Motores de Turbina de Gas - Gas Turbine Engines
Principios de funcionamiento de los motores de turbina
El principio utilizado por un motor de turbina de gas cuando proporciona fuerza para mover un avión se basa en la Tercera Ley de Newton. Esta ley establece que para toda acción hay una reacción igual y opuesta; por tanto, si el motor acelera una masa de aire (acción), aplica una fuerza sobre el avión (reacción).
El turbofán genera empuje dando una aceleración relativamente lenta a una gran cantidad de aire. El antiguo motor turbojet puro consigue el empuje impartiendo una mayor aceleración a una menor cantidad de aire. Este era su principal problema, el consumo de combustible y el ruido.
La masa de aire se acelera dentro del motor mediante el uso de un ciclo de flujo continuo. El aire ambiente entra en el difusor de entrada, donde se somete a cambios de temperatura, presión y velocidad debido al efecto carnero. A continuación, el compresor aumenta mecánicamente la presión y la temperatura del aire.
El aire continúa a presión constante hasta la sección del quemador, donde su temperatura aumenta por la combustión del combustible. La energía se toma del gas caliente expandiéndose a través de una turbina que acciona el compresor, y expandiéndose a través de una tobera de escape diseñada para descargar los gases de escape a alta velocidad para producir empuje.
Los gases de alta velocidad del motor pueden considerarse continuos, impartiendo esta fuerza contra la aeronave en la que está instalado, produciendo así empuje. La fórmula del empuje puede derivarse de la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza es proporcional al producto de la masa y la aceleración.
Esta ley se expresa en la fórmula:
F = M × A
donde; F = fuerza en libras M = masa en libras por segundos A = aceleración en pies por segundos
En la fórmula anterior, la masa es similar al peso, pero en realidad es una cantidad diferente. La masa se refiere a la cantidad de materia, mientras que el peso se refiere a la atracción de la gravedad sobre esa cantidad de materia. A nivel del mar y en condiciones normales, 1 libra de masa tiene un peso de 1 libra.
Para calcular la aceleración de una masa determinada, se utiliza la constante gravitatoria como unidad de comparación. La fuerza de la gravedad es de 32,2 pies por segundo al cuadrado (ft/seg2). Esto significa que un objeto de 1 libra en caída libre se acelera a razón de 32,2 pies por segundo cada segundo que la gravedad actúa sobre él.
Como la masa del objeto pesa 1 libra, que es también la fuerza real que le imparte la gravedad, se puede suponer que una fuerza de 1 libra acelera un objeto de 1 libra a razón de 32,2 pies/seg2.
Asimismo, una fuerza de 10 libras acelera una masa de 10 libras a una velocidad de 32,2 pies/seg2. Esto es asumiendo que no hay fricción u otra resistencia que vencer. Ahora es evidente que la relación entre la fuerza (en libras) y la masa (en libras) es como la aceleración en pies/seg2 es a 32,2.
En cualquier fórmula que implique trabajo, debe considerarse el factor tiempo. Es conveniente tener todos los factores de tiempo en unidades equivalentes (es decir, segundos, minutos u horas). En el cálculo del empuje del chorro, es conveniente utilizar el término "libras de aire por segundo", ya que el segundo es la misma unidad de tiempo utilizada para la fuerza de la gravedad.
Tipos y construcción
En un motor recíproco, las funciones de admisión, compresión, combustión y escape tienen lugar en la misma cámara de combustión. Por consiguiente, cada una de ellas debe tener una ocupación exclusiva de la cámara durante su parte respectiva del ciclo de combustión. Una característica importante del motor de turbina de gas es que se dedican secciones separadas a cada función, y todas las funciones se realizan simultáneamente sin interrupción.
Un motor de turbina de gas típico consta de:
1. Una entrada de aire,
2. Una sección de compresión,
3. Sección de combustión,
4. Sección de la turbina,
5. Sección de escape,
6. Sección de accesorios,
7. Los sistemas necesarios para el arranque, la lubricación, el suministro de combustible y los fines auxiliares, como el antihielo, la refrigeración y la presurización.
Los principales componentes de todos los motores de turbina de gas son básicamente los mismos; sin embargo, la nomenclatura de los componentes de los distintos motores actualmente en uso varía ligeramente debido a la diferencia en la terminología de cada fabricante. Estas diferencias se reflejan en los manuales de mantenimiento aplicables. Uno de los mayores factores que influyen en las características de construcción de cualquier motor de turbina de gas es el tipo de compresor o compresores para los que está diseñado el motor.
Se utilizan cuatro tipos de motores de turbina de gas para propulsar y alimentar a las aeronaves. Son el turbofán, el turbohélice, el turboeje y el turborreactor. El término "turborreactor" se utilizaba para describir cualquier motor de turbina de gas utilizado en los aviones. A medida que la tecnología de las turbinas de gas evolucionó, se desarrollaron estos otros tipos de motores para sustituir al motor turborreactor puro.
El motor turbojet tiene problemas de ruido y consumo de combustible en el rango de velocidades que vuelan los aviones (.8 Mach). Debido a estos problemas, el uso de los motores turbojet puros es muy limitado.
Por ello, casi todos los aviones de tipo avión de pasajeros utilizan un motor turbofán. Se desarrolló para hacer girar un gran ventilador o conjunto de ventiladores en la parte delantera del motor y produce aproximadamente el 80% del empuje del motor.
Este motor es más silencioso y tiene un mejor consumo de combustible en este rango de velocidades. Los motores turbofan tienen más de un eje en el motor; muchos son motores de dos ejes. Esto significa que hay dos conjuntos de compresores y turbinas que los impulsan.
Estos motores de dos ejes utilizan dos carretes (un carrete es un compresor y un eje y turbinas que impulsan ese compresor). En un motor de dos carretes, hay un carrete de alta presión y un carrete de baja presión.
El carrete de baja presión generalmente contiene el o los ventiladores y las etapas de la turbina que los accionan. El carrete de alta presión es el compresor de alta presión, el eje y las turbinas. Esta bobina constituye el núcleo del motor y en ella se encuentra la sección de combustión.
Los motores turbofan pueden ser de bajo bypass o de alto bypass. La cantidad de aire que se desvía alrededor del núcleo del motor determina la relación de derivación. La cantidad de flujo de aire en libras/segundo del bypass del ventilador al flujo del núcleo del motor es la relación de bypass.
Relación de derivación = 100 lb-seg de flujo del ventilador / 20 lb-seg de flujo del núcleo = Relación de derivación 5:1
Algunos motores turbofan de bajo bypass se utilizan en rangos de velocidad superiores a 0,8 Mach (aviones militares). Estos motores utilizan aumentadores o postcombustión para aumentar el empuje. Añadiendo más toberas de combustible y un porta llamas en el sistema de escape, se puede rociar y quemar combustible adicional, lo que puede proporcionar grandes aumentos de empuje durante cortos periodos de tiempo.
El motor turbohélice es un motor de turbina de gas que hace girar una hélice a través de una caja de engranajes de reducción de velocidad. Este tipo de motor es más eficiente en el rango de velocidad de 300 a 400 mph y puede utilizar pistas más cortas que otros aviones.
Aproximadamente entre el 80 y el 85% de la energía desarrollada por el motor de turbina de gas se utiliza para impulsar la hélice. El resto de la energía disponible sale por el escape en forma de empuje. Sumando la potencia desarrollada por el eje del motor y la potencia del empuje de salida, la respuesta es la potencia equivalente del eje.
En lo que respecta a las aeronaves, el motor de turboeje es un motor de turbina de gas hecho para transferir caballos de fuerza a un eje que hace girar la transmisión de un helicóptero o es una unidad de potencia auxiliar (APU) a bordo.
Una APU se utiliza en las aeronaves con motor de turbina para proporcionar energía eléctrica y aire de purga en tierra y un generador de reserva en vuelo. Los motores de turboeje pueden venir en muchos estilos, formas y rangos de potencia diferentes.
Entrada de aire - Air Entrance
La entrada de aire está diseñada para conducir el aire entrante al compresor con una mínima pérdida de energía resultante del arrastre o de la pérdida de presión del pistón; es decir, el flujo de aire hacia el compresor debe estar libre de turbulencias para lograr la máxima eficiencia de funcionamiento. Un diseño adecuado de la entrada contribuye materialmente al rendimiento de la aeronave al aumentar la relación entre la presión de descarga del compresor y la presión de entrada al conducto.
Esto también se conoce como la relación de presión del compresor. Esta relación es la presión de salida dividida por la presión de entrada. La cantidad de aire que pasa por el motor depende de tres factores
1. La velocidad del compresor (rpm)
2. La velocidad de avance de la aeronave
3. La densidad del aire ambiente (circundante)
El tipo de entrada de la turbina viene dictado por el tipo de motor de turbina de gas. La entrada de un motor turbofán de alta derivación es completamente diferente de la entrada de un turbohélice o un turboeje. Los grandes aviones con turbina de gas casi siempre tienen un motor turbofán. La admisión en este tipo de motor está atornillada a la parte delantera (brida A) del motor.
Dado que en la mayoría de los motores turbofán modernos el enorme ventilador es la primera parte del avión con la que entra en contacto el aire entrante, se debe proporcionar protección contra el hielo. Esto evita que se formen trozos de hielo en el borde de ataque de la entrada, que se desprendan y que dañen el ventilador.
El aire caliente se purga del compresor del motor y se canaliza a través de la entrada para evitar la formación de hielo. Si se utilizan álabes de entrada para enderezar el flujo de aire, también tienen aire anticongelante que fluye a través de ellos. La admisión también contiene algunos materiales que reducen el ruido del ventilador y hacen que el motor sea más silencioso.
Los turbohélices y los turboejes pueden utilizar una rejilla de entrada para ayudar a filtrar el hielo o los residuos que entran en el motor. Una aleta deflectora y un labio de entrada calentado se utilizan para evitar que se forme hielo y que entren trozos grandes en el motor.
En los aviones militares, la entrada dividida permite el uso de conductos muy cortos con una pequeña caída de presión resultante a través de la fricción de la piel. Los aviones militares pueden volar a velocidades superiores a Mach 1, pero el flujo de aire a través del motor debe permanecer siempre por debajo de Mach 1.
Un flujo de aire supersónico en el motor destruiría el motor. Mediante el uso de conductos de forma convergente y divergente, el flujo de aire se controla y desciende a velocidades subsónicas antes de entrar en el motor. Las entradas supersónicas se utilizan para reducir la velocidad del aire entrante en el motor a menos de Mach 1 antes de que entre en el motor.
Sección de accesorios - Accessory Section
La sección de accesorios del motor de turbina de gas tiene varias funciones. La función principal es proporcionar espacio para el montaje de los accesorios necesarios para el funcionamiento y el control del motor.
Por lo general, también incluye accesorios relacionados con la aeronave, como generadores eléctricos y bombas hidráulicas. Las funciones secundarias incluyen la de servir de depósito y/o cárter de aceite y la de albergar los engranajes de accionamiento de los accesorios y los engranajes de reducción.
La disposición y el accionamiento de los accesorios siempre ha sido un problema importante en los motores de turbina de gas. Los accesorios accionados en los turbofanes suelen estar montados en la caja de engranajes de accesorios, que se encuentra en la parte inferior del motor. La ubicación de la caja de engranajes de accesorios varía un poco, pero la mayoría de los turbohélices y turboventiladores tienen las cajas de accesorios montadas en la sección trasera del motor.
Los componentes de la sección de accesorios de todos los motores de turbina de gas tienen esencialmente el mismo propósito, aunque a menudo difieren bastante en detalles de construcción y nomenclatura.
Los elementos básicos de la sección de accesorios son:
1. La caja de accesorios, que tiene almohadillas de montaje mecanizadas para los accesorios accionados por el motor, y
2. El tren de engranajes, que se aloja dentro de la caja de accesorios.
La caja de accesorios puede estar diseñada para actuar como depósito de aceite. Si se utiliza un depósito de aceite, suele haber un sumidero debajo del soporte del cojinete delantero para el drenaje y la recogida del aceite utilizado para lubricar los cojinetes y los engranajes de transmisión. La caja de accesorios también está provista de tubos o conductos adecuados para pulverizar el aceite lubricante en el tren de engranajes y los cojinetes de apoyo.
El tren de engranajes es accionado por el compresor de alta presión del motor a través de un acoplamiento de engranajes del eje de transmisión del accesorio (eje de la torre), que se empalma con un engranaje de la caja de engranajes y el compresor de alta presión. El engranaje de reducción dentro de la caja proporciona velocidades de accionamiento adecuadas para cada accesorio o componente del motor.
Dado que las revoluciones de funcionamiento del rotor son tan altas, las relaciones de los engranajes de reducción de los accesorios son relativamente altas. Los accionamientos de los accesorios se apoyan en cojinetes de bolas montados en los orificios de las almohadillas de montaje de la caja de accesorios.
Sección del compresor
La sección del compresor del motor de turbina de gas tiene muchas funciones. Su función principal es suministrar aire en cantidad suficiente para satisfacer las necesidades de los quemadores de combustión. Específicamente, para cumplir con su propósito, el compresor debe aumentar la presión de la masa de aire recibida desde el conducto de entrada de aire, y luego descargarla a los quemadores en la cantidad y a las presiones requeridas.
Una función secundaria del compresor es suministrar aire de purga para diversos fines en el motor y la aeronave. El aire de purga se toma de cualquiera de las diversas etapas de presión del compresor. La ubicación exacta de los puertos de purga depende, por supuesto, de la presión o la temperatura necesarias para un trabajo concreto.
Los puertos son pequeñas aberturas en la carcasa del compresor adyacentes a la etapa concreta de la que se va a purgar el aire; de este modo, se puede disponer de distintos grados de presión con sólo acceder a la etapa adecuada. A menudo se purga el aire de la etapa final o de mayor presión, ya que, en este punto, la presión y la temperatura del aire son máximas.
A veces puede ser necesario enfriar este aire de alta presión. Si se utiliza para la presurización de la cabina o para otros fines en los que el exceso de calor sería incómodo o perjudicial, el aire se envía a través de una unidad de aire acondicionado antes de que entre en la cabina.
El aire de purga se utiliza de muy diversas maneras. Algunas de las aplicaciones actuales del aire de purga son:
1. Presurización, calefacción y refrigeración de la cabina;
2. Equipos de deshielo y antihielo;
3. Arranque neumático de los motores; y
4. Unidades auxiliares de accionamiento (ADU).
Tipos de compresores
Los dos tipos principales de compresores que se utilizan actualmente en los motores aeronáuticos de turbina de gas son los de flujo centrífugo y los de flujo axial. El compresor de flujo centrífugo logra su propósito recogiendo el aire entrante y acelerándolo hacia el exterior por acción centrífuga.
El compresor de flujo axial comprime el aire mientras éste continúa en su dirección original de flujo, evitando así la pérdida de energía causada por los giros. Los componentes de cada uno de estos dos tipos de compresores tienen sus funciones individuales en la compresión del aire para la sección de combustión. Se considera que una etapa en un compresor es un aumento de presión.
Compresores de flujo centrífugo - Centrifugal-Flow Compressors
El compresor de flujo centrífugo consta de un impulsor (rotor), un difusor (estator) y un colector de compresión. Los compresores centrífugos tienen un elevado aumento de presión por etapa que puede ser de alrededor de 8:1.
Por lo general, los compresores centrífugos se limitan a dos etapas por motivos de eficiencia. Los dos elementos funcionales principales son el impulsor y el difusor. Aunque el difusor es una unidad separada y se coloca en el interior y se atornilla al colector, el conjunto (difusor y colector) suele denominarse difusor.
Para mayor claridad durante la familiarización con el compresor, las unidades se tratan individualmente. El impulsor suele estar hecho de una aleación de aluminio forjado, tratado térmicamente, mecanizado y alisado para minimizar la restricción del flujo y las turbulencias.
En la mayoría de los tipos, el impulsor se fabrica a partir de una única forja. El impulsor, cuya función es recoger y acelerar el aire hacia el exterior del difusor, puede ser de dos tipos: de una sola entrada o de doble entrada.
Las principales diferencias entre los dos tipos de impulsores son el tamaño y la disposición de los conductos. El tipo de doble entrada tiene un diámetro más pequeño pero suele funcionar a una velocidad de rotación más alta para asegurar un flujo de aire suficiente.
Aunque es ligeramente más eficaz en la recepción de aire, el impulsor de entrada simple debe tener un diámetro grande para suministrar la misma cantidad de aire que el de entrada doble. Esto, por supuesto, aumenta el diámetro total del motor.
En los motores de compresor de doble entrada se incluye la cámara plenaria. Esta cámara es necesaria para un compresor de doble entrada porque el aire debe entrar en el motor casi en ángulo recto con el eje del motor. Por lo tanto, para dar un flujo positivo, el aire debe rodear el compresor del motor a una presión positiva antes de entrar en el compresor.
En algunas instalaciones, las puertas auxiliares de entrada de aire (puertas de soplado) se incluyen como partes necesarias de la cámara impelente. Estas puertas de entrada de aire admiten aire al compartimento del motor durante el funcionamiento en tierra, cuando las necesidades de aire del motor son superiores al flujo de aire que pasa por los conductos de entrada.
Las puertas se mantienen cerradas por la acción de un muelle cuando el motor no está en funcionamiento. Sin embargo, durante el funcionamiento, las puertas se abren automáticamente cuando la presión del compartimento del motor cae por debajo de la presión atmosférica. Durante el despegue y el vuelo, la presión del aire del compartimento del motor ayuda a los muelles a mantener las puertas cerradas.
Compresor de flujo axial - Axial-Flow Compressor
El compresor de flujo axial tiene dos elementos principales: un rotor y un estator. El rotor tiene aspas fijadas en un eje. Estas palas impulsan el aire hacia atrás de la misma manera que una hélice, debido a su ángulo y al contorno del perfil aerodinámico. El rotor, que gira a gran velocidad, toma el aire a la entrada del compresor y lo impulsa a través de una serie de etapas.
Desde la entrada hasta la salida, el aire fluye a lo largo de una trayectoria axial y se comprime en una proporción de aproximadamente 1,25:1 por etapa. La acción del rotor aumenta la compresión del aire en cada etapa y lo acelera hacia atrás a través de varias etapas.
Con este aumento de la velocidad, la energía se transfiere del compresor al aire en forma de energía de velocidad. Los álabes del estator actúan como difusores en cada etapa, convirtiendo parcialmente la alta velocidad en presión. Cada par consecutivo de álabes del rotor y del estator constituye una etapa de presión.
El número de filas de álabes (etapas) viene determinado por la cantidad de aire y el aumento de presión total necesarios. La relación de presión del compresor aumenta con el número de etapas de compresión. La mayoría de los motores utilizan hasta 16 etapas o más.
El estator tiene filas de álabes, que a su vez están fijados dentro de una carcasa. Los álabes del estator, que son fijos, se proyectan radialmente hacia el eje del rotor y se ajustan estrechamente a cada lado de cada etapa de las palas del rotor.
En algunos casos, la carcasa del compresor, en la que se instalan los álabes del estator, está dividida horizontalmente en mitades. Tanto la mitad superior como la inferior pueden desmontarse para la inspección o el mantenimiento de las palas del rotor y del estator.
La función de los álabes del estator es recibir aire del conducto de entrada de aire o de cada etapa anterior y aumentar la presión del aire y entregarlo a la siguiente etapa a la velocidad y presión correctas.
También controlan la dirección del aire hacia cada etapa del rotor para obtener la máxima eficiencia posible de los álabes del compresor. Las palas del rotor de la primera etapa pueden ir precedidas de un conjunto de álabes guía de entrada que puede ser fijo o variable.
Los álabes guía dirigen el flujo de aire hacia las palas del rotor de la primera etapa en el ángulo adecuado e imparten un movimiento de remolino al aire que entra en el compresor.
Este remolino previo, en la dirección de rotación del motor, mejora las características aerodinámicas del compresor al reducir la resistencia de las palas del rotor de la primera etapa. Los álabes guía de entrada son álabes curvados de acero que suelen estar soldados a cubiertas interiores y exteriores de acero.
En el extremo de descarga del compresor, los álabes del estator se construyen para enderezar el flujo de aire y eliminar las turbulencias. Estos álabes se denominan álabes enderezadores o conjunto de álabes de salida. Las carcasas de los compresores de flujo axial no sólo soportan los álabes del estator y proporcionan la pared exterior de la trayectoria axial que sigue el aire, sino que también proporcionan los medios para extraer el aire del compresor para diversos fines.
Los álabes del estator suelen ser de acero resistente a la corrosión y a la erosión. Con frecuencia, están cubiertos (encerrados) por una banda de material adecuado para simplificar el problema de la fijación. Los álabes se sueldan a las cubiertas y la cubierta exterior se fija a la pared interior del compresor mediante tornillos de retención radiales.
Las palas del rotor suelen ser de acero inoxidable y las últimas etapas son de titanio. El diseño de la fijación de las palas a las llantas del disco del rotor varía, pero normalmente se ajustan a los discos mediante métodos de tipo bulbo o de abeto.
A continuación, las palas se fijan en su lugar mediante diferentes métodos. Las puntas de las palas del compresor se reducen en grosor mediante recortes, denominados perfiles de las palas. Estos perfiles evitan que se produzcan daños graves en el álabe o en la carcasa en caso de que los álabes entren en contacto con la carcasa del compresor.
Esta situación puede producirse si las palas del rotor se aflojan excesivamente o si el soporte del rotor se reduce por un cojinete que no funciona correctamente. Aunque los perfiles de las palas reducen en gran medida estas posibilidades, ocasionalmente una pala puede romperse por la tensión del roce y causar daños considerables a las palas del compresor y a los conjuntos de paletas del estator.
La longitud de los álabes varía desde la entrada hasta la descarga porque el espacio de trabajo anular (del tambor a la carcasa) se reduce progresivamente hacia la parte trasera por la disminución del diámetro de la carcasa. Esta característica proporciona una velocidad bastante constante a través del compresor, lo que ayuda a mantener constante el flujo de aire.
El rotor puede ser de tipo tambor o de tipo disco. El rotor de tipo tambor está formado por anillos embridados que encajan uno contra otro, con lo que todo el conjunto puede mantenerse unido mediante pernos pasantes. Este tipo de construcción es satisfactoria para los compresores de baja velocidad en los que los esfuerzos centrífugos son bajos.
El rotor tipo disco consiste en una serie de discos mecanizados a partir de piezas forjadas de aluminio, encogidos sobre un eje de acero, con las palas del rotor encajadas en los bordes del disco.
Otro método de construcción del rotor consiste en mecanizar los discos y el eje a partir de una única forja de aluminio, y luego atornillar ejes de acero en la parte delantera y trasera del conjunto para proporcionar superficies de apoyo de los cojinetes y estrías para unir el eje de la turbina.
La combinación de las etapas del compresor y de la turbina en un eje común es un motor denominado carrete de motor. El eje común se proporciona uniendo los ejes de la turbina y del compresor mediante un método adecuado. El carrete del motor está soportado por cojinetes, que están asentados en alojamientos de cojinetes adecuados.
Como se ha mencionado anteriormente, existen dos configuraciones del compresor axial actualmente en uso: el rotor/carrete simple y el rotor/carrete doble, a veces denominados carrete sólido y carrete dividido (dos carretes, doble carrete).
Una versión del compresor de carrete sólido (un carrete - one spool) utiliza paletas guía de entrada variables. Además, las primeras filas de álabes del estator son variables. La principal diferencia entre los álabes guía de entrada variables (VIGV) y los álabes variables del estator (VSV) es su posición con respecto a las palas del rotor.
Las VIGV están delante de las palas del rotor, y las VSV están detrás de las palas del rotor. Los ángulos de los álabes guía de entrada y de las primeras etapas de los álabes del estator pueden ser variables. Durante el funcionamiento, el aire entra por la parte delantera del motor y es dirigido hacia el compresor en el ángulo adecuado por la guía de entrada variable y dirigido por la VSV.
El aire se comprime y es forzado a entrar en la sección de combustión. Una boquilla de combustible que se extiende en cada camisa de combustión atomiza el combustible para la combustión. Estas variables se controlan en relación directa con la cantidad de potencia que el motor debe producir mediante la posición de la palanca de potencia.
La mayoría de los motores turbofán son del tipo de compresor de carrete dividido. La mayoría de los grandes motores turbofán utilizan un gran ventilador con unas cuantas etapas de compresión denominadas carrete de baja presión.
Estos turbofanes incorporan dos compresores con sus respectivas turbinas y ejes de interconexión, que forman dos sistemas de rotores físicamente independientes. Muchos sistemas de doble rotor tienen rotores que giran en direcciones opuestas y sin conexión mecánica entre sí. El segundo rotor, denominado de alta presión y que es el compresor del generador de gas y del núcleo del motor, suministra aire a la sección de combustión del motor.
Las ventajas y desventajas de ambos tipos de compresores se incluyen en la siguiente lista. Aunque cada tipo tiene ventajas y desventajas, cada uno tiene su uso según el tipo y el tamaño del motor.
Las ventajas del compresor de flujo centrífugo son:
- Elevado aumento de presión por etapa,
- Eficiencia en un amplio rango de velocidades de giro,
- Simplicidad de fabricación y bajo coste,
- Bajo peso, y
- Bajo requerimiento de potencia de arranque.
Las desventajas del compresor de flujo centrífugo son:
- Su gran superficie frontal para un determinado caudal de aire y
- Pérdidas en los giros entre etapas.
Las ventajas del compresor de flujo axial son:
- Alto rendimiento máximo;
- Pequeña área frontal para un flujo de aire determinado;
- Flujo recto, lo que permite una alta eficiencia del pistón; y
- Aumento de la presión al incrementar el número de etapas, con pérdidas insignificantes.
Las desventajas del compresor de flujo axial son:
- Buen rendimiento sólo en un estrecho rango de velocidades de giro,
- Dificultad de fabricación y alto coste,
- Peso relativamente elevado, y
- Necesidad de una gran potencia de arranque (parcialmente superada por los compresores divididos).
Difusor - Diffuser
El difusor es la sección divergente del motor después del compresor y antes de la sección de combustión. Tiene la importantísima función de reducir el aire de descarga del compresor de alta velocidad a una presión mayor a una velocidad menor.
Esto prepara el aire para entrar en la zona de combustión de la sección de combustión a una velocidad más baja para que la llama de combustión pueda arder continuamente. Si el aire pasara por la zona de la llama a una velocidad elevada, podría extinguir la llama.
Sección de combustión
La sección de combustión alberga el proceso de combustión, que eleva la temperatura del aire que pasa por el motor. Este proceso libera la energía contenida en la mezcla de aire y combustible. La mayor parte de esta energía se requiere en la turbina o en las etapas de la turbina para impulsar el compresor.
Aproximadamente 2/3 de la energía se utiliza para accionar el compresor del generador de gas. El resto de la energía pasa por las restantes etapas de la turbina que absorben más energía para accionar el ventilador, el eje de salida o la hélice. Sólo el turborreactor puro permite que el aire cree todo el empuje o propulsión al salir por la parte trasera del motor en forma de chorro de alta velocidad.
Estos otros tipos de motores tienen cierta velocidad de chorro que sale por la parte trasera del motor, pero la mayor parte del empuje o la potencia es generada por las etapas adicionales de la turbina que accionan un gran ventilador, una hélice o las palas del rotor de un helicóptero.
La función principal de la sección de combustión es, por supuesto, quemar la mezcla de combustible y aire, añadiendo así energía térmica al aire. Para hacer esto eficientemente, la cámara de combustión debe:
- Proporcionar los medios para la mezcla adecuada del combustible y el aire para asegurar una buena combustión,
- Quemar esta mezcla de forma eficiente,
- Enfriar los productos calientes de la combustión a una temperatura que los álabes de entrada de la turbina puedan soportar en condiciones de funcionamiento, y
- Llevar los gases calientes a la sección de la turbina.
La ubicación de la sección de combustión está directamente entre las secciones del compresor y de la turbina. Las cámaras de combustión siempre están dispuestas coaxialmente con el compresor y la turbina, independientemente del tipo, ya que las cámaras deben estar en posición de paso para funcionar eficazmente. Todas las cámaras de combustión contienen los mismos elementos básicos:
1. Carcasa
2. Revestimiento interior perforado
3. Sistema de inyección de combustible
4. Algún medio para el encendido inicial
5. Sistema de drenaje de combustible para evacuar el combustible no quemado tras la parada del motor
En la actualidad existen tres tipos básicos de cámaras de combustión, las variaciones dentro del tipo son sólo de detalle. Estos tipos son:
1. Tipo de lata
2. Tipo lata-anular
3. Tipo anular
La cámara de combustión de tipo lata es la típica que se utiliza en los turboejes y las APU. Cada una de las cámaras de combustión de tipo lata consiste en una caja o carcasa exterior, dentro de la cual hay un revestimiento de la cámara de combustión de acero inoxidable perforado (altamente resistente al calor) o revestimiento interior. La carcasa exterior se retira para facilitar la sustitución de la camisa.
Los motores antiguos con varios botes de combustión tenían cada bote con un tubo interconector (de propagación de la llama), que era una parte necesaria de las cámaras de combustión de tipo bote.
Dado que cada lata es un quemador separado que funciona independientemente de las otras latas, debe haber alguna forma de propagar la combustión durante la operación inicial de arranque. Esto se consigue interconectando todas las cámaras. Cuando la llama es iniciada por las bujías de encendido en dos de las cámaras inferiores, pasa a través de los tubos y enciende la mezcla combustible en la cámara adyacente y continúa hasta que todas las cámaras están ardiendo.
Los tubos de llama varían en detalles de construcción de un motor a otro, aunque los componentes básicos son casi idénticos. Los encendedores de chispa mencionados anteriormente son normalmente dos y están situados en dos de las cámaras de combustión tipo lata.
Otro requisito muy importante en la construcción de las cámaras de combustión es proporcionar los medios para drenar el combustible no quemado. Este drenaje evita los depósitos de goma en el colector de combustible, las boquillas y las cámaras de combustión. Estos depósitos son causados por el residuo que queda cuando el combustible se evapora.
Probablemente lo más importante es el peligro de incendio posterior si se permite que el combustible se acumule después de la parada. Si no se drena el combustible, existe una gran posibilidad de que, en el siguiente intento de arranque, el exceso de combustible en la cámara de combustión se encienda y la temperatura de los gases de escape supere los límites de seguridad de funcionamiento.
Las camisas de las cámaras de combustión de tipo lata tienen perforaciones de varios tamaños y formas, cada una de las cuales tiene un propósito y un efecto específico en la propagación de la llama dentro de la camisa. El aire que entra en la cámara de combustión está dividido por los orificios, rejillas y ranuras adecuados en dos corrientes principales: aire primario y secundario.
El aire primario o de combustión se dirige al interior de la camisa en el extremo delantero, donde se mezcla con el combustible y se quema. El aire secundario o de refrigeración pasa entre la carcasa exterior y la camisa y se une a los gases de combustión a través de orificios más grandes hacia la parte trasera de la camisa, enfriando los gases de combustión desde unos 3.500 °F hasta cerca de 1.500 °F.
Para ayudar a la atomización del combustible, se proporcionan agujeros alrededor de la boquilla de combustible en la cúpula o en el extremo de entrada del revestimiento de la cámara de combustión tipo lata.
También se proporcionan rejillas a lo largo de la longitud axial de las camisas para dirigir una capa de aire refrigerante a lo largo de la pared interior de la camisa. Esta capa de aire también tiende a controlar el patrón de la llama manteniéndola centrada en la camisa, evitando así que se quemen las paredes de la camisa.
En la caja de la cámara de combustión siempre se ha previsto la instalación de una boquilla de combustible. La boquilla de combustible suministra el combustible a la camisa en un chorro finamente atomizado. Cuanto más atomizado esté el chorro, más rápido y eficaz será el proceso de combustión.
Los dos tipos de boquilla de combustible que se utilizan actualmente en los distintos tipos de cámaras de combustión son la boquilla simple y la boquilla dúplex.
Las bujías de encendido de la cámara de combustión anular son del mismo tipo básico utilizado en las cámaras de combustión de tipo lata, aunque los detalles de construcción pueden variar. Normalmente hay dos encendedores montados en el saliente previsto en cada una de las carcasas de la cámara. Los encendedores deben ser lo suficientemente largos como para sobresalir de la carcasa en la cámara de combustión.
Los quemadores están interconectados por tubos de llama salientes que facilitan el proceso de arranque del motor, tal y como se ha mencionado anteriormente en la familiarización con la cámara de combustión tipo lata. Los tubos de llama funcionan de forma idéntica a los comentados anteriormente, diferenciándose únicamente en los detalles constructivos.
La cámara de combustión tipo lata no se utiliza en los motores modernos. La cara delantera de cada cámara presenta seis aberturas, que se alinean con las seis boquillas de combustible del grupo de boquillas de combustible correspondiente.
Estas boquillas son del tipo de doble orificio (dúplex) que requieren el uso de un divisor de flujo (válvula presurizadora), como se mencionó en la discusión de la cámara de combustión tipo lata.
Alrededor de cada tobera hay paletas de remolino para impartir un movimiento de remolino a la pulverización de combustible, lo que resulta en una mejor atomización del combustible, una mejor combustión y eficiencia. Las paletas de remolino funcionan para proporcionar dos efectos imperativos para la propagación adecuada de la llama:
- 1 Alta velocidad de la llama (High flame speed): Mejor mezcla del aire y el combustible, asegurando una combustión espontánea.
- 2 Baja velocidad del aire axialmente (Low air velocity axially): Eliminan el movimiento demasiado rápido de la llama axialmente.
Los álabes de remolino ayudan en gran medida a la propagación de la llama, ya que es deseable un alto grado de turbulencia en las primeras etapas de combustión y enfriamiento.
La mezcla mecánica vigorosa del vapor de combustible con el aire primario es necesaria, ya que la mezcla por difusión sola es demasiado lenta. Esta misma mezcla mecánica se establece también por otros medios, como la colocación de pantallas gruesas en la salida del difusor, como ocurre en la mayoría de los motores de flujo axial.
Las cámaras de combustión can-annular también deben tener las válvulas de drenaje de combustible necesarias situadas en dos o más de las cámaras inferiores, asegurando el drenaje adecuado y la eliminación de la quema de combustible residual en el siguiente arranque.
El flujo de aire a través de los agujeros y rejillas de las cámaras canulares, es casi idéntico al flujo a través de otros tipos de quemadores. Se utilizan deflectores especiales para arremolinar el flujo de aire de combustión y darle turbulencia. La dirección del flujo de aire está indicada por las flechas.
Los componentes básicos de una cámara de combustión anular son una carcasa y una camisa, como en el tipo de lata. La camisa consiste en una cubierta circular no dividida que se extiende por todo el exterior de la carcasa del eje de la turbina. La cámara está construida con materiales resistentes al calor, que a veces están recubiertos con materiales de barrera térmica, como los materiales cerámicos. Los motores de turbina modernos suelen tener una cámara de combustión anular.
Sección de la turbina
La turbina transforma una parte de la energía cinética (velocidad) de los gases de escape en energía mecánica para accionar el compresor del generador de gas y los accesorios. El único propósito de la turbina del generador de gas es absorber aproximadamente entre el 60 y el 70 por ciento de la energía de presión total de los gases de escape.
La cantidad exacta de absorción de energía en la turbina está determinada por la carga que la turbina está impulsando (es decir, el tamaño y el tipo de compresor, el número de accesorios y la carga aplicada por las otras etapas de la turbina). Estas etapas de la turbina pueden utilizarse para accionar un compresor de baja presión (ventilador), una hélice y un eje.
La sección de la turbina de un motor de turbina de gas está situada a popa, o a continuación, de la cámara de combustión. En concreto, se encuentra directamente detrás de la salida de la cámara de combustión.
El conjunto de la turbina consta de dos elementos básicos: los álabes de entrada de la turbina y el disco de la turbina. El elemento del estator se conoce con diversos nombres, de los cuales los álabes de la tobera de entrada de la turbina, los álabes guía de entrada de la turbina y el diafragma de la tobera son tres de los más utilizados.
Los álabes de la tobera de entrada de la turbina están situados directamente a popa de las cámaras de combustión e inmediatamente delante de la rueda de la turbina. Esta es la temperatura más alta o más caliente que entra en contacto con los componentes metálicos del motor. La temperatura de entrada de la turbina debe ser controlada, o se producirán daños en los álabes de entrada de la turbina.
Después de que la cámara de combustión haya introducido la energía térmica en el flujo de masa de aire y la haya entregado uniformemente a las toberas de entrada de la turbina, éstas deben preparar el flujo de masa de aire para impulsar el rotor de la turbina.
Los álabes estacionarios de las toberas de entrada de la turbina están contorneados y colocados en un ángulo tal que forman una serie de pequeñas toberas que descargan el gas a una velocidad extremadamente alta; de este modo, la tobera convierte una parte variable de la energía de calor y presión en energía de velocidad que puede convertirse en energía mecánica a través de los álabes de la turbina.
Existen tres tipos de álabes de turbina: el álabe de turbina de impulso, el álabe de turbina de reacción y el álabe de turbina de reacción-impulso. El álabe de la turbina de impulso también se denomina cubo.
Esto se debe a que, cuando la corriente de aire incide en el centro del álabe, cambia la dirección de la energía al hacer girar los álabes el disco y el eje del rotor. Los álabes guía de la tobera de la turbina suelen poder ajustarse durante la revisión y el montaje del motor para aumentar la eficacia de la corriente de aire que incide sobre los álabes o los cangilones de la turbina.
Los álabes de la turbina de reacción hacen que el disco gire por la acción aerodinámica de la corriente de aire dirigida a fluir más allá del álabe en un ángulo particular con el fin de desarrollar la potencia más eficiente del motor de la turbina.
El álabe de turbina de reacción-impulso combina la acción de los diseños de álabes de impulso y de reacción. El álabe tiene más bien la forma de cubo del álabe de impulso en la raíz del álamo y también tiene más bien la forma aerodinámica del álamo de reacción en la segunda mitad del álamo hacia el extremo exterior del mismo.
El segundo propósito de la tobera de entrada de la turbina es desviar los gases a un ángulo específico en la dirección de la rotación de la rueda de la turbina. Dado que el flujo de gas procedente de la tobera debe entrar en el conducto de los álabes de la turbina mientras ésta sigue girando, es esencial orientar el gas en la dirección general de rotación de la turbina.
El conjunto de la tobera de entrada de la turbina consta de una cubierta interior y una cubierta exterior entre las que se fijan los álabes de la tobera. El número y el tamaño de los álabes de admisión empleados varían según los distintos tipos y tamaños de motores. Los álabes de la tobera de entrada de la turbina pueden ensamblarse entre las carcasas o anillos exteriores e interiores de diversas maneras.
Aunque los elementos reales pueden variar ligeramente en cuanto a la configuración y las características de construcción, hay una característica peculiar de todas las toberas de entrada de la turbina: los álabes de la tobera deben estar construidos para permitir la expansión térmica.
De lo contrario, se produciría una grave distorsión o deformación de los componentes metálicos debido a los rápidos cambios de temperatura. La dilatación térmica de las toberas de las turbinas se consigue por uno de varios métodos. Uno de ellos consiste en ensamblar de forma suelta los revestimientos interior y exterior de los álabes.
Sección de escape - Exhaust Section
La sección de escape del motor de turbina de gas consta de varios componentes. Aunque los componentes tienen propósitos individuales, también tienen una función común: deben dirigir el flujo de gases calientes hacia atrás de manera que se eviten las turbulencias y, al mismo tiempo, se imparta una alta velocidad final o de salida a los gases. En el desempeño de las distintas funciones, cada uno de los componentes afecta al flujo de gases de distintas maneras.
La sección de escape está situada directamente detrás de la sección de la turbina y termina cuando los gases son expulsados por la parte trasera en forma de gases de escape de alta velocidad. Los componentes de la sección de escape incluyen el cono de escape, el tubo de escape (si es necesario) y la tobera de escape.
El cono de escape recoge los gases de escape descargados por la sección de la turbina y los convierte gradualmente en un flujo sólido de gases. Al hacerlo, la velocidad de los gases disminuye ligeramente y la presión aumenta. Esto se debe al paso divergente entre el conducto exterior y el cono interior; es decir, el área anular entre las dos unidades aumenta hacia atrás.
El conjunto del cono de escape consta de una carcasa o conducto exterior, un cono interior, tres o cuatro puntales o aletas huecas radiales y el número necesario de tirantes para ayudar a los puntales a sostener el cono interior desde el conducto exterior.
La carcasa o conducto exterior suele ser de acero inoxidable y se fija a la brida trasera de la carcasa de la turbina. Este elemento recoge los gases de escape y los lleva directamente a la tobera de escape. El conducto debe estar construido de manera que incluya características tales como un número predeterminado de salientes de termopar para instalar termopares de temperatura de escape, y también debe haber orificios de inserción para los tirantes de soporte.
En algunos casos, no se utilizan tirantes para soportar el cono interior. En este caso, los tirantes huecos son el único soporte del cono interior, estando los tirantes soldados por puntos a la superficie interior del conducto y al cono interior, respectivamente. Los puntales radiales tienen en realidad una doble función.
No sólo soportan el cono interior en el conducto de escape, sino que también desempeñan la importante función de enderezar los gases de escape que se arremolinan y que, de otro modo, saldrían de la turbina en un ángulo de aproximadamente 45°.
El cono interior, situado en el centro, se ajusta bastante a la cara posterior del disco de la turbina, lo que evita las turbulencias de los gases al salir de la rueda de la turbina. El cono se apoya en los puntales radiales. En algunas configuraciones, hay un pequeño orificio en la punta de salida del cono.
Este orificio permite que el aire de refrigeración circule desde el extremo de popa del cono, donde la presión de los gases es relativamente alta, hacia el interior del cono y, en consecuencia, contra la cara de la rueda de la turbina.
El flujo de aire es positivo, ya que la presión del aire en la rueda de la turbina es relativamente baja debido a la rotación de la rueda; así, la circulación del aire está asegurada.
Los gases utilizados para la refrigeración de la rueda de la turbina vuelven a la trayectoria principal del flujo pasando por el espacio libre entre el disco de la turbina y el cono interior. El conjunto del cono de escape es el componente final del motor básico. El componente restante (la tobera de escape) suele considerarse un componente del fuselaje.
El tubo de escape suele estar construido de manera que sea semiflexible. En algunos tubos de escape, se incorpora una disposición de fuelles en su construcción, lo que permite el movimiento en la instalación, el mantenimiento y la expansión térmica. Esto elimina la tensión y el alabeo que se produciría de otro modo.
La radiación térmica del cono de escape y del tubo de escape podría dañar los componentes del fuselaje que rodean estas unidades. Por esta razón, había que idear algún medio de aislamiento. Hay varios métodos adecuados para proteger la estructura del fuselaje; dos de los más comunes son las mantas aislantes y los obenques.
Aunque estas mantas protegen el fuselaje de la radiación térmica, se utilizan principalmente para reducir la pérdida de calor del sistema de escape. La reducción de la pérdida de calor mejora el rendimiento del motor.
Hay dos tipos de diseños de toberas de escape: el diseño convergente para velocidades de gas subsónicas y el diseño convergente-divergente para velocidades de gas supersónicas.
La abertura de la tobera de escape puede ser de área fija o variable. El tipo de área fija es la más sencilla de las dos toberas de escape, ya que no tiene partes móviles. El área de salida de la tobera de escape fija es muy crítica para el rendimiento del motor. Si el área de la tobera es demasiado grande, se pierde empuje; si el área es demasiado pequeña, el motor podría ahogarse o perderse.
Una tobera de escape de área variable se utiliza cuando se usa un aumentador o postcombustión debido al aumento de la masa de flujo cuando se activa la postcombustión. Debe aumentar su área abierta cuando se selecciona la postcombustión. Cuando la postcombustión está apagada, la tobera de escape se cierra a un área de apertura menor.
Cojinetes y juntas del motor de turbina de gas - Gas Turbine Engine Bearings and Seals
Los cojinetes principales tienen la función crítica de soportar el rotor del motor principal. El número de cojinetes necesarios para un soporte adecuado del motor viene determinado, en su mayor parte, por la longitud y el peso del rotor del motor.
La longitud y el peso se ven directamente afectados por el tipo de compresor utilizado en el motor. Naturalmente, un compresor de dos carretes requiere más soporte de rodamientos.
El número mínimo de rodamientos necesarios para soportar un eje es un rodamiento rígido de bolas (cargas axiales y radiales) y un rodamiento recto de rodillos (sólo carga radial). A veces, es necesario utilizar más de un rodamiento de rodillos si el eje está sujeto a vibraciones o su longitud es excesiva.
Los rotores de las turbinas de gas se apoyan en rodamientos de bolas y de rodillos, que son rodamientos antifricción. Muchos de los motores más nuevos utilizan cojinetes hidráulicos, en los que la pista exterior está rodeada por una fina película de aceite. Esto reduce las vibraciones transmitidas al motor.
En general, se prefieren los cojinetes antifricción porque:
- - Ofrecen poca resistencia a la rotación,
- - Facilitan la alineación precisa de los elementos giratorios,
- - Son relativamente baratos,
- - Son fácilmente reemplazables,
- - Soportan altas sobrecargas momentáneas,
- - Son fáciles de refrigerar, lubricar y mantener,
- - Soportan cargas radiales y axiales, y
- - Son relativamente resistentes a las temperaturas elevadas.
Las principales desventajas son su vulnerabilidad a las materias extrañas y su tendencia a fallar sin previo aviso. Por lo general, los rodamientos de bolas se colocan en el eje del compresor o de la turbina de forma que puedan absorber cualquier carga axial (de empuje) o radial. Como los rodamientos de rodillos presentan una mayor superficie de trabajo, están mejor equipados para soportar cargas radiales que cargas de empuje.
Por lo tanto, se utilizan principalmente para este propósito. Un conjunto típico de rodamientos de bolas o de rodillos incluye una carcasa de soporte de rodamientos, que debe estar fuertemente construida y apoyada para soportar las cargas radiales y axiales del rotor que gira rápidamente.
La carcasa del rodamiento suele contener retenes de aceite para evitar que el aceite se salga de su trayectoria normal. También suministra el aceite al rodamiento para su lubricación, normalmente a través de boquillas de pulverización. Los retenes de aceite pueden ser de tipo laberíntico o de rosca (helicoidal).
Estos retenes también pueden estar presurizados para minimizar las fugas de aceite a lo largo del eje del compresor. El sello de laberinto suele estar presurizado, pero el sello helicoidal depende únicamente de la rosca inversa para detener las fugas de aceite. Estos dos tipos de retenes son muy similares, diferenciándose únicamente en el tamaño de la rosca y en el hecho de que el retén de laberinto está presurizado.
Otro tipo de sello de aceite utilizado en algunos de los últimos motores es el sello de carbono. Estos retenes suelen ser de muelle y son similares en material y aplicación a las escobillas de carbón utilizadas en los motores eléctricos.
Los retenes de carbono se apoyan en una superficie provista para crear una cavidad o vacío sellado en el cojinete; de este modo, se evita que el aceite se filtre a lo largo del eje hacia el flujo de aire del compresor o la sección de la turbina.
El rodamiento de bolas o de rodillos se instala en el alojamiento del rodamiento y puede tener una característica de autoalineación. Si un rodamiento es autoalineable, suele estar asentado en un anillo esférico. Esto permite que el eje tenga un cierto movimiento radial sin transmitir tensión a la pista interior del rodamiento.
La superficie del rodamiento suele ser un gorrón mecanizado en el eje correspondiente. El rodamiento suele bloquearse en su posición mediante un anillo de seguridad de acero u otro dispositivo de bloqueo adecuado.
El eje del rotor también proporciona la superficie de coincidencia para los retenes de aceite en el alojamiento del rodamiento. Estas superficies mecanizadas se denominan tierras y encajan bastante cerca del sello de aceite.
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