reaccion

LOS MOTORES A REACCION

JHON JAMES QUINTERO OSORIO

RESUMEN. Cuando se habla de motores a reaccion de inmediato se viene a lacabeza la pregunta ¿de que tipo de reaccion son los motores a reaccion ?, puesen este pequeno escrito tengo como objetivo mostrar cuales son las principalescaracterısticas de dichos motores. Se iniciara con una introduccion a este tipo demotores y posteriormente se mostraran los fundamentos fısicos que sustentan sufuncionamiento.

1. INTRODUCCION

Los motores a reaccion son usados con frecuencia en la aeronautica con el fin dedar propulsion a los aviones, sin embargo la idea de usar el empuje desarrolladopor un gas en movimiento, ronda los 2000 anos, tiempo en cual Hero de Alejandrıaconcibio una turbina a vapor, ademas tambien se afirma que los chinos han usadola reaccion para elevar los cohetes de polvora desde el siglo XII a.D. Sir Isaac New-ton en el siglo XVII describio las caracterısticas del empuje a reaccion en sus leyesde la mecanica, con base en las cuales en 1791 Jhon Barber diseno lo que se conocecomo la primera turbina a gas, sin embargo para la epoca la inexistencia de mate-riales necesarios y la falta de las tecnicas de fabricacion adecuadas no permitieronfabricarla.

Para la decada de los 30 el ingeniero Aleman Hans von Ohain, y un ingenieroingles, Frank Whittle trabajaban de manera independiente en el diseno de un nue-vo tipo de motor. Ya para el ano de 1938 Hans von Ohain y su mecanico MaxHahn ya habıan disenado, construido y realizado pruebas de vuelo de un avionde propulsion a chorro. Los elementos esenciales de los disenos de ambos eran:

Un compresor.Alguna especie de rotor.Una turbina.

En 1947 el avion disenado por Whittle volo con exito, dando inicio a la era de lapropulsion a chorro.

2. FUNDAMENTOS DE FUNCIONAMIENTO

Los motores a reaccion se basan en las leyes de la mecanica de Newton:1. Todo cuerpo permanece en reposo o con movimiento uniforme (aceleracion

nula) a no ser que existan fuerzas actuando sobre el.2. El incremento en la cantidad de movimiento es igual a la impulsion de la

fuerza aplicada y tiene la misma direccion que esta.3. A toda accion de una fuerza, aparece una fuerza en direccion opuesta.

Despues de recordar estas leyes se puede iniciar la explicacion del funcionamientode los motores a reaccion usando la analogıa que aparece en la siguiente figura:

1

LOS MOTORES A REACCION 2

��

��

P

FIGURA 2.1. Un globo inflado

FIGURA 2.2. Escape de gas de un globo.

El gas que esta dentro del globo se encuentra a cierta presion, si se deja escaparpor la boquilla del globo como se muestra en la figura 2.2, este saldra a alta veloci-dad generando una fuerza de empuje igual a:

(2.1) F = m(Cs − Co) = ∆P A

Si al globo anterior se le agrega un compresor que mantenga la presion, la cuales necesaria para generar empuje, la velocidad de salida de la masa seguira siendoconstante y alta. Si en lugar del compresor abrimos un agujero en la parte delanteradel globo y colocamos el compresor dentro del mismo, tendremos algo como loque se muestra en la figura 2.3.

Esto todavıa dista de parecerse a un motor a reaccion pero agregando unascuantas cosas mas tendremos un dispositivo con las caracterısticas fundamentales


FIGURA 2.3. Compresor Interno.

FIGURA 2.4. Calentamiento del Gas.

de estos. Si al sistema anterior le agregamos algo que aumente la temperatura delgas antes de salir obtenemos el sistema de la figura 2.4.

Si por ultimo incrementamos el flujo de masa que atraviesa el sistema utilizandoun agujero mas grande y una elice obtenemos un sistema como el de la figura 2.5 .


FIGURA 2.5. Incremento del Flujo de Masa.

Es posible decir que los motores a reaccion son motores que usan gases queexpulsados a gran velocidad generan una fuerza en sentido contrario, a la quese denomina empuje. Despues de plantear todo el sistema veamos cuales son losprocesos que se realizan en los motores a reaccion:

Compresion adiabatica.Combustion isobarica.Expansion adiabatica.Salida de gases de desecho.

Este ultimo ciclo de funcionamiento es el que se denomina ciclo Brayton, el cual seilustra en la figura 2.6 el calculo de la fuerza se hace mediante la ecuacion 2.2

(2.2) F = (mU)saliente − (mU)entrante

La ecuacion anterior puede escribirse como:

(2.3) F = m ∆U

Donde ∆U es la diferencia entre la velocidad de entrada y la de salida del gas.La eficiencia de el ciclo Brayton ideal puede calcularse de la siguiente forma:

(2.4) η =|W34| − |W12|

|q23|=

|q23| − |q41|

|q23|

La cual usada para un gas ideal se puede escribir como:

η =cp(T C − TB) + cp(T A − TD)

cp(T C − TB)


FIGURA 2.6. Diagramas ideales del Ciclo Brayton.

Como para una expansion y compresion adiabatica reversible p2 = p3 y p1 = p4

por ello podemos escribir:

T2

T1

= (p2

p1

)(k−1)

k = (p3

p4

)(k−1)

k =T3

T4

Combinando las dos ecuaciones anteriores obtenemos:

η = 1 −TA

TB

= 1 − (pA

pB

)(k−1)

k

Existen cuatro tipos basicos de motores a reaccion, el turboreactor, el turbo-propulsor, el turboventilador(turbofan) y el ramjet, los cuales se muestran en lassiguientes figuras:

Cada uno de los tipos de motores mencionados tiene caracterısticas que lo ha-cen mas o menos conveniente para un una velocidad de crucero en particular.

La figura 2.7 muestra un ejemplo de una turbina de avion tipo turboventilador,es claro que el funcionameiento de estos motores comerciales es bastante complejoen la realidad, pero todos ellos usan el mismo principio, generar empuje por mediode la expulsion de gases a alta velocidad.

.


CUADRO 1. Componentes de los diferentes tipos de motores.

FIGURA 2.7. Turbina de avion tipo turboventilador


REFERENCIAS

[1] Fundamentos de Termodinamica, Octave Levenspiel, Prentice Hall 1997. ISBN 968-880-942-X.[2] Internet: http://wings.avkids.com/Libro.html.

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