aire es mayor en el
compresor axial. (Por lo tanto, a
igualdad de relación de compresión y
gasto, el axial tendrá menos área
frontal y como consecuencia menor
resistencia aerodinámica)
6.25 A igualdad de área frontal se ve la
diferencia entre las áreas por las que
puede entrar el aire.
5. La construcción, montaje y mantenimiento del compresor axial es más sencillo
que el compresor centrífugo. La construcción en el compresor axial se tiene un
álabe que se repite se repite, sin embargo en el compresor centrífugo a no ser que
tenga un rotor de álabes rectos, la mecanización de esos álabes con esa curvatura
es bastante complicado. El mantenimiento en el caso del compresor centrífugo si
se estropea un álabe o hay que desmontar algo, habría que desmontarlo todo,
mientras que en el compresor axial sería más fácil acceder porque los álabes, que
van en los discos, se pueden quitar con mayor facilidad.
6. El compresor centrífugo es más estable y no entra tan rápido en pérdida, es decir,
mantiene mejor sus características de funcionamiento que en el axial; debido a
que el deterioro que tiene es más lento ya que en el axial la erosión hace que
pierda prestaciones.
7. Respecto a la aerodinámica de los dos compresores no se puede decir si resulta
más compleja en uno u otro caso. Si se trata de compresores de bajas prestaciones
la aerodinámica es sencilla en los dos. Para compresores de altas prestaciones (los
empleados en aviación) la aerodinámica es muy compleja: si se trata de un solo
escalonamiento del axial sería muy sencilla pero esto nunca se da, en el axial a
medida que se ponen más escalones la corriente encuentra cada vez más dificultad
para ir de adelante a detrás y debido a la viscosidad aparecen turbulencias. El
compresor se diseña para que la velocidad y el trabajo por escalón sean constante
pero en realidad siempre disminuyen a medida que se avanza al siguiente escalón.
En el caso del centrífugo, debido a la dificultad aparecen unos torbellinos entre los
Motores a reacción
59
Compresor
álabes en sentido contrario (Fig. 6.26) y
eso ocasiona muchas pérdidas y muchas
turbulencias, por lo que la aerodinámica es
también bastante complicada.
8. Por sus materiales, el compresor axial es
de un precio más
elevado que el
centrífugo.
9. Puede
utilizarse
el
mismo
tipo
de
acoplamiento para los dos tipos de
6.26 Torbellinos originados en el
compresor centrífugo.
compresores. Existen dos tipos :
 Eje único (Fig. 6.27).
 Eje múltiple (más fácil de mantener) (Fig.
6.28).
6.27 Eje único.
Otra diferencia de menor importancia es:
10. El rendimiento máximo es menor en el
centrífugo pero tiene una gama más amplia
sin disminuirlo.
6.28 Eje múltiple.
6.5.- ÁLABES GUÍA
6.5.1.- Generalidades
Delante del primer rotor en el cárter
de entrada se pueden poner álabes guías de
entrada fijos o bien álabes guía de entrada
de
incidencia
corriente
hacia
variable.
el
Orientan
primer
rotor
la
del
compresor para que esta tenga la dirección
adecuada
60
evitando
la
aparición
Motores a reacción
de
6.29 Álabes guía de entrada.
Compresor
fenómenos de compresibilidad a altas velocidades relativas en la entrada del motor, que
pueden provocar el vómito de aire, la entrada en pérdida del motor y la disminución del
rendimiento. También tienen carácter estructural. Los álabes guía de entrada variables
proporcionan más flexibilidad al motor adaptándose a las distintas situaciones.
6.5.2.- Ventajas e inconvenientes
 Ventajas: Debido a la disminución de la velocidad relativa de entrada al rotor al
darle una componente tangencial, se tiene un grado de más libertad que permite
optimizar mejor el triángulo de velocidades y así optimizar el trabajo por escalón
para tener un rendimiento máximo. (Mayor flexibilidad de operación)
 Inconvenientes: Se producen una serie de pérdidas de presión total por fricción,
produce un gran ruido junto con el primer escalón del compresor y, para evitar la
congelación y la formación de hielo (son piezas estáticas) porque sino no
funcionan, debe realizarse un sangrado de aire caliente y dirigirlo a esta parte.
6.6.- MAPA DE UN COMPRESOR
El mapa de un compresor es la representación gráfica de las características de
actuación de un determinado compresor. Estas características o puntos de posible
funcionamiento del compresor se pueden representar como en la Fig. 6.30 gráfico 1.
Esta representación también puede hacerse en función de características referidas
al nivel del mar como en la Fig. 6.30 gráfico 2, para lo cual se tienen que definir las
magnitudes equivalentes que se obtienen por medio de un cálculo adimensional y que
quedan definidas de esta manera:

Temperatura total del aire a la entrada del compresor T2t
Temperatura estandar a nivel del mar

Presión total del aire a la entrada del compresor P2t
Presión estandar a nivel del mar
Motores a reacción
61
Compresor
 23
 23
N
T2t
N

G T2t
G 
P2t

6.30 Mapa de un compresor.
De esta forma también se puede obtener cualquier característica del compresor a
cualquier altitud de vuelo en función de las características a nivel del mar. (  23 es la
relación de compresión del compresor, 2 es la entrada y 3 es la salida).
Realmente, las representaciones están referidas a las condiciones de diseño del
compresor, de tal manera que el gasto relativo sería 1 y las líneas de vueltas constantes
son tanto por ciento de las líneas de las revoluciones del diseño. Estos gráficos son muy
habituales.
Estos diagramas expresan lo mismo que los primeros, sólo que aquí está dado en
función de magnitudes equivalentes. Se ha puesto “rd” aunque no haría falta ponerlo
porque se sabe, por el propio diagrama, que son condiciones relativas a las de diseño.
 Línea de surge o línea de inestabilidad funcional del compresor: Separa la
zona de buen funcionamiento de la de mal funcionamiento del compresor. Por
encima de esta línea hay una relación de compresión excesivamente elevada para
el gasto de aire que está pasando. En esta zona, el funcionamiento del compresor
es imposible. Este mal funcionamiento se manifiesta por pulsaciones del flujo del
62
Motores a reacción
Compresor
gasto de aire con posible inversión de este gasto de aire dando lugar a unas
oscilaciones de baja frecuencia que pueden producir vibraciones y la rotura de los
álabes. Esto se debe a dos fenómenos distintos pero relacionados entre sí: el
“stall” (pérdida) y el “surge” (vómito).
El perfil del álabe es un perfil aerodinámico, similar al perfil del plano del avión y
puede presentar problemas similares a este. En un avión se dice que hay una falta de
sustentación por un aumento de ángulo de ataque y aquí se puede decir que hay una
falta de compresión por un aumento del ángulo de incidencia, que es el que forma la
dirección de la velocidad relativa de la corriente con la tangente a la línea media del
perfil en el borde de ataque.
 23
Línea de bombeo,
inestabilidad o "surge"
N

rd
G 

rd
6.31 Mapa de un compresor.
Motores a reacción
63
Compresor
El “stall” (entrada en pérdida) se manifiesta por un desprendimiento de la
corriente debido a una insuficiente energía cinética para vencer un gradiente adverso de
presiones. Producen pérdida de sustentación y se suele deber a un aumento del ángulo
de ataque. Un álabe o grupo de álabes entra en pérdida pero sin que ello ocasione la
entrada en pérdida del compresor completo. Este es un fenómeno local con efectos
locales y puede dar lugar al “surge” haciendo que el compresor entre en pérdida pero no
necesariamente.
El fenómeno de “surge” (vómito), básicamente origina una inversión en el flujo
de aire que atraviesa el compresor debido a la entrada en pérdida de los álabes, que no
son capaces de comprimir adecuadamente la corriente. Este fenómeno se produce de
forma repetida, lo que puede producir vibraciones o incluso la rotura del motor. Se suele
producir cuando el motor demanda una presión alta desde el compresor la cual es más
alta que la que él álabe puede sostener. Ocurre, por ejemplo, cuando la bajada de
presión que hay en el compresor es más rápida que la que hay en la cámara de
combustión entonces lo que pasa es que se invierte la corriente.
En la Fig. 6.32 se muestra el mapa del compresor completo, con la línea de
equilibrio o funcionamiento del motor completo (compresor, turbina, cámara de
combustión).
Para evitar acercarse a la línea de “surge” se trabajará en una línea (en el mapa)
con un cierto margen de seguridad. Cuanto menor sea este margen, antes se podrá
“caer” en la línea de “surge”, lo que es totalmente indeseable; en este caso habrá que
rediseñar todo el sistema para tratar de evitarlo.
Es indispensable trabajar con un cierto margen de seguridad: al acercarse al
“surge”, para evitar alcanzarlo, se cambia el régimen disminuyendo así el gasto que
entra al motor; pero por inercia como la variación de gasto es más rápido que la
variación de revoluciones, entonces la relación de compresión que mantiene no es
adecuada para ese gasto de aire, y si el margen no es lo suficientemente grande se
podría alcanzar esta zona de inestabilidad.
64
Motores a reacción
Compresor
 23
margen de seguridad
N

rd
G 

rd
6.32 Mapa de un compresor
Para la obtención de la línea de funcionamiento del compresor se utiliza el grupo
Ward Leonard. El compresor es movido por otro sistema, el motor, que girará a un
mayor o menor régimen en función de la apertura de la mariposa. Con la mariposa
totalmente abierta, el motor girará a un régimen N1, lo que da un salto de presiones P1.
A vueltas constantes se cierra un poco mariposa, el gasto es más pequeño y da un salto
de presiones P1’. Se vuelve a cerrar mariposa a vueltas constantes y da un nuevo salto
de presión, el motor funciona venciendo este obstáculo aumentando la relación de
compresión hasta P21 (trabaja más para vencer este obstáculo). Llegará un momento en
el que al cerrar más mariposa se producirá la entrada en pérdida del compresor y se
meterá en la P*, correspondiente a la pérdida.
A otras vueltas, se repite la misma operación: mariposa totalmente abierta y luego
se va cerrando mariposa hasta que se produce la entrada en pérdida. Y así, a distintas
vueltas, se tiene que dar un porcentaje, que lo da el diseño, y se obtiene lo que es la
línea de estabilidad funcional del compresor.
Motores a reacción
65
Compresor
En régimen de equilibrio del grupo compresor – turbina cumple los siguientes
requisitos.
 Gasto de aire de la turbina = Gasto de aire compresor + Gasto de combustible –
Fugas – Sangrados.
 Número de revoluciones del compresor = Número de revoluciones de la turbina.
 La potencia que da las turbinas se emplea en mover compresor y sistemas
auxiliares.
 Presión de entrada en la turbina = Presión salida del compresor - Pérdidas en la
cámara de combustión.
En régimen transitorio lo que puede pasar es que la potencia requerida por el
compresor sea menor que la que da la turbina o al contrario.
Cuando la potencia requerida por el compresor es menor que la que la turbina da,
el conjunto se acelera.
Cuando la potencia requerida por el compresor es mayor que la que la turbina da,
el conjunto se decelera.
66
Motores a reacción
Cámara de combustión
CAPÍTULO VII:
CÁMARA DE
COMBUSTIÓN
CAPÍTULO VII: Cámara de combustión
La misión de la cámara de combustión es realizar la combustión de la mezcla aire
combustible y entregar la energía resultante a la turbina a una temperatura permisible
por ésta para un correcto funcionamiento de la misma. Por tanto la cámara de
combustión suministra energía calorífica al motor mediante el aporte de una energía que
eleve la temperatura del fluido motor. La cantidad de combustible a suministrar depende
fundamentalmente de la temperatura permitida por los álabes de la turbina, y vendrá
dado por los esfuerzos que soportan los materiales con los que está hecha la turbina.
Hay que tener en cuenta que se están desarrollando temperaturas de 1000º K hasta
temperaturas de 2100º K, que temperatura muy altas.
En la cámara de combustión se aporta energía térmica al fluido a presión
constante minimizando la pérdida de carga, manteniendo la velocidad prácticamente
constante y llevando los productos de la combustión una temperatura uniforme a la
entrada de la turbina. El fluido se recibe a una presión elevada, incrementada por su
entrada por un difusor que reduce la velocidad a la salida del compresor, el volumen
específico es pequeño por lo que el tamaño de la cámara de combustión es reducido. Al
ser la relación en peso de aire a combustible superior a 40:1 y la relación
Motores a reacción
67
Cámara de combustión
estequiométrica en torno a 16:1, el flujo de aire se divide empleándose parte del mismo
en la realización de otras funciones: refrigeración de las paredes, estabilidad de la
combustión… previa a la zona de dilución donde se uniformizan las temperaturas. Las
prestaciones de la cámara se miden en términos de: combustión completa, estabilidad de
la combustión, funcionamiento para una amplia gama de gastos, presiones y
temperaturas…
7.1.- CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS DESEABLES
Fundamentalmente hay 4:
 Alto rendimiento de la combustión.
 Gran cantidad de energía por unidad de volumen de la cámara.
 Combustión estable en amplio rango de operaciones.
 Contaminación baja.
Hay otras 12 características más:
1. Alto rendimiento de la combustión: Tiene que haber un alto rendimiento de la
combustión, definido como el incremento de la temperatura real dividido entre el
incremento de la temperatura teórica que se obtendría si se quemase todo el

Treal 
combustible c 
 . Para ello la combustión debe ser completa. Esto va a

T
teórica


depender de la rapidez de la reacción de combustión.
El rendimiento de las cámaras de combustión es muy elevado, pudiendo ser
cercano a la unidad en operaciones a nivel del mar y en condiciones próximas a
las de diseño; en otro tipo de operaciones, a alturas más o menos moderadas,
puede estar sobre el 95 al 98%.
68
Motores a reacción
Cámara de combustión
2. Plenitud de la combustión: Cuanto más completa sea la combustión, mayor
cantidad de calor se estará entregando al aire que pasa por allí. También se
aprovecharía más el combustible y se tendría más economía del combustible.
Lógicamente el flujo del aire nunca alcanzará la temperatura teórica que podría
proporcionar el combustible. Porque siempre habrá pérdidas por combustiones
incompletas.
3. Pérdidas de presión total mínimas: Todos los motores de reacción, deben operar
con pérdidas energéticas mínimas, ya que esto repercute negativamente en el
empuje, y de lo que se trata es de entregar una energía a la turbina tan próxima
como sea posible a la que teóricamente desarrolla la cámara de combustión.
Las pérdidas de presión total pueden estar situadas en valores de un 2% a un
8% desde la salida del estátor de compresor hasta la salida del primer estátor de
turbina. El 40% de este 2 a 8% se pierde en la compresión dinámica que tiene
lugar entre el último estátor del compresor OGV y el difusor precámara (que
decelera la corriente para que entre a una velocidad adecuada a la cámara de
combustión, se pueda mezclar con el combustible y no se produzca apagado de la
cámara); el otro 40% se debe a la tensión que se produce en la propia combustión;
y el 20% restante se produce por la aceleración que se le da al gas en el primer
estátor de turbina NGV.
4. Máxima energía calorífica liberada por unidad de volumen o alto valor de la
energía liberada por unidad de volumen: Esto implica dimensiones mínimas
para un determinado valor de la energía liberada, es decir, dimensiones mínimas
de la cámara y así dimensiones mínimas del motor. Hay que tener en cuenta que
lo que interesa de una cámara de combustión es que sea una cámara de
combustión pequeña. Con el fin de reducir su propio peso y disminuir el área
frontal del motor. Porque el diámetro del motor vendrá dado por el diámetro de la
cámara. Y a menor diámetro del motor, menor resistencia aerodinámica. La
longitud de la cámara está limitada. No puede ser corta porque la llama nunca
debe llegar a los álabes de la turbina y por que la combustión necesita un tiempo.
Si es muy larga pesaría mucho y habría mayores pérdidas por fricción.
Motores a reacción
69
Cámara de combustión
5. Continuidad en la combustión: Es decir, posible reencendido en caso de
apagado en cualquier condición de vuelo. Inicialmente la combustión se realiza
por la chispa de una bujía, a continuación la bujía se apaga y la cámara de
combustión debe, por sí misma, mantener un nivel de temperatura mínimo
adecuado para que la combustión se siga realizando de forma continua sin
necesidad de la bujía. También hay unos límites de mezcla aire combustible por
encima de los cuales se apaga. Uno con mezcla rica y otro con mezcla pobre. Si
por cualquier circunstancia se extingue la llama, los turborreactores deben
reencenderse en vuelo. A determinadas alturas el rendimiento de la combustión
baja por lo que la temperatura de turbina es tan reducida que es imposible el
funcionamiento del motor.
6. Estabilidad del proceso de combustión: Es decir, que asegure el funcionamiento
sin fallo en cualquier condición de vuelo (aceleraciones, deceleraciones…). Y
para lo cual es necesario que la cámara de combustión trabaje en buenas
condiciones en un amplio rango de gastos de aire y de gastos de combustible.
7. Uniformidad de la mezcla de gases o campo uniforme de temperatura a la
salida de la cámara de combustión: Con esto se consigue alargar la vida del
grupo turbina, fundamentalmente del estátor de turbina. Al salir, los gases deben
tener un perfil homogéneo de temperatura es decir, que no haya puntos calientes.
En el caso de existir puntos calientes,
una zona concreta del estátor estará
continuamente expuesta a estos, y se
producirá un daño muy localizado. El
estátor de turbina está fijo y está
sometido
siempre
a
las
misma
temperaturas si la temperatura a la que
está sometido es muy alta entonces se
produce lo que es el quemado del
estátor. En el rotor el efecto de los
puntos calientes no es tan severo, ya que
al
moverse
éste,
no
afectan
continuamente a un único punto, pero
70
Motores a reacción
7.1 Distribución de temperaturas en el
rotor de la turbina.
Cámara de combustión
hay que tener en cuenta los esfuerzos térmicos producidos por las fuerzas
centrífugas, de tal manera que hay que reducir estos esfuerzos térmicos en la raíz
del álabe y en la punta haciendo una distribución de temperaturas como en la Fig.
7.1. Una buena distribución de temperaturas para reducir los esfuerzos térmicos
de la raíz y de la punta sería tener en la raíz una menor temperatura que en la
punta, así se reducen los esfuerzos térmicos debidos a la fuerza centrífuga y a la
temperatura que se puede producir.
8. Facilidad de mantenimiento: Sencillez de montaje y reparación. Así como la
facilidad de inspección. Entonces que las revisiones fijadas para el motor serán
más económicas y a su vez más fáciles y rápidas. Y las inspecciones se harán de
una manera más eficaz y más productiva.
9. Diseño con un coste mínimo y una fabricación sencilla.
10. Viabilidad del tamaño y posicionamiento de la cámara en el motor: Para
luego poderla situar bien en el motor.
11. Durabilidad de la cámara: Se debe asegurar el perfecto funcionamiento de la
cámara, sin recambios, en toda su vida útil, esto es lo que se llama integridad
estructural de la cámara en su vida útil.
12. Contaminar poco: Baja emisión de humos, así como de sustancias o gases
contaminantes. Una cámara con un alto rendimiento contamina poco.
7.2.- PARTES DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
Independientemente del tipo de cámara, para emprender el estudio de sus partes,
se va a considerar una cámara individual.
1. Cárter: Carcasa que envuelve la cámara de combustión.
2. Difusor de entrada: Conducto divergente que disminuye la velocidad
3. Tubo de llama: Carcasa dentro de la que se realiza la combustión. Va provisto de
una serie de orificios, que pueden ser: de refrigeración, para recircular el aire, para
Motores a reacción
71
Cámara de combustión
permitir el paso de la zona secundaria a la zona primaria, estabilizar la llama, etc.
Puede haber temperaturas de 2500º K por eso hay que refrigerar el tubo de llama y
los gases para evitar que se dañe el material.
4. Torbellinador o álabes de turbulencia: Hacen que la corriente de aire entre
girando para que se produzca una turbulencia y así una buena mezcla con el
combustible.
5. Interconectores de llama: En motores con cámaras de combustión individuales,
éstas están conectadas entre sí mediante los interconectores de llama. Un motor de
este tipo va provisto de entre 8 y 10 cámaras (depende del tamaño) alrededor del
su eje, pero sólo dos de ellas van provistas de bujías. Así, si se produce el apagado
de una de las cámaras, el reencendido se produce por medio de estos
interconectores de llama que están comunicando las zonas primarias. A esto se le
llama el “cinturón de fuego”.
6. Drenaje de combustible: Puede ser una válvula o un conducto, que retira al
exterior el combustible que no se ha quemado.
7. Bujías: Pueden ser parecidas a las bujías usadas en motores alternativos. También
pueden ser de descarga superficial (Fig. 7.9). Hacen saltar la chispa en el
momento adecuado para que se produzca la combustión, Generalmente tanto las
cámaras
anulares
como
las
tuboanulares
llevan,
dos
bujías
situadas
estratégicamente, por motivos de seguridad.
8. Inyectores: Se encargan de pulverizar el combustible en el interior de la cámara
de combustión de tal manera que asegura una rápida combustión. Inyectar el
combustible y pulverizarlo lleva una serie de inconvenientes como son: el aire
lleva una determinada velocidad y se dispone de una longitud de la cámara
pequeña. La eficacia de pulverización se mide por el diámetro de la gota, es decir,
si se tiene un diámetro de gota pequeño se tiene un grado de pulverización alto, y
la superficie pulverizada es grande y la mezcla con el combustible será mejor.
72
Motores a reacción
Cámara de combustión
Los inyectores generalmente llevan dos circuitos, un
circuito
primario
y
otro
secundario que son concéntricos de tal manera que para
operaciones de bajo empuje
se
utilizará
el
circuito
primario y cuando se necesita
más combustible, se ponen a
funcionar los dos circuitos.
7.2 Típica cámara de combustión individual.
7.3.- FUNCIONAMIENTO
Una bujía enciende la llama, después la llama es autosostenida.
El aire entra desde el compresor a la cámara de combustión a una velocidad de
150 m/s, pero como esta velocidad es demasiado alta para la combustión, lo primero
que se hace es comprimir dinámicamente el aire, es decir, decelerarlo y elevar la presión
estática. Como la velocidad de combustión del queroseno en una mezcla normal es sólo
de unos pocos metros por segundo, la velocidad del flujo de aire (25 m/s) desplazaría la
llama fuera de la zona de combustible. Por este motivo se crea una región de baja
velocidad axial en la cámara que mantenga la llama en todo el rango de operaciones del
motor.
En operaciones normales la relación de aire combustible varía entre 45:1 y 130:1.
La relación de aire combustible en los turborreactores suele ser de 60:1. Aunque la
mezcla pueda ser inflamable en proporciones de 4:1 a 20:1, la relación ideal para la
combustión es la estequiométrica, por eso el queroseno se quema eficientemente cerca
de los 15:1 (relación estequiométrica). Por esta razón sólo parte del aire entra en la
cámara de combustión. A esta zona se la llama zona primaria de combustión. Esto se
consigue por medio de un tubo de llama el cual tiene una serie de mecanismos que
distribuye el flujo restante alrededor de la cámara.
Motores a reacción
73
Cámara de combustión
 Flujo primario: Es un 20% (“de combustión”) del total, se introduce axialmente
en la cámara por la sección de entrada. El 12% (“de combustión inicial”) pasa
axialmente por los “swirl vanes” (álabes de turbulencia), que le da una
componente tangencial, y el 8% (“de combustión de recirculación inicial”) pasa
por el “flare”, que le da una componente radial, a la zona primaria de combustión
para crear una zona de recirculación. La relación aire-combustible es 15:1.
 Flujo secundario: Es el aire que se introduce por la región anular y circula entre
el tubo de llama y la carcasa, supone el 80% restante. El aire entra girando en la
zona primaria creando una zona de baja presión a lo largo del eje que induce una
corriente del secundario, esa corriente es el 20% (“de combustión y
recirculación”) que se introduce por orificios en la zona primaria dando al aire una
componente radial de sentido opuesto a la dada al aire procedente del “flare”
formándose una zona de baja velocidad y alta turbulencia. Las funciones que tiene
este 20% de flujo de aire son:
o Estabilizar3 la llama.
o Anclar la llama: La alta turbulencia y la baja velocidad sirve de pantalla
para evitar que los gases salgan fuera de la zona de combustión, se evita
así el fenómeno de extinción de llama y permite a la mezcla que resida
en la zona el tiempo suficiente para que la combustión se lleve a cabo de
manera eficiente.
o Favorece la mezcla de aire-combustible: La alta turbulencia ayuda a
romper las gotas de combustible que pudieran existir provenientes de la
inyección, ayudando a homogeneizar la mezcla.
o Para reducir la temperatura de los gases.
o La turbulencia que se genera evita que se forme carbonilla en el fondo de
la cámara.
El 40% se utiliza para refrigerar el tubo de llama y la carcasa, se introduce
por orificios axiales, para crear una película de aislamiento. El 20% se descarga
3
Significa una suave combustión y la capacidad para mantener encendida la llama un amplio rango de operaciones.
74
Motores a reacción
Cámara de combustión
radialmente por orificios en la zona de dilución para refrigerar los gases de la
combustión y que tengan una temperatura tolerable para la entrada en la turbina.
La combustión debería estar completa antes de llegar a la zona de dilución, de otro
modo, quedaría incompleta debido al flujo de aire frío que enfriaría la llama.
7.3 Distribución del flujo de aire en una cámara de combustión.
Las características de una cámara de combustión las se pueden resumir en tres:
- Separación de la zona de combustión (zona primaria) de la zona de mezcla (zona
secundaria).
- Gran atomización del combustible, bien por un sistema de atomización o un
sistema de vaporización, para que se mezcle bien con el aire y la combustión sea mejor
y más rápida.
- Recirculación de los gases, se necesita un dispositivo de recirculación de los
gases hacia la zona centro para estabilizar la llama.
7.4.- SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE
 Pulverizadores (Sprayer) (Atomizadores): Son de inyección directa, el
combustible se inyecta en la misma dirección del aire. Tubo en el que se tiene alta
presión aguas arriba y, al tener un orificio pequeño, el combustible sale a alta
velocidad y muy atomizado en la zona de recirculación. Se basa en la
Motores a reacción
75
Cámara de combustión
pulverización del combustible en el interior de la cámara en forma de remolino y
forma de torbellino debido a la energía cinética del fluido que se atomiza, gracias
a reducir la alta presión que lleva. Si se
tiene una baja presión el combustible no
se pulveriza, sale como una película
líquida y la mezcla entonces no es buena.
Cuando
la
combustible
presión
saldrá
aumenta
más
el
pulverizado.
Antiguamente a operaciones de bajo
empuje la bomba no tenía la suficiente
presión
como
para
pulverizar
7.4 Pulverizador.
el
combustible entonces la solución que se encontró fue poner dos inyectores, un
circuito primario y uno secundario de tal manera que el circuito primario se utiliza
a operaciones de bajo empuje o ralentí y luego se tiene el circuito secundario que
lo que hace es funcionar junto con el primario para
operaciones de mayor empuje. (Fig. 7.4).
 Vaporizadores: Se aplica calor en el hongo para
vaporizar la mezcla antes de que salga. Así se tiene
homogeneidad, la cual aumenta en el exterior al
mezclarse con el aire. El inconveniente de este
7.5 Vaporizador.
sistema es que puede dar lugar a la formación de
carbonilla. (Fig. 7.5).
7.5.- TIPOS DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN
El diseño de las cámaras de combustión es muy complejo, tiene que ser una
cámara compacta con poco diámetro y con poca longitud, la longitud de la cámara de
combustión vendrá dada por la aerodinámica de la combustión, es decir, si se necesita
inyectar un combustible, una pulverización y una mezcla y eso requiere un tiempo, por
lo tanto necesitará una longitud de cámara, si además se necesita una combustión, que
lógicamente requerirá otro tiempo y finalmente se necesita una refrigeración de los
gases y por lo tanto requerirá otro espacio y otro tiempo. Si es muy larga se pueden
76
Motores a reacción
Cámara de combustión
producir tensiones vibraciones torsionales, se aumenta el peso y se aumentan las
pérdidas por fricción. Y si es muy corta no da tiempo a que se produzcan los fenómenos
anteriores.
Las cámaras se pueden situar a continuación del compresor, lo que sería
compresor, cámaras y turbina, o bien, situarlas alrededor del compresor y la turbina que
serían las de flujo invertido. Los turborreactores de altas características necesitan un
área frontal más pequeña y por lo tanto utilizan las de flujo directo de menor peso y un
área frontal más pequeña.
 Respecto a la dirección del flujo:
o Flujo directo: Va en la misma dirección tanto en la parte exterior del tubo
de llama como la parte interior del tubo de llama.
 Ventajas: Motores con menor área frontal, es decir, menor resistencia
aerodinámica. Menos peso.
 Inconvenientes: Motores con mayor longitud, no es realmente un
inconveniente para los aviones actuales.
o Flujo inverso (invertido): Lleva distinta dirección por la parte interior del
tubo llama y la parte exterior del tubo de llama. Se utilizan en compresores
centrífugos. (Fig. 2.16).
 Ventajas: Motores más cortos.
 Inconvenientes: Mayores pérdidas de presión debido a los cambios de
dirección y mayor anchura, es decir, mayor resistencia aerodinámica.
 Respecto a la configuración:
o Cámaras individuales, tubulares múltiples: Se pueden poner cuando se
tiene un compresor centrífugo que tiene distintas salidas. Presentan mayores
áreas frontales y mayor peso, por eso para construcciones grandes sería
excesivo por lo que se utiliza para pequeñas construcciones. Tienen entre 5
y 10 cámaras. Muy pocas cámaras, se saca muy poca energía, muchas
cámaras, se tiene un gran peso. El límite inferior está limitado por la
Motores a reacción
77
Cámara de combustión
capacidad de liberación de energía calorífica; el límite superior por el área.
Las
cámaras
individuales
están
dispuestas alrededor del motor, cada
una de las cámaras tiene su propio tubo
de llama, su propia carcasa (cárter) y su
propio quemador (inyector) por el que
se inyecta el combustible. Consta de
dos bujías, por si una falla. Existe una
interconexión
entre
las
distintas
cámaras para homogeneizar la mezcla,
7.6 Cámaras individuales.
la presión de las cámaras, y para
propagar la llama durante el arranque. Se utilizó en los primeros motores y
se usa en compresores centrífugos con difusores múltiples.
Las son ventajas: Mejor resistencia estructural que las anulares debido
a la curvatura que presentan que hace que sean más resistentes a la
deformación. Fácil mantenimiento, puedes desmontar una cámara sin la
necesidad de desmontar todas las demás. Las desventajas: Ocupa mucho
espacio, por lo que hace un motor voluminoso y de mayor área frontal, tiene
un peso muy elevado porque se tiene que cada cámara tiene su tubo de
llama y su cárter, puede ocurrir que si uno de los inyectores no funciona la
distribución de temperatura a la salida de la cámara y entrada en turbina es
mala y eso hace que produzca importantes deformaciones en los álabes. En
cuanto al rendimiento se puede decir que es alto pero inferior a los otros
tipos de cámaras. Puede presentar mayores pérdidas de presión debido al
recorrido del aire que presenta mayor rozamiento por tener una superficie
mayor. Como también se tiene mayor número de cámaras eso hace que la
complejidad de la misma aumente los costes de fabricación y de inspección
porque hay que mirar todas las cámaras.
o Cámaras anulares: Se utiliza en motores de compresores axiales y está
constituido básicamente por lo que sería un tubo de llama con un cárter
exterior y otro interior. Formadas por una única carcasa que está por dentro
y por fuera. Los quemadores (burners) (inyectores) están distribuidos por
toda la cámara (entre 15 y 30). Consta de dos bujías opuestas.
78
Motores a reacción
Cámara de combustión
Como ventajas tiene: que para la misma energía dada la longitud es el
75% de la tubular, esto se traduce en un ahorro de peso y coste de
producción, la que mejor mezcla aire combustible proporciona, la que
presenta
menores
pérdidas
de
presión debido a que el aire tiene
menor rozamiento, presentan una
mejor refrigeración de los gases de
la combustión ya que la superficie
es menor, por lo que requiere menos
aire para su refrigeración, con esta
reducción
de aire
aumenta su
rendimiento, siendo la que mejor
rendimiento presenta de todas, y
haciéndola menos contaminante, y
al permitir un gran número de
7.7 Cámara anular.
inyectores eso hace que la distribución de temperaturas sea más uniforme y
homogénea a la entrada en turbina, y si se estropea un inyector no crea
tantos problemas, el área frontal es más pequeño que en el tubular. Sus
desventajas son: mala mantenibilidad, no se puede quitar normalmente el
tubo de llama sin desmontar el motor del avión lo que implica mayores
problemas de costos y tiempo de mantenimiento, y son menos resistentes al
tener menos curvatura, lo que preocupa en motores excesivamente grandes.
o Cámaras tuboanulares: Son un
desarrollo intermedio entre una y
otra. Está constituida por unos
tubos de llama que llevan un cárter
interior y otro exterior común a
todos
los
tubos
de
llama
individuales. Tiene dos bujías y
necesita
conexión
entre
las
cámaras. Los tubos de llama
pueden
llevar
uno
o
dos
inyectores. Evita los inconve-
7.8 Cámara tuboanular.
Motores a reacción
79
Cámara de combustión
nientes de las anulares. Ventajas: tiene mejor rendimiento que las tubulares,
pero peor que la anulares, menos peso que las tubulares y mejor distribución
de la temperatura de entrada a la turbina que las tubulares y más si se tienen
dos inyectores por cámara.
7.6.- MATERIALES
Las condiciones de trabajo a las que están sometidas las cámaras son fuertes
gradientes térmicos, en las proximidades de los orificios donde entra el aire para la
refrigeración ahí existe una distribución de temperaturas muy desigual por lo tanto
estará sometido a grandes esfuerzos térmicos.
Son necesarios materiales que resistan altas temperaturas, oscilación, fluencia,
corrosión y fatiga (en el proceso de combustión aparecen vibraciones). Los materiales
deben tener una buena conductividad térmica. Y ser fácil de desoldarlos por las
soldaduras que se puedan producir. Algunos de los materiales más comunes son:
 HAYNES 188: Aleación a base de cobalto y soporta bien los esfuerzos a
temperaturas por encima de los 1370º K, fácil conformabilidad y soldabilidad (se
conforma y se suelda bien), buena resistencia a la oscilación, corrosión, por
encima de 1250º K necesita de una revestimiento o una protección.
 10 NICKEL: Es una aleación hecha con un alto contenido en níquel, soporta bien
los esfuerzos a temperaturas superiores a 1240º K, es resistente a la oscilación y la
corrosión pero es peor que la anterior. Y requiere protección para temperaturas de
1200º K, tiene una buena conformabilidad y no es muy fácil de soldar pero, con
cobre sí que se hace bien.
 NIMONIC 75: Es un material muy usado, de siempre 75% Ni, 20% Cr, 1,8%
Ti, 1,4% Al, 0,1% Co. Es algo costoso, pero tiene buena propiedades frente a la
corrosión y la fatiga térmica. También se suelda bien.
 DISCALOY: Acero inoxidable con Mo, W y Ti.
 NIMOPLAY: (Cu + Nimonic 75), con un núcleo de cobre. Aleación antigua.
80
Motores a reacción
Cámara de combustión
 HASTELBY.
7.7.- ARRANQUE DEL MOTOR
El encendido, el primer paso que hay que dar para encender el motor es mover el
compresor para que este se acelere, adquiera un gasto de aire y mantenga una
combustión de forma espontánea. Para mover el compresor se puede utilizar un sistema
auxiliar como un motor eléctrico (G.P.U. Ground Power Unit), también se puede
utilizar una turbina auxiliar llevada al eje principal por medio de un reductor y un
embrague y esa turbina auxiliar puede estar movida por un sistema de aire que puede
provenir del exterior. Normalmente para este tipo de cosas se utiliza la A.P.U.
(Auxiliary Power Unit). La A.P.U. proporciona energía eléctrica y neumática (aire), esta
energía neumática se utiliza para mover la turbina que a su vez mueve el compresor. Se
puede utilizar en condiciones de vuelo para diferentes propósitos. Suele ir colocada en
la parte posterior del fuselaje y es muy ruidosa durante su funcionamiento. La A.P.U. es
un turboeje de la gama de las bajas potencias que está constituido fundamentalmente
por un compresor centrífugo de dos escalones, el primero tiene álabes por las dos caras,
luego tiene otro escalón de compresor de una cara, cámara de combustión y turbina
centrífuga, del segundo escalón se saca el
aire para arrancar el motor o cualquier
otro servicio.
Para el arranque en tierra pueden ser
adecuadas las bujías de tipo convencional
parecidas a la de los motores alternativos,
pero en ocasiones se necesitan unas bujías
que den una chispa mucha más enérgica y
entonces se utiliza el encendedor de
descarga superficial (Fig. 7.9), que son
bujías que dan una chispa de unos 3 julios
a razón de 1 chispa por segundo.
7.9 Bujía de descarga superficial.
Motores a reacción
81
Cámara de combustión
El encendedor de descarga superficial consiste básicamente en un electrodo
central que está separado de unos electrodos exteriores por medio de unos aislantes
cerámicos, en la punta de esos aislantes cerámicos llevan unos semiconductores, se le
aplica el voltaje de un condensador a estos semiconductores, lo que hace es que lo pone
incandescente y lo ioniza, de tal manera que una vez ionizado facilita el salto de la
chispa entre el electrodo central y los electrodos exteriores.
La colocación de la bujía es importante, si se coloca muy salida de lo que es el
tubo de llama, podría mojarse con el combustible pulverizado y quedar engrasada. Y si
se saca muy poco, el aire de refrigeración pasa por ahí y le quita energía.
Si se tienen vaporizadores se utiliza el encendedor de antorcha para iniciar la
combustión. Al realizar el encendido el combustible no se vaporiza correctamente, pues
la temperatura en la cámara es insuficiente. El encendedor de antorcha es una bujía y un
inyector con carcasa común, por la parte central lleva el inyector y luego tiene los
electrodos para que salte la chispa. Entonces para iniciar la combustión en los
vaporizadores se utiliza este sistema y lo que se hace es calentar el combustible para
después hacer saltar la chispa, porque hasta que no se vaporice el combustible no se
puede llevar a cabo la combustión. En otros sistemas para iniciar la combustión se
utiliza un combustible auxiliar más volátil para calentar el combustible hasta que se
inicia la combustión. Estos sistemas suelen tener aplicaciones industriales.
82
Motores a reacción
Turbina
CAPÍTULO VIII:
TURBINA
CAPÍTULO VIII: Turbina
Se recuerda que la función de la turbina en un motor a reacción es convertir
aproximadamente 1/3 de la energía que recupera del proceso de combustión convertirlo
en energía mecánica para mover compresor y sistemas auxiliares. En la turbina el gas
pasa por el estátor o tobera donde la energía de presión o la entalpía estática que tiene
el gas a la salida de la cámara de combustión se transforma en energía cinética y luego
esta energía cinética se transforma en energía mecánica para mover el compresor y
sistemas auxiliares. A lo que se llama turbina está constituido por un conjunto de
escalones de turbina y cada escalón está a su vez constituido por un rotor y un estátor.
Existe un tipo de turbina que se llama turbina compuesta y está dividida en varios
escalones porque si se expande en un solo escalón se originarían elevadas fuerzas
centrífugas, entonces lo que se hace es expandir de manera escalonada y suave y se
evitarían esas fuerzas centrífugas tan altas. En algunos sitios como en los turboejes o los
turbohélices existe una turbina que se llama turbina de potencia libre (Fig. 8.1), está
constituida por unos reductores de potencia y un escalón de turbina que va
independiente de lo que es el turborreactor, es decir, se coloca un escalón de turbina que
no va unido al eje del turborreactor, y lo que hace este escalón turbina es mover a un
Motores a reacción
83
Turbina
régimen óptimo a través de un sistema de
engranajes reductor el eje para mover la pala
de la hélice.
En la propulsión de aviones se utilizan,
mayoritariamente,
las
turbinas
axiales,
llamadas así porque los gases de combustión
siguen una dirección sensiblemente paralela
al eje de la máquina, desde la entrada a la
salida. Este tipo de turbinas es ideal cuando
8.1 Turbina de potencia libre.
se trabajan con grandes gastos de aire, como
es el caso de los turborreactores actuales. Las turbinas centrífugas (igual que los
compresores pero invirtiendo el flujo) se utilizan en las APU’s.
8.1.- ESTRUCTURA
Una turbina axial, está conformada por una serie de etapas o escalones de turbina.
Cada etapa, o escalón axial, consta de un anillo de álabes o toberas fijas, llamado
corrientemente estátor, y una rueda de álabes giratorios que constituyen el rotor. La
cascada de álabes fijos al cárter, que componen el estátor, están dispuestos con un
ángulo tal que canalizan el fluido hacia el rotor en la dirección más efectiva para la
transformación de energía cinética en mecánica. El rotor de una turbina axial consiste en
una o varias cascada de álabes fijos a un disco
que gira a alta velocidad por la acción del
fluido, transmitiendo la energía al compresor
mediante el árbol común turbina-compresor, del
que se obtiene además para el movimiento del
cárter de accesorios.
El número de escalones de una turbina
depende de la potencia necesaria para mover el
compresor del generador de gas, y del
ventilador o la hélice en el caso de los motores
84
Motores a reacción
8.2 Turbina de triple eje.
Turbina
de doble flujo y turbohélices, respectivamente. Esos escalones son de varios tipos: el
escalón de alta presión, escalón de media presión y escalón de baja presión. También
puede presentar sólo dos escalones: el escalón de baja y el de alta.
8.2.- FUNCIONAMIENTO
El aire entra en el los álabes del estátor (NGV, nozzle guide vanes) y realiza un
proceso de expansión. Como el NGV es estático, la velocidad que aumenta es la
absoluta, por lo que el fluido se acelera (por ello los pasajes del NGV son
convergentes).
En el rotor se da otra expansión volviendo a tener pasajes convergentes. Ahora la
velocidad que aumenta es la relativa al álabe. Aquí las presiones son estáticas y
disminuyen progresivamente, por lo que la presión total también lo hace.
El diseño va a ser para velocidad axial constante. Para un reparto de trabajo en las
etapas se pueden utilizar perfiles parecidos para las distintas etapas. Según se avanza en
el motor, tanto el rotor como el NGV van creciendo (aumenta el área).
Bloqueo sónico del NGV. Cuando se expande en el primero, llega un punto en
que el área mínima (área directriz) llega a tener condiciones sónicas, la turbina queda
bloqueada el gasto se mantiene constante. Se intenta diseñar la turbina para que el
rendimiento máximo se dé en condiciones críticas. La turbina estará en condiciones
críticas siempre, excepto en arranque y ralentí.
El paso entre álabes de turbina es importante:
 Con un paso demasiado grande, el fluido está mal guiado, lo que puede dar lugar a
desprendimientos de la vena fluida si la desviación es elevada.
 Con un paso demasiado pequeño aumenta la proporción de las superficies que
rozan, lo que ocasiona un descenso del rendimiento.
Motores a reacción
85
Turbina
8.3.- TIPOS DE TURBINAS AXIALES
Clasificación de la turbina desde el punto de vista aerodinámico:
Existen distintos tipos, que se diferencian entre sí en que el grado de reacción
toma valores diferentes, siendo K el grado de reacción (K también se puede poner en
función de las temperaturas):
K
T T
variación de la energía en el rotor
 2 3
variación de la energía en el conjunto rotor-estator T1  T3
 Turbinas de acción o impulso: K = 0. Es aquella en el que el grado de reacción
es 0. Toda la expansión del gas se produce en el estátor. En el rotor del escalón no
se produce expansión del fluido, de manera que las velocidades relativas de
entrada y salida de la corriente en estos álabes móviles son idénticas.
 Turbina de reacción: Es aquella que el grado de reacción varía de 0 a 1. Lo
normal es que K = 0,5. El gas se expansiona en el estátor y en el rotor. En estos
componentes del escalón se
producen variaciones de las
velocidades del fluido entre
la entrada y la salida. La
variación en cada uno de
ellos depende del grado de
reacción
usado
en
el
escalonamiento.
8.3 Turbina de impulso y turbina de reacción
respectivamente.
86
Motores a reacción
Turbina
 Turbina de reacción pura: Es aquella cuyo grado de reacción es la unidad
(K=1). Esto indica que toda la expansión del gas se produce en el rotor. Las
velocidades del gas a la entrada y a la salida de álabes fijos no sufre variación.
 Turbina de acción-reacción: El valor de K varía a lo largo del álabe: en la raíz
K=0; en la punta K=0,5.
8.4.- TURBINAS REFRIGERADAS
La refrigeración de las turbinas se debe porque si se consiguen mayores
temperaturas de entrada en turbina, se mejora el rendimiento termodinámico y así el
consumo específico. Otras veces lo que se busca es poder utilizar materiales más
baratos.
Son aquellas en las que se hace pasar el aire para refrigerar el propio álabe tanto
del estátor como del rotor. Para refrigerar los álabes del rotor la temperatura del aire ha
de ser menor que la necesaria para refrigerar los álabes del estátor, pues están sometidos
a grandes esfuerzos (fuerzas centrífugas). Para refrigerar el rotor se suele sacar aire de
un punto intermedio del compresor; para el estátor, se sangra aire del flujo secundario
por varios puntos.
Hay cuatro métodos de refrigeración de álabes:
 Convección: Los álabes tienen orificios de la raíz a las puntas por los que circula
el aire que incide directamente.
 Convección forzada: Se fuerza al aire a incidir sobre determinados puntos
críticos (borde de ataque y borde de salida).
 Refrigeración por película de aire: En el borde de ataque y borde de salida hay
unos orificios por donde el aire, formando una película, envuelve al álabe.
 Por transpiración (experimental): Son materiales porosos que forman el mismo
efecto que el de la película de aire.
Motores a reacción
87
Turbina
8.5.- MATERIALES
 NGV: Resistencia al calor, oxidación y corrosión. Aleaciones Ni-coolingcerámica.
 Discos: Resistencia a la fatiga. Aleaciones de Ni-Polvos metalúrgicos.
 Rotor: Resistencia a la fatiga, descascarillado térmico, cargas centrífugas,
corrosión, oxidación, termofluencia. Aleaciones de Ni solidificadas.
88
Motores a reacción
Tobera
CAPÍTULO IX:
TOBERA
CAPÍTULO IX: Tobera
Se sitúa a continuación del último escalón de turbina. Lo que hace es la energía
entálpica que tiene al principio de la misma la transforma en energía cinética en la
tobera para obtener un empuje. Para alcanzar el máximo empuje de una determinada
masa de gas se deben cumplir una serie de condiciones como son:
 Los gases se deben expansionar totalmente en la tobera. Sino sólo una parte de la
energía que tiene el gas a la salida se usará para impulsar.
 Los gases a la salida de la turbina no deben tener componente tangencial de la
velocidad absoluta, saliendo en dirección axial, así además de aumentar la
componente axial que es la que impulsa, se evitan pérdidas por fricción.
De tal manera que la tobera hace lo contrario que hacía un difusor. En una tobera
la corriente pierde presión y gana velocidad.
Motores a reacción
89
Tobera
9.1.- PARTES DE LA TOBERA
 Cárter de tobera o conducto exterior: Canaliza el aire hacia el exterior. Es una
pieza troncocónica.
 Cono: Sirve para pasar de la sección anular (turbina) a la sección circular (tobera)
evitando el cambio brusco de sección, de esta manera evitan turbulencias e
inestabilidades.
 Montantes o soportes: Son piezas estructurales que dan rigidez a todo el
conjunto. Suelen ser huecos y en su interior va un conducto de aire, aceite o lo que
proceda. Deben estar orientados en el sentido de la corriente para originar las
menores pérdidas posibles.
 Conjunto de escape: Está formado por tobera (cárter de tobera, cono y
montantes) + cárter de escape. El cárter de escape es un cárter interior y otro
exterior. En el cárter interior en su interior hay un hueco para colocar el cojinete
de turbina y también en esta zona se ponen las sondas de presión y temperatura de
escape. El cárter exterior por su parte interior lleva un revestimiento acústico para
reducir el ruido.
9.2.- FUNCIONAMIENTO
Básicamente una tobera de escape es un conducto en el cual la corriente fluida
aumenta la velocidad a costa de disminuir su presión.
Para motores de propulsión subsónica, la tobera propulsiva es de forma
convergente hacia la salida, en el caso más general pudiendo ser subsónica la corriente
de salida. Si toda la expansión tiene lugar dentro de la tobera, o bien, puede alcanzar
valores de números de Mach de prácticamente la unidad, esto es, en condiciones
sónicas. Se dice en este último caso que la tobera trabaja en condiciones críticas.
Se dice que la tobera está adaptada cuando la presión de salida es igual a la
atmosférica.
90
Motores a reacción
Tobera
La velocidad de salida del gas en una tobera convergente no puede ser superior a
la velocidad local del sonido, por lo tanto, la mayoría de los turborreactores actuales
trabaja con régimen crítico de tobera, para condiciones de funcionamiento a máximo
régimen. En este caso, la velocidad de salida del gas corresponde a la local del sonido o
está muy próxima a ésta. Si crece el grado de expansión, por ser muy elevada la presión
total del gas a la salida de la turbina, la velocidad de salida sigue siendo la sónica,
aunque aumente la presión estática de la corriente en la boquilla de salida.
En este tipo de toberas el área de salida es fija, en algunos casos puede ser
variable acorde con la variación del flujo de combustible.
Cuando el motor se proyecta para vuelo supersónico, se utilizan toberas
convergente-divergentes; el tramo convergente sirve para aumentar la velocidad
necesaria para actuación de la zona divergente, alcanzándose las condiciones sónicas en
la garganta de la tobera, y continuando el aumento de velocidad en la zona divergente
por continuar la expansión de los gases procedentes de la turbina.
9.3.- REDUCCIÓN DE RUIDO
El ruido se produce por la mezcla de gases calientes a gran velocidad con la
atmósfera fría (Fig. 9.1). A menor velocidad relativa del chorro con la atmósfera menor
ruido se produce. Para disminuir la velocidad relativa de chorro se usa la tobera
ondulada (Fig. 9.2), que favorece la mezcla de aire-chorro. El chorro induce aire por
unos conductos reduciéndose la velocidad relativa. Otro método es el conocido como
tobera multitubo (Fig. 9.3), el cual induce una corriente exterior del aire que se mezcla
con el chorro.
9.1 Mezcla de los gases de escape con la atmósfera.
Motores a reacción
91
Tobera
9.2 Tobera ondulada
9.3 Tobera multitubo
92
Motores a reacción
Postcombustor
CAPÍTULO X:
POSTCOMBUSTOR
CAPÍTULO X: Postcombustor
Cuando el aire sale de la turbina lo hace a alta velocidad, lo que produce grandes
pérdidas por fricción. Se aprovecha el cono para reducir la velocidad actuando como
difusor. En el tubo de salida va el inyector. En los estabilizadores el aire con el O2
sobrante entra y recircula para que se mezcle con el combustible. La tobera debe de ser
de área variable, pues al poner el postcombustor, habrá que abrir el área para que salgan
los gases, pues cuando se quema el combustible se produce un incremento de la
temperatura, disminuye la densidad y se produce un aumento de volumen (G = cte). Si
no se le da salida a los gases se crearía una contrapresión y el compresor podría entrar
en pérdida.
Motores a reacción
93
Postcombustor
El objetivo es aumentar empuje a costa de incrementar drásticamente el consumo
específico, por lo que se va a necesitar en fases críticas como el despegue. Como
resultado de esto tienen un consumo muy elevado.
10.1.-
PARTES
DE
LA
TOBERA
CON
POSTCOMBUSTOR
10.1 Turborreactor de baja relación de derivación con postcombustor.
 Difusor: Disminuye la velocidad de la corriente para que no se apague la llama.
 Cono: También sirve de difusor porque lo que ocurre es que la velocidad de
salida de la turbina es muy alta 230 m/s o 330 m/s esto puede influir en lo que es
el apagado de la llama y una mala mezcla, entonces habrá que hacer algo para
reducir esa velocidad y para que no haya grandes pérdidas por fricción en el
conducto del chorro. Sólo lo que se hace es que en la sección de transición a la
hora de pasar a de sección anular a circular se aumenta la sección haciendo que
actúe como difusor, también tiene las mismas funciones que sin postcombustor.
 Tubo de salida o conducto del chorro: Es un conducto de sección circular
constante. Lleva el sistema de inyección. Y también lleva los estabilizadores de
llama que crean un recirculación de aire para estabilizar la llama y que la mezcla
sea mejor.
94
Motores a reacción
Postcombustor
 Tobera: Cuando se tiene postcombustor tiene que ser de área variable para
adaptarse a los diferentes volúmenes de gasto, es decir, cuando está el
postcombustor funcionando y cuando no lo está. El postcombustor se suele
utilizar para aviones de combate que les permite tener más maniobrabilidad.
Dibujo de un postcombustor y explicación
 Difusor: Se decelera la corriente.
 Conducto del chorro (tubo de salida): Sistema de inyección y estabilizadores
que impiden que se formen torbellinos.
 Tobera: De área variable por los determinados volúmenes que se obtienen para
mantener el gasto.
Motores a reacción
95
Postcombustor
10.2.- FUNCIONAMIENTO DEL POSTCOMBUSTOR
Se inyecta combustible en varias zonas (radiales) que no tienen por qué funcionar
simultáneamente. Se premezcla el combustible con el aire y aguas abajo, se ancla la
llama en los estabilizadores (“flame holders”). La carcasa del motor se protege mediante
un “liner” entre los cuales circula flujo de refrigeración.
La combustión se puede iniciar por varios métodos.
 Ignición catalítica: Se crea una llama por reacción química de la mezcla airecombustible sobre una base de Platino.
 Ignición por chispa: Usando bujías.
 Hot shot: Llamarazo desde la cámara de combustión.
Aquí la combustión es más fácil que la principal por existir temperaturas más altas
de inicio.
10.3.- TIPOS DE TOBERA DE ÁREA VARIABLE
• Pétalos o iris: Son una serie de flaps que están mandados por controladores
neumáticos. Se abren o cierran según las necesidades. Los más usados. (Fig. 10.2 y Fig.
10.3).
• Párpados: Están formados por dos compuertas que se abren y se cierran según
las necesidades. (Fig. 10.4).
• Cono central: No se suele utilizar. Según su desplazamiento se tendrá más o
menos área de salida. (Fig. 10.5).
96
Motores a reacción
Postcombustor
10.2 Tobera de área variable de pétalos o
iris.
10.3 Tobera de área variable de pétalos o
iris.
10.4 Tobera de área variable de párpados.
10.5 Cono central.
Motores a reacción
97
Postcombustor
10.4.- INESTABILIDAD DE LA POSTCOMBUSTIÓN
 Buzz: Vibraciones axiales de baja frecuencia que pueden dañar el eje y la LPT.
 Screech: Vibraciones radiales de alta frecuencia que pueden dañar la carcasa y
liner.
 A8 variable: La operación de postcombustión, requiere variabilidad del área de
salida para evitar que el fan entre en “surge”.
98
Motores a reacción
Preguntas de examen
CAPÍTULO XI:
PREGUNTAS DE
EXAMEN
CAPÍTULO XI: Preguntas de examen
Consejos para contestar a las preguntas:
Las preguntas de tipo test puntúan negativo si están mal hechas, y las
barbaridades creo que también. Hay que contestar a lo que se pide, si no se sabe la
pregunta, no contestar antes que inventar y si se tiene cierta idea contestarla con todo
lo que tenga relación ya que se puede sacar alguna decima si pones alguna de las cosas
que el busca.
1.
Cámara de combustión ideal: explicar las 3 características que hacen que lo
sea.
Debe tener pérdidas de presión mínimas, contaminar poco y no tener tendencia al
apagado.
2.
Presión máxima en alternativos y reacción.
El motor de reacción al ser un sistema de combustión continua a presión constante
no tiene picos de presión fluctuantes, sin embargo en los motores alternativos hay un
pico de presión fluctuante que puede alcanzar 4 veces más la presión que se alcanza en
un motor a reacción.
3.
Blisks en el axial.
Disco con álabes integrados (rotor y álabe son de una pieza), se utiliza en motores
pequeños o últimas etapas del compresor (BLaded dISKS). Ventajas: Mejora las
prestaciones porque evita filtraciones, disminuye el peso, mejora la fiabilidad y precio
total más bajo. Desventaja: Mantenimiento caro porque obliga a cambiar toda la pieza.
Motores a reacción
99
Preguntas de examen
4.
Diferencias entre compresores:
a.
A igualdad de área frontal y misma elevación de presión cual
presenta mayor gasto.
Axial, esto se debe a que tiene mayor superficie frontal permeable al aire.
b.
Aerodinámica.
En el caso del centrífugo, debido a la dificultad aparecen unos torbellinos entre los
álabes en sentido contrario y eso ocasiona muchas pérdidas y muchas turbulencias.
En el axial a medida que se ponen más escalones la corriente encuentra cada vez
más dificultad para ir de adelante a detrás y debido a la viscosidad aparecen
turbulencias.
5.
Cono de salida con y sin postcombustión, para qué.
Sin postcombustión: Sirve para pasar de la sección anular (turbina) a la sección
circular (tobera) evitando el cambio brusco de sección, de esta manera evitan
turbulencias e inestabilidades.
Postcombustión: Además de las funciones anteriores también sirve de difusor,
reduciendo la velocidad de salida de la turbina. Esto es necesario porque la velocidad de
salida de la turbina es muy alta y si no se disminuyese a la entrada del postcombustor
produciría pérdidas por fricción en el conducto del chorro, podría apagar la llama y
provocaría una mala mezcla.
100
Motores a reacción
Preguntas de examen
6.
Para qué se pone un fan.
El fan se coloca para aumentar el gasto de aire con una velocidad de salida de los
gases de escape menor, lo que mejora el rendimiento propulsivo y por lo tanto el
consumo específico.
7.
La turbina y el compresor tienen igual régimen para “funcionamiento
normal”, en qué condiciones esto no es así.
No hay condiciones en las que la turbina y el compresor giren a un régimen
distinto porque están unidas por el mismo eje.
(Otra forma de escribir la pregunta) En régimen de equilibrio el grupo
compresor turbina gira a las mismas revoluciones y que pasa en régimen
transitorio.
Que las revoluciones son las mismas porque están unidos por un eje.
8.
Reencendido de la cámara de combustión.
Si por cualquier circunstancia se extingue la llama, los turborreactores deben
reencenderse en vuelo. Interconectores de llama y las bujías (en casos extremos) son
los encargados del reencendido encendido en la combustión.
9.
Dibuja un esquema de una turbina de potencia libre.
Está constituida por unos reductores de potencia y un escalón de turbina que va
independiente del turborreactor. Lo que hace este escalón turbina es mover a un régimen
óptimo a través del sistema de engranajes reductor el eje para mover la pala de la hélice.
Motores a reacción
101
Preguntas de examen
10. Dibuja un esquema de un postcombustor.
Difusor: se decelera la corriente
Conducto del chorro (tubo de salida): Sistema de inyección y estabilizadores que
impiden que se formen torbellinos.
Tobera: de área variable por los determinados volúmenes que se obtienen para
mantener el gasto.
11. Cámara de combustión. Función del flujo de 20% del secundario en el
primario, además de estabilizar la combustión.
Anclar la llama, favorecer la mezcla de aire-combustible, para reducir la
temperatura de los gases y la turbulencia que se genera evita que se forme carbonilla en
el fondo de la cámara.
102
Motores a reacción
Preguntas de examen
12. Montajes de álabes de rotor y estátor.
Cola de milano, raíz de abeto y bulón.
13. Por qué se pone un compresor de alta más uno de baja en vez de uno sólo.
Cada compresor tiene su propia turbina que gira a la velocidad óptima para
obtener mayor relación de compresión y dar una flexibilidad de operación más alta.
14. Porque se reduce el área del compresor.
Esto es necesario para mantener constante la velocidad axial del aire en la medida
que se incrementa la densidad a lo largo del compresor a través de la longitud del
compresor.
G   ·Vz ·A
G  cte
para que Vz  cte si   entonces A 
15. Porque hay dos tipos de relaciones de compresión, uno en alternativos y
otro en reacción.
En los alternativos es una relación de volúmenes y en los de reacción es una
relación de presiones.
16. Diferencias fundamentales entre los compresores axiales y centrífugos.
(Pág. 57)
17. De la pregunta tal de diferencias axiales y centrífugos dime tal cosa.
Es un tipo de pregunta que puede hacer.
18. Porque se produce el stall.
El “stall” (entrada en pérdida) se manifiesta por un desprendimiento de la
corriente debido a una insuficiente energía cinética para vencer un gradiente adverso de
presiones. Producen pérdida de sustentación y se suele deber a un aumento del ángulo
de ataque.
Motores a reacción
103
Preguntas de examen
19. (Centrífugo) Qué es el slip y como afecta al triángulo de velocidades y
dibujo.
En el caso real el aire que hay entre los álabes por inercia ofrece
una resistencia a moverse, de tal manera que eso crea una presión
P1  P2 haciendo que bordee el álabe (Fig. 1), y esto es lo que se
llama slip (deslizamiento).
El slip afecta al triángulo de velocidades en el caso real ya que
1. Slip.
para el caso ideal no existe.
El caso ideal es el rojo y el caso real el
azul (Fig. 2). En el caso ideal la velocidad
relativa es radial, pero en el caso real debido
al slip la salida no es radial. En ambos casos
se tiene que la velocidad tangencial de
arrastre es constante porque es ·r , y como
se aprecia la velocidad absoluta es menor en
el caso real. Es una pérdida de velocidad que
influye en la relación de compresión y por
2. Slip y el triángulo de velocidades.
tanto una pérdida de presión.
20. (Axial) Cómo influye los álabes guías en el triángulo de velocidades y
dibujo.
A determinadas velocidades la
velocidad relativa es muy alta y
aparecen
fenómenos
de
compresibilidad, entrada en pérdida,
se
produce
una
pérdida
de
rendimiento por escalón, etc. Para
evitar eso se ponen álabes guía que
disminuyen la velocidad relativa de
entrada de la corriente.
104
Motores a reacción
Triángulo de velocidades con (azul) y sin
(rojo) álabe guía.
Preguntas de examen
21. Sustitución de la turbina de gas a alternativo en aviación ligera. (Otra
forma sería: Ventajas del motor alternativo por debajo de 400 CV)
 Para bajas potencias, el motor a reacción tienen grandes pérdidas aerodinámicas
que tienen como consecuencia una gran disminución del rendimiento.
 Las turbinas giran a grandes velocidades, si giran a muchas revoluciones no se
puede acoplar directamente una hélice y habrá que poner grandes reductores.
 Se tiene que mantener la velocidad tangencial constante y para ello habría que
aumentar las revoluciones ya que el radio disminuye y se tendrían que poner aún
mayores reductores.

  u2

u  cte

u    ·r 
 Los motores a reacción están diseñados para tener unos rendimientos propulsivos
elevados para velocidades de vuelo elevadas.
 Los motores a reacción tienen un pequeño retraso debido a la inercia.
22. Diferencias a nivel propulsivo entre un turborreactor y un turbohélice.
Turborreactor: Se comunica a una pequeña masa de aire una gran aceleración.
Turbohélice: Se comunica a una gran masa de aire una pequeña aceleración.
23. Pérdidas de presión, qué son y dónde se producen.
Seguramente la pregunta esté incompleta.
24. ¿Cómo se realiza la combustión en el ciclo Brayton? ¿Y en el Otto?
Brayton: Continua a presión constante
Otto: Discontinua a volumen constante
Motores a reacción
105
Preguntas de examen
25. Diferencias entre motor, propulsor y motopropulsor.
Motor: Unidad que transforma la energía química del combustible en energía
mecánica en forma de par motor.
Propulsor: Unidad que transforma la energía mecánica, proporcionada por el
motor, en energía cinética.
Motopropulsor: Dispositivo que transforma directamente la energía química del
combustible en energía cinética.
26. Diferencias entre difusor y tobera.
En el difusor aumenta la presión y disminuye la velocidad, en la tobera aumenta la
velocidad y disminuye la presión.
27. Partes principales de un turborreactor.
Difusor de entrada, cárter de entrada, compresor, difusor precámara, cámara de
combustión, turbina, tobera y cárter de accesorios.
28. ¿Por qué para la misma relación de compresión nominal es mayor el
número de escalones del compresor de un turbohélice que el de un
turborreactor?
Seguramente no caiga esta pregunta porque este año no ha dicho nada. Aún así
parece evidente que para una misma relación de compresión nominal si el número de
escalones es mayor es porque el trabajo por escalón es menor. El trabajo por escalón
disminuye con la velocidad de giro y probablemente la velocidad de giro de los
turbohélices sea menor que los turbohélice. Ya que saldría más rentable poner un
escalón más de compresor que un reductor más grande ya que los reductores son muy
pesados y tienen pérdidas mecánicas por rozamiento.
29. ¿Por qué se incrementa la temperatura del fluido motor antes de la
expansión?
Para elevar la entalpía estática que luego se transformará en energía cinética, que
será la que proporcione empuje.
106
Motores a reacción
Preguntas de examen
30. En la actualidad, ¿Cuál es la máxima relación de compresión que se ha
conseguido en motores alternativos y de reacción?
Relación volumétrica de compresión en los alternativos: 23:1 en diesel con una
elevación de presión de 80,6:1 si suponemos la compresión adiabática.
Relación de compresión en los de reacción: 50:1 en los civiles.
31. Diferencia entre un afterfan y un turbofan.
El afterfan lleva el fan en la parte posterior, es más ligero, presenta problemas de
termofluencia estructural, tiene menos potencia y es menos flexible.
32. ¿Cuál es la diferencia entre la combustión en un estatorreactor y un
pulsorreactor?
El pulsorreactor tiene unas válvulas que permiten que la combustión sea
discontinua a volumen constante, y en el estatorreactor como es un conducto abierto la
combustión se realiza continua a presión constante.
33. ¿Por qué se divide la turbina en varios escalones?
Si se expande en un solo escalón se originarían elevadas fuerzas centrífugas,
entonces lo que se hace es expandir de manera escalonada y suave y se evitaran esas
fuerzas centrífugas tan altas.
34. Ventajas e inconvenientes de la cámara de combustión tuboanular.
35. Pérdidas de presión en la cámara de combustión.
36. Estátor de pieza única, características y montaje.
37. Explicar partes del escape menos el cono.
38. Para que existe una zona de recirculación en la cámara de combustión.
39. Los esfuerzos que deben soportar los materiales de la cámara de
combustión.
40. Línea del surge, explicarla.
Motores a reacción
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Preguntas de examen
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Motores a reacción