Requisitos generales
Las aeronaves necesitan empuje para producir suficiente velocidad para que las alas proporcionen sustentación o suficiente empuje para superar el peso de la aeronave para el despegue vertical. Para que una aeronave se mantenga en vuelo nivelado, se debe proporcionar un empuje que sea igual y en la dirección opuesta a la resistencia de la aeronave.
Este empuje, o fuerza de propulsión, lo proporciona un tipo adecuado de motor térmico de aeronave. Todos los motores térmicos tienen en común la capacidad de convertir la energía térmica en energía mecánica mediante el flujo de alguna masa fluida (generalmente aire) a través del motor. En todos los casos, la energía térmica se libera en un punto del ciclo en el que la presión de trabajo es alta en relación con la presión atmosférica.
La fuerza de propulsión se obtiene mediante el desplazamiento de un fluido de trabajo (de nuevo, aire atmosférico). Este aire no es necesariamente el mismo que se utiliza dentro del motor. Desplazando el aire en una dirección opuesta a la de la propulsión del avión, se puede desarrollar el empuje. Esto es una aplicación de la tercera ley del movimiento de Newton.
Ésta establece que para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Por lo tanto, como el aire se desplaza hacia la parte trasera del avión, éste se mueve hacia adelante por este principio. Una interpretación errónea de este principio es que el aire está empujando contra el aire detrás del avión haciendo que se mueva hacia adelante.
Esto no es cierto. Los cohetes en el espacio no tienen aire contra el que empujar, pero pueden producir empuje utilizando la tercera ley de Newton. El aire atmosférico es el principal fluido utilizado para la propulsión en todos los tipos de plantas motrices de las aeronaves, excepto en el cohete, en el que se aceleran y desplazan todos los gases de combustión.
El cohete debe aportar todo el combustible y el oxígeno para la combustión y no depende del aire atmosférico. Un cohete lleva su propio oxidante en lugar de utilizar el aire ambiente para la combustión. Expulsa los subproductos gaseosos de la combustión a través de la tobera de escape a una velocidad extremadamente alta (acción) y se propulsa en la otra dirección (reacción).
Las hélices de los aviones propulsados por motores recíprocos o turbohélices aceleran una gran masa de aire a una velocidad relativamente menor haciendo girar una hélice. La misma cantidad de empuje puede generarse acelerando una pequeña masa de aire a una velocidad muy alta.
El fluido de trabajo (aire) utilizado para la fuerza de propulsión es una cantidad de aire diferente a la utilizada dentro del motor para producir la energía mecánica para hacer girar la hélice.
Los turborreactores, los ramjets y los pulse jets son ejemplos de motores que aceleran una cantidad menor de aire a través de un gran cambio de velocidad. Utilizan el mismo fluido de trabajo para la fuerza de propulsión que se utiliza dentro del motor. Uno de los problemas de este tipo de motores es el ruido que produce el aire a alta velocidad que sale del motor.
El término turborreactor se utilizaba para describir cualquier motor de turbina de gas, pero con las diferencias en las turbinas de gas utilizadas en los aviones, este término se utiliza para describir un tipo de turbina de gas que hace pasar todos los gases a través del núcleo del motor directamente.
Los turborreactores, los ramjets y los pulse jets tienen muy poca o ninguna utilidad en los aviones modernos debido al ruido y al consumo de combustible. Las pequeñas aeronaves de aviación general utilizan principalmente motores de pistón recíproco horizontalmente opuestos.
Aunque algunas aeronaves todavía utilizan motores de pistón recíproco radial, su uso es muy limitado. Muchas aeronaves utilizan una forma de motor de turbina de gas para producir energía de empuje. Estos motores son normalmente los turbopropulsores, los turboejes, los turbofanes y algunos motores turborreactores. "Turborreactor" es el término anterior para cualquier motor de turbina.
Ahora que hay tantos tipos diferentes de motores de turbina, el término utilizado para describir la mayoría de los motores de turbina es "motor de turbina de gas". Los cuatro motores mencionados anteriormente pertenecen a la familia de los motores de turbina de gas.
Todos los motores de aviación deben cumplir ciertos requisitos generales de eficiencia, economía y fiabilidad. Además de ser económico en cuanto al consumo de combustible, un motor de avión debe ser económico en cuanto al coste de adquisición original y al coste de mantenimiento; y debe cumplir requisitos exigentes de eficiencia y baja relación peso-caballo.
Debe ser capaz de mantener una alta potencia sin sacrificar la fiabilidad; también debe tener la durabilidad necesaria para funcionar durante largos periodos de tiempo entre revisiones. Tiene que ser lo más compacto posible, pero con fácil acceso para el mantenimiento. Tiene que ser lo más libre de vibraciones posible y ser capaz de cubrir una amplia gama de potencia a diferentes velocidades y altitudes.
Estos requisitos exigen el uso de sistemas de encendido que proporcionen el impulso de encendido a las bujías en el momento adecuado en todo tipo de condiciones meteorológicas y en otras condiciones adversas. Los sistemas de suministro de combustible del motor proporcionan el combustible medido en la proporción correcta de combustible/aire ingerido por el motor, independientemente de la actitud, la altitud o el tipo de clima en el que se opera el motor.
El motor necesita un tipo de sistema de aceite que suministre aceite a la presión adecuada para lubricar y refrigerar todas las partes operativas del motor cuando está en funcionamiento. Además, debe tener un sistema de unidades de amortiguación para amortiguar las vibraciones del motor cuando está en funcionamiento.
Potencia y peso
La potencia útil de todos los motores de aviación es el empuje, la fuerza que propulsa el avión. Como el motor recíproco se clasifica en caballos de potencia de freno (bhp), el motor de turbina de gas se clasifica en caballos de potencia de empuje (thp):
Thp = empuje × velocidad de la aeronave (mph) / 375 millas-libras por hora
El valor de 375 millas-libras por hora se deriva de la fórmula básica de los caballos de fuerza de la siguiente manera:
1 CV = 33.000 pies-libra por minuto
33.000 × 60 = 1.980.000 pies-libra por hora
1.980.000 / 5.280 pies en una milla = 375 libras-milla por hora
Un caballo de potencia equivale a 33.000 pies-libra por minuto o 375 millas-libra por hora. En condiciones estáticas, el empuje se calcula como equivalente a aproximadamente 2,6 libras por hora.
Si una turbina de gas produce 4.000 libras de empuje y el avión en el que está instalado el motor viaja a 500 mph, el thp es:
4.000 × 500 / 375 = 5.333,33 thp
Es necesario calcular la potencia para cada velocidad de un avión, ya que la potencia varía con la velocidad. Por lo tanto, no es práctico tratar de calificar o comparar la potencia de un motor de turbina en base a los caballos de fuerza. El motor de la aeronave funciona a un porcentaje relativamente alto de su potencia máxima durante toda su vida útil. El motor de la aeronave está a plena potencia siempre que se realiza un despegue.
Puede mantener esta potencia durante un período de tiempo hasta los límites establecidos por el fabricante. El motor rara vez se mantiene a la máxima potencia durante más de 2 minutos, y normalmente no tanto. Pocos segundos después del despegue, la potencia se reduce a una potencia que se utiliza para el ascenso y que puede mantenerse durante más tiempo. Una vez que la aeronave ha ascendido a la altitud de crucero, la potencia del motor o motores se reduce de nuevo a una potencia de crucero que puede mantenerse durante todo el vuelo.
Si se disminuye el peso de un motor por caballo de potencia de freno (llamado peso específico del motor), la carga útil que puede llevar un avión y el rendimiento del mismo obviamente aumentan. Cada kilo de exceso de peso que lleva un motor de avión reduce su rendimiento. Las enormes mejoras en la reducción del peso del motor de la aeronave a través de la mejora del diseño y la metalurgia han dado lugar a motores recíprocos con una relación potencia-peso (peso específico) muy mejorada.
Economía de combustible
El parámetro básico para describir el ahorro de combustible de los motores de aviación suele ser el consumo específico de combustible. El consumo específico de combustible para las turbinas de gas es el flujo de combustible medido en (lb/h) dividido por el empuje (lb), y para los motores recíprocos, el flujo de combustible (lb/h) dividido por los caballos de potencia del freno.
Se denominan consumo de combustible específico para el empuje y consumo de combustible específico para el freno, respectivamente. El consumo de combustible específico equivalente se utiliza para el motor turbohélice y es el flujo de combustible en libras por hora dividido por la potencia equivalente en el eje de un turbohélice. Se pueden hacer comparaciones entre los distintos motores sobre la base del consumo específico de combustible.
A baja velocidad, los motores recíprocos y turbohélices tienen una mayor economía que los motores turbojet o turbofan puros. Sin embargo, a alta velocidad, debido a las pérdidas en la eficiencia de la hélice, la eficiencia del motor recíproco o turbohélice se limita por encima de las 400 mph menos que la del turbofan.
Durabilidad y fiabilidad
La durabilidad y la fiabilidad suelen considerarse factores idénticos, ya que es difícil mencionar uno sin incluir el otro. En pocas palabras, la fiabilidad se mide como el tiempo medio entre fallos, mientras que la durabilidad se mide como el tiempo medio entre revisiones.
Más concretamente, un motor de aeronave es fiable cuando puede funcionar con los valores nominales especificados en actitudes de vuelo muy variadas y en condiciones meteorológicas extremas. La Administración Federal de Aviación (FAA), el fabricante del motor y el fabricante del fuselaje acuerdan las normas de fiabilidad del motor.
El fabricante del motor garantiza la fiabilidad del producto mediante el diseño, la investigación y las pruebas. Se mantiene un estrecho control de los procedimientos de fabricación y montaje, y cada motor se prueba antes de salir de la fábrica.
La durabilidad es la cantidad de vida útil del motor que se obtiene manteniendo la fiabilidad deseada. El hecho de que un motor haya superado con éxito su prueba de tipo o prueba indica que puede funcionar de manera normal durante un largo período antes de necesitar una revisión. Sin embargo, no se especifica ningún intervalo de tiempo definido entre las revisiones ni está implícito en la clasificación del motor.
El tiempo entre revisiones (TBO) varía en función de las condiciones de funcionamiento, como las temperaturas del motor, la cantidad de tiempo que el motor funciona a altas potencias y el mantenimiento recibido. Los TBO recomendados son especificados por el fabricante del motor.
La fiabilidad y la durabilidad son incorporadas al motor por el fabricante, pero la fiabilidad continuada del motor viene determinada por el personal de mantenimiento, revisión y operación. Los métodos de mantenimiento y revisión cuidadosos, las inspecciones periódicas y previas al vuelo, y la estricta observancia de los límites de funcionamiento establecidos por el fabricante del motor hacen que los fallos del motor sean raros.
Flexibilidad de funcionamiento
La flexibilidad de funcionamiento es la capacidad de un motor para funcionar sin problemas y ofrecer el rendimiento deseado a todas las velocidades, desde el ralentí hasta la máxima potencia. El motor de la aeronave también debe funcionar eficazmente a través de todas las variaciones de las condiciones atmosféricas que se encuentran en las operaciones generalizadas.
Compactación
Para que la aerodinámica y el equilibrio de la aeronave sean adecuados, la forma y el tamaño del motor deben ser lo más compactos posible. En los aviones monomotores, la forma y el tamaño del motor también afectan a la visión del piloto, por lo que un motor más pequeño es mejor desde este punto de vista, además de reducir la resistencia creada por una gran área frontal.
Las limitaciones de peso, naturalmente, están estrechamente relacionadas con el requisito de compacidad. Cuanto más alargado y extendido sea un motor, más difícil será mantener el peso específico dentro de los límites permitidos.
Selección del motor
El peso específico del motor y el consumo específico de combustible se han discutido en los párrafos anteriores, pero para ciertos requisitos de diseño, la selección final del grupo motopropulsor puede basarse en factores distintos a los que pueden discutirse desde un punto de vista analítico. Por esta razón, a continuación se presenta una discusión general sobre la selección del grupo motopropulsor.
Para las aeronaves cuya velocidad de crucero no supere los 250 mph, el motor recíproco es la elección habitual del grupo motopropulsor. Cuando se requiere economía en el rango de baja velocidad, se elige el motor recíproco convencional debido a su excelente eficiencia y a su coste relativamente bajo.
Cuando se requiere un rendimiento a gran altitud, se puede elegir el motor recíproco turboalimentado porque es capaz de mantener la potencia nominal a gran altitud (por encima de los 30.000 pies). Los motores de turbina de gas funcionan de forma más económica a grandes altitudes. Aunque en la mayoría de los casos el motor de turbina de gas proporciona un rendimiento superior, el coste de los motores de turbina de gas es un factor limitante.
En el rango de velocidad de crucero de 180 a 350 mph, el motor turbopropulsor tiene un rendimiento muy bueno. Desarrolla más potencia por libra de peso que el motor recíproco, lo que permite una mayor carga de combustible o carga útil para motores de una potencia determinada. A partir de 350 mph y hasta Mach .8-.9, los motores turbofan se utilizan generalmente para las operaciones de las aerolíneas.
Las aeronaves destinadas a operar a Mach 1 o superior son propulsadas por motores turborreactores puros/motores de postcombustión (aumentados), o motores turbofán de baja derivación.
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