馃敶✈️ 215. Motor de Turbina de Gas - Gas Turbine Engines馃殎
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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 avi贸n se basa en la Tercera Ley de Newton. Esta ley establece que para toda acci贸n hay una reacci贸n igual y opuesta; por tanto, si el motor acelera una masa de aire (acci贸n), aplica una fuerza sobre el avi贸n (reacci贸n).
El turbof谩n genera empuje dando una aceleraci贸n relativamente lenta a una gran cantidad de aire. El antiguo motor turbojet puro consigue el empuje impartiendo una mayor aceleraci贸n 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, presi贸n y velocidad debido al efecto carnero. A continuaci贸n, el compresor aumenta mec谩nicamente la presi贸n y la temperatura del aire.
El aire contin煤a a presi贸n constante hasta la secci贸n del quemador, donde su temperatura aumenta por la combusti贸n del combustible. La energ铆a se toma del gas caliente expandi茅ndose a trav茅s de una turbina que acciona el compresor, y expandi茅ndose a trav茅s de una tobera de escape dise帽ada 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 est谩 instalado, produciendo as铆 empuje. La f贸rmula del empuje puede derivarse de la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza es proporcional al producto de la masa y la aceleraci贸n.
Esta ley se expresa en la f贸rmula:
F = M × A
donde; F = fuerza en libras M = masa en libras por segundos A = aceleraci贸n en pies por segundos
En la f贸rmula 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 atracci贸n 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 aceleraci贸n de una masa determinada, se utiliza la constante gravitatoria como unidad de comparaci贸n. 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 ca铆da libre se acelera a raz贸n de 32,2 pies por segundo cada segundo que la gravedad act煤a sobre 茅l.
Como la masa del objeto pesa 1 libra, que es tambi茅n la fuerza real que le imparte la gravedad, se puede suponer que una fuerza de 1 libra acelera un objeto de 1 libra a raz贸n 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 fricci贸n u otra resistencia que vencer. Ahora es evidente que la relaci贸n entre la fuerza (en libras) y la masa (en libras) es como la aceleraci贸n en pies/seg2 es a 32,2.
En cualquier f贸rmula 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 c谩lculo del empuje del chorro, es conveniente utilizar el t茅rmino "libras de aire por segundo", ya que el segundo es la misma unidad de tiempo utilizada para la fuerza de la gravedad.
Tipos y construcci贸n
En un motor rec铆proco, las funciones de admisi贸n, compresi贸n, combusti贸n y escape tienen lugar en la misma c谩mara de combusti贸n. Por consiguiente, cada una de ellas debe tener una ocupaci贸n exclusiva de la c谩mara durante su parte respectiva del ciclo de combusti贸n. Una caracter铆stica importante del motor de turbina de gas es que se dedican secciones separadas a cada funci贸n, y todas las funciones se realizan simult谩neamente sin interrupci贸n.
Un motor de turbina de gas t铆pico consta de:
1. Una entrada de aire,
2. Una secci贸n de compresi贸n,
3. Secci贸n de combusti贸n,
4. Secci贸n de la turbina,
5. Secci贸n de escape,
6. Secci贸n de accesorios,
7. Los sistemas necesarios para el arranque, la lubricaci贸n, el suministro de combustible y los fines auxiliares, como el antihielo, la refrigeraci贸n y la presurizaci贸n.
Los principales componentes de todos los motores de turbina de gas son b谩sicamente los mismos; sin embargo, la nomenclatura de los componentes de los distintos motores actualmente en uso var铆a ligeramente debido a la diferencia en la terminolog铆a de cada fabricante. Estas diferencias se reflejan en los manuales de mantenimiento aplicables. Uno de los mayores factores que influyen en las caracter铆sticas de construcci贸n de cualquier motor de turbina de gas es el tipo de compresor o compresores para los que est谩 dise帽ado el motor.
Se utilizan cuatro tipos de motores de turbina de gas para propulsar y alimentar a las aeronaves. Son el turbof谩n, el turboh茅lice, el turboeje y el turborreactor. El t茅rmino "turborreactor" se utilizaba para describir cualquier motor de turbina de gas utilizado en los aviones.
A medida que la tecnolog铆a de las turbinas de gas evolucion贸, 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 avi贸n de pasajeros utilizan un motor turbof谩n. Se desarroll贸 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 m谩s silencioso y tiene un mejor consumo de combustible en este rango de velocidades. Los motores turbofan tienen m谩s 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 presi贸n y un carrete de baja presi贸n.
El carrete de baja presi贸n generalmente contiene el o los ventiladores y las etapas de la turbina que los accionan. El carrete de alta presi贸n es el compresor de alta presi贸n, el eje y las turbinas. Esta bobina constituye el n煤cleo del motor y en ella se encuentra la secci贸n de combusti贸n.
Los motores turbofan pueden ser de bajo bypass o de alto bypass. La cantidad de aire que se desv铆a alrededor del n煤cleo del motor determina la relaci贸n de derivaci贸n. La cantidad de flujo de aire en libras/segundo del bypass del ventilador al flujo del n煤cleo del motor es la relaci贸n de bypass.
Relaci贸n de derivaci贸n = 100 lb-seg de flujo del ventilador / 20 lb-seg de flujo del n煤cleo = Relaci贸n de derivaci贸n 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 postcombusti贸n para aumentar el empuje.
A帽adiendo m谩s 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 turboh茅lice es un motor de turbina de gas que hace girar una h茅lice a trav茅s de una caja de engranajes de reducci贸n de velocidad. Este tipo de motor es m谩s eficiente en el rango de velocidad de 300 a 400 mph y puede utilizar pistas m谩s cortas que otros aviones.
Aproximadamente entre el 80 y el 85% de la energ铆a desarrollada por el motor de turbina de gas se utiliza para impulsar la h茅lice. El resto de la energ铆a 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 transmisi贸n de un helic贸ptero o es una unidad de potencia auxiliar (APU) a bordo.
Una APU se utiliza en las aeronaves con motor de turbina para proporcionar energ铆a el茅ctrica 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 est谩 dise帽ada para conducir el aire entrante al compresor con una m铆nima p茅rdida de energ铆a resultante del arrastre o de la p茅rdida de presi贸n del pist贸n; es decir, el flujo de aire hacia el compresor debe estar libre de turbulencias para lograr la m谩xima eficiencia de funcionamiento.
Un dise帽o adecuado de la entrada contribuye materialmente al rendimiento de la aeronave al aumentar la relaci贸n entre la presi贸n de descarga del compresor y la presi贸n de entrada al conducto.
Esto tambi茅n se conoce como la relaci贸n de presi贸n del compresor. Esta relaci贸n es la presi贸n de salida dividida por la presi贸n 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 turbof谩n de alta derivaci贸n es completamente diferente de la entrada de un turboh茅lice o un turboeje. Los grandes aviones con turbina de gas casi siempre tienen un motor turbof谩n. La admisi贸n en este tipo de motor est谩 atornillada a la parte delantera (brida A) del motor.
Dado que en la mayor铆a de los motores turbof谩n modernos el enorme ventilador es la primera parte del avi贸n con la que entra en contacto el aire entrante, se debe proporcionar protecci贸n contra el hielo. Esto evita que se formen trozos de hielo en el borde de ataque de la entrada, que se desprendan y que da帽en el ventilador.
El aire caliente se purga del compresor del motor y se canaliza a trav茅s de la entrada para evitar la formaci贸n de hielo. Si se utilizan 谩labes de entrada para enderezar el flujo de aire, tambi茅n tienen aire anticongelante que fluye a trav茅s de ellos. La admisi贸n tambi茅n contiene algunos materiales que reducen el ruido del ventilador y hacen que el motor sea m谩s silencioso.
Los turboh茅lices 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 peque帽a ca铆da de presi贸n resultante a trav茅s de la fricci贸n de la piel. Los aviones militares pueden volar a velocidades superiores a Mach 1, pero el flujo de aire a trav茅s del motor debe permanecer siempre por debajo de Mach 1.
Un flujo de aire supers贸nico en el motor destruir铆a el motor. Mediante el uso de conductos de forma convergente y divergente, el flujo de aire se controla y desciende a velocidades subs贸nicas antes de entrar en el motor. Las entradas supers贸nicas se utilizan para reducir la velocidad del aire entrante en el motor a menos de Mach 1 antes de que entre en el motor.
Secci贸n de accesorios - Accessory Section
La secci贸n de accesorios del motor de turbina de gas tiene varias funciones. La funci贸n principal es proporcionar espacio para el montaje de los accesorios necesarios para el funcionamiento y el control del motor.
Por lo general, tambi茅n incluye accesorios relacionados con la aeronave, como generadores el茅ctricos y bombas hidr谩ulicas. Las funciones secundarias incluyen la de servir de dep贸sito y/o c谩rter de aceite y la de albergar los engranajes de accionamiento de los accesorios y los engranajes de reducci贸n.
La disposici贸n 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 ubicaci贸n de la caja de engranajes de accesorios var铆a un poco, pero la mayor铆a de los turboh茅lices y turboventiladores tienen las cajas de accesorios montadas en la secci贸n trasera del motor.
Los componentes de la secci贸n de accesorios de todos los motores de turbina de gas tienen esencialmente el mismo prop贸sito, aunque a menudo difieren bastante en detalles de construcci贸n y nomenclatura.
Los elementos b谩sicos de la secci贸n 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 dise帽ada para actuar como dep贸sito de aceite. Si se utiliza un dep贸sito 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 transmisi贸n. La caja de accesorios tambi茅n est谩 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 presi贸n del motor a trav茅s de un acoplamiento de engranajes del eje de transmisi贸n del accesorio (eje de la torre), que se empalma con un engranaje de la caja de engranajes y el compresor de alta presi贸n.
El engranaje de reducci贸n 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 reducci贸n 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.
Secci贸n del compresor
La secci贸n del compresor del motor de turbina de gas tiene muchas funciones. Su funci贸n principal es suministrar aire en cantidad suficiente para satisfacer las necesidades de los quemadores de combusti贸n.
Espec铆ficamente, para cumplir con su prop贸sito, el compresor debe aumentar la presi贸n 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 funci贸n 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 presi贸n del compresor. La ubicaci贸n exacta de los puertos de purga depende, por supuesto, de la presi贸n o la temperatura necesarias para un trabajo concreto.
Los puertos son peque帽as 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 presi贸n con s贸lo acceder a la etapa adecuada.
A menudo se purga el aire de la etapa final o de mayor presi贸n, ya que, en este punto, la presi贸n y la temperatura del aire son m谩ximas.
A veces puede ser necesario enfriar este aire de alta presi贸n. Si se utiliza para la presurizaci贸n de la cabina o para otros fines en los que el exceso de calor ser铆a inc贸modo o perjudicial, el aire se env铆a a trav茅s 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. Presurizaci贸n, calefacci贸n y refrigeraci贸n de la cabina;
2. Equipos de deshielo y antihielo;
3. Arranque neum谩tico 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 aeron谩uticos de turbina de gas son los de flujo centr铆fugo y los de flujo axial. El compresor de flujo centr铆fugo logra su prop贸sito recogiendo el aire entrante y aceler谩ndolo hacia el exterior por acci贸n centr铆fuga.
El compresor de flujo axial comprime el aire mientras 茅ste contin煤a en su direcci贸n original de flujo, evitando as铆 la p茅rdida de energ铆a causada por los giros. Los componentes de cada uno de estos dos tipos de compresores tienen sus funciones individuales en la compresi贸n del aire para la secci贸n de combusti贸n. Se considera que una etapa en un compresor es un aumento de presi贸n.
Compresores de flujo centr铆fugo - Centrifugal-Flow Compressors
El compresor de flujo centr铆fugo consta de un impulsor (rotor), un difusor (estator) y un colector de compresi贸n. Los compresores centr铆fugos tienen un elevado aumento de presi贸n por etapa que puede ser de alrededor de 8:1.
Por lo general, los compresores centr铆fugos 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 familiarizaci贸n con el compresor, las unidades se tratan individualmente. El impulsor suele estar hecho de una aleaci贸n de aluminio forjado, tratado t茅rmicamente, mecanizado y alisado para minimizar la restricci贸n del flujo y las turbulencias.
En la mayor铆a de los tipos, el impulsor se fabrica a partir de una 煤nica forja. El impulsor, cuya funci贸n 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 tama帽o y la disposici贸n de los conductos. El tipo de doble entrada tiene un di谩metro m谩s peque帽o pero suele funcionar a una velocidad de rotaci贸n m谩s alta para asegurar un flujo de aire suficiente.
Aunque es ligeramente m谩s eficaz en la recepci贸n de aire, el impulsor de entrada simple debe tener un di谩metro grande para suministrar la misma cantidad de aire que el de entrada doble. Esto, por supuesto, aumenta el di谩metro total del motor.
En los motores de compresor de doble entrada se incluye la c谩mara plenaria. Esta c谩mara es necesaria para un compresor de doble entrada porque el aire debe entrar en el motor casi en 谩ngulo recto con el eje del motor. Por lo tanto, para dar un flujo positivo, el aire debe rodear el compresor del motor a una presi贸n 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 c谩mara 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 acci贸n de un muelle cuando el motor no est谩 en funcionamiento. Sin embargo, durante el funcionamiento, las puertas se abren autom谩ticamente cuando la presi贸n del compartimento del motor cae por debajo de la presi贸n atmosf茅rica. Durante el despegue y el vuelo, la presi贸n 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 atr谩s de la misma manera que una h茅lice, debido a su 谩ngulo y al contorno del perfil aerodin谩mico. El rotor, que gira a gran velocidad, toma el aire a la entrada del compresor y lo impulsa a trav茅s 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 proporci贸n de aproximadamente 1,25:1 por etapa. La acci贸n del rotor aumenta la compresi贸n del aire en cada etapa y lo acelera hacia atr谩s a trav茅s de varias etapas.
Con este aumento de la velocidad, la energ铆a se transfiere del compresor al aire en forma de energ铆a de velocidad. Los 谩labes del estator act煤an como difusores en cada etapa, convirtiendo parcialmente la alta velocidad en presi贸n. Cada par consecutivo de 谩labes del rotor y del estator constituye una etapa de presi贸n.
El n煤mero de filas de 谩labes (etapas) viene determinado por la cantidad de aire y el aumento de presi贸n total necesarios. La relaci贸n de presi贸n del compresor aumenta con el n煤mero de etapas de compresi贸n. La mayor铆a de los motores utilizan hasta 16 etapas o m谩s.
El estator tiene filas de 谩labes, que a su vez est谩n fijados dentro de una carcasa. Los 谩labes 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 谩labes del estator, est谩 dividida horizontalmente en mitades. Tanto la mitad superior como la inferior pueden desmontarse para la inspecci贸n o el mantenimiento de las palas del rotor y del estator.
La funci贸n de los 谩labes del estator es recibir aire del conducto de entrada de aire o de cada etapa anterior y aumentar la presi贸n del aire y entregarlo a la siguiente etapa a la velocidad y presi贸n correctas.
Tambi茅n controlan la direcci贸n del aire hacia cada etapa del rotor para obtener la m谩xima eficiencia posible de los 谩labes del compresor. Las palas del rotor de la primera etapa pueden ir precedidas de un conjunto de 谩labes gu铆a de entrada que puede ser fijo o variable.
Los 谩labes gu铆a dirigen el flujo de aire hacia las palas del rotor de la primera etapa en el 谩ngulo adecuado e imparten un movimiento de remolino al aire que entra en el compresor.
Este remolino previo, en la direcci贸n de rotaci贸n del motor, mejora las caracter铆sticas aerodin谩micas del compresor al reducir la resistencia de las palas del rotor de la primera etapa. Los 谩labes gu铆a de entrada son 谩labes curvados de acero que suelen estar soldados a cubiertas interiores y exteriores de acero.
En el extremo de descarga del compresor, los 谩labes del estator se construyen para enderezar el flujo de aire y eliminar las turbulencias. Estos 谩labes se denominan 谩labes enderezadores o conjunto de 谩labes de salida.
Las carcasas de los compresores de flujo axial no s贸lo soportan los 谩labes del estator y proporcionan la pared exterior de la trayectoria axial que sigue el aire, sino que tambi茅n proporcionan los medios para extraer el aire del compresor para diversos fines.
Los 谩labes del estator suelen ser de acero resistente a la corrosi贸n y a la erosi贸n. Con frecuencia, est谩n cubiertos (encerrados) por una banda de material adecuado para simplificar el problema de la fijaci贸n. Los 谩labes se sueldan a las cubiertas y la cubierta exterior se fija a la pared interior del compresor mediante tornillos de retenci贸n radiales.
Las palas del rotor suelen ser de acero inoxidable y las 煤ltimas etapas son de titanio. El dise帽o de la fijaci贸n de las palas a las llantas del disco del rotor var铆a, pero normalmente se ajustan a los discos mediante m茅todos de tipo bulbo o de abeto.
A continuaci贸n, las palas se fijan en su lugar mediante diferentes m茅todos. Las puntas de las palas del compresor se reducen en grosor mediante recortes, denominados perfiles de las palas. Estos perfiles evitan que se produzcan da帽os graves en el 谩labe o en la carcasa en caso de que los 谩labes entren en contacto con la carcasa del compresor.
Esta situaci贸n 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 tensi贸n del roce y causar da帽os considerables a las palas del compresor y a los conjuntos de paletas del estator.
La longitud de los 谩labes var铆a 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 disminuci贸n del di谩metro de la carcasa. Esta caracter铆stica proporciona una velocidad bastante constante a trav茅s 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 est谩 formado por anillos embridados que encajan uno contra otro, con lo que todo el conjunto puede mantenerse unido mediante pernos pasantes. Este tipo de construcci贸n es satisfactoria para los compresores de baja velocidad en los que los esfuerzos centr铆fugos 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 m茅todo de construcci贸n del rotor consiste en mecanizar los discos y el eje a partir de una 煤nica 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 estr铆as para unir el eje de la turbina.
La combinaci贸n de las etapas del compresor y de la turbina en un eje com煤n es un motor denominado carrete de motor. El eje com煤n se proporciona uniendo los ejes de la turbina y del compresor mediante un m茅todo adecuado. El carrete del motor est谩 soportado por cojinetes, que est谩n 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 s贸lido y carrete dividido (dos carretes, doble carrete).
Una versi贸n del compresor de carrete s贸lido (un carrete - one spool) utiliza paletas gu铆a de entrada variables. Adem谩s, las primeras filas de 谩labes del estator son variables. La principal diferencia entre los 谩labes gu铆a de entrada variables (VIGV) y los 谩labes variables del estator (VSV) es su posici贸n con respecto a las palas del rotor.
Las VIGV est谩n delante de las palas del rotor, y las VSV est谩n detr谩s de las palas del rotor. Los 谩ngulos de los 谩labes gu铆a de entrada y de las primeras etapas de los 谩labes 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 谩ngulo adecuado por la gu铆a de entrada variable y dirigido por la VSV.
El aire se comprime y es forzado a entrar en la secci贸n de combusti贸n. Una boquilla de combustible que se extiende en cada camisa de combusti贸n atomiza el combustible para la combusti贸n. Estas variables se controlan en relaci贸n directa con la cantidad de potencia que el motor debe producir mediante la posici贸n de la palanca de potencia.
La mayor铆a de los motores turbof谩n son del tipo de compresor de carrete dividido. La mayor铆a de los grandes motores turbof谩n utilizan un gran ventilador con unas cuantas etapas de compresi贸n denominadas carrete de baja presi贸n.
Estos turbofanes incorporan dos compresores con sus respectivas turbinas y ejes de interconexi贸n, que forman dos sistemas de rotores f铆sicamente independientes. Muchos sistemas de doble rotor tienen rotores que giran en direcciones opuestas y sin conexi贸n mec谩nica entre s铆. El segundo rotor, denominado de alta presi贸n y que es el compresor del generador de gas y del n煤cleo del motor, suministra aire a la secci贸n de combusti贸n 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 seg煤n el tipo y el tama帽o del motor.
Las ventajas del compresor de flujo centr铆fugo son:
- Elevado aumento de presi贸n por etapa,
- Eficiencia en un amplio rango de velocidades de giro,
- Simplicidad de fabricaci贸n y bajo coste,
- Bajo peso, y
- Bajo requerimiento de potencia de arranque.
Las desventajas del compresor de flujo centr铆fugo son:
- Su gran superficie frontal para un determinado caudal de aire y
- P茅rdidas en los giros entre etapas.
Las ventajas del compresor de flujo axial son:
- Alto rendimiento m谩ximo;
- Peque帽a 谩rea frontal para un flujo de aire determinado;
- Flujo recto, lo que permite una alta eficiencia del pist贸n; y
- Aumento de la presi贸n al incrementar el n煤mero de etapas, con p茅rdidas insignificantes.
Las desventajas del compresor de flujo axial son:
- Buen rendimiento s贸lo en un estrecho rango de velocidades de giro,
- Dificultad de fabricaci贸n 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 secci贸n divergente del motor despu茅s del compresor y antes de la secci贸n de combusti贸n. Tiene la important铆sima funci贸n de reducir el aire de descarga del compresor de alta velocidad a una presi贸n mayor a una velocidad menor.
Esto prepara el aire para entrar en la zona de combusti贸n de la secci贸n de combusti贸n a una velocidad m谩s baja para que la llama de combusti贸n pueda arder continuamente. Si el aire pasara por la zona de la llama a una velocidad elevada, podr铆a extinguir la llama.
Secci贸n de combusti贸n
La secci贸n de combusti贸n alberga el proceso de combusti贸n, que eleva la temperatura del aire que pasa por el motor. Este proceso libera la energ铆a contenida en la mezcla de aire y combustible. La mayor parte de esta energ铆a se requiere en la turbina o en las etapas de la turbina para impulsar el compresor.
Aproximadamente 2/3 de la energ铆a se utiliza para accionar el compresor del generador de gas. El resto de la energ铆a pasa por las restantes etapas de la turbina que absorben m谩s energ铆a para accionar el ventilador, el eje de salida o la h茅lice. S贸lo el turborreactor puro permite que el aire cree todo el empuje o propulsi贸n 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 h茅lice o las palas del rotor de un helic贸ptero.
La funci贸n principal de la secci贸n de combusti贸n es, por supuesto, quemar la mezcla de combustible y aire, a帽adiendo as铆 energ铆a t茅rmica al aire. Para hacer esto eficientemente, la c谩mara de combusti贸n debe:
- Proporcionar los medios para la mezcla adecuada del combustible y el aire para asegurar una buena combusti贸n,
- Quemar esta mezcla de forma eficiente,
- Enfriar los productos calientes de la combusti贸n a una temperatura que los 谩labes de entrada de la turbina puedan soportar en condiciones de funcionamiento, y
- Llevar los gases calientes a la secci贸n de la turbina.
La ubicaci贸n de la secci贸n de combusti贸n est谩 directamente entre las secciones del compresor y de la turbina. Las c谩maras de combusti贸n siempre est谩n dispuestas coaxialmente con el compresor y la turbina, independientemente del tipo, ya que las c谩maras deben estar en posici贸n de paso para funcionar eficazmente. Todas las c谩maras de combusti贸n contienen los mismos elementos b谩sicos:
1. Carcasa
2. Revestimiento interior perforado
3. Sistema de inyecci贸n de combustible
4. Alg煤n 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 b谩sicos de c谩maras de combusti贸n, las variaciones dentro del tipo son s贸lo de detalle. Estos tipos son:
1. Tipo de lata
2. Tipo lata-anular
3. Tipo anular
La c谩mara de combusti贸n de tipo lata es la t铆pica que se utiliza en los turboejes y las APU. Cada una de las c谩maras de combusti贸n de tipo lata consiste en una caja o carcasa exterior, dentro de la cual hay un revestimiento de la c谩mara de combusti贸n de acero inoxidable perforado (altamente resistente al calor) o revestimiento interior. La carcasa exterior se retira para facilitar la sustituci贸n de la camisa.
Los motores antiguos con varios botes de combusti贸n ten铆an cada bote con un tubo interconector (de propagaci贸n de la llama), que era una parte necesaria de las c谩maras de combusti贸n 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 combusti贸n durante la operaci贸n inicial de arranque. Esto se consigue interconectando todas las c谩maras.
Cuando la llama es iniciada por las buj铆as de encendido en dos de las c谩maras inferiores, pasa a trav茅s de los tubos y enciende la mezcla combustible en la c谩mara adyacente y contin煤a hasta que todas las c谩maras est谩n ardiendo.
Los tubos de llama var铆an en detalles de construcci贸n de un motor a otro, aunque los componentes b谩sicos son casi id茅nticos. Los encendedores de chispa mencionados anteriormente son normalmente dos y est谩n situados en dos de las c谩maras de combusti贸n tipo lata.
Otro requisito muy importante en la construcci贸n de las c谩maras de combusti贸n es proporcionar los medios para drenar el combustible no quemado. Este drenaje evita los dep贸sitos de goma en el colector de combustible, las boquillas y las c谩maras de combusti贸n. Estos dep贸sitos son causados por el residuo que queda cuando el combustible se evapora.
Probablemente lo m谩s importante es el peligro de incendio posterior si se permite que el combustible se acumule despu茅s 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 c谩mara de combusti贸n se encienda y la temperatura de los gases de escape supere los l铆mites de seguridad de funcionamiento.
Las camisas de las c谩maras de combusti贸n de tipo lata tienen perforaciones de varios tama帽os y formas, cada una de las cuales tiene un prop贸sito y un efecto espec铆fico en la propagaci贸n de la llama dentro de la camisa. El aire que entra en la c谩mara de combusti贸n est谩 dividido por los orificios, rejillas y ranuras adecuados en dos corrientes principales: aire primario y secundario.
El aire primario o de combusti贸n 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 refrigeraci贸n pasa entre la carcasa exterior y la camisa y se une a los gases de combusti贸n a trav茅s de orificios m谩s grandes hacia la parte trasera de la camisa, enfriando los gases de combusti贸n desde unos 3.500 °F hasta cerca de 1.500 °F.
Para ayudar a la atomizaci贸n del combustible, se proporcionan agujeros alrededor de la boquilla de combustible en la c煤pula o en el extremo de entrada del revestimiento de la c谩mara de combusti贸n tipo lata.
Tambi茅n 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 tambi茅n tiende a controlar el patr贸n de la llama manteni茅ndola centrada en la camisa, evitando as铆 que se quemen las paredes de la camisa.
En la caja de la c谩mara de combusti贸n siempre se ha previsto la instalaci贸n de una boquilla de combustible. La boquilla de combustible suministra el combustible a la camisa en un chorro finamente atomizado. Cuanto m谩s atomizado est茅 el chorro, m谩s r谩pido y eficaz ser谩 el proceso de combusti贸n.
Los dos tipos de boquilla de combustible que se utilizan actualmente en los distintos tipos de c谩maras de combusti贸n son la boquilla simple y la boquilla d煤plex.
Las buj铆as de encendido de la c谩mara de combusti贸n anular son del mismo tipo b谩sico utilizado en las c谩maras de combusti贸n de tipo lata, aunque los detalles de construcci贸n pueden variar. Normalmente hay dos encendedores montados en el saliente previsto en cada una de las carcasas de la c谩mara. Los encendedores deben ser lo suficientemente largos como para sobresalir de la carcasa en la c谩mara de combusti贸n.
Los quemadores est谩n interconectados por tubos de llama salientes que facilitan el proceso de arranque del motor, tal y como se ha mencionado anteriormente en la familiarizaci贸n con la c谩mara de combusti贸n tipo lata. Los tubos de llama funcionan de forma id茅ntica a los comentados anteriormente, diferenci谩ndose 煤nicamente en los detalles constructivos.
La c谩mara de combusti贸n tipo lata no se utiliza en los motores modernos. La cara delantera de cada c谩mara 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 (d煤plex) que requieren el uso de un divisor de flujo (v谩lvula presurizadora), como se mencion贸 en la discusi贸n de la c谩mara de combusti贸n tipo lata.
Alrededor de cada tobera hay paletas de remolino para impartir un movimiento de remolino a la pulverizaci贸n de combustible, lo que resulta en una mejor atomizaci贸n del combustible, una mejor combusti贸n y eficiencia. Las paletas de remolino funcionan para proporcionar dos efectos imperativos para la propagaci贸n adecuada de la llama:
- 1 Alta velocidad de la llama (High flame speed): Mejor mezcla del aire y el combustible, asegurando una combusti贸n espont谩nea.
- 2 Baja velocidad del aire axialmente (Low air velocity axially): Eliminan el movimiento demasiado r谩pido de la llama axialmente.
Los 谩labes de remolino ayudan en gran medida a la propagaci贸n de la llama, ya que es deseable un alto grado de turbulencia en las primeras etapas de combusti贸n y enfriamiento.
La mezcla mec谩nica vigorosa del vapor de combustible con el aire primario es necesaria, ya que la mezcla por difusi贸n sola es demasiado lenta. Esta misma mezcla mec谩nica se establece tambi茅n por otros medios, como la colocaci贸n de pantallas gruesas en la salida del difusor, como ocurre en la mayor铆a de los motores de flujo axial.
Las c谩maras de combusti贸n can-annular tambi茅n deben tener las v谩lvulas de drenaje de combustible necesarias situadas en dos o m谩s de las c谩maras inferiores, asegurando el drenaje adecuado y la eliminaci贸n de la quema de combustible residual en el siguiente arranque.
El flujo de aire a trav茅s de los agujeros y rejillas de las c谩maras canulares, es casi id茅ntico al flujo a trav茅s de otros tipos de quemadores. Se utilizan deflectores especiales para arremolinar el flujo de aire de combusti贸n y darle turbulencia. La direcci贸n del flujo de aire est谩 indicada por las flechas.
Los componentes b谩sicos de una c谩mara de combusti贸n 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 c谩mara est谩 construida con materiales resistentes al calor, que a veces est谩n recubiertos con materiales de barrera t茅rmica, como los materiales cer谩micos. Los motores de turbina modernos suelen tener una c谩mara de combusti贸n anular.
Secci贸n de la turbina
La turbina transforma una parte de la energ铆a cin茅tica (velocidad) de los gases de escape en energ铆a mec谩nica para accionar el compresor del generador de gas y los accesorios. El 煤nico prop贸sito de la turbina del generador de gas es absorber aproximadamente entre el 60 y el 70 por ciento de la energ铆a de presi贸n total de los gases de escape.
La cantidad exacta de absorci贸n de energ铆a en la turbina est谩 determinada por la carga que la turbina est谩 impulsando (es decir, el tama帽o y el tipo de compresor, el n煤mero 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 presi贸n (ventilador), una h茅lice y un eje.
La secci贸n de la turbina de un motor de turbina de gas est谩 situada a popa, o a continuaci贸n, de la c谩mara de combusti贸n. En concreto, se encuentra directamente detr谩s de la salida de la c谩mara de combusti贸n.
El conjunto de la turbina consta de dos elementos b谩sicos: los 谩labes de entrada de la turbina y el disco de la turbina. El elemento del estator se conoce con diversos nombres, de los cuales los 谩labes de la tobera de entrada de la turbina, los 谩labes gu铆a de entrada de la turbina y el diafragma de la tobera son tres de los m谩s utilizados.
Los 谩labes de la tobera de entrada de la turbina est谩n situados directamente a popa de las c谩maras de combusti贸n e inmediatamente delante de la rueda de la turbina.
Esta es la temperatura m谩s alta o m谩s caliente que entra en contacto con los componentes met谩licos del motor. La temperatura de entrada de la turbina debe ser controlada, o se producir谩n da帽os en los 谩labes de entrada de la turbina.
Despu茅s de que la c谩mara de combusti贸n haya introducido la energ铆a t茅rmica en el flujo de masa de aire y la haya entregado uniformemente a las toberas de entrada de la turbina, 茅stas deben preparar el flujo de masa de aire para impulsar el rotor de la turbina.
Los 谩labes estacionarios de las toberas de entrada de la turbina est谩n contorneados y colocados en un 谩ngulo tal que forman una serie de peque帽as toberas que descargan el gas a una velocidad extremadamente alta; de este modo, la tobera convierte una parte variable de la energ铆a de calor y presi贸n en energ铆a de velocidad que puede convertirse en energ铆a mec谩nica a trav茅s de los 谩labes de la turbina.
Existen tres tipos de 谩labes de turbina: el 谩labe de turbina de impulso, el 谩labe de turbina de reacci贸n y el 谩labe de turbina de reacci贸n-impulso. El 谩labe de la turbina de impulso tambi茅n se denomina cubo.
Esto se debe a que, cuando la corriente de aire incide en el centro del 谩labe, cambia la direcci贸n de la energ铆a al hacer girar los 谩labes el disco y el eje del rotor. Los 谩labes gu铆a de la tobera de la turbina suelen poder ajustarse durante la revisi贸n y el montaje del motor para aumentar la eficacia de la corriente de aire que incide sobre los 谩labes o los cangilones de la turbina.
Los 谩labes de la turbina de reacci贸n hacen que el disco gire por la acci贸n aerodin谩mica de la corriente de aire dirigida a fluir m谩s all谩 del 谩labe en un 谩ngulo particular con el fin de desarrollar la potencia m谩s eficiente del motor de la turbina.
El 谩labe de turbina de reacci贸n-impulso combina la acci贸n de los dise帽os de 谩labes de impulso y de reacci贸n. El 谩labe tiene m谩s bien la forma de cubo del 谩labe de impulso en la ra铆z del 谩lamo y tambi茅n tiene m谩s bien la forma aerodin谩mica del 谩lamo de reacci贸n en la segunda mitad del 谩lamo hacia el extremo exterior del mismo.
El segundo prop贸sito de la tobera de entrada de la turbina es desviar los gases a un 谩ngulo espec铆fico en la direcci贸n de la rotaci贸n de la rueda de la turbina. Dado que el flujo de gas procedente de la tobera debe entrar en el conducto de los 谩labes de la turbina mientras 茅sta sigue girando, es esencial orientar el gas en la direcci贸n general de rotaci贸n 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 谩labes de la tobera. El n煤mero y el tama帽o de los 谩labes de admisi贸n empleados var铆an seg煤n los distintos tipos y tama帽os de motores. Los 谩labes 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 configuraci贸n y las caracter铆sticas de construcci贸n, hay una caracter铆stica peculiar de todas las toberas de entrada de la turbina: los 谩labes de la tobera deben estar construidos para permitir la expansi贸n t茅rmica.
De lo contrario, se producir铆a una grave distorsi贸n o deformaci贸n de los componentes met谩licos debido a los r谩pidos cambios de temperatura. La dilataci贸n t茅rmica de las toberas de las turbinas se consigue por uno de varios m茅todos. Uno de ellos consiste en ensamblar de forma suelta los revestimientos interior y exterior de los 谩labes.
Secci贸n de escape - Exhaust Section
La secci贸n de escape del motor de turbina de gas consta de varios componentes. Aunque los componentes tienen prop贸sitos individuales, tambi茅n tienen una funci贸n com煤n: deben dirigir el flujo de gases calientes hacia atr谩s 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 desempe帽o de las distintas funciones, cada uno de los componentes afecta al flujo de gases de distintas maneras.
La secci贸n de escape est谩 situada directamente detr谩s de la secci贸n 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 secci贸n 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 secci贸n de la turbina y los convierte gradualmente en un flujo s贸lido de gases. Al hacerlo, la velocidad de los gases disminuye ligeramente y la presi贸n aumenta. Esto se debe al paso divergente entre el conducto exterior y el cono interior; es decir, el 谩rea anular entre las dos unidades aumenta hacia atr谩s.
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 n煤mero 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 caracter铆sticas tales como un n煤mero predeterminado de salientes de termopar para instalar termopares de temperatura de escape, y tambi茅n debe haber orificios de inserci贸n 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 煤nico 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 funci贸n.
No s贸lo soportan el cono interior en el conducto de escape, sino que tambi茅n desempe帽an la importante funci贸n de enderezar los gases de escape que se arremolinan y que, de otro modo, saldr铆an de la turbina en un 谩ngulo 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 peque帽o orificio en la punta de salida del cono.
Este orificio permite que el aire de refrigeraci贸n circule desde el extremo de popa del cono, donde la presi贸n 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 presi贸n del aire en la rueda de la turbina es relativamente baja debido a la rotaci贸n de la rueda; as铆, la circulaci贸n del aire est谩 asegurada.
Los gases utilizados para la refrigeraci贸n 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 b谩sico. 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 disposici贸n de fuelles en su construcci贸n, lo que permite el movimiento en la instalaci贸n, el mantenimiento y la expansi贸n t茅rmica. Esto elimina la tensi贸n y el alabeo que se producir铆a de otro modo.
La radiaci贸n t茅rmica del cono de escape y del tubo de escape podr铆a da帽ar los componentes del fuselaje que rodean estas unidades. Por esta raz贸n, hab铆a que idear alg煤n medio de aislamiento. Hay varios m茅todos adecuados para proteger la estructura del fuselaje; dos de los m谩s comunes son las mantas aislantes y los obenques.
Aunque estas mantas protegen el fuselaje de la radiaci贸n t茅rmica, se utilizan principalmente para reducir la p茅rdida de calor del sistema de escape. La reducci贸n de la p茅rdida de calor mejora el rendimiento del motor.
Hay dos tipos de dise帽os de toberas de escape: el dise帽o convergente para velocidades de gas subs贸nicas y el dise帽o convergente-divergente para velocidades de gas supers贸nicas.
La abertura de la tobera de escape puede ser de 谩rea fija o variable. El tipo de 谩rea fija es la m谩s sencilla de las dos toberas de escape, ya que no tiene partes m贸viles. El 谩rea de salida de la tobera de escape fija es muy cr铆tica para el rendimiento del motor. Si el 谩rea de la tobera es demasiado grande, se pierde empuje; si el 谩rea es demasiado peque帽a, el motor podr铆a ahogarse o perderse.
Una tobera de escape de 谩rea variable se utiliza cuando se usa un aumentador o postcombusti贸n debido al aumento de la masa de flujo cuando se activa la postcombusti贸n. Debe aumentar su 谩rea abierta cuando se selecciona la postcombusti贸n. Cuando la postcombusti贸n est谩 apagada, la tobera de escape se cierra a un 谩rea de apertura menor.
Cojinetes y juntas del motor de turbina de gas - Gas Turbine Engine Bearings and Seals
Los cojinetes principales tienen la funci贸n cr铆tica de soportar el rotor del motor principal. El n煤mero 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 m谩s soporte de rodamientos.
El n煤mero m铆nimo de rodamientos necesarios para soportar un eje es un rodamiento r铆gido de bolas (cargas axiales y radiales) y un rodamiento recto de rodillos (s贸lo carga radial). A veces, es necesario utilizar m谩s de un rodamiento de rodillos si el eje est谩 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 antifricci贸n. Muchos de los motores m谩s nuevos utilizan cojinetes hidr谩ulicos, en los que la pista exterior est谩 rodeada por una fina pel铆cula de aceite. Esto reduce las vibraciones transmitidas al motor.
En general, se prefieren los cojinetes antifricci贸n porque:
- - Ofrecen poca resistencia a la rotaci贸n,
- - Facilitan la alineaci贸n precisa de los elementos giratorios,
- - Son relativamente baratos,
- - Son f谩cilmente reemplazables,
- - Soportan altas sobrecargas moment谩neas,
- - Son f谩ciles 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 extra帽as 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, est谩n mejor equipados para soportar cargas radiales que cargas de empuje.
Por lo tanto, se utilizan principalmente para este prop贸sito. Un conjunto t铆pico 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 r谩pidamente.
La carcasa del rodamiento suele contener retenes de aceite para evitar que el aceite se salga de su trayectoria normal. Tambi茅n suministra el aceite al rodamiento para su lubricaci贸n, normalmente a trav茅s de boquillas de pulverizaci贸n. Los retenes de aceite pueden ser de tipo laber铆ntico o de rosca (helicoidal).
Estos retenes tambi茅n 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 煤nicamente de la rosca inversa para detener las fugas de aceite.
Estos dos tipos de retenes son muy similares, diferenci谩ndose 煤nicamente en el tama帽o de la rosca y en el hecho de que el ret茅n de laberinto est谩 presurizado.
Otro tipo de sello de aceite utilizado en algunos de los 煤ltimos motores es el sello de carbono. Estos retenes suelen ser de muelle y son similares en material y aplicaci贸n a las escobillas de carb贸n utilizadas en los motores el茅ctricos.
Los retenes de carbono se apoyan en una superficie provista para crear una cavidad o vac铆o 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 secci贸n de la turbina.
El rodamiento de bolas o de rodillos se instala en el alojamiento del rodamiento y puede tener una caracter铆stica de autoalineaci贸n. Si un rodamiento es autoalineable, suele estar asentado en un anillo esf茅rico. Esto permite que el eje tenga un cierto movimiento radial sin transmitir tensi贸n a la pista interior del rodamiento.
La superficie del rodamiento suele ser un gorr贸n mecanizado en el eje correspondiente. El rodamiento suele bloquearse en su posici贸n mediante un anillo de seguridad de acero u otro dispositivo de bloqueo adecuado.
El eje del rotor tambi茅n 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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