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Universidad de San Buenaventura. Pastrana Solano. Historia Evolutiva de los Motores a Reacción.
Historia Evolutiva de los Motores a Reacción.
Arbey Sebastián Pastrana Solano.
Universidad de San Buenaventura, Programa de Ingeniería Aeronáutica, Bogotá.
[email protected]
RESUMEN- La creación de los primeros motores a reacción a comienzos del siglo XX, la
industria aeronáutica se ha encontrado búsqueda investigativa evolutiva, la cual ha dado por
resultado el mejoramiento de la planta motriz, produciendo un aumento en el rendimiento de la
aeronave, se indago que todo esto realiza gracias a que toda acción genera una reacción
inmediatamente, como toda máquina, se presentan distintas configuraciones, perteneciendo a la
sección de los motores no autónomos, se evidenciaran los principales tipos de motores a reacción
donde se localizan, turbojet, turbofan, turbohélice y turboshaft, ramjet y scramjet.
1. INTRODUCCIÓN.
Isaac Newton, Físico inglés del siglo XVI,
descubridor de las leyes de la mecánica
clásica, las cuales llevaron su nombre, fue
gracias a la tercera la ley de Newton; el
principio de que toda acción genera una
reacción, es que se puede realizar la
propulsión. Herón de Alejandría aplica este
principio en el siglo I a.C, a un experimento,
el cual es una esfera de Eolo (eolipia),
utilizaba la fuerza de propulsión del vapor
para hacer girar la esfera, se considera
actualmente como la primera máquina
térmica, para ese tiempo solo fue usada
únicamente como jugué. Ya siendo el siglo
XI d.C, en china se descubre la pólvora, se ha
evidenciado pequeños cohetes utilizados para
las guerras, dando comienzo a la propulsión a
chorro, respecto al siglo XIV.
Leonardo da Vinci, utiliza una corriente de
humo para mover un cuerpo; la aparición de
la primera turbina de gas, fue descubierta en
el siglo XVI, por Giovanni Branca, se
conformaba por una tobera de vapor de agua,
que expulsaba su vapor en dirección a unos
alabes pegados a un eje, el cual generaba
movimiento a un mecanismo de engranes que
hacían girar otros dos en ejes como si fueran
un taladro. Pero Jhon Barbe de Inglaterra en
el siglo XVII, fue el primero en patentar una
turbina de gas, su diseño nunca fue
construido por falta de materiales y técnicas
de fabricación para su desarrollo.
Figura 2. Giovanni Branca (1629), Esquema de la
turbina de gas.
Figura 1. Hero’s Eolipia. Primera máquina térmica.
Con el diseño de Frank Whittle en el siglo
XIX, el cual incluía un rotor interno que era
accionado por una sección de turbina,
teniendo solamente una cámara de
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combustión, la compresión estaba formada
por un compresor radial de dos entradas. Se
inicia a una era en donde los motores que
funcionan bajo la propulsión por reacción,
serían utilizados en la industria aeronáutica
militar y comercial.
Admisión toma de aire.
Compresión compresor de baja y alta
(N1 y N2).
Combustión cámara de combustión.
Expansión turbina (alta y baja) y
tobera de escape. (Vallbona Vilajosana.
E., 2011).
Figura 3. Frank Whittle (1930 -1934). Registra la
primera patente para la utilización de la turbina de
gas en la propulsión por reacción en aeronaves.
Actualmente estos motores se bautizan con el
nombre de turborreactores se caracterizan, en
que en cualquier condición de vuelo, el aire
ingresa al motor, el cual es sometido a
compresión y expiación de tipo mecánica,
donde la etapa de compresión se efectúa en
turbocompresores y la expansión en turbinas,
se aclara que esto dependerá del fabricante y
de las características específicas del motor, la
cantidad de secciones que tenga cada estas
partes.
Fue el tipo de reactor más simple, siendo
el primero en aparecer, formado por una
sección pequeña (de forma tubular),
siendo muy eficiente a velocidades
supersónicas, es ineficiente a velocidades
subsónicas, relativamente ruidoso. Este
posee la característica de ser de eje simple
(single spool) o de múltiple eje
(multi.spool). [1]. (Vallbona Vilajosana.
E., 2011).
Simple eje: solo tiene un eje. Bastante
ineficiente.
Múltiple eje: los ejes (spools) mueven los
compresores rotando uno dentro del otro.
Siendo cada compresor movido por una
turbina
distinta,
consiguiendo
velocidades optimas de rotación del
compresor. [1]. (Vallbona Vilajosana. E.,
2011).
2. TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DE
MOTORES A REACCIÓN.
A. Motor Turbojet o turborreactor.
El aire se coge en la toma de aire, se
comprime en el compresor, se mezcla y
quema en la cámara de combustión y se
expande por la turbina y la tobera de
escape. [1]. (Vallbona Vilajosana. E.,
2011).
Figura 4. (Vallbona Vilajosana. E.,
Diagrama, Componentes de un turbojet.
2011).
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Actualmente, los motores turbohélice se
utilizan en aviones comerciales de corto
rango o en aviones de categoría commuter,
entre ellos tenemos, ATR-72 con motores
PW124B fabricante Pratt & Whitney; Saab
340 con motores T700 de GE; C-130 con
motor AE 2100 de GE, entre otros. [4]
Bogotá, M., Penagos, H., Turbohélice.
(2014).
Figura 5. G. Paniagua, P. Piqueras. Diagramas,
Turbojet de simple con flujo axial y Turbojet de
múltiple eje con flujo axial.
B. Motor Turbohélice.
El primer motor turbohélice en la historia fue
el CS-1 creado en 1938 por György
Jendrassik, la potencia máxima que alcanzo
fue de 400 HP por problemas en la estabilidad
de la combustión, fue utilizado en un avión
Varga MI-1.luego, se implementó este motor
en aviones militares cuyo propósito era
transportar soldados, se trató en la Segunda
Guerra Mundial de hacer uso de ellos, pero
en esta época el desarrollo de turborreactores
freno las investigaciones respecto a la
fabricación y al mejoramiento de los motores
turbohélice. Rolls-Royce desarrollo el motor
RB50 Trent, Era básicamente un turbojet al
que se le acomodo un eje, una caja de
reducción y una hélice de 5 aspas, motor
utilizado en un Gloster Meteor. Tiempo
después, en 1949, el Hermes V despego con
un motor BT-502. [3] (Douglas, W., 2009).
Desde ese instante, se vio a los motores
turbohélice como a una alternativa eficaz de
propulsión es por ello que aviones como el
Viscount, conocido por tener 4 motores tipo
turbohélice de Rolls-Royce, el Fokker F-27
bimotor con una velocidad de 480 km/h
también con un ejemplar de Rolls-Royce, se
convirtieron en modelos de aviones eficaces
que no contaban con un turbojet. [4].
La turbina utilizada para mover una hélice,
con vía a un mecanismo de reducción
(reduction
gear),
muy
eficiente
propulsivamente, ya que mueve mucho aire a
poca velocidad. El empuje se produce en los
siguientes porcentajes, 90% para la hélice y
un 10% gases de escape. (Vallbona
Vilajosana. E., 2011).
Existen dos tipos de configuraciones.
Direct drive: el eje que mueve al
compresor, tambien mueve la hélice.
Free turbine: turbina dedicada a mover
exclusivamente la hélice. Con ventajas
reducción de esfuerzos de torsión, puesta
en marcha, operación de la hélice a bajas
rpm, y se puede instalar un freno de hélice
(rotor parking brake).
Figura 6. (Vallbona Vilajosana. E.,
Diagrama, Componentes de un turbohélice.
2011).
Ventajas: altas eficiencias en velocidades
subsónicas y bajo consumo de
combustible.
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Desventajas:
velocidad
limitada,
complejidad en la trasmisión del motor y
elevado ruido.
C. Motor Turbofan.
Los motores turbofan fueron diseñados como
un compromiso entre el turbohélice y el
turbojet. Una pequeña parte del aire sale del
fan entra en el núcleo central para originar la
combustión. El resto pasa por el conducto
secundario (by-pass duct), donde se volverá a
encontrar con los gases del flujo primario
después de la etapa de la turbina. [1].
Ventajas:
Presentan
mejores
presentaciones y consumo que los
turbojet,
disminuye
contaminación
acústica, mayor eficiencia propulsiva,
menor ruido, y el flujo de aire secundario
refrigera el motor.
Desventajas: gran complejidad, motores
de mayor diámetro, palas más pesadas,
mayor exposición a FOD (Foreingn
Object Damage) y hielo.
Los motores turbofan tienen más de un eje
(spool). En los que se encuentran los de
doble eje y triple eje.
Doble eje (twin-spool): la turbina de baja
mueve al compresor de baja y al fan, la
turbina de alta mueve al compresor de
alta.
Triple eje (triple-spool): la turbina de
baja mueve el fan, la turbina intermedia
mueve al compresor de baja, la turbina de
alta mueve al compresor de alta.
Figura 7. (Vallbona Vilajosana. E.,
Diagrama, Componentes de un turbofan.
2011).
En los motores turbofan se introduce el
concepto de índice de derivación (by-pass
ratio). Siendo la relación entre el flujo de aire
secundario y el flujo de aire primerio.
Se tienen las siguientes características.
Low by-pass ratio 1.5
Intermediate by-pass ratio 1.5 a 3.5
Higth by-pas ratio más de 3.5.
Los motores de última generación (Rolls
Royce Tren) tiene índices de derivación de
hasta de 8,5. El GE90 (motor que monta el
B77) tiene un índice de derivación de 9.1.
Figura 8. (G. Paniagua, P. Piqueras., 2015).
Diagrama, clasificación del fan delantero o trasero.
El uso intensivo de los motores turbofan en
aviación comercial se encuentra entre 30000
ft a 40000ft de altura a una velocidad de más
o menos 0.8 M (Mach).
Figura 9. (G. Paniagua, P. Piqueras., 2015).
Diagrama, clasificación elevada o bajo BPR.
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D. Motor Ramjet.
En el año 1913, Rene Lorin, diseña y describe
el principio de funcionamiento de un
estatorreactor (athodyd, ramjet). Para la
época no era factible fabricarlo, se presentaba
ausencia de materiales resistentes a las altas
temperaturas, ineficientes a las velocidades
de vuelo de la época, siendo los ramjet
actuales muy parecidos a la concepción de
Lorin.
Ventajas: bajo peso, elevado radio de
empuje-peso, ausencia de partes móviles,
tolerancia a altas temperaturas, elevada
eficiencia, velocidades de hasta Mach 6.
Desventajas: no produce en puje en
condiciones estáticas, ineficiente en
vuelos subsónicos, necesidad de frenado
en el aire hasta régimen subsónico en la
cámara de combustión, problemas de
combustión en Mach 6, muy ruidoso.
La Nasa tiene en marcha un famoso proyecto
llamado X-43ª el cual utiliza el motor Ramjet.
Figura 10. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).
Diagrama, diseño motor Ramjet Rene Lorin 1913.
El motor ramjet se clasifica en los motores
aerorreactores, donde:
Athodyd, es un ariete de retropropulsión,
conducto aerotermodinámico. Se caracteriza
por ausencia de partes móviles, los elementos
principales que posee son: difusor, cámara de
combustión, tobera. [2] .
Figura 13. Nasa Dryden Flight Research Center
Graphics Collection. (2004). X-43A 3 – view.
E. Motor Scramjet.
Los reactores para aviación (air jets):
necesitan aire atmosférico para poder operar,
serán de dos tipos, compresión dinámica y
compresión estática.
Figura 11. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).
Diagrama, clasificación de un aerorreactor.
Figura 12. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).
Diagrama, clasificación de las etapas de un ramjet.
Compresión dinámica: debido a la
velocidad del aire (ramjet y scramjet).
Compresión
estática:
contienen
compresores
(turbojet,
turbofan,
turbohélice y turboshaft). Ya vistos
anteriormente.
Los motores scramjet, son senilmente
mecánicos,
muy
complejos
aerodinámicamente, combustión en régimen
supersónico (hidrogeno), proyecciones de
velocidades Mach 12 a 24, en zona orbital del
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planeta, eficiente a partir de velocidad Mach
5, probable a Mach 7, bajo radio de empuje,
peso (~2:1) (Cohete ~100-1).
velocidades subsónicas permitiendo un
mayor eficiencia de empuje y sin
necesidad de aumentar la tasa de
combustible.
4. REFERENCIAS.
[1] Vallbona Vilajosana. E., (2011). CESDA.
El motor de turbina. 2015. Disponible en
http://www.aviacova.es/WP/motor_de_turbina.pdf
Figura 14. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).
Diagrama, componentes de un motor scramjet.
3. CONCLUSIONES.
Se identificado todos los parámetros
evolutivos que se dieron en diseño y
construcción que tuvieron los motores a
reacción desde sus inicios hasta la
actualidad, haciendo relevancia a los
diferentes sistemas y componentes que
mejoraron el rendimiento y seguridad de
las aeronaves.
Gracias a este artículo se percibió el gran
avance evolutivo que obtuvieron los
motores a reacción respecto, a
componentes,
etapas
y
ciclos
termodinámicos, que permitieron que en
la actualidad se alcanzara a llegar a
velocidades subsónicas, sónicas y
supersónicas.
Debido a la gran investigación en todos
los campos la industria aeronáutica, los
diferentes tipos de motores a reacción, se
ha podido identificar que las dos mejores
clasificaciones de motores son: el
turbohélice para realizar vuelos con
excelentes eficiencias propulsoras a
velocidades bajas. Y el motor Turbofan
que puede realizar vuelos a altas
[2] G. Paniagua, P. Piqueras., (2015).
Historia de la clasificación de los motores a
reacción. Departamento de Máquinas y
Motores Térmicos. Universidad Politécnica
De Valencia. 2015. Disponible en
https://aeronauticaupv.files.wordpress.com/2
008/09/tema1_historia_y_clasificacion1.pdf
[3] Douglas, W. (2009). Turboprop history.
Recuperado el 22 de Febrero de 2014.
Disponible
en
http://www.propilotmag.com/archives/2009/
Feb09/A3_Turbohistory_p3.html
[4] Bogotá, M., Penagos, H., Turbohélice.
(2014).
Disponible
en
https://www.academia.edu/7376200/Motore
s_a_Reacci%C3%B3n__Turboh%C3%A9lice
[5] Figura 13. Nasa Dryden Flight Research
Center Graphics Collection. (2004). X-43A
3-view
Disponible
en
http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/graphisc/in
dex.html
[6] Oñate, A. E. (1981). Turborreactores:
Teoría, sistemasy propulsión de aviones.
Salamanca: AeronáuticaSumaas S.A.
[7] Savaranamuttoo, H. (1996). Gas turbine
theory. (4taed., pp. 117-120). Londres:
Longman.
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[8] Mattingly, J. (1996). Elements of
propulsion: Gasturbines and rockets.
[10] Cuesta, M. (1995). Motores de reacción.
(8va Ed.).Madrid: Paraninfo S.A.
[11] Cengel, Y. A. (2012). Termodinámica.
(7ma Ed., pp.525-532). Mexico D.F:
McGraw-Hill.
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