Historia Evolutiva de Los Motores a Reacción.

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Universidad de San Buenaventura. Pastrana Solano. Historia Evolutiva de los Motores a Reacción.

Historia Evolutiva de los Motores a Reacción. Arbey Sebastián Pastrana Solano. Universidad de San Buenaventura, Programa de Ingeniería Aeronáutica, Bogotá. [email protected]

RESUMEN- La creación de los primeros motores a reacción a comienzos del siglo XX, la industria aeronáutica se ha encontrado búsqueda investigativa evolutiva, la cual ha dado por resultado el mejoramiento de la planta motriz, produciendo un aumento en el rendimiento de la aeronave, se indago que todo esto realiza gracias a que toda acción genera una reacción inmediatamente, como toda máquina, se presentan distintas configuraciones, perteneciendo a la sección de los motores no autónomos, se evidenciaran los principales tipos de motores a reacción donde se localizan, turbojet, turbofan, turbohélice y turboshaft, ramjet y scramjet.

1. INTRODUCCIÓN. Isaac Newton, Físico inglés del siglo XVI, descubridor de las leyes de la mecánica clásica, las cuales llevaron su nombre, fue gracias a la tercera la ley de Newton; el principio de que toda acción genera una reacción, es que se puede realizar la propulsión. Herón de Alejandría aplica este principio en el siglo I a.C, a un experimento, el cual es una esfera de Eolo (eolipia), utilizaba la fuerza de propulsión del vapor para hacer girar la esfera, se considera actualmente como la primera máquina térmica, para ese tiempo solo fue usada únicamente como jugué. Ya siendo el siglo XI d.C, en china se descubre la pólvora, pólvo ra, se ha evidenciado pequeños cohetes utilizados para las guerras, dando comienzo a la propulsión a chorro, respecto al siglo XIV.

Leonardo da Vinci, utiliza una corriente de humo para mover un cuerpo; la aparición de la primera turbina de gas, fue descubierta en el siglo XVI, por Giovanni Branca, se conformaba por una tobera de vapor de agua, que expulsaba su vapor en dirección a unos alabes pegados a un eje, el cual generaba movimiento a un mecanismo de engranes que hacían girar otros dos en ejes como si fueran un taladro. Pero Jhon Barbe de Inglaterra en el siglo XVII, fue el primero en patentar una turbina de gas, su diseño nunca fue construido por falta de materiales y técnicas de fabricación para su desarrollo.

Figura 2. Giovanni Branca (1629 ), ), Esquema de la turbina de gas.

Figura 1. Hero’s Eolipia. Primera máquina térmica.

Con el diseño de Frank Whittle en el siglo XIX, el cual incluía un rotor interno que era accionado por una sección de turbina, teniendo solamente una cámara de

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combustión, la compresión estaba formada por un compresor radial de dos entradas. Se inicia a una era en donde los motores que funcionan bajo la propulsión por reacción, serían utilizados en la industria aeronáutica militar y comercial.



Admisión  toma de aire.  Compresión  compresor de baja y alta (N1 y N2).  Combustión  cámara de combustión.  

Expansión  turbina (alta y baja) y tobera de escape. (Vallbona Vilajosana.

E., 2011).

 Fue el tipo de reactor más simple, siendo

Figura 3. Frank Whittle (1930 -1934). Registra la primera patente para la utilización de la turbina de gas en la propulsión por reacción en aeronaves.

Actualmente estos motores se bautizan con el nombre de turborreactores se caracterizan, en que en cualquier condición de vuelo, el aire ingresa al motor, el cual es sometido a compresión y expiación de tipo mecánica, donde la etapa de compresión se efectúa en turbocompresores y la expansión en turbinas, se aclara que esto dependerá del fabricante y de las características específicas del motor, la cantidad de secciones que tenga cada estas partes.

el primero en aparecer, formado por una sección pequeña (de forma tubular), siendo muy eficiente a velocidades supersónicas, es ineficiente a velocidades subsónicas, relativamente ruidoso. Este posee la característica de ser de eje simple (single spool) o de múltiple eje (multi.spool). [1]. (Vallbona Vilajosana. E., 2011).  Simple eje: solo tiene un eje. Bastante

ineficiente.  Múltiple eje: los ejes (spools) mueven los compresores rotando uno dentro del otro. Siendo cada compresor movido por una turbina distinta, consiguiendo velocidades optimas de rotación del compresor. [1]. (Vallbona Vilajosana. E., 2011).

2. TIPOS DE CONSTRUCCIÓN DE MOTORES A REACCIÓN. A. Motor Turbojet o turborreactor.  El aire se coge en la toma de aire, se

comprime en el compresor, se mezcla y quema en la cámara de combustión y se expande por la turbina y la tobera de escape. [1]. (Vallbona Vilajosana. E., 2011).

Figura 4. (Vallbona Vilajosana. E., 2011). Diagrama, Componentes de un turbojet.

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Actualmente, los motores turbohélice se utilizan en aviones comerciales de corto rango o en aviones de categoría commuter, entre ellos tenemos, ATR-72 con motores PW124B fabricante Pratt & Whitney; Saab 340 con motores T700 de GE; C-130 con motor AE 2100 de GE, entre otros. [4] Bogotá, M., Penagos, H., Turbohélice. (2014).

Figura 5. G. Paniagua, P. Piqueras. Diagramas, Turbojet de simple con flujo axial y Turbojet de múltiple eje con flujo axial.

B. Motor Turbohélice. El primer motor turbohélice en la historia fue el CS-1 creado en 1938 por György Jendrassik, la potencia máxima que alcanzo fue de 400 HP por problemas en la estabilidad de la combustión, fue utilizado en un avión Varga MI-1.luego, se implementó este motor en aviones militares cuyo propósito era transportar soldados, se trató en la Segunda Guerra Mundial de hacer uso de ellos, pero en esta época el desarrollo de turborreactores freno las investigaciones respecto a la fabricación y al mejoramiento de los motores turbohélice. Rolls-Royce desarrollo el motor RB50 Trent, Era básicamente un turbojet al que se le acomodo un eje, una caja de reducción y una hélice de 5 aspas, motor utilizado en un Gloster Meteor. Tiempo después, en 1949, el Hermes V despego con un motor BT-502. [3] (Douglas, W., 2009). Desde ese instante, se vio a los motores turbohélice como a una alternativa eficaz de propulsión es por ello que aviones como el Viscount, conocido por tener 4 motores tipo turbohélice de Rolls-Royce, el Fokker F-27 bimotor con una velocidad de 480 km/h también con un ejemplar de Rolls-Royce, se convirtieron en modelos de aviones eficaces que no contaban con un turbojet. [4].

La turbina utilizada para mover una hélice, con vía a un mecanismo de reducción (reduction gear), muy eficiente propulsivamente, ya que mueve mucho aire a poca velocidad. El empuje se produce en los siguientes porcentajes, 90% para la hélice y un 10% gases de escape. (Vallbona Vilajosana. E., 2011). Existen dos tipos de configuraciones.  Direct drive: el eje que mueve al compresor, tambien mueve la hélice.  Free turbine: turbina dedicada a mover exclusivamente la hélice. Con ventajas reducción de esfuerzos de torsión, puesta en marcha, operación de la hélice a bajas rpm, y se puede instalar un freno de hélice (rotor parking brake).

Figura 6. (Vallbona Vilajosana. E., 2011). Diagrama, Componentes de un turbohélice.

 Ventajas: altas eficiencias en velocidades

subsónicas y combustible.

bajo

consumo

de

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 Desventajas:

velocidad limitada, complejidad en la trasmisión del motor y elevado ruido.

C. Motor Turbofan. Los motores turbofan fueron diseñados como un compromiso entre el turbohélice y el turbojet. Una pequeña parte del aire sale del fan entra en el núcleo central para originar la combustión. El resto pasa por el conducto secundario (by-pass duct), donde se volverá a encontrar con los gases del flujo primario después de la etapa de la turbina. [1].  Ventajas:

Presentan mejores presentaciones y consumo que los turbojet, disminuye contaminación acústica, mayor eficiencia propulsiva, menor ruido, y el flujo de aire secundario refrigera el motor.  Desventajas: gran complejidad, motores de mayor diámetro, palas más pesadas, mayor exposición a FOD (Foreingn Object Damage) y hielo. Los motores turbofan tienen más de un eje (spool). En los que se encuentran los de doble eje y triple eje.

Figura 7. (Vallbona Vilajosana. E., 2011). Diagrama, Componentes de un turbofan.

En los motores turbofan se introduce el concepto de índice de derivación (by-pass ratio). Siendo la relación entre el flujo de aire secundario y el flujo de aire primerio. Se tienen las siguientes características.  Low by-pass ratio  1.5  Intermediate by-pass ratio  1.5 a 3.5  Higth by-pas ratio  más de 3.5.

Los motores de última generación (Rolls Royce Tren) tiene índices de derivación de hasta de 8,5. El GE90 (motor que monta el B77) tiene un índice de derivación de 9.1.

 Doble eje (twin-spool): la turbina de baja

mueve al compresor de baja y al fan, la turbina de alta mueve al compresor de alta.  Triple eje (triple-spool): la turbina de baja mueve el fan, la turbina intermedia mueve al compresor de baja, la turbina de alta mueve al compresor de alta.

Figura 8. (G. Paniagua, P. Piqueras., 2015). Diagrama, clasificación del fan delantero o trasero.

El uso intensivo de los motores turbofan en aviación comercial se encuentra entre 30000 ft a 40000ft de altura a una velocidad de más o menos 0.8 M (Mach).

Figura 9. (G. Paniagua, P. Piqueras., 2015). Diagrama, clasificación elevada o bajo BPR.

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D. Motor Ramjet. En el año 1913, Rene Lorin, diseña y describe el principio de funcionamiento de un estatorreactor (athodyd, ramjet). Para la época no era factible fabricarlo, se presentaba ausencia de materiales resistentes a las altas temperaturas, ineficientes a las velocidades de vuelo de la época, siendo los ramjet actuales muy parecidos a la concepción de Lorin.

 Ventajas: bajo peso, elevado radio de

empuje-peso, ausencia de partes móviles, tolerancia a altas temperaturas, elevada eficiencia, velocidades de hasta Mach 6.  Desventajas: no produce en puje en condiciones estáticas, ineficiente en vuelos subsónicos, necesidad de frenado en el aire hasta régimen subsónico en la cámara de combustión, problemas de combustión en Mach 6, muy ruidoso. La Nasa tiene en marcha un famoso proyecto llamado X-43ª el cual utiliza el motor Ramjet.

Figura 10. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015). Diagrama, diseño motor Ramjet Rene Lorin 1913.

El motor ramjet se clasifica en los motores aerorreactores, donde: Athodyd, es un ariete de retropropulsión, conducto aerotermodinámico. Se caracteriza por ausencia de partes móviles, los elementos principales que posee son: difusor, cámara de combustión, tobera. [2] .

Figura 13. Nasa Dryden Flight Research Center Graphics Collection. (2004). X-43A 3 – view.

E. Motor Scramjet. Los reactores para aviación (air jets): necesitan aire atmosférico para poder operar, serán de dos tipos, compresión dinámica y compresión estática.  Compresión

Figura 11. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015). Diagrama, clasificación de un aerorreactor.

Figura 12. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015). Diagrama, clasificación de las etapas de un ramjet.

dinámica: debido a la velocidad del aire (ramjet y scramjet). estática: contienen  Compresión compresores (turbojet, turbofan, turbohélice y turboshaft). Ya vistos anteriormente. Los motores scramjet, son senilmente mecánicos, muy complejos aerodinámicamente, combustión en régimen supersónico (hidrogeno), proyecciones de velocidades Mach 12 a 24, en zona orbital del

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planeta, eficiente a partir de velocidad Mach 5, probable a Mach 7, bajo radio de empuje, peso (~2:1) (Cohete ~100-1).

velocidades subsónicas permitiendo un mayor eficiencia de empuje y sin necesidad de aumentar la tasa de combustible.

4. REFERENCIAS. [1] Vallbona Vilajosana. E., (2011). CESDA. El motor de turbina. 2015. Disponible en http://www.aviacova.es/WP/motor_de_turbina.pdf

Figura 14. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015). Diagrama, componentes de un motor scramjet.

3. CONCLUSIONES.  Se identificado todos los parámetros

evolutivos que se dieron en diseño y construcción que tuvieron los motores a reacción desde sus inicios hasta la actualidad, haciendo relevancia a los diferentes sistemas y componentes que mejoraron el rendimiento y seguridad de las aeronaves.  Gracias a este artículo se percibió el gran avance evolutivo que obtuvieron los motores a reacción respecto, a componentes, etapas y ciclos termodinámicos, que permitieron que en la actualidad se alcanzara a llegar a velocidades subsónicas, sónicas y supersónicas.  Debido a la gran investigación en todos los campos la industria aeronáutica, los diferentes tipos de motores a reacción, se ha podido identificar que las dos mejores clasificaciones de motores son: el turbohélice para realizar vuelos con excelentes eficiencias propulsoras a velocidades bajas. Y el motor Turbofan que puede realizar vuelos a altas

[2] G. Paniagua, P. Piqueras., (2015). Historia de la clasificación de los motores a reacción. Departamento de Máquinas y Motores Térmicos. Universidad Politécnica De Valencia. 2015. Disponible en https://aeronauticaupv.files.wordpress.com/2 008/09/tema1_historia_y_clasificacion1.pdf [3] Douglas, W. (2009). Turboprop history. Recuperado el 22 de Febrero de 2014. Disponible en http://www.propilotmag.com/archives/2009/ Feb09/A3_Turbohistory_p3.html [4] Bogotá, M., Penagos, H., Turbohélice. (2014). Disponible en https://www.academia.edu/7376200/Motore s_a_Reacci%C3%B3n_ _Turboh%C3%A9lice [5] Figura 13. Nasa Dryden Flight Research Center Graphics Collection. (2004). X-43A 3-view Disponible en http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/graphisc/in dex.html [6] Oñate, A. E. (1981). Turborreactores: Teoría, sistemasy propulsión de aviones. Salamanca: AeronáuticaSumaas S.A. [7] Savaranamuttoo, H. (1996). Gas turbine theory. (4taed., pp. 117-120). Londres: Longman.

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[8] Mattingly, J. (1996). Elements of propulsion: Gasturbines and rockets. [10] Cuesta, M. (1995). Motores de reacción. (8va Ed.).Madrid: Paraninfo S.A. [11] Cengel, Y. A. (2012). Termodinámica. (7ma Ed., pp.525-532). Mexico D.F: McGraw-Hill.

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