Turborreactor - Turbojet

Diagrama de un motor a reacción de turbina de gas típico
Frank Whittle
Hans von Ohain

El turborreactor es un motor a reacción que respira aire , normalmente utilizado en aviones. Consiste en una turbina de gas con una boquilla propulsora . La turbina de gas tiene una entrada de aire, un compresor, una cámara de combustión y una turbina (que impulsa el compresor). El aire comprimido del compresor se calienta quemando combustible en la cámara de combustión y luego se deja expandir a través de la turbina. El escape de la turbina luego se expande en la boquilla propulsora donde se acelera a alta velocidad para proporcionar empuje. Dos ingenieros, Frank Whittle en el Reino Unido y Hans von Ohain en Alemania , desarrollaron el concepto de forma independiente en motores prácticos a finales de la década de 1930.

Si bien el turborreactor fue la primera forma de planta de energía de turbina de gas para la aviación, ha sido reemplazado en gran medida por otros desarrollos del concepto original. En funcionamiento, los turborreactores generalmente generan empuje acelerando una cantidad relativamente pequeña de aire a velocidades supersónicas muy altas , mientras que los turbofán aceleran una mayor cantidad de aire a velocidades transónicas más bajas. Los turborreactores han sido reemplazados en aviones más lentos por turbohélices porque tienen un mejor consumo específico de combustible . A velocidades medias a altas, donde la hélice ya no es eficiente, los turbopropulsores han sido reemplazados por turboventiladores. A estas velocidades transónicas, el turborreactor es más silencioso y tiene un mejor consumo de combustible específico de la gama que el turborreactor. Los turborreactores pueden ser muy eficientes para aviones supersónicos .

Los turborreactores tienen poca eficiencia a bajas velocidades de los vehículos, lo que limita su utilidad en otros vehículos que no sean aviones. Los motores turborreactores se han utilizado en casos aislados para propulsar vehículos que no sean aviones, normalmente para intentar conseguir récords de velocidad en tierra . Cuando los vehículos son "propulsados ​​por turbinas", esto es más comúnmente mediante el uso de un motor de turboeje , un desarrollo del motor de turbina de gas donde se usa una turbina adicional para impulsar un eje de salida giratorio. Estos son comunes en helicópteros y aerodeslizadores. Los turborreactores se utilizaron en el Concorde y las versiones de mayor alcance del TU-144, que debían pasar un largo período viajando de manera supersónica. Los turborreactores siguen siendo comunes en los misiles de crucero de alcance medio , debido a su alta velocidad de escape, su área frontal pequeña y su relativa simplicidad. También se siguen utilizando en algunos cazas supersónicos como el MiG-25 , pero la mayoría pasa poco tiempo viajando de forma supersónica, por lo que emplean turboventiladores y postcombustión para aumentar la velocidad de escape en los sprints supersónicos.

Historia

Patente alemana de Albert Fonó para motores a reacción (enero de 1928). La tercera ilustración es un turborreactor.
Heinkel He 178 , el primer avión del mundo para volar sólo con la energía turborreactor, usando un HeS 3 del motor

La primera patente para utilizar una turbina de gas para propulsar un avión fue presentada en 1921 por el francés Maxime Guillaume . Su motor iba a ser un turborreactor de flujo axial, pero nunca se construyó, ya que habría requerido avances considerables con respecto al estado de la técnica en compresores.

El motor Whittle W.2 / 700 voló en el Gloster E.28 / 39 , el primer avión británico en volar con un motor turborreactor, y el Gloster Meteor

En 1928, el cadete británico de la RAF College Cranwell, Frank Whittle, presentó formalmente sus ideas para un turborreactor a sus superiores. En octubre de 1929 desarrolló aún más sus ideas. El 16 de enero de 1930 en Inglaterra, Whittle presentó su primera patente (concedida en 1932). La patente mostraba un compresor axial de dos etapas que alimentaba un compresor centrífugo de un solo lado . Los compresores axiales prácticos fueron posibles gracias a las ideas de AA Griffith en un artículo fundamental en 1926 ("Una teoría aerodinámica del diseño de turbinas"). Más tarde, Whittle se concentraría únicamente en el compresor centrífugo más simple, por una variedad de razones prácticas. Whittle tenía el primer turborreactor en funcionar, el Power Jets WU , el 12 de abril de 1937. Era de combustible líquido e incluía una bomba de combustible autónoma. El equipo de Whittle experimentó casi pánico cuando el motor no se paraba, acelerando incluso después de apagar el combustible. Resultó que el combustible se había filtrado en el motor y se había acumulado en los charcos, por lo que el motor no se paraba hasta que se quemaba todo el combustible filtrado. Whittle no pudo interesar al gobierno en su invento y el desarrollo continuó a un ritmo lento.

En Alemania, Hans von Ohain patentó un motor similar en 1935.

El 27 de agosto de 1939, el Heinkel He 178 se convirtió en el primer avión del mundo en volar con turborreactor, con el piloto de pruebas Erich Warsitz a los mandos, convirtiéndose así en el primer avión a reacción práctico. El Gloster E.28 / 39 (también conocido como "Gloster Whittle", "Gloster Pioneer" o "Gloster G.40") realizó el primer vuelo británico con motor a reacción en 1941. Fue diseñado para probar el Whittle motor a reacción en vuelo, lo que llevó al desarrollo del Gloster Meteor.

Los dos primeros turborreactores operativos, el Messerschmitt Me 262 y luego el Gloster Meteor , entraron en servicio en 1944, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial .

El aire se introduce en el compresor giratorio a través de la admisión y se comprime a una presión más alta antes de ingresar a la cámara de combustión. El combustible se mezcla con el aire comprimido y se quema en la cámara de combustión. Los productos de la combustión salen de la cámara de combustión y se expanden a través de la turbina donde se extrae la energía para impulsar el compresor. Los gases de salida de la turbina todavía contienen una energía considerable que se convierte en la boquilla propulsora en un chorro de alta velocidad.

Los primeros motores a reacción fueron turborreactores, con un compresor centrífugo (como en el Heinkel HeS 3 ) o compresores axiales (como en el Junkers Jumo 004 ) que dieron un motor de menor diámetro, aunque más largo. Al reemplazar la hélice utilizada en los motores de pistón con un chorro de escape de alta velocidad, se lograron velocidades de aeronave más altas.

Una de las últimas aplicaciones para un motor turborreactor fue Concorde que utilizó el motor Olympus 593 . Durante el diseño, se descubrió que el turborreactor era el óptimo para navegar al doble de la velocidad del sonido a pesar de la ventaja de los turborreactores para velocidades más bajas. Para el Concorde, se requería menos combustible para producir un empuje dado por una milla a Mach 2.0 que un turboventilador moderno de alto bypass como el General Electric CF6 a su velocidad óptima de Mach 0.86.

Los motores turborreactores tuvieron un impacto significativo en la aviación comercial . Además de ofrecer velocidades de vuelo más rápidas, los turborreactores tenían una mayor confiabilidad que los motores de pistón, y algunos modelos demostraban un índice de confiabilidad de despacho superior al 99,9%. Los aviones comerciales pre-jet se diseñaron con hasta cuatro motores, en parte debido a preocupaciones sobre fallas en vuelo. Se trazaron rutas de vuelo al extranjero para mantener los aviones a una hora de un campo de aterrizaje, alargando los vuelos. El aumento en la confiabilidad que vino con el turborreactor permitió diseños de tres y dos motores, y vuelos más directos de larga distancia.

Las aleaciones de alta temperatura fueron un saliente inverso , una tecnología clave que arrastró el progreso en los motores a reacción. Los motores a reacción fuera del Reino Unido construidos en las décadas de 1930 y 1940 tuvieron que revisarse cada 10 o 20 horas debido a fallas por fluencia y otros tipos de daños en las palas. Los motores británicos, sin embargo, utilizaron aleaciones Nimonic que permitieron un uso prolongado sin revisión, motores como el Rolls-Royce Welland y Rolls-Royce Derwent , y en 1949 el de Havilland Goblin , que se probó durante 500 horas sin mantenimiento. No fue hasta la década de 1950 que la tecnología de superaleaciones permitió a otros países producir motores económicamente prácticos.

Primeros diseños

Los primeros turborreactores alemanes tenían severas limitaciones en la cantidad de funcionamiento que podían hacer debido a la falta de materiales adecuados para altas temperaturas para las turbinas. Los motores británicos, como el Rolls-Royce Welland, utilizaron mejores materiales para mejorar la durabilidad. El Welland recibió la certificación de tipo durante 80 horas inicialmente, luego se extendió a 150 horas entre revisiones, como resultado de una ejecución prolongada de 500 horas que se logró en las pruebas. A pesar de su alto mantenimiento, algunos de los primeros aviones de combate todavía están operativos con sus motores originales.

Turborreactor J85-GE-17A de General Electric (1970)

General Electric en los Estados Unidos estaba en una buena posición para ingresar al negocio de los motores a reacción debido a su experiencia con los materiales de alta temperatura utilizados en sus turbocompresores durante la Segunda Guerra Mundial.

La inyección de agua era un método común utilizado para aumentar el empuje, generalmente durante el despegue, en los primeros turborreactores que tenían el empuje limitado por la temperatura permitida de entrada a la turbina. El agua aumentó el empuje en el límite de temperatura, pero impidió la combustión completa, a menudo dejando un rastro de humo muy visible.

Las temperaturas de entrada permitidas a la turbina han aumentado de manera constante con el tiempo, tanto con la introducción de aleaciones y recubrimientos superiores como con la introducción y efectividad progresiva de los diseños de enfriamiento de las palas. En los primeros motores, el piloto tenía que controlar y evitar el límite de temperatura de la turbina, normalmente durante el arranque y en los ajustes de empuje máximo. Se introdujo la limitación automática de temperatura para reducir la carga de trabajo del piloto y reducir la probabilidad de que la turbina se dañe debido al exceso de temperatura.

Diseño

Una animación de un compresor axial. Las palas estacionarias son los estatores.
Animación de turborreactor
Diagrama esquemático que muestra el funcionamiento de un turborreactor de flujo centrífugo. El compresor es impulsado por la etapa de turbina y lanza el aire hacia afuera, requiriendo que sea redirigido paralelo al eje de empuje.
Diagrama esquemático que muestra el funcionamiento de un turborreactor de flujo axial. Aquí, el compresor es impulsado nuevamente por la turbina, pero el flujo de aire permanece paralelo al eje de empuje.

Toma de aire

Se necesita una entrada, o tubo, en frente del compresor para ayudar a dirigir el aire entrante suavemente hacia las paletas móviles del compresor. Los motores más antiguos tenían paletas estacionarias frente a las palas móviles. Estas paletas también ayudaron a dirigir el aire hacia las palas. El aire que fluye hacia un motor turborreactor siempre es subsónico, independientemente de la velocidad del avión.

La admisión tiene que suministrar aire al motor con una variación de presión aceptablemente pequeña (conocida como distorsión) y habiendo perdido la menor cantidad de energía posible en el camino (conocida como recuperación de presión). El aumento de la presión del ariete en la admisión es la contribución de la admisión a la relación de presión general y la eficiencia térmica del sistema de propulsión .

La admisión gana protagonismo a altas velocidades cuando genera más compresión que la etapa del compresor. Ejemplos bien conocidos son los sistemas de propulsión Concorde y Lockheed SR-71 Blackbird , donde las contribuciones de la admisión y del motor a la compresión total fueron 63% / 8% a Mach 2 y 54% / 17% a Mach 3+. Las tomas han variado desde "longitud cero" en la instalación de turboventilador Pratt & Whitney TF33 en el Lockheed C-141 Starlifter , hasta las tomas gemelas, de 65 pies de largo, en el XB-70 Valkyrie de América del Norte , cada una alimentando tres motores con un flujo de aire de admisión de aproximadamente 800 lb / seg.

Compresor

El compresor es impulsado por la turbina. Gira a alta velocidad, agregando energía al flujo de aire y al mismo tiempo apretándolo (comprimiéndolo) en un espacio más pequeño. Comprimir el aire aumenta su presión y temperatura. Cuanto más pequeño es el compresor, más rápido gira. En el extremo más grande del rango, el ventilador GE90-115B gira a aproximadamente 2.500 RPM, mientras que un pequeño compresor de motor de helicóptero gira alrededor de 50.000 RPM.

Los turborreactores suministran aire de purga desde el compresor a la aeronave para el sistema de control ambiental , antihielo y presurización del tanque de combustible, por ejemplo. El motor en sí necesita aire a distintas presiones y caudales para mantenerlo en funcionamiento. Este aire proviene del compresor y, sin él, las turbinas se sobrecalentarían, el aceite lubricante se fugaría de las cavidades de los cojinetes, los cojinetes de empuje del rotor patinarían o se sobrecargarían y se formaría hielo en el cono de punta. El aire del compresor, llamado aire secundario, se usa para enfriar la turbina, sellar la cavidad del rodamiento, evitar la formación de hielo y garantizar que la carga axial del rotor en su rodamiento de empuje no lo desgaste prematuramente. El suministro de aire de purga a la aeronave disminuye la eficiencia del motor porque se ha comprimido, pero luego no contribuye a producir empuje. Ya no es necesario purgar aire para los servicios de aeronaves en el Boeing 787 con turboventilador .

Los tipos de compresores utilizados en los turborreactores eran típicamente axiales o centrífugos. Los primeros compresores turborreactores tenían relaciones de baja presión de hasta aproximadamente 5: 1. Las mejoras aerodinámicas, incluida la división del compresor en dos partes giratorias por separado, la incorporación de ángulos variables de las palas para las paletas de guía de entrada y los estatores, y la purga de aire del compresor, permitieron que los turborreactores posteriores tuvieran relaciones de presión general de 15: 1 o más. A modo de comparación, los motores turbofan civiles modernos tienen relaciones de presión generales de 44: 1 o más. Después de salir del compresor, el aire ingresa a la cámara de combustión.

Cámara de combustión

El proceso de combustión en la cámara de combustión es significativamente diferente al de un motor de pistón . En un motor de pistón, los gases en combustión se limitan a un volumen pequeño y, a medida que se quema el combustible, la presión aumenta. En un turborreactor, la mezcla de aire y combustible se quema en la cámara de combustión y pasa a la turbina en un proceso de flujo continuo sin acumulación de presión. En cambio, se produce una pequeña pérdida de presión en la cámara de combustión.

La mezcla de combustible y aire solo puede arder en aire de movimiento lento, por lo que las boquillas de combustible mantienen un área de flujo inverso para la combustión aproximadamente estequiométrica en la zona primaria. Se introduce más aire comprimido que completa el proceso de combustión y reduce la temperatura de los productos de combustión a un nivel que la turbina puede aceptar. Normalmente, se utiliza menos del 25% del aire para la combustión, ya que se requiere una mezcla pobre en general para mantenerse dentro de los límites de temperatura de la turbina.

Turbina

Se utilizan diferentes palas en las ruedas de turbina.

Los gases calientes que salen de la cámara de combustión se expanden a través de la turbina. Los materiales típicos para turbinas incluyen inconel y Nimonic . Los álabes y álabes de turbina más calientes de un motor tienen conductos de refrigeración internos. El aire del compresor pasa a través de ellos para mantener la temperatura del metal dentro de los límites. Las etapas restantes no necesitan enfriamiento.

En la primera etapa, la turbina es en gran parte una turbina de impulso (similar a una rueda de pelton ) y gira debido al impacto de la corriente de gas caliente. Las etapas posteriores son conductos convergentes que aceleran el gas. La energía se transfiere al eje a través del intercambio de impulso de manera opuesta a la transferencia de energía en el compresor. La potencia desarrollada por la turbina impulsa el compresor y los accesorios, como las bombas de combustible, aceite e hidráulicas que son impulsadas por la caja de cambios de accesorios.

Boquilla

Después de la turbina, los gases se expanden a través de la boquilla de escape produciendo un chorro de alta velocidad. En una boquilla convergente, el conducto se estrecha progresivamente hasta una garganta. La relación de presión de la boquilla en un turborreactor es lo suficientemente alta en configuraciones de empuje más altas para hacer que la boquilla se ahogue.

Sin embargo, si se instala una boquilla de Laval convergente-divergente , la sección divergente (área de flujo creciente) permite que los gases alcancen una velocidad supersónica dentro de la sección divergente. La mayor velocidad de escape resultante genera un empuje adicional.

Aumento de empuje

El empuje se incrementó más comúnmente en turborreactores con inyección de agua / metanol o postcombustión . Algunos motores usaban ambos al mismo tiempo.

La inyección de líquido se probó en los Power Jets W.1 en 1941 utilizando inicialmente amoníaco antes de cambiar a agua y luego agua-metanol. Se ideó un sistema para probar la técnica en el Gloster E.28 / 39, pero nunca se instaló.

Postquemador

Un postquemador o "jetpipe de recalentamiento" es una cámara de combustión que se agrega para recalentar los gases de escape de la turbina. El consumo de combustible es muy alto, típicamente cuatro veces mayor que el del motor principal. Los postquemadores se utilizan casi exclusivamente en aviones supersónicos , la mayoría de ellos aviones militares. Dos aviones de pasajeros supersónicos, el Concorde y el Tu-144 , también utilizaron postcombustión al igual que Scaled Composites White Knight , un avión de transporte para la nave espacial suborbital experimental SpaceShipOne .

Recalentamiento fue probado en vuelo-1944 sobre las W.2 / 700 motores en un Gloster Meteor I .

Empuje neto

El empuje neto de un turborreactor viene dado por:

dónde:

es la tasa de flujo de aire a través del motor
es la tasa de flujo de combustible que ingresa al motor
es la velocidad del chorro (la columna de escape) y se supone que es menor que la velocidad sónica
es la verdadera velocidad aérea de la aeronave
representa el empuje bruto de la boquilla
representa la resistencia del ariete de la ingesta

Si la velocidad del chorro es igual a la velocidad sónica, se dice que la boquilla está " obstruida ". Si la boquilla está obstruida, la presión en el plano de salida de la boquilla es mayor que la presión atmosférica, y se deben agregar términos adicionales a la ecuación anterior para tener en cuenta el empuje de presión.

La tasa de flujo de combustible que ingresa al motor es muy pequeña en comparación con la tasa de flujo de aire. Si se ignora la contribución de combustible al empuje bruto de la boquilla, el empuje neto es:

La velocidad del avión debe exceder la velocidad real del avión para que haya un empuje hacia adelante neto en la estructura del avión. La velocidad se puede calcular termodinámicamente basándose en la expansión adiabática .

Mejoras de ciclo

El funcionamiento de un turborreactor está modelado aproximadamente por el ciclo de Brayton .

La eficiencia de una turbina de gas aumenta al aumentar la relación de presión general, lo que requiere materiales de compresor de temperatura más alta y aumenta la temperatura de entrada de la turbina, lo que requiere mejores materiales de turbina y / o enfriamiento mejorado de álabes / álabes. También se incrementa al reducir las pérdidas a medida que avanza el flujo desde la entrada hasta la boquilla propulsora. Estas pérdidas se cuantifican mediante la eficiencia del compresor y la turbina y las pérdidas de presión de los conductos. Cuando se usa en una aplicación de turborreactor, donde la salida de la turbina de gas se usa en una boquilla propulsora, el aumento de la temperatura de la turbina aumenta la velocidad del chorro. A velocidades subsónicas normales, esto reduce la eficiencia de propulsión, dando una pérdida general, como se refleja en el mayor consumo de combustible, o SFC. Sin embargo, para los aviones supersónicos esto puede ser beneficioso y es parte de la razón por la que el Concorde empleó turborreactores. Los sistemas turborreactores son sistemas complejos, por lo tanto, para asegurar el funcionamiento óptimo de dicho sistema, existe un llamado a los nuevos modelos que se están desarrollando para avanzar en sus sistemas de control para implementar los conocimientos más recientes de las áreas de automatización, así aumentar su seguridad y efectividad.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Springer, Edwin H. (2001). Construcción de un motor turborreactor con turbocompresor . Tecnologías de turborreactores.


enlaces externos