unidad vi motor turbo eje

7/23/2019 Unidad Vi Motor Turbo Eje

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SISTEMAS PROPULSIVOS

Academia de Térmica

UNIDAD VI MOTOR TURBO EJE

6.1.- TIPOS DE MOTORES TURBO EJE

6.2.- DESCRIPCIÓN DE CADA COMPONENTE DEL MOTOR

6.3.- APLICACIONES DEL MOTOR TURBOEJE

6.4.- APLICACIONES DIVERSAS





6.1.- TIPOS DE MOTORES TURBOEJE (TURBOSHAFT)

Su funcionamiento es igual a la de un turborreactor. La diferencia es que después de la

turbina que da potencia al compresor hay una segunda turbina con la que se extrae másenergía del aire para mover la hélice de un avión o el rotor de un helicóptero. Es unadiferencia radical de concepto ya que la fuerza propulsora ya no la da el impulso del aire alsalir por la tobera de escape sino el movimiento de la hélice o rotor

Cómo funciona la turbina de gas.- En operación normal del turboeje, la primera etapa deturbina arrastra al compresor centrífugo que ingiere y comprime el aire. El aire comprimido escalentado cuando pasa a través del lado de alta presión de los regeneradores, acontinuación el aire entra en la cámara de combustión en la cual se inyecta el combustible,se mezcla con el aire y se produce su ignición. El combustible quemado eleva la temperaturade los gases (una mezcla de los productos de combustión y aire) e incrementa su energía

cinética. Estos gases calientes atraviesan la primera etapa de turbina, que es la que arrastrael compresor. Después atraviesa la segunda etapa de turbina (turbina de potencia) que es laque genera el movimiento del vehículo. A continuación los gases atraviesan el lado de bajapresión del regenerador calentando el panel de abeja (honeycomb) y se dirige a losconductos de escape con los dos pequeños regeneradores, el motor resulta compacto, y seequilibran los gradientes de temperatura en ambos lados. El aire de admisión procedente delcompresor se divide en dos caminos, que pasan a través de los regeneradores y llegan juntos de nuevo a la cámara de combustión. Los gases calientes de la cámara, una vez quehan atravesado los dos escalones de turbina, se dividen de nuevo en dos flujos para pasar através de los regeneradores y salir después por los conductos de escape.





CARACTERÍSTICAS DEL TURBOEJE El turboeje (“TURBOSHAFT”) corresponde con la configuración de una

turbina de gas de tipo industrial general, aplicada al modo aeronáutico. La utilización de los turboejes en aviación, es en los helicópteros, si

bien un alto porcentaje se utilizan como unidades de energía auxiliar(APU, AUXILIAR POWER UNIT) en todo tipo de aviones. En los turbohélices, predominan las gamas pequeñas de potencias, con

rendimientos mecánicos similares a los turbohélices y relacionespotencia/peso ligeramente inferiores a estos

Una característica importante de los “turboshafts” lo constituye lasRPM de los tres rotores principales, el orden de magnitud puede ser:

1. RPM del rotor compresor turbina: 60.0002. RPM del rotor de la turbina de potencia: 30.0003. RPM del rotor de extracción de potencia: 6.000 Esto es igual a: rb/ra = 1 / 2; rc/rb = 1 / 5; rc / ra = 1 / 10

Como en el caso de los turbohélices, su utilización es en la aviacióncomercial y la aviación militar.

TERMINOLOGÍA CORRESPONDIENTE A LOS TURBOEJES: SHP: ídem turbohélice, aplicada a la extracción de potencia. SFC: ídem turbohélice, relativo al consumo para obtener SHP

La configuración de los motores turboshaft o turboeje (Figura 6.1) es muy similar a la delos turboprop. Gran parte de la energía producida por la unidad generadora de gases esempleada para mover el rotor del helicóptero a través de un sistema de transmisión o parageneración auxiliar de potencia eléctrica o neumática en algunas aeronaves en sistemasconocidos como unidades de potencia auxiliar (APU).

Figura 6.1.- Esquema del turboeje o turboshaft

Un motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje para operar a algoque no sea una hélice, se le conoce como un motor turboeje. Los motores turboeje sonsimilares a los motores turbohélices. La toma de fuerza puede acoplarse directamente a laturbina del motor, o el eje puede estar arrastrado por su propia turbina (turbina libre)localizada en la corriente de gases de escape. La turbina libre gira independientemente.Este principio es el que se usa ampliamente en los motores turboeje que se fabricanactualmente.





El motor turboeje se compone de los siguientes elementos .Compresor y Cámara de combustión .Turbina, que acciona el compresor .Turbina, de potencia para el rotor del helicóptero. .Tobera de salida

El rendimiento propulsivo del turboeje aventaja al de los turborreactores puros y dedoble flujo y su valor es considerablemente más elevado a baja velocidad depropulsión. Una de las principales características del turboeje es su bajo consumoespecífico en valores menores de 0.6 Kg/HP/hr

La menor resistencia al avance que presentan las instalaciones de los motores turboejecomparado con los motores alternativos hace que los aviones turboeje tengan grandesactuaciones a alturas superiores a los 30,000 pies, si bien estas están limitadas por lacaída rápida del rendimiento del eje a velocidades superiores a 600 km/hraproximadamente. De aquí que aún siendo pequeño el rendimiento del turborreactor puro

aventaje al turboeje para la operación a alta velocidad.

Las ruedas de turbina en un motor turboeje proporcionan potencia para el compresor delmotor y para el sistema de rotor principal a través de un eje de extracción de potencia. Elcompresor de los motores turboeje puede consistir en un compresor axial, un compresorcentrífugo, o una combinación de ambos. El número de escalones del compresordependerá de la cantidad de aire y elevación de presión requeridas para cada motor enparticular (Figura 6.2).

Figura 6.2.- Turboeje con caja de reducción





Los turboeje son motores similares a los turbohélices, se utilizan en los helicópteros, songeneradores de gas a los que se les canaliza el flujo de salida y se les agrega una turbinade potencia que moverá la toma de potencia solidaria al eje que impulsa al rotor principal.La sección de turbina de estos motores suministra mayor potencia que la requerida por elcompresor. El exceso de potencia queda disponible en el eje de salida de la turbina para

accionar el rotor del helicóptero a través de una caja de engranajes que reduce lavelocidad angular en el eje de la turbina. (Figura 6.2)..Es similar a un motor del turbopropulsor , diferenciando sobre todo en la función del ejede la turbina. En vez de conducir un propulsor, el eje de la turbina está conectado con unsistema de la transmisión que conduzca las láminas de rotor del helicóptero.

Es conocido también como turbomotor , es una derivación del turbohélice y debe sunombre al funcionamiento por eje libre que proporciona un momento de giro (par), por logeneral con un elevado número de revoluciones. Dicha variación de trabajo es con el fin deutilizarlo principalmente para accionamiento de rotores o generadores de energía eléctrica,

como seria el caso de los helicópteros y las unidades de potencia auxiliar (APU’s). Laversatilidad de estas pequeñas maquinas nos permiten lograr mayores potencias poracoplamiento simultaneo de dos e incluso de tres turbomotores.

El motor del turboeje recibe su nombre del hecho de que esta rotación está utilizada paradar vuelta a un eje de una cierta clase. El eje que rota del motor se utiliza para dar vuelta alas láminas de rotor que proporcionan la elevación y el movimiento delantero del vehículo.Sin embargo, este uso es solamente uno de muchos a las cuales se ha aplicado elturboeje. La industria de energía también los usa para generar electricidad.

Los motores turboeje son un tipo de motor de jet. El nombre se refiere a la manera enque el esfuerzo de torsión del motor conduce el eje de la energía en 90 grados almontaje del motor. Por esta razón el eje se monta a menudo cerca del centro del motor,para poner la tensión igual de cualquier lado del eje de la alimentación principal a travésdel motor. A continuación se presenta dos figuras con cortes diferentes del motor turboeje(Figura 6.3 y 6.4)

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Figuras 6.3 y 6.4.- Diagramas de motor turboeje

APU COMO TURBOEJE.- Desde el punto de vista motriz, el APU es un turboeje. En su aplicación como grupo auxiliar de energía, tiene requisitos funcionales y operativosmucho más estrictos que el mismo motor turboeje para aplicaciones en turbohélices ohelicópteros.

Sistemas conocidos como Unidades de Energía Auxiliar (APU). El grupo auxiliar deenergía APU ( Auxiliary Power Unit ), es un conjunto motriz, autónomo, que puedeproporcionar hasta tres funciones básicas en el avión donde se instala. El APU puedeproporcionar aire de su propio compresor para puesta en marcha de los motores y para el

sistema de acondicionamiento de aire. Además suministra energía eléctrica al sistemageneral del avión.





Según la fase de operación del avión, estas funciones se dividen típicamente así:EN TIERRA: El APU puede proporcionar aire de su propio compresor para puesta en

marcha de los motores y para el sistema de acondicionamiento de aire.

Además suministra energía eléctrica al sistema general del avión.EN VUELO El APU actúa normalmente como sistema de respaldo para otros sistemas

del avión, y puede suministrar estos servicios: -Energía eléctrica, Neumático para condiciones en el aire, antihielo de

planos principales.EN DESPEGUE:

Como modo adicional presente en algunos aviones, el APU proporciona aire apresión para el acondicionamiento en cabina. Esta función se incluye con elfin de mejorar la prestación de los motores principales durante el despegue,sin detenimiento del empuje.

En su aplicación el APU como grupo auxiliar de energia, tiene requisitos funcionales yoperativos mucho más estrictos que el mismo motor turboeje para aplicaciones deturbohélices o helicópteros. El turboeje para APU puede ser de turbina fija o de turbinalibre.Para potencias de salida inferiores a 1.600 CV, el motor del APU suele ser tipo turbinafija. Por tanto es un turboeje de un solo árbol. Tal preferencia se explica por costes,peso y buena estabilidad de velocidad de rotación que tiene este tipo de motor, aunque elde dos ejes (turbina libre) tampoco tiene problemas en esta última faceta. Para potenciassuperior a 1.600 CV, suele ser de dos ejes, esto es de tipo de turbina libre. El turboeje de turbina fija tiene una respuesta muy rápida al cambio de las revolucionesfrente a las variaciones de carga que se imponen sobre la unidad. La estabilidad develocidad de giro es, en principio, muy apropiada para el suministro de corriente eléctricaalterna, este tipo de turboeje tiene respuesta rápida a los cambios de carga del sistemaeléctrico del avión.

La ventaja fundamental que aporta es que la puesta en marcha del propio APU es másfácil, pues posee dos turbinas que giran de forma independiente, a distinta velocidadangular. Así, para la puesta en marcha solo es preciso mover el conjunto rotatorio de altapresión. El arrastre aerodinámico (corriente de aire inducida por el compresor) queproduce la rotación de este conjunto pone en movimiento al de baja presión.

En efecto, puesto que el compresor y la turbina tienen ahora mayor diámetro quieredecirse que el momento cinético de los grupos giratorios es alto.

El APU se suele instalar en el cono de cola del avión, aislado del resto de compartimientospor un tabique cortafuegos. Esta ubicación ofrece las siguientes ventajas:

El espacio amplio que se encuentra en el cono de la cola. Disminución de ruido. Reducción de contaminación a causa de los gases de escape. Disminución del riesgo general del avión en caso de incendio de la

unidad.





Tipos de APU.- Desde el punto de vista mecánico se clasifican en dos categorías:

Grupos de arranque de transmisión mecánica. Grupos de arranque neumático.

La figura 6.5 nos muestra el esquema de un motor turboeje de turbina libre, parahelicóptero

Figura 6.5. - Esquema de un motor turboeje de turbina libre, para helicóptero

6.2.- DESCRIPCIÓN DE CADA COMPONENTE DEL MOTOR

Como en todos los motores de turbina de gas, la combustión es continua. Un encendedorse usa solo durante la puesta en marcha del motor para prender la mezcla aire -combustible. Una vez que la mezcla aire combustible ha prendido, esta continuará

ardiendo tanto tiempo como esté presente. Si hubiese una interrupción de combustible,aire, o ambos, la combustión cesaría. A esto se le conoce como apagado de llama (flame – out ), y es necesario volver a encender el motor. Algunos helicópteros están equipados conun sistema de auto encendido en vuelo, que automáticamente activa los encendedorespara comenzar la combustión si ocurriese un apagado de llama.

Sección de turbina.- Consiste en una serie de ruedas de turbina que se usan paraarrastrar a la sección del compresor y al sistema de rotor. La primera etapa, a la quenormalmente se le conoce como generador de gas o N1 puede consistir en una o masruedas de turbina. Esta etapa arrastra a los componentes necesarios para completar elciclo del motor haciendo que este se auto mantenga. Los componentes arrastradosnormalmente por la etapa de N1 son el compresor, la bomba de aceite, y la bomba decombustible. La segunda etapa, que también puede consistir en una o mas ruedas, sededica a arrastrar al sistema de rotor principal y a los accesorios de la caja de engranajesdel motor. A esta se le conoce como turbina de potencia (N2 o Nr ).

Si la primera y segunda etapas de turbina están acopladas mecánicamente una a otra, sedice que el sistema es un motor de arrastre directo o de turbina fija. Estos motorescomparten un eje común, lo que significa que la primera y segunda etapas de turbina, asícomo el compresor y el eje de potencia, están conectados entre sí.





En la mayoría de los conjuntos de turbinas usados en los helicópteros, la primera ysegunda etapas de turbina no están mecánicamente conectadas entre sí. Más bien, estánmontadas en ejes independientes y pueden girar libremente una con respecto a la otra. Aesto se le conoce como “turbina libre”. Cuando el motor está funcionando, los gases dela combustión pasan a través de la primera etapa de turbina para arrastrar al rotor delcompresor, y luego pasan a través de la segunda etapa de turbina independiente, la cualgira los engranajes para arrastrar al eje de potencia.

El sistema de transmisión transfiere la potencia desde el motor al rotor principal, al rotorde cola, y a otros accesorios. Los principales componentes del sistema de transmisión son: transmisión del rotor principal, sistema de arrastre del rotor de cola, embrague,y la unidad de desembrague del rotor .

El propósito de la transmisión del rotor principal (Figura 6.6) es reducir lar rpm. desalida del eje del motor a las rpm óptimas del rotor. Esta reducción es diferente para losdistintos tipos de helicópteros, pero como ejemplo, supongamos que las rpm del motor deun helicóptero específico son 2.700. Para conseguir una velocidad del rotor de 450 rpm serequeriría una reducción de 6 a 1. Una reducción de 9 a 1 significaría que el rotor giraría a

300 rpm.





Figura 6.6.- Diagrama del corte de la transmisión del rotor principal

Sistema de Arrastre del Rotor de Cola (Figura 6.7).- El sistema de arrastre del rotor decola consiste en un eje de arrastre del rotor de cola propulsado desde la transmisiónprincipal y una transmisión de rotor de cola montada en el extremo de la estructura decola. El eje de arrastre puede consistir en un eje largo o una serie de ejes más cortosconectados a ambos extremos con acoplamientos flexibles. Esto le permite al eje dearrastre flexionar con la estructura de cola. La transmisión del rotor de cola proporciona unarrastre en ángulo recto para el rotor de cola y también puede incluir engranajes para elajuste óptimo de las rpm del rotor de cola.

Figura 6.7.- Diagrama del rotor de cola





El embrague.- En un avión convencional, el motor y la hélice están permanentementeconectados. Sin embargo, en un helicóptero existe una relación distinta entre el motor y elrotor. Debido al mayor peso de un rotor en relación con la potencia del motor, según secompara con el peso de una hélice y la potencia en un avión, el rotor debe desconectarsedel motor cuando se conecta la puesta en marcha. Un embrague permite al motor ponerse

en marcha y luego gradualmente recoger la carga del rotor.

En los motores de turbina libre, no se requiere embrague, ya que la turbina delgenerador de gas está esencialmente desconectada de la turbina de potencia. Cuando elmotor se pone en marcha, la turbina de potencia opone poca resistencia. Esto le permite ala turbina del generador de gas acelerar a la velocidad normal de ralentí sin la resistenciaimpuesta por la carga del sistema de transmisión y de rotor. A medida que la presión delgas aumenta a través de la turbina de potencia, las palas del rotor comienzan a girar, alprincipio lentamente, y luego acelerando gradualmente hasta las rpm. normales defuncionamiento.

Unidad de Autorotación.- Dado que en un helicóptero la sustentación se proporciona pormedio de la rotación de perfiles aerodinámicos, estos perfiles aerodinámicos deben quedarlibres para girar en caso de fallos del motor.

Mando de Gases.- La función del mando de gases es regular las rpm. Si el sistemacorrelador o de governor no mantiene las rpm deseadas cuando el mando colectivo se subeo baja, o si esos sistemas no están instalados, el mando de gases tiene que moverse girandola empuñadura para mantener las rpm.; girando la empuñadura hacia fuera aumentan lasrpm.; girándola hacia dentro disminuyen.

Coordinación, mando de gases / paso colectivo.- Cuando el paso colectivo se levanta,aumenta la carga sobre el motor para mantener las rpm. deseadas. La carga se mide por unindicador de torque en los helicópteros propulsados por turboeje.

A continuación se presentan las curvas de par y de potencia del turboeje; un corte delcompresor centrífugo con sus turbinas, y los componentes de la turbina de gas.





Este es un corte del motor. A.- Engranajes movimiento accesoriosB.-compresor centrifugoC .-rotor del regenerador derechoD.- corana de álabes guía de incidencia variable

E.- turbina de potenciaF.- engranaje reductorG.- rotor del regenerador izquierdoH.- turbina del generador de gasI.- quemador entiéndase como cámara de combustiónJ.- inyector de combustibleK.- bujíaL.- DINA motor, funciona tanto como generador como puesta en marcha.M.- eje de arrastre del regenerador.N.- caja de ignición, suele ser un vibrador que ceba un diodo de descarga, generauna chispa de por lo menos 4 julios.

Cada uno de los tipos de motores para aviación explicados anteriormente operan dentrode un rango de altitud y velocidades definido. Limitaciones similares en velocidad y altitudexisten también para las estructuras de las aeronaves y por lo tanto es necesario encontrarla mejor combinación entre las capacidades de la aeronave y las del sistema propulsivofigura 6.8.

Figura 6.8.- Región de operación de los motores de aviación.

En la figura anterior se muestran las regiones de operación de los motores para aviaciónen las cuales se puede apreciar que estos no están limitados únicamente por eldesempeño del motor y sus componentes, sino también, por el diseño y materiales con loscuales están construidas las aeronaves. De igual manera, la eficiencia propulsiva paracada uno de los tipos de motores de turbina para aviación, tiene un comportamientodiferente dependiendo de la velocidad a la que opera la aeronave como se muestra en lafigura 6.9:





Figura 6.9.- Comparación de la eficiencia propulsiva con respecto a la velocidad para cada uno de losmotores de turbina para aviación

HELICÓPTERO.- Aparato más pesado que el aire que no se eleva utilizando alas fijascomo las de los aeroplanos convencionales, sino mediante uno o varios rotoresmotorizados que giran alrededor de un eje vertical situado sobre el fuselaje. Loshelicópteros pueden elevarse y descender verticalmente, permanecer en una posicióndeterminada y moverse hacia adelante, hacia atrás o hacia los lados. El helicóptero fue el

primer tipo de aparato más pesado que el aire capaz de realizar un vuelo vertical. Sediferencia del autogiro, otra clase de aeronave con alas giratorias, en que el rotorproporciona sustentación, propulsión y casi todo el control de vuelo.





BELL 212

COMPARACIÓN ENTRE TURBOEJE Y TURBOHÉLICE

La configuración de los motores turboshaft o turboeje es muy similara la de los turboprop o turbohélice.

Gran parte de la energía producida por la unidad generadora de gaseses empleada para mover el rotor de un helicóptero a través de unsistema de transmisión





También se usa para generación auxiliar de potencia eléctrica oneumática algunas aeronaves en sistemas conocidos como unidadesde potencia auxiliar (APU).

El motor turboeje es comúnmente usado para dar la potencia a loshelicópteros.

La siguiente figura muestra el esquema típico del APU:

6.3.- APLICACIONES DEL MOTOR TURBOEJE

Su aplicación principal es en los helicópteros.- Se pueden utilizar en los vehículos de tierra,particularmente los tanques militares y algunos racecars, generadores, compresoresbombas eléctricas, propulsión marina, para los recipientes navales, buques de carga,hydrofoils y otros recipientes

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos demotores de uso aeronáutico, comparado a los pulsorreactores tiene desventajas técnicas ala hora de la construcción y del mantenimiento. Los pulsorreactores, a diferencia de losreactores, estatorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless

(sin válvula como el tipo Lockwood Hiller ) y que tienen ventajas significativas tales como:

1. Carencia de piezas móviles2. Relaciones peso/empuje mayores que los reactores3. Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas4. Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes

o gases licuados sin modificación alguna5. Construcción simple6. Fácil disponibilidad de materiales

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6.4.- APLICACIONES DIVERSAS

Adaptación, Sistemas de Transmisión, Engranajes de Reducción,Acoplamientos, Sistemas de Control.

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta variasventajas frente a los motores alternativos:

1. Es más eficiente en términos de consumo de combustible2. Es más sencillo y tiene menos partes móviles3. Tiene una mejor relación peso/potencia4. Requiere menor mantenimiento5. La vida útil es más larga

Otros ejemplos de aplicación de este motor se presentan a continuación

Motor Turboshaft PT6T Twinpack, fabricado por Pratt & Whitney Canada (Cortesíade Pratt & Whitney Canada)

http://es.wikipedia.org/wiki/Aeron%C3%A1utica

http://es.wikipedia.org/wiki/Aeron%C3%A1utica





Motor Turboshaft PW206B, fabricado por Pratt & Whitney Canada (Cortesía de Pratt &Whitney Canada

Motor Turboshaft Rolls-Royce 250 fabricado por Rolls-Royce





A continuación se presentan otras figuras que nos indican los componentes delmotor multicitado





TIPOS DE MOTOR TURBOEJE

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