78161674 Turbinas a Gas

MOTORES DE TURBINA DE GAS A. G. Rivas 15.1

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FUNDAMENTOS

Energa Potencial y Energa Cintica Energa es la capacidad para hacer trabajo. Trabajo, en el sentido mecnico de la palabra, es la realizacin de una operacin productiva por algunos medios mecnicos, y el trabajo se efecta cuando se aplica una fuerza a travs de una distancia. Cuando un trozo de materia se encuentra estacionario, a menudo tiene energa debida a su posicin en relacin con otros trozos de materia. Esto se llama energa potencial porque el trozo de materia tiene capacidad potencial para hacer trabajo. Si el trozo de materia se mueve, tiene energa cintica, o energa debida al movimiento. Las formas de energa son numerosas, tal como la energa qumica (la energa producida por una reaccin qumica), la energa calorfica (la energa producida por desprendimiento de calor), la energa elctrica (la energa disponible de la electricidad), la energa de presin (la energa de un gas bajo presin), y la energa mecnica (la energa ejercida por una mquina o un hombre). Todos los tipos de energa son capaces de hacer trabajo. En la prctica, la energa puede transformarse de una forma a otra, pero no todas las energas pueden recuperarse cuando la transformacin est hecha. Por ejemplo, cuando se usa la electricidad para girar un motor elctrico, una parte de la energa elctrica se cambiar en calor a causa de la friccin. Puesto que la energa calorfica as generada se perder en el aire, solamente la energa mecnica del eje del motor estar disponible para efectuar trabajo. Es por la transformacin del tipo de energa por lo que es posible la propulsin a chorro. Esencialmente esto se hace transformando la energa qumica del combustible en energa calorfica, y luego en energa mecnica para acelerar el aire a travs del motor. Es esta aceleracin la que principalmente es responsable de que el avin se mueva. Como se ha dicho, existen muchas formas de energa: qumica, mecnica, elctrica, calorfica, lumnica, y nuclear. Pero solamente hay dos clasificaciones bsicas en las cuales se ajustan todos los tipos de energas: la potencial y la cintica. A medida que el aire pasa a travs del motor de turbina de gas y se le aade o extrae energa, hay un cambio continuo entre sus energas potencial y cintica. La energa total del aire que pasa a travs del motor es siempre la suma de sus energas cinticas y potencial.

Leyes de Newton del Movimiento Muchas de las cosas que ocurren en un motor de turbina de gas pueden explicarse por medio de una o ms de las leyes del movimiento de Newton. PRIMERA LEY DE NEWTON Un cuerpo en reposo permanecer en este estado a menos que sea modificado por una fuerza exterior. Ejemplo: Una bola colocada en una mesa nivelada, permanecer esttica hasta que se le haga mover por una fuerza tal como una rfaga de viento o un empujn por la mano de una persona. Una segunda parte de la primera ley de Newton dice que un cuerpo en movimiento continuar movindose en lnea recta a una velocidad uniforme hasta que sea alterada por una fuerza exterior. Al funcionamiento del motor de reaccin no le concierne esta parte de la ley. SEGUNDA LEY DE NEWTON Un cambio en el movimiento es proporcional a la fuerza aplicada. Esto se puede decir de otra forma: Una fuerza proporcional a la relacin de cambio de la velocidad se produce cuando quiera que un cuerpo o masa se acelera. Matemticamente, la segunda ley de Newton puede explicarse por una ecuacin de esta manera:

F = M x a


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Ejemplo: Cuando una persona golpea un clavo con un martillo, la fuerza con la que el martillo golpea al clavo es proporcional a la masa (la cual es proporcional al peso) del martillo, multiplicada por la cantidad con que la persona acelera la cabeza del martillo, desde cero a la velocidad final. Sera difcil, por ejemplo, clavar una gran escarpia con un martillo para tachuelas, ya que la cabeza del martillo tiene muy poca masa. Similarmente, incluso con un gran martillo, sera una tarea larga y fastidiosa clavar una escarpia solamente con ligeros golpes porque la aceleracin aplicada a la cabeza del martillo es demasiado pequea. TERCERA LEY DE NEWTON Para cada accin, hay siempre una reaccin igual y contraria. Ejemplo: Cuando un caballo mueve una carreta o un vagn, el empuje de sus cascos debe sentirse sobre la carreta lo suficientemente como para que esta se mueva. Un globo de un nio se puede utilizar para ilustrar como las leyes de Newton facultan a un turborreactor (o cualquier otro tipo de motores de reaccin) para desarrollar empuje. Cuando el globo se infla con aire a la temperatura de la habitacin, y la boquilla se mantiene cerrada de forma que ningn aire pueda escapar, el globo permanecer sin movimiento sobre una mesa porque la presin del aire en el interior del globo acta sobre la pared del mismo igual en todas las direcciones. Ninguna fuerza se ejerce que haga al globo moverse.

Cuando la boquilla del globo se suelta, el aire escapa a travs de la misma abierta porque ya no hay una superficie para mantener el aire en el interior del globo. Adems, este cambio de una pequea seccin de la superficie del globo produce fuerzas desequilibradas sobre el mismo sacando la fuerza que presionaba sobre el rea que estaba cerrada por la boquilla. La fuerza aplicada al resto de la superficie del globo permanece como estaba antes. Consecuentemente, el

desequilibrio de presin resultante hace que el globo se mueva en la direccin opuesta a la boquilla. Es el desequilibrio de las fuerzas en el interior del globo (o motor de turbina de gas, cohete, pulsorreactor o estatorreactor) lo que le da a todos los motores de reaccin su nombre. Esta es la razn tambin porqu los motores de reaccin son

capaces de producir empuje sin apoyarse verdaderamente en el aire al exterior de sus toberas de salida. Ambas, la "accin" y la "reaccin" fuerzas descritas por Isaac Newton tienen lugar dentro del motor, motor cohete, u otros mecanismos de propulsin a chorro. Debe observarse que el globo se habra desplazado por la habitacin incluso si la habitacin hubiera sido una gran cmara de vaco. Los cohetes, por ejemplo, (los cuales llevan su propio combustible y oxidizador donde quiera que vayan) pueden funcionar en las zonas sin aire del espacio exterior.


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Ciclo de Brayton Un motor de turbina de gas libera la energa del combustible en un ciclo termodinmico llamado el ciclo de Brayton. Los mismos pasos admisin, compresin, expansin, potencia, y escape que tienen lugar en el ciclo de volumen constante de Otto usado para los motores alternativos, ocurren en un motor de turbina de gas. La diferencia bsica entre los dos ciclos es que en un motor de ciclo de Otto, los pasos ocurren en el mismo sitio, en el cilindro del motor, pero en diferentes tiempos. En el ciclo de Brayton, los pasos tienen lugar al mismo tiempo pero en distintos puntos dentro del motor.

1. El aire entra en el conducto de entrada y fluye hacia la entrada del compresor, punto A, a presin ambiente.

2. El aire pasa a travs del compresor, que eleva su presin y disminuye su volumen al representado por el punto B.

3. Luego, el aire pasa dentro de la cmara de

combustin donde el combustible se inyecta en l y se quema. La presin entre los puntos B y C permanece relativamente constante a medida que se aade energa calorfica, pero el volumen y la temperatura aumentan.

4. Los gases calientes dejan la cmara de

combustin y pasan a travs de la turbina donde se le extrae energa y la presin cae a casi el ambiente en el punto D.

Las presiones entre los puntos A y D son casi las mismas, pero en D el volumen y as la velocidad son mucho mayores. El aire se ha expandido a una presin relativamente constante.


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Relacin entre Fuerza, Trabajo, Potencia, Energa, Velocidad y Aceleracin Fuerza La fuerza es un vector cantidad (una cantidad que tiene direccin y magnitud) que hace que un objeto se acelere en la direccin de su aplicacin. En la prctica mecnica tal como el estudio de los motores de turbina de gas, la fuerza normalmente se expresa en libras o kilogramos. Trabajo Trabajo es la transferencia de energa hacia un cuerpo por la aplicacin de una fuerza que mueve al cuerpo en la direccin de la fuerza. Se mide como el producto de la fuerza en libras o kilogramos por la distancia en pies, pulgadas, metros o centmetros a travs de la cual el cuerpo se mueve, y se expresa en trminos de libras - pies, libras - pulgadas, kilogramos - metros etc.

Trabajo = Fuerza Espacio

Potencia La potencia es el rgimen al cual el trabajo se realiza. Es el nmero de libras-pies de trabajo realizado en un determinado espacio de tiempo. La potencia se expresa en unidades tal como libras-pies por minuto, libras pies por segundo, o kilogramos metros por minuto, kilogramos metros por hora etc.

Energa La energa se define como la capacidad para hacer trabajo. La energa que los cuerpos poseen puede clasificarse en dos categoras: potencial y cintica. La energa potencial puede deberse a la posicin, tal como el agua almacenada en un depsito elevado; la deformacin de un cuerpo elstico tal como un muelle comprimido; o una accin qumica, por ejemplo, del carbn. Ejemplo: Un avin que pesa 20.000 lbs (9.072 Kg) es mantenido a 5 ft (152 m) del suelo por medio de gatos. Cunta energa potencial posee este sistema? PE = WH = 20.000 x 5 = 100.000 ft lb ( 13.830 kg m) donde PE = energa potencial, ft lb W = peso del objeto, lb H = altura del objeto, ft La energa cintica es la energa del movimiento. Los gases impactando contra la rueda de turbina representan la energa cintica. Si la masa y la velocidad de un cuerpo se conocen, la energa cintica puede determinarse por la formula

donde W = peso, lb V = velocidad, ft/s g = aceleracin debida a la gravedad = 322 ft/s2 (981 m/s2) KE = energa cintica, ft lb

TiempoTrabajo Potencia =

2gWV KE

2

=


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Obsrvese que la energa cintica es directamente proporcional al peso y al cuadrado de la velocidad. Ejemplo: Un avin que pesa 6.440 lbs [2.924 Kg.] vuela a una velocidad de 205 mph (300 ft/s) [330 km./h (916 m/s)]. Calclese su energa cintica.

= 9.000.000 ft lb (1.244.700 kg m) de energa Velocidad (speed) Velocidad (speed) es una medida del rgimen de movimiento y normalmente se considera como la distancia recorrida dividida por el tiempo empleado en recorrerla. La velocidad (speed) no tiene en cuenta la direccin del desplazamiento y se expresa en millas por hora, pies por segundo, kilmetros por hora o metros por segundo.

Velocidad (velocity) Velocidad (velocity) es un vector cantidad cuya magnitud es la velocidad (speed) del objeto y cuya direccin es la direccin en la cual el objeto se mueve. El smbolo V se usa para representar la velocidad. Aceleracin La aceleracin de un cuerpo en movimiento se define como el rgimen de cambio de velocidad. La definicin no est basada en la distancia recorrida, sino en la prdida (desceleracin) o ganancia (aceleracin) de velocidad con el tiempo.

Adaptacin Estructural y Funcionamiento de Turborreactores, Turbofanes, Turboejes, Turbohlices. Un motor turborreactor es esencialmente una mquina diseada para el nico propsito de producir gases a alta velocidad en la tobera de salida. El motor se pone en marcha girando al

2gWV KE

2

=

2'322330440.6 2

=

tiempoespacio (speed) Velocidad =

tiempo de unidadvelocidad de variacin nAceleraci =

tiempoinicial velocidad - final velocidad=

tVV 12 =


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compresor con una unidad de puesta en marcha, y luego encendiendo la mezcla de aire y combustible en la cmara de combustin con uno o ms encendedores los cuales en cierto modo parecen bujas de automvil. Cuando el motor se ha puesto en marcha, y su compresor est girando a suficiente velocidad, la unidad de puesta en marcha y los encendedores se desconectan. El motor entonces funcionar sin ninguna posterior ayuda durante tanto tiempo como el combustible y el aire en las proporciones adecuadas continen entrando en la cmara de combustin. El secreto de porqu un turborreactor funciona como lo hace, reside en el compresor. Los gases originados por una mezcla de combustible y aire ardiendo bajo presin atmosfrica normal no se expansionan lo suficiente como para hacer un trabajo til. El aire bajo presin debe mezclarse con el combustible antes de que los gases producidos por la combustin puedan emplearse con xito para hacer a un motor turborreactor o de mbolo funcionar. Cuanto ms aire pueda comprimir un motor y utilizar, mayor es la potencia o empuje que puede desarrollar.

Encontrar una forma satisfactoria para realizar la difcil tarea de comprimir el aire, fue el mayor obstculo para los constructores durante los primeros aos de desarrollo del motor de reaccin. En Inglaterra, Frank Whittle solucion el problema utilizando un compresor centrfugo similar a esos que se emplean ahora en los alimentadores para aviones con motor de mbolo. Whittle proporcion la

potencia necesaria para girar al compresor montando una turbina de gas inmediatamente detrs de las cmaras de combustin del motor, aproximadamente de la misma manera que se hace hoy. La potencia necesaria para arrastrar al compresor en un motor turborreactor es increblemente alta. Rentables motores de turbina de gas se habran desarrollado antes si alguien hubiera sabido como construir una turbina para producir suficiente potencia como para girar al compresor y todava dejase suficiente energa en los gases de escape para generar una cantidad aprovechable de empuje hacia delante. Las primeras combinaciones de compresor y turbinas ocasionalmente conducan a motores de xito. Para indicar cuanta potencia se absorbe en el compresor de un turborreactor moderadamente grande, supongamos que tenemos un motor con aproximadamente 12:1 de relacin de compresin que produce 10.000 libras de empuje en despegue. En este motor, la turbina tiene que producir aproximadamente 35.000 HP al eje precisamente para arrastrar al compresor cuando el motor est funcionando a pleno empuje, y la turbina que hace esto, requiere menos espacio dentro del motor que el que normalmente se asigna a los motores de mbolo completos de relativamente baja potencia en la ordinaria familia del automvil; a grosso modo tres cuartos de la potencia generada dentro de un motor de reaccin se utilizan para arrastrar al compresor, solamente lo que sobra se utiliza para producir el empuje necesario para propulsar al avin. El Turborreactor Si un avin con motor de turbina de gas utiliza solamente el empuje desarrollado dentro del motor para producir su fuerza propulsora, este motor es un turborreactor. Un turborreactor obtiene su empuje dando una gran aceleracin a una pequea masa de aire, la cual pasa toda a travs del motor. Puesto que


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se requiere una alta velocidad del chorro de gases para obtener una cantidad de empuje aceptable, la turbina de un turborreactor est diseada para extraer de la corriente de gas caliente solo la suficiente potencia para arrastrar al compresor y los accesorios. Toda la fuerza propulsiva producida por un motor de reaccin se obtiene del desequilibrio de fuerzas dentro del propio motor Las caractersticas y usos del turborreactor son como sigue:

1. Empuje bajo a velocidades lentas 2. Consumo especfico de combustible (TSFC) relativamente alto a bajas altitudes y

velocidades, una desventaja que disminuye a medida que la velocidad y la altitud aumentan

3. Largas carreras de despegue 4. rea frontal reducida, resultando en una baja resistencia aerodinmica y problemas

de distancia al suelo reducidos 5. Baja relacin peso empuje (peso por libra de empuje producida) 6. Capacidad para obtener ventaja de las altas relaciones de presin de impacto

Estas caractersticas indican que el motor turborreactor es mejor para alta velocidad, gran altitud, y vuelos de largo alcance. El Turbofan El motor turbofan tiene un fan encerrado en un conducto montado en la parte frontal o posterior del motor arrastrado bien con velocidad reducida por medio de engranajes o a la misma velocidad que el compresor, o por medio de una turbina independiente localizada en la parte posterior de la turbina de arrastre del compresor. El aire de fan puede salir independientemente de la descarga de gases del primario (conducto corto), o puede ser conducido hasta atrs para mezclares en la parte posterior con la corriente primaria del motor (conducto largo). En algunos motores de conducto largo el flujo de aire primario y el secundario pueden mezclarse internamente y luego salir por una tobera comn, o las dos corrientes de gas pueden mantenerse separadas a todo lo largo del motor. Si el aire de fan es conducido hasta la parte posterior, la presin total del fan debe ser mayor que la presin esttica del gas en la descarga primaria del motor, o de lo contrario el aire no fluir. Del mismo modo, la presin esttica de descarga del fan debe ser menor que la presin total en la descarga primaria del motor, o la turbina no ser capaz de extraer la energa requerida para arrastrar al compresor y al fan. Cerrando el rea de flujo del conducto de fan, puede reducirse la presin esttica y aumentarse la presin dinmica.

El rendimiento del motor de fan se aumenta por encima del reactor puro por medio de la conversin de la energa del combustible en energa de presin mas que por la energa cintica (dinmica) de un chorro de gases de escape a alta velocidad. Como se ver en la formula del empuje, la presin multiplicada por el rea es igual a una fuerza. El fan produce esta fuerza adicional o empuje sin aumentar el flujo de combustible. las velocidades y

presiones de descarga del gas primario del motor son bajas debido a las etapas de turbina extras necesarias para arrastrar el fan, y como resultado el motor turbofan es mucho ms silencioso. Por diseo la velocidad del aire relativa a los labes de fan no est afectada por la velocidad del avin. Este diseo elimina la prdida en rendimiento operacional a altas velocidades La primera generacin de diseos del turbofan, tal como la serie de motor Pratt & Whitney JT3D, tena una relacin de paso de aproximadamente 1:1; es decir, alrededor del 50 por


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ciento del aire iba a travs del ncleo motor como flujo de aire primario, y aproximadamente el 50 por ciento iba a travs del fan como flujo de aire secundario. La segunda generacin de turbofanes como el General Electric CF6, el Pratt & Whitney JT9D, y el Rolls- Royce RB211 tienen relaciones de paso del orden de 5:1 o 6:1. De esta forma el fan proporciona un mayor porcentaje del empuje total producido por el motor. En trminos de flujo de aire real, la Tabla 1 muestra el flujo de aire del fan o corriente fra, y el flujo de aire del ncleo motor o corriente caliente para un motor con un flujo de aire total de 1000 lb/s a diferentes relaciones de paso. Otros motores con distintos flujos de aire tendrn distintos flujos de aire de fan y de ncleo motor para relaciones de paso similares. Por ejemplo, para un motor con un flujo de aire de 500 lb/s, divdase cada flujo de aire de fan y ncleo motor por dos para una determinada relacin de paso. El inters por el uso y desarrollo del motor turbofan en los aos recientes se debe principalmente al desarrollo del labe transnico. El fan de gran dimetro requera unas r.p.m. ms bajas para mantener la punta de los labes por debajo de la velocidad del sonido, un desarrollo que no conducira al buen diseo de la turbina de gas. Los motores de fan muestran una superioridad definida sobre los reactores puros a velocidades por debajo del Mach 1, la velocidad de los aviones comerciales actuales. El rea frontal aumentada del fan presenta un problema para los aviones de alta velocidad, los cuales, por supuesto, requieren reas frontales pequeas. A altas velocidades, el fan aumenta la resistencia aerodinmica mas de lo que compensa el mayor empuje neto producido. La desventaja del fan para los aviones de alta velocidad puede compensarse por lo menos parcialmente quemando combustible en el aire de descarga del fan. Este proceso expande el gas, y, con idea de mantener el aire de descarga de fan a la misma presin, se aumenta el rea de la tobera de descarga del fan. Esta accin da como resultado un empuje bruto aumentado debido a un aumento en presin multiplicado por un rea, y un consumo de combustible aumentado. Los motores turbofanes de muy bajas relaciones de paso (menos de uno) se estn usando en algunos aviones de combate capaces de velocidades supersnicas. El turbofan combina el buen rendimiento operacional y la gran capacidad de empuje de un turbohlice con la gran velocidad y gran capacidad de altura de un turborreactor. La complejidad y peso de los engranajes de reduccin de la hlice y el intrincado sistema de mando de la hlice de un turbohlice estn completamente eliminados en un turbofan. Un turbofan, sin embargo, no solo es ms ligero que un turbohlice sino que adems nunca puede ser importunado por cualquiera de las averas a las que una hlice y sus componentes asociados son algunas veces susceptibles. Una diferencia fundamental entre un turbofan y un turbohlice es que el flujo de aire a travs del fan se controla por el diseo del conducto de entrada de aire al motor de tal manera que la velocidad del aire a travs de los labes de fan no se ve muy afectada por la velocidad del avin. Esto quiere decir que la prdida en rendimiento propulsivo debido a la velocidad que se convierte en un factor lmite a velocidades por encima de los 400 nudos para el avin turbohlice, no es un problema considerable para el avin turbofan. Los motores turbofanes con posquemadores se utilizan hoy da para propulsar aviones supersnicos que obtienen velocidades por encima de Mach 2.0. Cuando se compara con un turborreactor de igual empuje, el turbofan tiene la ventaja de un nivel de ruido ms bajo para la salida del motor, lo que es un factor importante en todos los aeropuertos comerciales. El nivel de ruido ms bajo ocurre porque el motor turbofan tiene por lo menos un escaln de turbina adicional para arrastrar al fan. La extraccin de ms potencia de los gases de escape del motor a medida que pasan por la turbina adicional (o turbinas), sirve para reducir la velocidad a travs de la tobera dando como resultado menos ruido.


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Por esta y otras razones (una de las cuales es que el consumo de combustible es menor), el moderno turbofan ha tomado completamente posesin como casi el ms idneo y ampliamente utilizado sistema motopropulsor para todos los grandes aviones convencionales, militares y comerciales. El turbohlice La propulsin en un motor turbohlice se realiza por medio de la conversin de la mayor parte de la energa del gas en potencia mecnica para arrastrar al compresor, accesorios, y la carga de la hlice. Solo una pequea cantidad del empuje del chorro (aproximadamente el 10%) est disponible en la corriente de gas de relativamente baja presin y baja velocidad creada por las etapas de turbina adicionales necesarias para arrastrar la carga extra de la hlice. Las caractersticas y usos del turbohlice son como sigue: 1. Alto rendimiento propulsivo a bajas velocidades, lo que resulta en carreras de despegue

ms cortas, pero decae rpidamente a medida que la velocidad aumenta. El motor es capaz de desarrollar alto empuje a bajas velocidades debido a que la hlice puede acelerar grandes cantidades de aire con el avin esttico.

2. Tiene un diseo ms complicado y es mas pesado que un turborreactor. 3. El consumo especfico de combustible (TSFC) es el mas bajo. 4. Gran rea frontal para la combinacin hlice motor, por lo que necesita trenes de aterrizaje

ms altos para los aviones de ala baja, pero esto no aumenta necesariamente la resistencia aerodinmica parasitaria.

5. Tiene posibilidad de inversin de empuje eficaz.

Estas caractersticas muestran que los motores turbohlices son ideales para levantar cargas pesadas en pistas de longitudes cortas y medias. En la actualidad los turbohlices estn limitados en velocidad hasta aproximadamente 500

mph (805 km/h), ya que el rendimiento de la hlice cae rpidamente con el aumento de las velocidades debido a la formacin de ondas de choque. No obstante, los investigadores en Hamilton Standard, divisin de United Technologies Corporation y otros estn intentando superar o abarcar esta limitacin experimentando con hlices multipalas de dimetro pequeo y cuerda ancha, que dicen ser ms rentables que el turbofan de gran relacin de paso, con un 20 por ciento de reduccin en el consumo especfico de combustible por libra de empuje. Las palas de aluminio lo suficientemente grandes y con la forma correcta para dar bastante empuje y absorber la alta potencia del motor tambin son demasiado pesadas y flexibles para resistir las cargas centrfugas y de torsin. Las nuevas palas del propfan estn hechas de viga de aluminio curvada y ahusada unida a una estructura laminar de fibra de vidrio con forma de perfil aerodinmico rellenas con un material de espuma plstico. Esta construccin compuesta produce una pala ms rgida con la mitad del peso de una pala de aluminio convencional


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comparable. La ventaja obvia es que el buje de la hlice y el mecanismo de cambio de paso localizado en el interior pueden ser ms ligeros y la pala mantendr mas estrechamente su correcta posicin aerodinmica. El turboeje Un motor de turbina de gas que entrega potencia a un eje el cual puede arrastrar algo se le conoce como un motor turboeje. La gran diferencia entre un turborreactor y un motor turboeje es que en un motor turboeje, la mayor parte de la energa producida por los gases en expansin se usa para arrastrar la turbina mas que para producir empuje. Muchos helicpteros

usan un tipo de turboeje de motor de turbina de gas. Adems, los motores turboejes se usan ampliamente como unidades de potencia auxiliar (APU) y en aplicaciones industriales a travs de un sistema de engranajes de reduccin para arrastrar generadores elctricos y sistemas de transporte de superficie. La potencia de salida de un motor turbohlice o turboeje se mide en caballos de potencia al eje (shaft horsepower). Los motores turboejes son similares a los motores turbohlices, y en algunos casos, ambos usan el mismo diseo. La potencia puede tomarse directamente de la turbina del motor, o el eje puede arrastrarse por su propia turbina libre, como la turbina libre en los motores turbohlices.


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ACTUACIONES DE MOTORES

Empuje Total El empuje total es el empuje desarrollado en la tobera de salida del motor. Este incluye ambos, el empuje generado por la cantidad de movimiento de los gases de escape y el empuje adicional resultante de la diferencia entre la presin esttica en la tobera y la presin ambiente. El empuje total no toma en consideracin las cantidades de movimiento del aire que entra y del combustible. Se considera cero la cantidad de movimiento entrante, lo cual es cierto solamente cuando el motor est esttico. Sin considerar el flujo de combustible, la ecuacin para el empuje total es: Wa Fgross= ( V2 ) + Aj ( Pj - Pam ) g Donde: Fgross = Empuje total Wa = Peso del aire que entra al motor g = Aceleracin de la gravedad V2 = Velocidad de los gases en la tobera de escape Aj = rea de descarga de la tobera de escape Pj = Presin de descarga de los gases en la tobera de escape Pam = Presin ambiente Cuando avin y motor estn estticos, como cuando el avin est parado y el motor rodando, o cuando el motor est rodando antes del despegue en la cabecera de pista, el empuje neto y el empuje total son iguales. Lo mismo es cierto cuando se opera un motor en un banco de pruebas. Cuando se trata el trmino "empuje" de una turbina de gas, normalmente se refiere al empuje neto, a menos que se diga lo contrario. Ejemplo: Determnese la cantidad de empuje total producido en un da estndar por un avin propulsado por un turborreactor, el cual se encuentra en reposo en cabecera de pista con su motor ajustado a potencia de despegue si el flujo de aire que pasa a travs del motor es de 96 libras por segundo y produce una velocidad de gases en el escape de 1.460 pies por segundo con una presin de descarga de gases en la tobera de 393 psi, siendo el rea de la tobera de escape de 2 pies cuadrados.

Empuje Neto El empuje neto producido por un motor turborreactor o turbofan est determinado por tres

cosas.

1. La variacin en la cantidad de movimiento experimentada por el flujo de aire a travs del motor.

( ) lbs.5521120745659214603296Fgross =+=


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2. La cantidad de movimiento del combustible. 3. La fuerza originada por la diferencia de presin a travs de la tobera de escape

multiplicada por el rea de la tobera. En consecuencia, la ecuacin del empuje neto debe escribirse como sigue:

Donde: Fn = Empuje neto Wa = Peso del aire que entra al motor g = Aceleracin de la gravedad V2 = Velocidad de los gases en la tobera de escape V1 = Velocidad del aire a la entrada del motor Wf = Peso del combustible Vf = Velocidad del combustible Aj = rea de descarga de la tobera de escape Pj = Presin de descarga de los gases en la tobera de escape Pam = Presin ambiente El combustible va en el avin, por lo tanto no tiene velocidad inicial relativa al motor. En la practica real, el flujo de combustible normalmente se desprecia cuando se calcula el empuje neto, porque el peso del aire que se pierde por las distintas secciones del motor se calcula que es aproximadamente equivalente al peso del combustible consumido. Ejemplo: Determnese la cantidad de empuje neto producido en un da estndar por un avin propulsado por un turborreactor, el cual se encuentra en vuelo a una velocidad de 310 mph si el flujo de aire que pasa a travs del motor es de 96 libras por segundo y produce una velocidad de gases en el escape de 1.460 pies por segundo con una presin de descarga de gases en la tobera de 393 psi, siendo el rea de la tobera de escape de 2 pies cuadrados.

Toberas Estranguladas Muchas toberas de escape subsnicas funcionan en condicin de estranguladas. Esto significa que el aire que fluye a travs de la seccin convergente del conducto de escape alcanza la velocidad del sonido y ya no puede acelerar ms. La energa que habra originado la aceleracin ahora aumenta la presin y crea un componente del empuje por la diferencia entre la presin del escape y la presin del aire que rodea la tobera de escape.

( ) ( ) ( )amjjff1 2a PPAVgWVVgWF ++=n

( ) ( ) lbs1700120745659246014603296Fn .=+=


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Este componente del empuje puede hallarse por medio de esta frmula:

F = Aj ( P2 Pam ) Donde:

Aj = rea de la tobera de escape en pulgadas cuadradas P2 = Presin esttica del aire en la descarga de la tobera de escape en libras por

pulgada cuadrada Pam = Presin esttica del aire ambiente en la tobera de escape en libras por pulgada

cuadrada

Este empuje adicional est presente por la misma razn que haba una fuerza que mova al globo. Esto, se recordar, ocurra porque haba un desequilibrio de presin en el interior del globo despus de que la boquilla se soltaba. El desequilibrio entre la presin esttica en la tobera de un motor de reaccin y la presin ambiente resulta en el mismo efecto. En el caso del reactor, como en el del globo, la presin esttica corriente arriba (en la direccin del movimiento del motor de reaccin y del globo) es mayor que la presin esttica corriente abajo, la cual se suma a la fuerza que empuja conocida como empuje. Verdaderamente la manera en la que la fuerza adicional o empuje se genera en la tobera de ambos, el motor de reaccin y el globo, es ms complicado que esto. La explicacin se ha simplificado de forma que el principio bsico pueda comprenderse ms fcilmente.

Distribucin del Empuje El empuje neto en un motor est constituido de varios componentes, como se puede ver en la figura. Cuando se aade cantidad de movimiento a la masa de aire que fluye a travs del motor, el empuje es hacia delante (+), y cuando se pierde cantidad de movimiento, el empuje es hacia atrs (-).

El aire que fluye dentro del motor a travs del conducto de entrada no produce empuje de ningn tipo, pero a medida que el aire es comprimido, su cantidad de movimiento aumenta por la energa extrada de la turbina, y se produce un empuje hacia delante. Segn pasa el aire por la seccin de combustin, se aade energa por la

combustin del combustible y se suma otro incremento de empuje hacia delante. Cuando el aire caliente deja la seccin de combustin, fluye a travs de la turbina donde se le extrae bastante de su energa para girar al compresor. Esto resulta en un empuje hacia atrs. A


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medida que los gases de escape se expanden a travs del conducto de escape convergente, se produce ms empuje hacia atrs. Cuando todos los componentes de empuje hacia atrs se restan de los componentes de empuje hacia delante, el empuje resultante es el empuje disponible para la propulsin.

Resultante de Empuje El empuje neto de un motor es el resultado de los cambios de presin y cantidad de movimiento dentro del motor. Algunos de estos cambios producen fuerzas hacia delante, mientras otros producen fuerzas hacia atrs. Cuando quiera que hay un incremento de la energa calorfica total por la combustin del combustible, o en la energa de presin total por la compresin, o por un cambio de energa cintica a energa de presin, como en el difusor, se producen fuerzas hacia delante. Inversamente, fuerzas hacia atrs o prdidas de empuje resultan cuando la energa calorfica o de presin disminuye o es convertida en energa cintica, como en la tobera. El empuje neto nominal de cualquier motor se determina por cuanto exceden las fuerzas de empuje hacia delante a las fuerzas de empuje hacia atrs.

Si las reas, las presiones que actan sobre estas reas, las velocidades, y flujos de masa se conocen en cualquier punto del motor, las fuerzas que actan en ese punto pueden calcularse. Para cualquier punto en el motor, la fuerza sera la suma de:

o masa x aceleracin = Ma

mas

o presin x rea

Entonces la formula completa se leera

Usando los siguientes valores para un motor esttico: Peso del aire = 160 lb/s Velocidad de entrada = 0 ft/s Velocidad de los gases de escape = 2000 ft/s rea de la tobera de escape = 330 pulgadas cuadradas

( )12nF VVgWa =

( )amjj PPA =nF

PAMF an +=


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Presin en la tobera de escape = 6 psi Presin ambiente = 0 psi Aceleracin de la gravedad = 32 ft/s2 El empuje de este motor sin considerar el flujo de combustible y las prdidas ser,

= 11.980 lb Las distintas cargas hacia delante y hacia atrs del motor se determinan usando la presin por el rea (PA) mas la masa por la aceleracin (Ma) en los puntos dados dentro del motor. Descarga del Compresor Flujo de aire = 160 lbs/s Velocidad = 400 ft/s Presin = 95 psi rea = 180 pulgadas cuadradas Nota: La presin y la velocidad en la cara del compresor son cero. Para calcular las fuerzas que actan sobre el compresor, solo es necesario considerar las condiciones en la descarga.

Descarga del Difusor Flujo de aire = 160 lbs/s Velocidad = 350 ft/s Presin = 100 psi Area = 200 pulgadas cuadradas Nota: Puesto que la condicin a la entrada del difusor es la misma que a la salida del compresor, es decir 19.100 lbs, este valor tiene que restarse del valor de empuje hallado para la descarga del difusor.

( ) ( )amj12n PPF += ja AVVgW

( ) ( )063300200032

160 +=

( ) ( )delante hacia empuje de lbs 19.100

1809540032

160

PA Ma F compn,

=+=

+=


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Descarga de la Cmara de Combustin Flujo de aire = 160 lbs/s Velocidad = 1.250 ft/s Presin = 95 psi Area = 500 pulgadas cuadradas Nota: La condicin a la entrada de la cmara de combustin es la misma que a la salida del difusor, es decir, 21.750 lbs, por lo tanto

Descarga de la Turbina Flujo de aire = 160 lbs/s Velocidad = 700 ft/s Presin = 20 psi Area = 550 pulgadas cuadradas Nota: La condicin a la entrada de la turbina es la misma que a la descarga de la cmara de combustin, es decir, 53.750 lbs, por lo tanto

Descarga del Conducto de Escape Flujo de aire = 160 lbs/s

( ) ( )

delante hacia empuje de lbs 2.650 19.100-21.750

1001920010035032

160

19.100-PAMaF difn,

==

+=+=

.

( ) ( )

delantel hacia empuje de lbs 32.000 21.750-53.750

7502150095125032

160

21.750-PAMaF cam n

==

+=+=

.

( ) ( )

atrs hacia empuje de lbs -39.250 53.750-14.500

750535502070032

160

53.750-PAMa F turbinan,

==

+=+=

.


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Velocidad = 650 ft/s Presin = 25 psi Area = 600 pulgadas cuadradas Nota: La condicin a la entrada del conducto de escape es la misma que a la salida de la turbina, es decir, 14.500 lbs, por lo tanto

Descarga en la Tobera de Escape Flujo de aire = 160 lbs/s Velocidad = 2.000ft/s Presin = 6 psi Area = 330 pulgadas cuadradas Nota: La condicin a la entrada de la tobera de escape es la misma que a la salida del conducto de escape, es decir, 18.250 lbs, por lo tanto

La suma de los empujes hacia delante y hacia atrs es: Hacia delante Hacia atrs Compresor = 19.100 Difusor = 2.650 Cmara de comb. = 32.000 Turbina = - 39.250 Conducto de escape = 3.750 Tobera de escape = - 6.270 57.500 -45.520 -45.520 11.980

( ) ( )

delante hacia empuje de 3.750lbs 14500-18.250

500146002565032

160

14.500-PAMaF cond.esca.n,

==

+=+=

.

( ) ( )atrs hacia empuje de lbs -6.270

250183306000232

160

18.250-PAMaF toberan,

=+=

+=..


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El empuje calculado para el motor completo es igual a 11.980 lbs. El empuje calculado para las secciones individuales del motor es igual a 11.980 lbs. Equipando al motor con un posquemador tendremos dos grandes efectos sobre las condiciones operativas del motor. Flujo de aire = 160 lbs/s (sin considerar el flujo de combustible) Velocidad = 2.500ft/s Presin = 6 psi Area = 450 pulgadas cuadradas

La cantidad de empuje hacia atrs para el motor sin posquemador es 6.270 lbs, y para el motor con posquemador es 3.050 lbs, una diferencia de 3.220 lbs. Si 3.220 lbs se aaden al empuje del motor sin posquemador, el empuje total ser

El empuje para todo el motor bajo condiciones de poscombustin ser

Empuje en Caballos de Potencia El empuje y los caballos de potencia no se pueden comparar directamente porque, por definicin, potencia es una fuerza aplicada a travs de una distancia en un determinado periodo de tiempo. Toda la potencia producida por un motor de reaccin se consume internamente en girar al compresor y arrastrar los distintos accesorios del motor. Por lo tanto, el motor de reaccin no desarrolla ningn caballo de potencia en el sentido normalmente aceptado, pero suministra solo uno de los trminos en la frmula del caballo de potencia. El otro trmino es proporcionado verdaderamente por el vehculo en el cual el motor est instalado. Para determinar el empuje por caballo de potencia del motor de reaccin, debe usarse la siguiente formula:

Esta formula puede simplificarse a

atrs hacia empuje de lbs -3.050 18.250-15.200

18.250-450)(6(2.500) 32

160

18.250-PAMaF toberan,

==

+=+=

lbs... 20015220398011 =+

lbs 15.250

064500500232

160

WF 12an

=+=

+=

)().(

)PP(A)VV(g

amjj

( )( ) ( ) ( )550

ft/s avin del velocidadPPAVV/gWthp amjj12a +=


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o

Puesto que la velocidad del avin con frecuencia se da en millas por hora, puede ser deseable calcular el empuje por caballo de potencia usando millas libras por hora. En tal caso

El denominador en estas formulas se consigue de la siguiente manera.

Si un avin est volando a una velocidad de 375 mph y desarrollando 4000 lbs de empuje, las libras de empuje por cada caballo de potencia sern:

De aqu puede deducirse que a 375 mph cada libra de empuje se convertir en un caballo de potencia, y que para cada velocidad del avin habr una diferente thp. A 750 mph este motor de reaccin de 4.000 lbs de empuje producir 8.000 thp.

550(ft/s) avin del velocidadneto empujethp =

550VF thp n=

375(mph) avin del velocidadneto empujethp =

hp 1 (mi)(lb)/h 375

(mi)(lb)/h 375 (ft/min) 2805

(ft)(lb)/h 1.980.000

(ft)(lb)/h 1.980.000 60 in(ft)(lb)/m 33.000

in(ft)(lb)/m 33.000 60 (lb)/s (ft) 550

(ft)(lb)/s 550 hp1

=

=

=

=

=

.

4.000

375375 4.000 thp

mph en avin del velocidad V lbs en neto empuje F donde

375VF thp

p

n

pn

=

=

==

=


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Potencia Equivalente en el Eje Los motores turbohlices estn clasificados en sus equivalentes de caballos de potencia al eje (ESHP). Esta clasificacin toma en cuenta los caballos de potencia entregados a la hlice y el empuje desarrollado en el escape del motor. Bajo condiciones estticas, un caballo de potencia al eje es igual a aproximadame 2`5 libras de empuje. La frmula para el ESHP es:

En vuelo, el ESHP considera el empuje producido por la hlice, que se halla multiplicando el empuje neto en libras por la velocidad del avin en millas por hora. Esto se divide por 375 multiplicado por el rendimiento de la hlice, que se considera del 80%

V = velocidad del avin (airspeed) en millas por hora 375 = una constante; libras-millas por hora por caballo de potencia = rendimiento de la hlice; normalizacin industrial del 80% Ejemplo: Halle el equivalente de caballo de potencia al eje producido por un avin turbohlice que tiene estas especificaciones: Velocidad = 260mph Caballos de potencia al eje indicados en el indicador de cabina = 525 SHP Empuje neto = 195 libras

Bajo estas condiciones de vuelo, el motor est produciendo 694 ESHP.

empuje de libras 2'5 hp 1 esttico. empuje el con potencia de caballo el relaciona que Constante 2'5 libras en neto Empuje F

tacmetro y otorqumetr el por osdeterminad Eje al Potencia de Caballos SHP Eje al Potencia de Caballo de eEquivalent ESHP

2'5F SHP (esttico) ESHP

n

n

=====

+=

+=

375V F SHP (vuelo) ESHP n

694

169 525

0'8375260195 525

375VF SHP (vuelo) ESHP n

=

+=

+=

+=


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Consumo Especfico de Combustible Consumo Especfico de Combustible por Libra de Empuje. Para hacer una comparacin exacta del consumo de combustible entre motores, el consumo de combustible se reduce a un denominador comn aplicable a todos los tipos y tamaos de turborreactores y turbofanes. El trmino es consumo especfico de combustible por libra de empuje, o TSFC. Esto es el consumo de combustible de un motor en libras por hora dividido por el empuje neto. El resultado es la cantidad de combustible necesaria para producir una libra de empuje. La unidad de TSFC es libras por hora por libra de empuje ( lb/hr/lb Fn ). PARA TURBORREACTORES Y TURBOFANES

Donde: TSFC = Consumo Especfico de Combustible por libra de empuje.

Wf = Flujo de combustible en lbs. por hora.

Fn = Empuje neto en libras. Cuando es obvio que se refiere a un motor turborreactor o turbofan, al TSFC se le llama con frecuencia simplemente consumo especfico de combustible o SFC. Consumo Especfico de Combustible Equivalente. Indudablemente, los turbohlices no pueden compararse en base al consumo especfico de combustible por libra de empuje (TSFC). Por lo tanto, en su lugar se utiliza el consumo especfico de combustible equivalente o ESFC. Esto es la cantidad de flujo de combustible en libras por hora dividida por la potencia equivalente en el eje de un turbohlice (ESHP). PARA TURBOHLICES:

Donde: ESFC = Consumo Especfico de Combustible Equivalente

Wf = Flujo de combustible en lbs. por hora.

ESHP = Potencia Equivalente en el Eje del Turbohlice

Indice de Derivacin y Relacin de Presin del Motor Indice de derivacin (By-pass ratio) El aire de entrada que pasa a travs de un motor turbofan normalmente se divide en dos corrientes de aire independientes. Una corriente pasa a travs del ncleo motor mientras que la otra corriente coaxialmente rodea al ncleo motor. Es esta corriente de aire que rodea al ncleo motor la que es responsable del trmino motor by-pass. Cuando se trata a los motores by-pass hay tres trminos con los que se debe estar familiarizado; estos son la relacin de empuje (thrust ratio), la relacin de paso (by-pass ratio), y la relacin de presin del fan (fan pressure ratio). La relacin de empuje de un motor turbofan es una comparacin del empuje producido por el fan y el empuje producido por el escape del ncleo motor. Por otra parte, la relacin de paso de un motor turbofan se refiere a la relacin del aire que entra y rodea al ncleo motor y la

n

f

FW TSFC =

ESHPW ESFC f=


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cantidad de aire que pasa a travs del ncleo motor. Los turbofanes en los aviones civiles generalmente se dividen en tres clasificaciones basadas en la relacin de paso: 1. Baja relacin de paso (1 : 1) 2. Media relacin de paso (2 : 1 o 3 : 1) 3. Alta relacin de paso (4 : 1 o mayor) Normalmente, la masa del flujo de aire en la seccin del fan de un motor de baja relacin de paso es la misma que la masa del flujo de aire en el compresor. La descarga del fan podra ser ligeramente ms alta o ms baja dependiendo del modelo de motor, pero las relaciones de paso son aproximadamente 1 : 1. En algunos motores el aire de derivacin es conducido directamente al exterior a travs de un conducto de fan corto. Sin embargo, existen motores turbofanes en los que el aire de derivacin es conducido a lo largo de toda la longitud del motor. Los conductos de fan largos reducen la resistencia aerodinmica y la emisin de ruidos. En cualquier caso, el extremo del conducto tiene normalmente una tobera de descarga convergente que aumenta la velocidad y produce empuje reactivo. Los motores de relacin de paso media o intermedia tienen relaciones de paso que van desde 2 : 1 a 3 : 1. Estos motores tienen relaciones de empuje similares a sus relaciones de paso. Los fanes usados en estos motores tienen un dimetro mayor que los fanes usados en los motores de baja relacin de paso de potencia comparable. El dimetro del fan determina la relacin de paso y la relacin de empuje. Los motores turbofanes de gran relacin de paso tienen relaciones de paso de 4 : 1 o mayores y usan dimetros de fan mayores que cualquier otro tipo de motor turbofan. Los motores de gran relacin de paso ofrecen rendimientos propulsivos ms altos y mejor economa del combustible que los de baja o media relacin de paso. Son los motores que propulsan a los grandes aviones comerciales usados para vuelos de gran radio de accin. Algunos de estos motores de gran relacin de paso son el Pratt & Whittney JT9D y PW4000, el Rolls-Royce RB-211, y el General Electric CF6. Una versin del JT9D tiene una relacin de paso de 5 : 1 con el 80 % del empuje proporcionado por el fan, y solo el 20 % por el ncleo motor. Otro trmino con el que hay que familiarizarse es con la relacin de presin del fan fan pressure ratio que es la relacin de la presin del aire de la descarga del fan y la presin del aire que entra en el fan. La relacin de presin del fan en un tpico fan de baja relacin de paso es aproximadamente 15 : 1, mientras que para algunos fanes de alta relacin de paso la relacin de presin del fan puede ser tan alta como 7 : 1. Para obtener altas relaciones de presin del fan, la mayora de los motores de gran relacin de paso se disean con labes de fan de alto aspect ratio. El aspect ratio es la relacin entre la longitud del labe y su ancho, o cuerda. Por lo tanto, un labe largo con una cuerda estrecha tiene un aspect ratio ms alto que un labe corto con una cuerda ancha. Aunque los labes de fan que se usan con ms frecuencia son los de alto aspect ratio, los labes de bajo aspect ratio se estn usando ampliamente hoy da. Los avances tecnolgicos en la construccin de labes han superado los problemas de peso asociados con los labes de bajo aspect ratio en el pasado. Los ahorros de peso en los labes de bajo aspect ratio se han conseguido con labes huecos de titanio que interiormente tienen materiales compuestos de refuerzo. Adicionalmente, los labes de bajo aspect ratio son deseables debido a su resistencia al dao originado por objetos extraos, especialmente impactos de aves. Relacin de Presin del Motor (EPR) Los primeros motores de turbina de gas normalmente usaban las rpm como el nico parmetro de operacin del motor para establecer el empuje, mientras muchos motores de hoy da usan el EPR (engine pressure ratio) como el primer indicador del empuje. En un da clido, las rpm del compresor para un empuje dado sern ms altas que en un da fro. Adems, un compresor sucio o daado reducir el empuje para unas rpm dadas. El EPR se usa porque vara directamente con el empuje. Es la relacin de la presin total a la entrada del compresor y la presin total en la parte posterior de la turbina. La temperatura de los gases de escape nunca se usa para ajustar el empuje, aunque debe controlarse para ver que los lmites de temperatura


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no se exceden. El uso del EPR como el indicador del empuje significa que en un da clido es bastante posible que el motor exceda el 100 % de rpm, y en un da fro, los regmenes de empuje deseados pueden alcanzarse a algo menos del 100 % de rpm. Generalmente, el empuje se consigue ajustando el mando de gases para obtener una predeterminada lectura de EPR sobre el instrumento del avin. El valor del EPR para unos ajustes de empuje dados variar con la temperatura y presin ambiente.

Presin, Temperatura y Velocidad del Flujo de gas

Durante el ciclo de funcionamiento del motor de turbina, el flujo de aire recibe y cede calor, produciendo de esta manera cambios en su presin, volumen y temperatura.


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Existen tres condiciones principales en el ciclo de funcionamiento del motor durante las cuales ocurren estos cambios. Durante la compresin, cuando se efecta trabajo sobre el aire; este aumenta la presin y la temperatura y disminuye el volumen de aire. Durante la combustin, cuando se aade combustible al aire y se prende; este aumenta la temperatura y el volumen del aire, mientras que la presin permanece casi constante, puesto que el motor opera en un ciclo de presin constante. Durante la expansin, cuando se extrae trabajo de la corriente de gas por medio del conjunto de turbina para arrastrar al compresor; esto disminuye la temperatura y la presin, mientras que el volumen aumenta.


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Durante el paso del aire a travs del motor, los requisitos aerodinmicos y de energa exigen cambios en su velocidad y presin. Por ejemplo, durante la compresin, se requiere una elevacin en la presin del aire y no un aumento en su velocidad. Despus que el aire se ha calentado y aumentado su energa interna por medio de la combustin, es necesario un aumento en la velocidad de los gases para hacer girar a la turbina. En la tobera propulsora se requiere una alta velocidad de salida, pues es el cambio en la cantidad de movimiento del aire lo que proporciona el empuje sobre el avin. Tambin se requiere desaceleraciones locales del flujo de aire, como por ejemplo en las cmaras de combustin para proporcionar una zona de baja velocidad para que la llama arda. Estos diferentes cambios se efectan por medio del tamao y forma de los pasos a travs de los cuales el aire fluye en su camino a travs del motor. Donde se requiere una transformacin de energa de velocidad (cintica) a presin, los pasos son de forma divergente. Contrariamente, donde se requiere convertir la energa almacenada en los gases de la combustin en energa de velocidad, se usa un paso convergente o tobera. Estas formas se aplican al motor de turbina de gas donde la velocidad del flujo de aire es subsnica o snica, es decir a la velocidad local del sonido. Donde nos encontramos con velocidades supersnicas, tal como en la tobera propulsora del cohete y algunos tipos de motores de reaccin, se usa una tobera convergente divergente para obtener la mxima conversin de la energa de los gases de la combustin en energa cintica. El diseo de los pasos y toberas es de gran importancia, pues de su buen diseo depender el rendimiento con el que se efecten los cambios de energa. Cualquier interferencia con el suave flujo de aire crea una prdida de rendimiento y podra resultar en el fallo de un componente debido a la vibracin originada por la inestabilidad o turbulencia del flujo de aire. Cambios en la presin El aire normalmente entra en la parte frontal del compresor a una presin que es menor que la presin ambiente, indicando que existe una considerable succin a la entrada del motor. Esta, digamos, presin negativa a la entrada del motor puede parcial o completamente superarse por la presin de impacto (ram pressure) a medida que el avin incrementa su velocidad. Desde este punto en adelante, hay una considerable elevacin de la presin total a travs de las sucesivas etapas de compresin, con el ndice de elevacin aumentando en las ltimas etapas de compresin. En la seccin divergente del difusor tiene lugar una elevacin final de la presin esttica. Desde el difusor, el aire pasa a travs de la seccin de combustin donde experimenta una ligera prdida de presin. La presin de la cmara de combustin debe ser ms baja que la presin de descarga del compresor durante todas las fases de operacin del motor con idea de establecer una direccin del flujo hacia la parte posterior del motor y permitir que los gases se expansionen a medida que ocurre la combustin. A medida que los gases se aceleran entre los pasos convergentes de los labes guas de la turbina tiene lugar una acusada cada en la presin. La presin contina cayendo a travs de la rueda de turbina a medida que parte de la energa de presin en los gases calientes se convierte en fuerza rotacional por medio de la rueda. Si el motor est equipado con mas de una etapa de turbina, tiene lugar una reduccin de la presin a travs de cada rueda de turbina. Los cambios de presin despus de la turbina dependen del tipo de tobera de escape usado y de si la tobera est operando en una condicin estrangulada (velocidad del gas a la velocidad del sonido) o sin estrangular. Cuando los gases dejan la tobera de escape, la presin contina cayendo hasta el valor de la presin ambiente. Cambios en la Temperatura El aire que entra en el compresor al nivel del mar en un da estndar se encuentra a una temperatura de 59 F (15 C). Debido a la compresin, la temperatura a travs del compresor sube gradualmente hasta un punto determinado por el nmero de etapas de compresin y su rendimiento aerodinmico. En algunos motores comerciales grandes, la temperatura delante de la seccin de combustin es aproximadamente 800 F (427 C). A medida que el aire entra en las cmaras de combustin, se aade combustible y la temperatura se eleva hasta aproximadamente 3.500 F (1.927 C) en la zona ms caliente de la llama. Puesto que esta temperatura est por encima del punto de fusin de la mayora de los metales, la cmara de combustin y piezas de alrededor en el motor estn protegidas por una pelcula de aire de refrigeracin la cual se establece por medio del propio diseo de la cmara de combustin. A


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causa de esta pelcula de refrigeracin, el aire que entra en la seccin de turbina es considerablemente ms fro. La aceleracin del aire a travs de la seccin de turbina reduce an ms la temperatura. Si el motor funciona sin posquemador, hay una ligera cada de temperatura a travs del conducto de escape. Si el motor funciona con posquemador, habr una acusada elevacin de la temperatura en el conducto de escape. Cambios en Velocidad Puesto que un motor de reaccin obtiene su empuje principalmente de la reaccin a la accin en una corriente de aire a medida que fluye a travs del motor, los cambios de presin y temperatura acabados de tratar son importantes solo porque deben estar presentes para realizar la parte del proceso de accin reaccin. Lo que realmente se desea es un chorro de aire fluyendo fuera del motor a una velocidad ms rpida que la velocidad con la que entr. La velocidad del aire a la entrada del compresor debe ser menor que la del sonido para la mayora de los compresores actuales. Para conseguir esto, el diseo del conducto de entrada del avin es de primordial importancia. Si la velocidad del aire ambiente es cero (avin estacionario), la velocidad del aire delante del conducto aumenta a medida que es arrastrado hacia dentro del compresor. Debido a que el aire que entra a velocidad cero del avin no tiene energa cintica relativa a la admisin del motor antes de entrar, no contribuye a la relacin de compresin total. Esta situacin cambia a medida que se alcanza el punto de recuperacin por aire de impacto (ram recovery point) a la entrada del motor. Desde este punto en adelante, la energa cintica relativa contribuye a la relacin de presin total en forma de compresin de impacto. En un buen conducto de entrada, esta compresin ocurrir pronto y eficazmente, con una mnima elevacin de temperatura. Por otra parte, si la velocidad del avin es alta subsnica o supersnica, la velocidad del aire se reduce en el conducto. La velocidad del flujo de aire es casi constante a travs de la mayora de los compresores, y en la mayor parte de los compresores puede disminuir ligeramente. Una cada en la velocidad del aire considerable ocurre en el paso amplio del difusor. El punto donde la velocidad vuelve a comenzar a aumentar es en la cmara de combustin a medida que el aire es forzado alrededor del extremo anterior de la camisa interna de la cmara de combustin y a travs de los orificios a lo largo de las paredes. Un posterior aumento tiene lugar en la parte trasera de la cmara de combustin a medida que los gases calientes se expanden y son forzados a travs del rea ligeramente ms pequea de la camisa de transicin. Una elevacin en velocidad extremadamente acusada, con una correspondiente prdida de presin, sucede a medida que el aire pasa a travs de las particiones convergentes del diafragma de turbina. Este cambio de presin por velocidad es muy deseable, ya que la turbina est diseada mayormente para que la velocidad caiga. Como se explic anteriormente, el aumento en velocidad va acompaado por un descenso en temperatura y presin. Una gran porcin del aumento en velocidad a travs de los labes guas de entrada en turbina es absorbida por la rueda de turbina y aplicada para arrastrar al compresor y a los accesorios del motor. Los cambios en velocidad desde este punto en adelante dependen del diseo del motor. Si el motor no usa el posquemador, la velocidad se reduce a medida que el aire entra en la seccin de poscombustin debido a que es un rea divergente. Segn descarga el aire a travs del orificio formado por la tobera de escape, la velocidad aumenta considerablemente. Si el motor funciona con el posquemador operativo, el aumento en temperatura originado por la combustin del combustible del posquemador causar un tremendo aumento en velocidad. En la mayora de los casos, el uso del posquemador produce un aumento en la velocidad de los gases que es aproximadamente igual a la reduccin en velocidad a travs de la rueda de turbina. Obsrvese que los nicos cambios que se producen con el uso del posquemador son los de temperatura y velocidad en el conducto de escape. Los cambios de presin, temperatura, y velocidad en el motor bsico permanecen iguales porque la tobera de escape de rea variable usada con los motores equipados con posquemador est diseada para abrir a una nueva posicin que mantendr la misma temperatura y presin de descarga de la turbina que exista cuando estaba funcionando a plena potencia sin el posquemador. En los turbohlices existe un pequeo cambio de velocidad despus de la seccin de turbina. En ambos motores siempre hay energa en forma de temperatura, presin y velocidad remanentes en los gases de escape despus de que dejan la turbina, pero este nivel de energa es mucho ms bajo en el turbohlice porque la turbina extrae mas de los gases para arrastrar a la hlice. Esto tambin es cierto para los motores equipados con fan. Por supuesto que el efecto del


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chorro se reduce una cantidad proporcional. Adems, parte de la energa se pierde porque los gases de escape no se han enfriado a la misma temperatura que el aire que entr en el motor.

Parmetros del motor, empuje esttico, influencia de la velocidad El motor de reaccin es mucho ms sensible a las variables operativas de lo que es el motor alternativo. Tales variables pueden dividirse en dos grupos: aquellas que cambian debido a las caractersticas de diseo o funcionamiento y las que cambian a causa del medio en el cual el motor debe operar. En la primera categora se encuentran factores tales como 1. Las r.p.m. del motor (peso del aire) 2. Tamao del rea de la tobera 3. Peso del flujo de combustible 4. Cantidad del aire sangrado del motor 5. Temperatura de entrada en turbina 6. Uso de la inyeccin de agua En la segunda, los factores que no son de diseo, tales como 7. Velocidad del avin (elevacin de la presin de impacto) 8. Temperatura del aire ) 9. Presin del aire ) efecto densidad 10. Cantidad de humedad ) De momento, solo los factores 1, 7, 8, 9, y 10 se tratan. El efecto de las otras variables sobre el funcionamiento del motor se cubrir en las secciones correspondientes. Efecto r. p. m. La velocidad del motor en revoluciones por minuto tiene un efecto muy grande sobre el empuje desarrollado por un motor a reaccin. En la figura 2-6 se muestra que a bajas r.p.m. se desarrolla poco empuje comparado con el empuje desarrollado a altas r.p.m. del motor y que a unas r.p.m. dadas el cambio tiene mas efecto sobre el empuje a altas velocidades del motor que a bajas. El peso del aire bombeado por el motor es una funcin de sus r.p.m.. Volviendo a la formula

Es evidente que aumentando el peso del aire que es bombeado resultar en un aumento en Fn o empuje. Como veremos cuando lleguemos a la seccin de compresores, la velocidad del motor no puede variarse indiscriminadamente, sino que debe controlarse dentro de unos lmites muy estrechos. Efecto velocidad La formula

) V-(V g

W F 1 2an =

) V-(V g

W F 1 2an =


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muestra que cualquier incremento en la velocidad hacia delante del avin resultar en un descenso en el empuje. Cuanto ms rpido se desplace el avin, mayor ser la cantidad de movimiento inicial del aire en relacin con el motor (V1 aumentando). Pero la velocidad en la tobera de descarga generalmente est fijada por la velocidad del sonido. Obviamente, la diferencia V2 V1 o variacin de la cantidad de movimiento se har ms pequea a medida que la velocidad del avin aumenta (Fig. 2-7). Esta prdida de empuje ser parcialmente compensada por el aumento en Wa debido al aire de impacto (ram air) (Fig. 2-8). No se recupera tanto empuje debido al aumento de la presin de impacto como parecera indicarse a primera vista. A altas velocidades del avin existe una considerable elevacin de la temperatura adems de la elevacin en presin (Fig. 2-9). El aumento real del peso del flujo de aire dentro del motor ser directamente proporcional a la elevacin de presin e inversamente proporcional a la raz cuadrada de la elevacin en temperatura.

donde t = presin total t = temperatura total A altas velocidades tambin pueden existir prdidas en el conducto como resultado de la friccin del aire y la formacin de ondas de choque.

Influencia de la altitud y temperatura, valoracin estimada de la actuacin, limitaciones El motor de turbina de gas es muy sensible a las variaciones de la temperatura del aire (Fig. 2-10). Muchos motores estn evaluados con el aire a la temperatura estndar 59 Fahrenheit (F) [15 Celsius (C)], aunque algunos fabricantes evaluarn de forma estimada (flat rating) sus motores para una temperatura ms alta; es decir, el motor est garantizado para producir un empuje especfico mnimo a una temperatura por encima de 59 F [15 C]. A temperaturas inferiores se requiere una manipulacin cuidadosa de la palanca de gases. En cualquier caso, si el motor opera a temperaturas del aire ms altas que la estndar, producir menos empuje. Contrariamente, la operacin del motor a temperaturas del aire ms fras que las condiciones del da estndar producir un empuje mayor que el evaluado.

t

t

= Wa


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Una elevacin de la temperatura ambiente har que la velocidad de las molculas aumente y se separen mas unas de otras. Cuando estn separadas un determinado nmero de molculas ocupar un espacio mayor, por lo que un menor nmero de ellas entrarn en el rea de admisin del motor. Esto resulta en una disminucin de Wa dentro del motor con una correspondiente disminucin del empuje. Efecto de la presin Un aumento de la presin atmosfrica tiene como resultado que haya mas molculas por unidad de volumen. Cuando esta situacin ocurre, hay mas molculas disponibles para entrar en el rea de admisin del motor, y como resultado, tiene lugar un aumento de Wa a travs del motor (Fig. 2-11) Efecto de la densidad Densidad es el nmero de molculas por unidad de volumen, y est afectada por la presin y por la temperatura. Cuando la presin sube, la densidad sube, cuando la temperatura sube, la densidad baja. Esta relacin puede expresarse matemticamente como

donde K = una constante P = presin en pulgadas de mercurio (in Hg) T = temperatura en grados Rankine ( R) o la densidad es directamente proporcional a la presin e inversamente proporcional a la temperatura multiplicada por una constante. Una constante de 1732 es necesaria para hacer que la relacin de densidad sea igual a 1 bajo condiciones estndares de temperatura (5187 R) y presin (2992 inHg).

= 1 Por supuesto que las variaciones de densidad son de lo ms perceptibles con los cambios de altitud. El efecto sobre el empuje del cambio de altitud es verdaderamente una funcin de la densidad. La Figura 2-12 muestra el resultado de la combinacin de las Figuras 2-10 y 2-11. Cuanto mayor es la altitud, menor es la presin, resultando en un descenso del empuje como se muestra en la Figura 2-11. Pero cuanto mayor es la altitud, el aire es ms fro, resultando en un incremento del empuje como se muestra en la Figura 2-10. Sin embargo, la presin cae ms rpida que la temperatura, por lo que realmente existe una disminucin del empuje con el incremento de altitud. A aproximadamente 36.000 pies [10.973 m],

TPK densidad de Relacin =

TPK densidad de Relacin =

6951892293217 '

''=


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esencialmente el comienzo de la tropopausa, la temperatura deja de bajar y permanece constante mientras que la presin contina descendiendo (Fig. 2-13). Como resultado, el empuje caer ms rpidamente por encima de los 36.000 pies porque la prdida de empuje debida a la cada de presin del aire ya no ser parcialmente compensada por la ganancia de empuje debida al descenso de la temperatura. As que los 36.000 pies es la altitud ptima para el vuelo de crucero de gran radio de accin, porque a esta altitud, aunque el empuje del motor se reduce, la relacin entre el empuje producido y la disminucin de la resistencia aerodinmica sobre el avin es de lo ms favorable. La mayora de los reactores comerciales y privados estn certificados para una altitud mucho mayor. Efecto de la humedad Mientras la humedad tiene un efecto bastante considerable en los motores alternativos, su efecto sobre el motor de turbina de gas es inapreciable. Dado que el vapor de agua pesa solo cinco octavos como mucho con respecto al aire seco, el aumento de humedad disminuir el peso por unidad de volumen; por lo tanto, a menor densidad menor masa para las mismas r.p.m.. Puesto que un carburador es esencialmente un dispositivo medidor de volumen, no sentir esta disminucin en el peso del aire, y como resultado, continuar suministrando la misma cantidad de combustible al motor, haciendo que la relacin de mezcla combustible aire se convierta en demasiado rica y el motor pierda potencia. Por otra parte, un motor de reaccin opera con un exceso de aire del que necesita para la combustin. Cualquier aire necesario para el proceso de combustin vendr del suministro de aire de refrigeracin. Adems, el control de combustible no mide el volumen de aire directamente, sino mas bien mide el flujo de combustible como una funcin de presiones, temperaturas, y rpm.


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ADMISIN

Conductos de Admisin al Compresor Aunque el conducto de admisin lo construye el fabricante del avin, durante la operacin en vuelo es muy importante para la actuacin general del motor de reaccin. Cuanto ms rpido vuele el avin, ms crtico ser el diseo del conducto. El empuje del motor puede ser alto solo si el conducto de admisin abastece al motor con el flujo de aire requerido a la ms alta presin posible. El conducto tambin debe permitir que el motor opere con las mnimas tendencias a la entrada en prdida (stall) o inestabilidad (surge), as como admitir las amplias variaciones en ngulo de ataque y guiada del avin. Para los aviones subsnicos, el conducto no debera producir fuertes ondas de choque o separaciones de flujo, y lo mismo para los diseos

subsnicos que supersnicos deberan ser del menor peso posible. Los conductos de admisin deben operar desde el rodaje esttico en tierra hasta altos nmeros de Mach del avin con un alto rendimiento en todas las altitudes, actitudes, y velocidades de vuelo (Fig. 3-1). Los conductos de admisin deberan ser tan derechos y suaves como sea posible, y deberan disearse de tal forma que la capa lmite de aire (una capa de aire inmvil que yace prxima a la superficie) se mantenga al mnimo. La longitud, forma y emplazamiento del conducto se determinan mayormente por la localizacin del motor en el avin. No solo debe ser el conducto lo suficientemente grande para suministrar el adecuado flujo de aire, sino que debe tener la forma correcta para entregar el aire a la parte frontal del compresor con una distribucin uniforme de la presin. Una distribucin pobre de la presin y velocidad del aire en la parte frontal del compresor puede resultar en una entrada en prdida del compresor y/o vibracin en los labes del compresor. Algunas veces se colocan puertas cargadas con muelles, sopladoras o de succin alrededor del lateral del conducto para proporcionar aire suficiente al motor a altas r.p.m. y baja velocidad del avin. Esta disposicin permite que el conducto de admisin sea adaptado mas eficazmente para el vuelo de crucero. Otra tarea primordial que un conducto debe hacer durante la operacin en vuelo es convertir la energa cintica de la corriente de aire, que se mueve rpidamente hacia su interior, en elevacin de la presin de impacto (ram pressure) dentro del conducto. Para hacer esto debe estar diseado de forma tal que la velocidad de impacto sea lenta y suavemente reducida, mientras que la presin de impacto se eleva lenta y suavemente. Los conductos de admisin se evalan de dos formas: la relacin de rendimiento de la presin del conducto y el punto de recuperacin por aire de impacto (ram recovery point). La relacin de rendimiento de la presin del conducto se define como la capacidad del conducto para convertir la energa de presin cintica o dinmica a la entrada del conducto (Pt1) en energa de


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presin esttica a la entrada del compresor (Pt2) sin prdida en la presin total. Esta tendr un valor del 98 % si la prdida por friccin es baja y si la elevacin de presin se lleva a cabo con el mnimo de prdidas. El punto de recuperacin por aire de impacto es la velocidad del avin a la cual la elevacin de presin de impacto se iguala a las prdidas de presin por friccin, o la velocidad a la cual la presin total de entrada al compresor es igual a la presin del aire ambiente exterior. Un buen conducto subsnico tendr un punto de recuperacin por aire de impacto bajo (aproximadamente 160 mph [2574 km/h]). Los conductos de admisin pueden dividirse en dos amplias categoras: 1. Conductos subsnicos 2. Conductos supersnicos Es interesante sealar que los fabricantes del motor usan campanas de admisin (Fig. 3-2). Este tipo de admisin es esencialmente un embudo en forma de campana con los bordes cuidadosamente redondeados, que prcticamente no ofrece resistencia al aire. La prdida en el conducto es tan pequea que se considera cero, y todos los datos de actuacin del motor pueden recogerse sin ninguna correccin por prdidas en el conducto. La prdida de rendimiento normal en el conducto puede causar prdidas en el empuje del 5 por ciento o mas debido a que una disminucin de un 1 por ciento del rendimiento del conducto disminuir el flujo de aire en un 1 por ciento, disminuir la velocidad del chorro en un 05 por ciento, y resultar en un 15 por ciento de prdida de empuje. La disminucin en la velocidad del chorro ocurre porque es necesario aumentar el rea de la tobera de descarga para mantener la temperatura de la turbina dentro de lmites cuando tengan lugar las prdidas en el conducto.

Los conductos de admisin tambin se pueden usar para pre limpiar el aire antes que entre en el compresor. No se usan los filtros o pantallas tradicionales debido a que ofreceran demasiada resistencia al flujo de aire. Los separadores de partculas para los motores turboejes/turbohlices sacan ventaja de la propiedad natural de inercia de la materia de continuar en lnea recta, como se muestra en la Figura 3-3.


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Efecto de Diversas Configuraciones de Admisin Conductos de admisin subsnicos La mayora de los conductos de admisin en los aviones subsnicos son del tipo divergente como el mostrado en la Figura 3-4. El aire que fluye dentro de un conducto divergente se expande ligeramente y convierte parte de su velocidad en energa de presin.

Cuando el motor est rodando a alta velocidad en tierra, el compresor absorbe aire hacia dentro a travs del conducto de entrada, y la presin del aire a la entrada del compresor es ligeramente inferior que la de alrededor o del aire ambiente. Cuando el avin se desplaza por la pista para despegar, el aire es atacado dentro del conducto hasta que su presin llega a ser la misma que la del aire ambiente. La velocidad a la cual esto ocurre se llama velocidad de recuperacin por aire de impacto (ram-recovery speed). A medida que el avin contina aumentando su velocidad hacia delante, el efecto del aire de impacto se hace mayor, y aunque hay cierta prdida debida al aumento de velocidad del aire que entra al

motor, el empuje aumenta. La Figura 3-4 muestra el tipo de conducto de admisin utilizado por un tpico turbofan de gran relacin de paso. El aire fluye a travs del conducto divergente dentro del fan, y aunque parte del aire pasa hacia el exterior a travs de la descarga de fan, parte de l tambin fluye hacia dentro del compresor de baja presin y sobre alimenta al ncleo motor. Conductos de admisin para turbohlices El conducto de admisin para los motores turbohlices ha causado ciertos problemas a los ingenieros. Los engranajes de reduccin de la hlice estn situados en la parte frontal del motor y de esta manera interfiere con un flujo suave de aire que entra al compresor. En la Figura 3-5 se ilustran tres tipos de conductos de admisin para motores turbohlices. El conducto de admisin con spinner es el mas rentable, pero es complejo de mantener y de

proteger contra el hielo. El spinner cnico o currentiforme con el conducto de entrada alrededor de l es una alternativa efectiva. Para los motores que estn diseados con el reductor descentrado del eje principal del motor, normalmente se emplea un tipo de entrada de cavidad inferior o superior dependiendo hacia donde est descentrado el reductor de la hlice. En la practica real, el diseo del avin y los requisitos del motor dictaminan la configuracin de la entrada de aire para un motor turbohlice. El compresor del popular motor Pratt & Whitney of Canada PT6 est situado en la parte posterior del motor, y el aire fluye hacia delante. El aire de admisin fluye a travs de un conducto de entrada, normalmente situado debajo del motor, entrando en una cmara plenum que rodea al motor y acta como difusor. Esto aumenta la presin del aire que entra al compresor.


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Conductos de admisin supersnicos El diseo y construccin del conducto de admisin para los aviones de alta velocidad es de importancia crtica debido a su profundo efecto sobre la estructura y el motor. El conducto de admisin de alta velocidad es con frecuencia una construccin compleja porque no solamente el aire debe ser entregado a la entrada del compresor a un rgimen de flujo de masa aceptable, de velocidad, ngulo, y distribucin de presin, sino que esto debe hacerse bajo condiciones extremas de velocidad de avin, altitud, y actitud, y con la mnima prdida de presin total posible. A alta velocidad del avin, la cantidad de empuje proporcionado por la admisin es mucho mayor que el producido por el motor, y cualquier ineficacia en el conducto de admisin resultar en una gran prdida de empuje. (A Mach 3, la relacin de presin a travs de una admisin tpica puede ser tan alta como 40:1 y est contribuyendo mucho mas al empuje total que el motor.) El conducto de admisin supersnico debe operar en tres zonas de velocidad (Fig. 3-6) Subsnica Transnica Supersnica Aunque cada una de estas zonas de velocidad necesita un diseo de conducto de admisin ligeramente diferente, se puede conseguir una buena actuacin general diseando en forma

supersnica con algunas modificaciones. Los problemas del conducto supersnico comienzan cuando el avin empieza a volar a o cerca de la velocidad del sonido. A estas velocidades snicas se desarrollan ondas de choque, las cuales, si no estn controladas, producirn altas prdidas de presin y de flujo de aire en el conducto y causarn condiciones de vibracin en la admisin, llamadas zumbidos de la admisin. El zumbido es una inestabilidad del flujo de aire originado por la onda de choque al ser alternativamente tragada y expulsada a la entrada del conducto. El aire que entra en la seccin del compresor del motor debe ser normalmente admitido a velocidad subsnica, y este proceso debera realizarse con la menor prdida de energa posible. A velocidades supersnicas el conducto de admisin hace el trabajo reduciendo el aire con la ms dbil posible combinacin o serie de ondas de choque para minimizar la prdida de energa y la elevacin de temperatura. A velocidades transnica (cerca del Mach 1), el conducto de admisin est normalmente diseado para mantener a las ondas de choque fuera del conducto. Esto se hace localizando al

conducto de admisin detrs de una punta [Fig. 3-6 (b)] de forma que a velocidades del aire ligeramente por encima de Mach 1.0 la punta establecer una onda de choque normal (onda de proa) delante del conducto de admisin. Esta onda de choque normal producir una elevacin de presin y un descenso de la velocidad a velocidades subsnicas antes de que el aire impacte el conducto de admisin real. Entonces la entrada ser un diseo subsnico detrs de un frente de choque normal. A nmeros de Mach supersnicos bajos, la fuerza de la onda de choque normal no es demasiado grande, y este tipo de entrada es bastante prctico. Pero a nmeros de Mach ms altos, la nica, onda de choque normal es muy fuerte y origina una gran


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reduccin en la presin total recuperada por el conducto al tiempo que una excesiva elevacin de la temperatura del aire dentro del conducto. A velocidades ligeramente ms altas la onda de proa normal cambiar a una onda de choque oblicua [Fig. 3-6 (c) y (d)]. Puesto que la velocidad detrs de una onda de choque oblicua todava es supersnica, para mantener las velocidades supersnicas fuera del conducto de admisin, el conducto necesitar formar una onda de choque normal en la entrada del mismo. El flujo de aire se controla de forma tal que la velocidad del aire en la entrada del conducto sea exactamente igual a la velocidad del sonido. En este momento la elevacin de presin del conducto ser debida a Una onda de choque oblicua Una onda de choque normal Una seccin divergente subsnica A medida que la velocidad del aire se aumenta, el ngulo de la onda de choque oblicua ser forzado hacia atrs por la velocidad del aire ms alta hasta que la onda de choque oblicua contacte con el labio exterior del conducto. Cuando esto ocurra habr un ligero aumento en el empuje debido a un incremento en la presin de admisin al motor y del flujo de aire, porque la energa contenida en el frente de onda de choque est ahora encerrada dentro del conducto y se le entrega con menos prdida de presin. A este punto se le llama punto de recuperacin del conducto [Fig. 3-6(e)] o punto de partida del conducto [vase Fig. 3-7].

A nmeros de Mach ms altos (aproximadamente 1.4 y por encima)el conducto de admisin debe crear una o mas ondas de choque oblicuas y una onda de choque normal [Fig. 3-6(f)]. Las ondas de choque oblicuas reducirn las velocidades supersnicas, la onda de choque normal bajar la velocidad hasta subsnica, luego la seccin subsnica reducir an mas la velocidad antes de que el aire entre en el compresor. Cada descenso en velocidad producir una elevacin de presin. Conductos de geometra variable Una complicacin de la entrada supersnica

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