6-motores a reacción-julio ramírez

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS

DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERIA AUTOMOTRIZ

DEBERES DE

MOTORES ESPECIALES

I UNIDAD

IX NIVEL

“MOTORES A REACCIÓN”

Por: Ramírez Julio

Latacunga – 22 de noviembre del 2015

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS.ESPE EXTENSION LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

INDICE

HISTORIA............................................................................................................................................3

MOTOR DE REACCIÓN.......................................................................................................................4

CLASIFICACIÓN...............................................................................................................................6

NOCIONES DE LAS CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DE CADA UNO DE LOS SISTEMAS..............6

MOTOR A REACCIÓN MÁS UTILIZADO EN LA HISTORIA...............................................................9

Rolls - Royce Nene.....................................................................................................................9

COMPONENTES ELEMENTALES DEL MOTOR DE REACCIÓN “TURBO REACTOR”.......................14

1. Compresor........................................................................................................................14

2. Cámara de combustión....................................................................................................15

3. Turbina.............................................................................................................................17

4. Tobera..............................................................................................................................18

PRINCIPIO CIENTIFICO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE RACCIÓN..................................19

CICLO BRAYTON.......................................................................................................................21

INYECCIÓN DEL AIRE COMPARACIÓN CON MOTOR 4 TIEMPOS.................................................22

APLICACIÓN EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ..................................................................................23

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................................25

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HISTORIAUn indicio del motor de reacción lo encontramos en un antiguo manuscrito chino que

describe “con una flecha de fuego” se trataba de una flecha atada a un cohete de pólvora

para lograr mayor alcance (año 1232).

De ahí no hay mucho interés acerca de los cohetes a más de que eran usados para las

batallas para tener mayor alcance, hasta que en 1687, Isaac Newton, dio a la luz un

enunciado de un axioma sobre la acción y la reacción.

En 1971 Guillermo J, intenta impulsar un cohete por la reacción de choros de vapor, que

consistía en montar una caldera sobre un vehículo de cuatro ruedas en el cual hervía el

agua y esta salía en forma de vapor, por una tobera orientada hacia atrás con una llave

de paso mandada desde el asiento y por medio del cual se podía regular la velocidad.

Para 1903, los hermanos Edward y Orville, lograron el primer vuelo motorizado, pero el

motor embolo era demasiado pesado, el ingeniero francés Lorin, en 1908, presenta un

proyecto de motor de reacción que, en realidad era un motor ortodoxo, de embolo con la

salida de escape dirigida convenientemente por medio de un tubo divergente, en el

momento de expansión del gas era abierta la válvula de escape por lo que este salía con

gran velocidad por la tobera, los tiempos de admisión, compresión y el encendido ocurrían

de forma normal; solo el escape era adelantado para aprovechar la energía disponible en

los gases, el empuje era insuficiente y este motor quedo solo como un lugar importante en

la historia.

Así pasaron los años en donde tras el uso en diferentes guerras e investigaciones para el

año de 1922, en Inglaterra Goddard, efectúa la primera prueba de un motor cohete a

propergol líquido y para 1926 lanza al aire el primer cohete de combustión líquido, para

este año también se investiga sobre turbinas a gas, que se demostraron que con

materiales especiales podían resistir las grandes fuerzas y elevadas temperaturas a que

son sometidas las turbinas.

Para 1927 con la colaboración de varios investigadores se hizo los primeros trabajos para

la prueba práctica de la propulsión cohete para vehículos en las competencias en las

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICApistas Opel de carreras donde nació el Opel Rak 2, que poseía 24 cohetes con un total de

120kg, alcanzando una velocidad de 200km/h.

En 1928 el alemán Stamer realizo el primer vuelo con propulsión cohete en un planeador

que montaba dos cohetes de 20kg de empuje cada uno y con una duración de vuelo de

80 segundos.

En 1936, Hans Joachim con la colaboración de la fábrica HEIKEI, construyen la turbina

que haría revolucionar totalmente la navegación aérea, esta era capas de generar 450kg.

Con consumo de quemado de petróleo, el turborreactor tenia un aspecto original, la

cámara estaba invertida y el compresor y la turbina formaban un solo grupo ya que esta

última, era del tipo flujo radial y el compresor centrifugo, ambos de una sola fase.

De aquí los aviones propulsados por motores cohetes, causaron una gran sorpresa por la

rapidez con que realizaban sus ataques tras la guerra, aunque su duración era realmente

escaza ya que sus motores consumían rápidamente el combustible.

Y de aquí nace la gran historia de los motores de reacción donde podemos observar sus

grandes adelantos y la tecnología que ella se presenta dando uso completo a lo que

conocemos hoy en día y que sigue siendo cada vez más moderno, complementando con

las nuevas tecnologías.

MOTOR DE REACCIÓN.

Es impropio el nombre de motores de reacción con que en la práctica se designan a los

nuevos sistemas de propulsión que han aparecido en los últimos años. Acabamos de ver

que cualquier sistema propulsor que podamos imaginar ha de basarse en el principio de la

acción y la reacción, no indicándose con la denominación citada ninguna diferencia

específica entre estos nuevos sistemas propulsores y los que ya había existentes. Por el

contrario, la denominación es viciosa, pareciendo indicar que la propulsión está basada en

principios diferentes a los que rigen la de los otros sistemas.

El motor de reacción verifica la propulsión tomando el aire ambiente; una vez comprimido

eleva su temperatura quemando combustible y, finalmente, expansión a los gases en una

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAtobera de salida, produciéndose un chorro de gases con gran velocidad y en sentido

contrario al del movimiento. En otros tipos no se utiliza el aire ambiente, ya que el motor

lleva en su seno tanto el comburente como el combustible, pero en ambos la propulsión

se realiza mediante el citado chorro de gases en forma análoga a la vena de aire que

produce una hélice.

La denominación «jet propulsión» o «propulsión por chorro» es buena en el lenguaje

técnico inglés, eminentemente descriptivo, pero no es apta para su traducción directa al

castellano.

Estos nombres de «motores de reacción» y «motores de chorro» no son los únicos con

que se vienen designando en la práctica. Tanto para el nombre genérico de los nuevos

sistemas moto propulsores como para cada uno de sus tipos en particular se han

empleado infinidad de vocablos: «turborreactores>, «reactores», «motores de

retropropulsión», «reacto propulsores», «motores de reacción directa», «motores de

reacción pura», «pulsorreactores», «athodycos», «bombas zumbantes», etc. Estos y otros

muchos nombres, generalmente tomados del inglés o francés, se vienen utilizando, casi

siempre con poca lógica, y, lo que es peor, dando origen a confusiones entre unos tipos y

otros, por falta de acuerdo y por no haberse definido exactamente las denominaciones de

cada uno de ellos.

Entre las varias clasificaciones que se pueden realizarse sobre motores mecánicos hay

una importante que establece dos tipos el endotérmico y exotérmicos.

El motor de reacción y el alternativo, se caracterizan porque tanto el órgano donde se

realiza la combustión como el encargado de realizar el trabajo se encuentran dentro

(endo) del motor, mientras que en los exotérmicos, como las máquinas de vapor el

elemento de realizar el trabajo se encuentra fuera (exo), de la zona de combustión.

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CLASIFICACIÓN

NOCIONES DE LAS CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DE CADA UNO DE LOS SISTEMAS

Como ya se dijo, los turborreactores son el tipo más importante y el que presenta mayor

interés en ingeniería mecánica. En el esquema, su funcionamiento es el siguiente: el aire

es aspirado

Figura 1 - Esquema de un turbo reactor

y comprimido por el compresor, pasando a continuación a las cámaras de combustión en

donde se quema el combustible a presión constante. Los gases procedentes de ellas

accionan la turbina

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Figura 2 - Esquema de un estator reactor

destinada a mover el compresor y posteriormente salen por la tobera de escape con gran

velocidad produciendo el empuje necesario para la propulsión.

Los termo reactores no poseen mecanismo de aspiración. Por tanto, un avión o proyectil

equipado con tal sistema moto-propulsor no puede despegar por sí mismo haciéndose

preciso su lanzamiento por cualquier procedimiento.

Una vez adquirida una cierta velocidad inicial, el motor ya puede funcionar, debido a que

el aire eleva su presión mediante una toma dinámica.

En unos sistemas la combustión se realiza a presión constante y de un modo continuo. En

otros puede disponerse un mecanismo que abra y cierre la cámara de combustión.

Figura 3 - Pulso reactor

De esta forma se consigue mayor rendimiento al producirse la combustión a volumen

constante, pero el chorro de gases es intermitente. Tanto en uno como en otro sistema los

gases se expansionan en una tobera de escape produciendo el chorro propulsor.

Para impulsar aviones tienen poco interés estos sistemas moto propulsores, ya que

necesitan grandes velocidades de vuelo para tener rendimientos de alguna consideración.

Su campo de aplicación más interesante lo tienen en la impulsión de proyectiles, en

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAdonde se unen los efectos favorables de la gran velocidad de vuelo con la sencillez y poco

peso del sistema propulsor.

Figura 4 - Esquema de un cohete

Los cohetes impulsados mediante explosivos se conocen desde la más remota

antigüedad. Modernamente se construyen proyectiles y aviones equipados con motores

cohete. Se lleva en la aeronave el combustible y el comburente, utilizándose con

frecuencia el alcohol etílico y el oxígeno líquido respectivamente.

En la cámara de combustión se inyectan ambos elementos y los gases se expansionan en

una tobera, como acontece en todos los sistemas.

Su rendimiento de la propulsión es muy bajo para pequeñas velocidades de avance, por

lo cual no tienen mucha aplicación en la impulsión de aviones, presentando, en cambio,

magníficas características en la propulsión de proyectiles.

El tipo fundamenta] en la propulsión mixta es el turborreactor equipado con hélice

(turbohélice). Su funcionamiento es análogo al de un turborreactor, pero la turbina

además de impulsar al compresor acciona una hélice. Los gases de escape, que en su

expansión han tenido que suministrar energía al compresor y a la hélice a la salida de la

turbina poseen mucha menos energía cinética que en un turborreactor análogo, pero

también ayudan a la propulsión.

Es este un sistema moto-propulsor del mayor interés, debido a sus excelentes

características, presentando un magnífico porvenir en el campo de la aviación.

MOTOR A REACCIÓN MÁS UTILIZADO EN LA HISTORIASe refiere a lo que pudiera denominarse un turborreactor de tipo normal ya que los

motores posteriores difieren en innovaciones introducidas con vistas a mejorar sus

características geométricas y termodinámicas para generar mayor empuje con menor

consumo de combustible.P á g i n a 8 | 25


DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICARolls - Royce NeneEs éste uno de los turborreactores más utilizados en la historia, y aunque hay otros tipos

que actualmente difieren de él, especialmente por el tipo de compresor o cámara, el

principio sigue siendo el mismo, en su momento este motor fue innovador.

FuncionamientoEl aire penetra por las aberturas anulares (1), en las que se dispone una rejilla de

protección para evitar que penetren en el motor cuerpos extraños que pudiera arrastrar la

aspiración del compresor. En este último órgano (2) se eleva la presión, tanto en el rotor

como en el difusor, hasta poco más de unos 4 Kg/cm-. Es de tipo centrífugo y con dos

caras activas, es decir, con alabes en los dos lados del rotor.

Las cámaras de combustión se disponen en número variable alrededor del eje del motor,

existiendo nueve en el que estamos describiendo. Se componen de una envolvente o

cárter exterior (3), que lleva en su interior el tubo de llamas (4). Parte del aire que llega

procedente del difusor penetra en el interior de dicho tubo de llamas por una abertura

situada en su parte anterior, en la que suele disponerse también la conducción de

combustible para el inyector (5). Una parte de este aire atraviesa unas aletas helicoidales

que rodean la tobera de salida del combustible, con objeto de producir remolinos y

aumentar la turbulencia, lo que implica una notable mejora en la combustión. La otra parte

del aire primario que entra en el tubo de llamas ha de pasar a través de unos mamparos

cortafuegos (6), produciéndose con una y otra la combustión con una relación

aire/combustible ligeramente superior a la necesaria para que se produzca estrictamente.

Los inyectores son del tipo de tobera abierta, disponiéndose uno en cada cámara. El

combustible sale Analmente pulverizado, formando un chorro cónico con movimiento

helicoidal. Las presiones de inyección suelen variar entre 35 y 70 Kg/cm2. La bomba y

demás elementos del sistema de alimentación se describirán aparte.

La combustión se realiza de un modo continuo, más o menos a presión constante. > Las

bujías (8) se necesitan solamente para la puesta en marcha, no disponiéndose en todas

las cámaras puesto que están todas ellas conectadas entre sí por tubos a fin de igualar

las presiones, propagándose por ellos la llama durante el proceso de puesta en marcha,

desde las que tienen bujía a las demás.

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAEl aire secundario, que no había penetrado en el interior del tubo de llamas, circula

envolviéndolo y va introduciéndose en él por los orificios (7), homogeneizando la mezcla y

rebajando la temperatura. Con esta disposición las cámaras son capaces de funcionar

correctamente con relaciones totales aire/combustible muy elevadas, con la ventaja,

además, de estar rodeado el tubo de llamas de una capa de aire más fresco, que lo aísla

del exterior disminuyendo las pérdidas de calor.

A régimen nominal la relación total aire/combustible varía muy poco de 60:1, siendo este

número casi constante-para todos los turborreactores. A medida que disminuye el

régimen esta relación aumenta, pudiendo alcanzar en condiciones de marcha lenta

valores del orden de 150:1. Las cámaras son capaces de funcionar sin apagarse con

relaciones aire/combustible incluso superiores a 300:1, debido a que en la parte anterior

del tubo de llamas—zona donde se produce la combustión—los valores de dicha relación

son mucho menores.

Los gases de escape, ya homogeneizados y sin puntos calientes que pudieran haberse

producido por combustión retardada de partículas del combustible, llegan a la corona de

alabes fijos de la turbina —la directriz— (9), en donde se produce la primera expansión.

Debido a ella, la velocidad en los alabes móviles (10) del rotor (11) es considerable,

incidiendo los gases con un ángulo apropiado. Las turbinas son del tipo de reacción,

produciéndose, por tanto, una segunda expansión en los alabes móviles.

A través del árbol motor (14) la turbina suministra energía para accionar el compresor y

los mecanismos auxiliares.

En la tobera de salida (12) los gases experimentan su última expansión, saliendo al

exterior con gran velocidad y produciendo en esta forma el chorro propulsor.

El árbol motor (14) se apoya sobre cojinetes (15), en numera de tres para nuestro caso. El

central de bolas, a fin de soportar el empuje axil de la turbina,-y los de los extremos de

rodillos. En los turborreactores Rolls-Royce este árbol motor está formado por dos piezas

ensambladas mediante corona y piñón (16).

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICADe esta forma puede sacarse la turbina sin necesidad de tener que desmontar el motor de

un modo completo. Esto facilita las revisiones de los alabes, órganos a los que hay que

vigilar con frecuencia. No obstante, no puede cambiarse simplemente la turbina cuando

los alabes se deterioran, ya que ella y el compresor están en conjunto equilibrados

dinámicamente.

Por la parte anterior del compresor se suministra movimiento a los mecanismos auxiliares

(18), bombas, dínamos, etc.; estando también situada en dicha parte anterior la conexión

para el motor eléctrico de puesta en marcha.

En este motor el sistema de refrigeración empleado consiste en un ventilador (17), o

compresor centrífugo de pequeña relación de compresión (1,2:1) montado sobre el árbol

motor. Aspira el aire por las entradas (19), y tras refrigerar los cojinetes central y posterior

y el rodete de la turbina, sale por (20) al exterior. Además de la refrigeración tiene otra

misión este aire, que consiste en efectuar una presión de sellado sobre las juntas de

laberinto de dichos cojinetes, disminuyendo de esta forma las pérdidas de aceite

lubricante.

Figura 5 - Partes del motor Rolls Roys Nene

Magnitudes características de funcionamientoEl orden de presiones, temperaturas, velocidades, etc., que van adquiriendo los gases

durante su recorrido en el motor. Se refiere exclusivamente a turborreactores que utilizan

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAcompresores centrífugos con una relación de presiones igual o ligeramente superior a 4:1

y con valores de la relación aire/combustible del orden de.60:1. Además todos los datos

los expondremos para condiciones de régimen nominal del motor.

Si el avión está inmóvil el compresor aspira el aire, produciéndose una ligera depresión y

enfriamiento en la admisión. Con el avión en vuelo, debido al defecto de toma dinámica,

pueden llegar a producirse en la sección de entrada del compresor para muy grandes

velocidades de avance, incrementos de presión y temperatura de hasta 0,3 Kg/cm2 y 40

°C, respectivamente. En lo sucesivo, para los datos restantes supondremos que el avión

está inmóvil y al nivel del mar, con valores normales de la presión y temperatura del aire

exterior (1,033 Kg/cm2 y 15 °C).

Para relaciones de compresión del orden de 4:1 a 4,25:1 se producen unos incrementos

de temperatura en el compresor de unos 180-200 °C, con lo cual el aire sale del difusor a

205-215° y a una presión de unos 4,10 — 4,4 Kg/cm2. Estos incrementos de' presión y

temperatura corresponden, en forma aproximada, un 50 por 100 al rotor y un 50 por 100

al difusor.

Figura 6 - Presiones, velocidades, numero de Mach y temperaturas en el interior de un turbo reactorLas velocidades de entrada en el compresor son del orden de los 120-140 m/s, resultando

un número de Mach próximo a 0,4. Estos números están referidos a las velocidades

absolutas de entrada, resultando para las relativas, que son mucho mayores, números de

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAMach del orden de 0,9. Esto supone una limitación en las características del compresor,

pues al disminuir la temperatura cuando se aumenta la altura de vuelo pueden resultar

números de

Mach del orden de la unidad, con el peligro de la formación de ondas de choque en la

canalización de los alabes del rotor.

Para obtener relaciones de compresión tan elevadas en un solo escalonamiento se hace

preciso funcionar con grandes velocidades periféricas, superiores a los 470 m/s. Las

velocidades absolutas de salida en el rotor son de este orden, resultando ligeramente

supersónicas. En el intersticio radial existente hasta el borde de ataque de los alabes del

difusor la velocidad tangencial se amortigua, debido a la necesaria conservación del

momento de la cantidad de movimiento. De esta forma se alcanzan dichos alabes con

velocidades subsónicas, requisito imprescindible para que el difusor funcione sin

formación de ondas de choque y pueda dar buen rendimiento.

En el difusor se amortigua en gran manera la velocidad entrando el aire en las cámaras

de combustión con valores de ella inferiores a los 100 m/s.

Ya se indicó que la relación total aire/combustible suele variar poco de 60:1. Dentro del

tubo de las llamas penetra el aire por su parte frontal en una relación de 15-18:1,

produciéndose una temperatura de combustión de unos 2.000 °C. A la salida de las

cámaras, y debido a la mezcla con el aire restante, la temperatura ha bajado hasta unos

850-875 °C. La presión decrece también, pero en pequeña proporción, del orden de las

0,2-0,3 Kg/cm3.

Las velocidades y números de Mach son pequeños durante toda la fase de combustión.

En la figura 15-1 se representan en forma punteada para dicha zona, ya que en ella la

distribución de velocidades es muy irregular y variable de unos puntos a otros. En esa

misma figura, la ley de variación de las temperaturas en la zona de combustión se ha

representado por dos líneas: una, indicando las existentes en el interior del tubo de

llamas, y la otra, el valor medio en cada sección entre la temperatura anterior y la del aire

envolvente. El pequeño decrecimiento final del valor medio es producido por una pequeña

expansión e incremento de energía cinética.

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICAEn la turbina los gases experimentan una gran expansión mayor en la directriz que en los

alabes móviles del rotor. La presión cae hasta unos 1,4-1,6 Kg/cm2 y la temperatura

disminuye hasta 610-640°. La velocidad absoluta de salida de los gases en la directriz es

muy elevada, superior a los 600 m/s. Se dimensiona este, órgano para que coincida

aproximadamente con la velocidad del sonido a dicha temperatura. Como es lógico, la

velocidad absoluta de salida en los alabes móviles es mucho menor, de unos 380 m/s, lo

que representa valores del número de Mach de 0,65 a 0,7, para el orden de temperaturas

que se indicaron:

En la tobera de salida experimentan los gases su última expansión, pero no

uniformemente en toda su longitud. Para reducir las pérdidas de rozamiento se

dimensiona la tobera de forma que en toda su primera zona no disminuye o crezca

ligeramente la presión del gas, a fin de que las velocidades de paso no sean demasiado

elevadas en una gran parte de su longitud. Al final de ella, en la denominada por los

ingleses «tobera propulsora», es donde se produce la expansión final, saliendo los gases

con la presión ambiente, a una velocidad de unos 540-560 m/s, y con una temperatura de

unos 550-575 °C, viniendo a resultar un número de Mach igual a la unidad.

COMPONENTES ELEMENTALES DEL MOTOR DE REACCIÓN “TURBO REACTOR” Un grupo moto propulsor de reacción se puede considerar constituido por los siguientes componentes elementales:

1. Compresor2. Cámara de combustión3. Turbina4. Tobera

1. CompresorEl compresor más habitual en estos tiempos es el axial (ya explicaré esto mejor en la segunda entrada). Su función es aspirar aire y comprimirlo. Tiene una pinta tal que así:

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Figura 7 - Compresor

Está formado por unos discos con álabes que dan vueltas, y otros que están quietos.

Los que giran se llaman "ROTOR", y los que están quietos se llaman "ESTÁTOR".

Huelga decir que los álabes son aerodinámicos, como los perfiles de las alas. La

misión del rotor es aportar una energía cinética al fluido, una velocidad, vaya.

Después, ese incremento de energía cinética se convierte en un incremento de

presión en el estator, ya que sus álabes forman conductos divergentes (recordad que

si el aire atraviesa un conducto divergente, su velocidad disminuye y su presión

aumenta, y si es convergente, al revés.

2. Cámara de combustiónUna vez el fluido ha pasado el compresor, su presión es elevada. Ahora es el

momento de inyectarle combustible y quemarlo (estaríamos a punto de pasar a la

tercera carrera de pistón en un motor de explosión). Suelen distinguirse tres tipos,

pero como esta entrada es una explicación general.

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Figura 8 - Partes de la cámara de combustión

Es muy sencillo, el aire llega comprimido, y se divide en dos flujos. El flujo primario

se introduce en el "tubo de llama", se inyecta combustible con un vaporizador y a

través de una bujía, se inflama la mezcla. La temperatura alcanza 1700-2000ºC. El

flujo secundario va entre el tubo de llama y la carcasa (cárter) refrigerando el

material del tubo a base de crear una película de aire. Al final de la cámara, el flujo

secundario se mezcla con el primario para bajar la temperatura hasta unos 200-

500ºC. Si no se hiciese esto, la turbina (que es el elemento que viene después de

la cámara de combustión) se fundiría.

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Figura 9 - Combustión en la cámara

3. TurbinaAquí es donde la mayoría de la gente falla. La gente se piensa que "turbina" hace

referencia al motor entero, o que la "turbina" es la parte del motor que se ve por

delante, dando vueltas.

Cuando el aire atraviesa la turbina, la mueve como si fuese un molino. Y la turbina

está conectada mediante un eje al compresor. También está conectada a un

generador eléctrico. Vamos, que la turbina cuando gira, mueve al compresor y

además genera electricidad. Es exactamente lo mismo que un generador eólico, o que

una central hidroeléctrica. Eso es una turbina.

La turbina, al igual que el compresor, está formada por discos con álabes que giran

(Rotor) y otros que están quietos (Estator). La diferencia con respecto al compresor es

que el estator va antes del rotor, y sirve para exactamente lo contrario que en el

compresor: en este estator se transforma la presión en energía cinética, y el rotor es

movido por el aire, desarrollando trabajo.

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Figura 10 - Parte de la turbina

En torno a 1/3 de la potencia de los gases se usa para mover la turbina y con ella

el compresor. Los otros 2/3 son los que se encargan de obtener empuje a la

salida.

4. ToberaEn la tobera los gases se expanden, adquiriendo velocidad. Después, salen a la

atmósfera. Y recordad que el empuje es función de la diferencia de velocidades entre

la salida y la entrada del motor.

Figura 11 - Tobera

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICADe esta forma tan bonita, haciendo uso de los componentes descritos,

conseguimos que el aire que atraviese el motor se acelere lo suficiente como para

generar un empuje suficiente para que el avión se mueva.

PRINCIPIO CIENTIFICO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE RACCIÓNUn motor a reacción es una máquina que produce un empuje, realizando una serie de

transformaciones termodinámicas a un fluído (aire). Para comprender mejor esto, vamos a

empezar diciendo las leyes físicas que rigen el funcionamiento de un motor de reacción.

Éste se basa en la 2ª y 3ª ley de Newton.

2ª Ley: "El aumento en la cantidad de movimiento es igual al impulso de la fuerza

aplicada".

3ª Ley: "A toda acción le corresponde una reacción igual y de sentido contrario"

¿Qué quiere decir todo esto? La segunda ley lo que expresa, básicamente, es esto:

m·dV = F·dt esto se puede reordenar así: m·dV/dt=F, que es la clásica ecuación de

m·a=F, es decir, la fuerza que le aplicas a un cuerpo es igual a su masa por la aceleración

que desarrolla al aplicarle dicha fuerza.

La tercera ley lo que significa es que cuando tu aplicas una fuerza a algo, ese algo te

aplica a ti una fuerza igual y de sentido contrario. El ejemplo típico es el de la pared:

cuando se empuja una pared, te vas para atrás. La pared ejerce sobre ti una fuerza igual

a la que le aplicas tú, en sentido contrario.

Pero, ¿qué me estás contando? ¿Qué es esto? Apliquemos estas dos leyes a un motor

de un avión y entenderéis lo que quiero decir. El motor chupa una masa de aire y lo

acelera. Cuando el aire sale por detrás del motor, sale acelerado, ¿no? Mirad la ecuación

de arriba. Si a una masa de aire la hemos acelerado, esto quiere decir que el motor está

aplicando una fuerza al aire. ¿Y qué pasa según la tercera ley? Que el aire le aplica al

motor una fuerza igual y en sentido contrario. Es decir, el aire sale impulsado hacia atrás y

el motor hacia delante.

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Figura 12 - Fuerza de Empuje

El aire que incide en el motor, se comprime debido a la velocidad antes de entrar en el

motor, y a través del propio conducto de entrada, dada su forma divergente.

Al llegar al compresor, la masa de aire sufre un gran aumento de presión debido al trabajo

suministrado por la turbina.

Se define el trabajo específico de un elemento como el trabajo que se realiza de los

álabes por unidad de masa del fluido que lo atraviesa.

En el caso de la turbina, dicho trabajo específico aumenta con la velocidad de los álabes y

con el giro de aire. El aire pasa a través del difusor pre cámaras reduciendo su velocidad,

alas cámaras de combustión, donde se les aporta calor a presión constante

(teóricamente) debido al combustible quemado en las mismas. Los gases en la salida de

las cámaras de combustible posee una gran presión, temperatura y energía cinética.

Parte de esta energía según el diseño, se convierte en la turbina en trabajo mecánico

para mover el compresor y la caja de accesorios, dado que el rotor de la turbina va

montado en el mismo eje que el del compresor, finalmente en energía cinética, al acelerar

la corriente de los gases de escape.

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CICLO BRAYTONSe denomina ciclo a un proceso termodinámico a lo largo del cual se van cambiando las

condiciones iniciales.

El ciclo Brayton se define con el ciclo que corresponde al motor de reacción y se

caracteriza por realizarse en él la combustión teóricamente, a presión constante.

Figura 13 - Ciclo Brayton

Diferentes fases de funcionamiento del motor

0 – 1 Compresión de admisión

1 – 2 Compresión en el compresor

2 – 3 Combustión en cámaras

3 – 4 Expansión en turbinas

4 – 5 Expansión en toberas

El área encerrada dentro del ciclo representa el trabajo útil que se obtiene del motor.

El cociente de las áreas del ciclo practico y teórico es precisamente lo que se define el

rendimiento del ciclo (practicabilidad) siendo la diferencia de dicha áreas las pérdidas

ocasionadas en las distintas fases de funcionamiento del motor.

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICALa practicabilidad se define como la reacción entre el trabajo real obtenido y el trabajo

total disponible en la expansión, esta aumenta con la temperatura máxima del ciclo.

El ciclo teórico (ideal) los procesos de compresión y expansión se realizan según una

adiabática y los de adición y cesión de calor según una isobara.

Finalmente el rendimiento termodinámico es la relación entre el calor equivalente al

trabajo útil del ciclo y el calor total suministrado (por kg de agente combustible).

INYECCIÓN DEL AIRE COMPARACIÓN CON MOTOR 4 TIEMPOSEl motor a reacción le aplica al fluido las mismas transformaciones que se desarrollan en

un motor de explosión (el de los coches, normal y corriente), esto es: compresión,

explosión/expansión.

En el cilindro de un motor de explosión, lo primero que ocurre es que entra la mezcla aire

combustible (bueno, ahora la verdad es que entra el aire y el combustible se inyecta

durante la compresión, pero para entender el funcionamiento nos importa un pepino). Una

vez está en el cilindro, el émbolo o pistón sube comprimiendo la mezcla. Cuando el pistón

está arriba, y la mezcla bien comprimida, salta la chispa de la bujía, que hace que la

mezcla se queme. Ésta explota, y expande los gases, empujando al émbolo hacia abajo.

Después éste sube, por inercia, con la válvula de escape abierta, sacando los gases. La

explosión de la mezcla, al hacer bajar el émbolo, es la que hace que se mueva el

cigüeñal, y éste hace que se muevan las ruedas (o hélice, en un avión). Si se representa

en un gráfico presión-volumen, las condiciones del fluído describen una línea cerrada, y el

área encerrada en la misma es el trabajo que hemos aportado al fluido.

En el reactor ocurre lo mismo: el aire entra por delante, se comprime en el compresor, se

quema en la cámara de combustión y se expulsa a través de la tobera. La diferencia es

que se expulsa muy rápido, y eso produce el empuje (3ª ley de Newton).

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Figura 14 - Comparación entre el ciclo de un motor de 4 tiempos y a reacción

Lo ideal: ¿se podría hacer un motor de explosión en el cual el cigüeñal no estuviese

conectado a las ruedas, y el movimiento del coche se obtuviese con los gases de escape? Quiero decir, que los gases de escape del coche saliesen suficientemente

rápidos como para producir un empuje, según la tercera ley de Newton. Sería un motor de

explosión funcionando como un reactor.

APLICACIÓN EN EL CAMPO AUTOMOTRIZ

Con más de 300 caballos de fuerza y velocidades superiores a los 350 km/h, la MTT

Turbine Superbike, conocida como Y2K, es la motocicleta de producción más potente del

mundo y, además, la más costosa de cuantas se fabrican actualmente para su venta al

público. Construida en 1999, salió un año después y ya en 2008 sacó una nueva versión

más poderosa todavía.

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15 - Moto con motor a reacción

Motocicleta Superbike impulsada por un motor de turbina. La primera noticia que tuvimos

de esta moto fue a través de la revista Café Racer en su edición de mayo de 1999, pero el

modelo de producción se vino a introducir ya en el año 2000.

Tiene un motor Rolls-Royce, modelo Alison turbo 250, que da 238 kW, o sea, unos 320

caballos de fuerza (CV). Este motor impulsa a la Y2K a una velocidad máxima de 227

millas/hora, equivalente a 365 km/h. Con un precio que oscila entre 150 000 y 185 000

dólares, es la moto de producción más cara del mundo. Así lo confirma el libro de los

récords Guinness, como “la motocicleta más poderosa en producción” y “la motocicleta en

producción más costosa”.

A diferencia de algunas motocicletas con motores a reacción que fueron construidas

anteriormente, en las que el motor a reacción empuja directamente mediante un eje a la

rueda trasera, la Y2K tiene tracción también a la rueda trasera, pero a través de una caja

de cambios de dos velocidades. La moto no es fácil de conducir pues tiene además un

caballo muy largo para albergar el motor.

Los motores que utiliza la Y2K son de Rolls-Royce de uso, los cuales ya cumplieron su

período útil en vuelo aéreo (según la Administración Federal de Aviación, FAA, sus siglas

en inglés), aunque pueden seguir funcionando en tierra. La empresa los compra a un

precio más bajo y los repara completamente para ponerlos a funcionar en las motos con

buenos resultados, sin restricción de la FAA.

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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICALa Y2K con motor de turbina jet puede trabajar con diferentes combustibles para hacer

más fácil su uso. Además de los combustibles propios de motores de turbina, puede usar

queroseno, combustibles diesel e, incluso, combustible Jet A.

También esta moto tiene algunas innovaciones incorporadas, como detector por radar con

codificador laser, cámara de video trasera montada con pantalla LCD y un asiento

opcional para llevar un pasajero, todo a solicitud del cliente.

BIBLIOGRAFÍA

MOTORES DE REACCIÓN Y TURBINAS DE GAS: ESTEBAN TERRADAS

INSTITUTO NACIONAL DE TÉCNICA AERONÁUTICA MADRID 1951

http://www.enocasioneshagoclick.com/2009/06/escuadron-click-como-funciona-un-motor.html

Firma

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6-motores a reacción-julio ramírez

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