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G. Paniagua, P. PiquerasDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA
Historia y clasificación de
motores a reacción
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
TEMA 1
2
Índice
Historia:
Desarrollos previos
Los inventores del motor a reacción
Clasificación general de aerorreactores
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
La propulsión a reacción es una aplicación práctica de la 3ª Ley del
Movimiento de Newton: Principio de Acción-Reacción (1687)
Primeras aplicaciones de este principio en torno al año 120 a.C.
Heron de Alejandría aplica el principio de acción y reacción a la
Esfera de Eolo (eolípila).
Ya en torno al año 1000, los chinos descubren
la pólvora. Las evidencias de su uso en
pequeños cohetes datan del año 1232.
3 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
Aportaciones de Leonardo da Vinci
35000 páginas y 500 esquemas respecto al vuelo entre 1486 y 1490
En torno al año 1500, introduce la chimney jack, máquina de reacción.
En el año 1629, Branca desarrolla la primera turbina de impulso
4 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
1687, Newton aporta la idea del carruaje de vapor...no se movió. Lo
desarrolló Jacob Gravesand.
En 1791, Barber desarrolla la primera turbina
de gas según el ciclo Brayton (primera
patente)
Compresor alternativo
Cámara de combustión
Turbina
5 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
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Historia. Desarrollos previos
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
1891 a 1896, Otto Lilienthal, desarrolla con éxito los primeros
planeadores, siendo capaz de realizar más de 2500 vuelos. Falleció
en un accidente durante unas pruebas.
Samuel Langley logro el primer vuelo sostenido con un elemento
más pesado que el aire, propulsado y no tripulado en 1896. Dos
intentos de vuelos tripulados fracasaron.7 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
8 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
Wilbur y Orville Wright consiguieron realizar, el 17 de diciembre de
1903, el primer vuelo controlado, sostenido, propulsado, tripulado y
con un elemento más pesado que el aire de la historia.
Pero no fue fácil, en 1900 y 1901 habían construido el Glider I y
Glider II, obteniendo peores resultados que Lilienthal...
Deciden construir su propio túnel de viento, donde ensayan
diferentes tipos de ala, hélices, etc...
El resultado fue el Glider III, mucho más
eficiente aerodinámicamente.
9 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
10 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
Posteriormente, desarrollan su propio motor de combustión interna
alternativo, de gasolina y lo suficientemente ligero, dada la
inexistencia de modelos comerciales
que se ajustaran a sus necesidades...
11 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
Resolvieron también problemas de control de vuelo: alabeo
...y el 17 de Diciembre de 1903, tiene lugar el primer vuelo con el
Flyer I
12 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Desarrollos previos
Nicolas Florine, Bruselas 1922 (http://www.youtube.com/watch?v=DsXgmOurwts)
13 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Inicios de la propulsión a reacción.
Por cada fuerza actuando sobre un cuerpo, existe otra de la misma
magnitud actuando en la misma dirección y sentido contrario.
Se produce la aceleración del aire en su paso a través del motor.
La fuerza requerida para producir esta aceleración tiene un efecto de
la misma magnitud y sentido contrario que actúa sobre el motor,
dando lugar al movimiento del mismo.
La propulsión a reacción es, en definitiva, un fenómeno interno.
14 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Inicios de la propulsión a reacción.
Año 1913, René Lorin
Diseña y describe el principio de funcionamiento de un estatorreactor
(athodyd, ramjet).
No era factible fabricarlo en la época: ausencia de materias resistentes
a las altas temperaturas.
Ineficiente a las velocidades de vuelo de la época, pero los ramjet
actuales son muy similares a la concepción de Lorin.
15 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Los inventores del motor a reacción.
Se reconoce como coinventores
a Sir Frank Whittle, a quien pertenece la primera patente (1930-1932).
y a Dr. Hans von Ohain, que desarrollo el primer turbojet en realizar un
vuelo (1939).
von OhainWhittle
16 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Historia. Los inventores del motor a reacción.
En el caso de Whittle, pasaron once años, hasta que su diseño
realizo el primer vuelo en 1941 en el Gloster E28/29.
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Clasificación de aerorreactores
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
18 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Motores cohete El sistema de propulsión tiene como función combinar el uso
de energía con materia para generar una corriente de
partículas de alta velocidad.
19 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Motores cohete
Esquema general
Propelentelíquido
20 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Motores cohete
Propelentehíbrido
Propelentesólido
21 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Motores cohete
Nuclear
Arcoeléctrico
22 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Motores cohete
Electromagnético
Electroestático
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Clasificación de aerorreactores. RAMJET Athodyd (ariete de retropropulsión, conducto aerotermodinámico)
Ausencia de partes móviles
Elementos principales: difusor, cámara de combustión, tobera
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
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Clasificación de aerorreactores. RAMJET
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Ventajas: Bajo peso
Elevado ratio empuje-peso (~30)
Ausencia de partes móviles
Tolerancia a muy elevadas
temperaturas
Elevada eficiencia
Velocidades de hasta Mach 6
Desventajas: No produce empuje en
condiciones estáticas
Ineficiente en vuelos subsónicos
Necesidad de frenar el aire
hasta régimen subsónico en la
cámara de combustión
Problemas de combustión M6
Ruidoso
25 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. SCRAMJET Sencillo mecánicamente – Complejo aerodinámicamente
Combustión en régimen supersónico (hidrógeno)
Proyecciones de velocidad de vuelo: Mach 12 ~ 24 (orbital)
Eficiente a partir de Mach 5, probablemente Mach 7
Bajo ratio empuje – peso (~2:1) (Cohete ~100:1)
26 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. PULSEJET Motor de combustión interna
Combustión intermitente
Elementos principales: admisión, cámara de combustión, tobera
Etapas de funcionamiento:
Admisión (one-way valve /
valveless)
Combustión (↑P ↑T)Cierre de válvulas para evitar
reflujos
Expansión de los gases de
escape y apertura de las
válvulas de admisión
27 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. PULSEJET Valveless pulsejet: sin elementos móviles.
Válvula aerodinámica
28 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. Pulsejet Motor de detonación pulsante (PDE)
Las diferencias se encuentran en el proceso de combustión.
Pulsejet: deflagración
Velocidad de combustión inferior a la velocidad del sonido
Discontinuidad de temperatura
Presión constante
PDE: detonación
Velocidad de combustión supersónica
Discontinuidad de presión
Muy elevada eficiencia de la combustión
Problemas:
Dificultad de control sobre la combustión
Muy ruidoso
Fatiga mecánica de los materiales
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Clasificación de motores TG
Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Motores de turbinas de gas
Turbojet
Hélice conducida
por una turbina libre
Hélice conducida
por el eje del
compresor
Una hélice
Dos hélices
contrarrotantes
Turbohélice
(turboprop)
Turboeje
(turboshaft)Turbofan
Propfan
Turbopropfan
Advanced duct
fan engines
Nuclear
No nuclear
Sin post-
combustión
Con post-
combustión
Contrarrotante
No contrarrotante
30 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOJET Término genérico para un motor basado en el ciclo turbina de gas
Eficiente a elevadas velocidades (a partir de Mach 2)
Componentes: admisión, compresor, cámara de combustión, turbina
y tobera propulsiva
31 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOJET Número de ejes
32 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOJET Compresor centrífugo o axial
Los primeros turbojet de Whittle
(W.1) y von Ohain (He S-1)
montaban compresores
centrífugos
33 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOJET Con o sin post-combustión
Incrementa el empuje
Poco uso en aviación civil
(Concorde)
34 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOJET Nuclear o no nuclear
Importantes estudios entre el final
de la década de los 40 e inicio
de los 50 (inicio de la Guerra Fría).
35 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de aerorreactores. TURBORAMJET Combinación del turbojet (hasta Mach 3) con el ramjet ( ↑↑ Mach)
Clasificación de aerorreactores. TURBOROCKET Transporta su propio oxígeno para llevar a cabo la combustión.
Un compresor de baja presión es conducido por una turbina multi-
etapa movida por la energía liberada en la cámara de combustión.
Quemadores de post-combustión: Mezcla rica de la turbina + O2atm
Elevado consumo (alta velocidad, elevada altitud, aceleración,…)
36 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
37 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOHÉLICE Combina las mejores características de los turbojet con la posibilidad
de usar una hélice, como ocurría en los motores alternativos.
El diseño se optimiza para generar trabajo sobre un eje que mueve
una hélice (preservar velocidad subsónica en la punta de hélice)
Muy eficiente a velocidades subsónicas bajas (400-500 km/h)
Transmisión compleja: una caja de cambios controla la velocidad de
giro de la hélice.
Una única turbina mueve
el compresor y la hélice.
38 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOHÉLICE Combina las mejores características de los turbojet con la posibilidad
de usar una hélice, como ocurría en los motores alternativos.
El diseño se optimiza para generar trabajo sobre un eje que mueve
una hélice.
Muy eficiente a velocidades subsónicas bajas (400-500 km/h)
Transmisión compleja: una caja de cambios controla la velocidad de
giro de la hélice.
Una turbina de alta mueve
el compresor y una turbina
de baja presión a la hélice.
39 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOEJE Similares a los turbohélice, tienen su uso en helicópteros.
La principal diferencia aparece en el hecho de los turbohélices
producen un empuje residual que en el caso de los turboeje no
existe.
La caja de cambios es un elemento fundamental, forma parte del
vehículo.
40 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOFAN Diseñados como un compromiso entre los turbohélice y los turbojet.
Se componen de una hélice interna (ducted propeller) por la que
pasan dos corrientes de aire:
La corriente primaria atraviesa todos los componentes del motor (core).
La corriente secundaria pasa a través del ventilador y
O bien se le hace pasar a través de una tobera fría
O bien se mezcla con la corriente primaria tras el paso de ésta por la
turbina, y pasan juntas a través de la tobera propulsiva.
Mejores prestaciones y consumo que los turbojet, disminuye la
contaminación acústica.
Mayor complejidad, álabes pesados, más expuesto a daños por
objetos externos o hielo.
Uso intensivo en aviación civil comercial (30000-40000 ft, M≈0.8).
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4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:
Fan delantero o trasero:
42 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:
Elevado o bajo BPR:
• Elevados BPR para
vuelos comerciales de
largo recorrido.
(BPR ↑ 5:1)
• Bajos BPR en aplicaciones
militares.
43 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:
Flujo mezclado:
44 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:
Flujo no mezclado:
45 Motores a reacción y turbinas de gas
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Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:
46 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. PROPFAN También conocidos como unducted fan o ultra high BPR, ruidosos.
Busca combinar el bajo consumo del turbohélica y la velocidad del
turbofan.
Contra-rotantes: mejores prestaciones, pero caro, complejo y
pesado para determinadas aplicaciones
Rotante de palas fijas
Rotante
Rotante de palas fijas
47 Motores a reacción y turbinas de gas
4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores TG. ADVANCED DUCTED FAN
Se trata de turbofans con palas de barrido de gran tamaño y
modificación de paso entre palas y cajas de cambio similares a las
de los turbohélice.
BPR entre 15:1 y 25:1 (mejora consumo, disminuye ruido)
Propfan concept
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4º Curso Ingenería Aeronáutica
Clasificación de motores. Comparación
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