INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán
Limites operacionales de los Motores de Combustión Interna Rotativos Ingeniería Aeronáutica Fundamentos de motores de combustión interna Benítez Albiter Manuel 5AV1 05 Diciembre 2016
Limi tes operacionales de los Motores de Combust ión Interna Rotativos Introducción
Un motor de combustión interna rotativo puede definirse como aquella máquina que a través de un ciclo termodinámico (Joule Brayton) transforma la energía calorífica de un combustible en energía mecánica. El funcionamiento de este tipo de motores se basa en el incremento de la velocidad del aire que ingresa al motor, la diferencia de velocidades del aire a la entrada y salida del motor provoca una diferencia en la cantidad de movimiento o momentum del fluido, este incremento de momentum se manifiesta como una fuerza de reacción, la cual comúnmente es aprovechada para impulsar una aeronave hacia adelante. Los Motores Rotativos cuentan con las mismas fases que los motores alternativos: admisión, compresión, explosión y escape. Es importante recalcar que mientras los motores alternativos operan bajo un ciclo discontinuo, donde las explosiones son intermitentes, en los motores rotativos este ciclo es continuo y las cuatro fases se están efectuando en el motor al mismo tiempo. La admisión de aire se da en un componente conocido como difusor, el cual debido a su geometría provoca que el aire que circula a través de él disminuya su velocidad y a su vez, incremente su presión. Una vez que el aire ha ingresado al motor, los compresores se encargan de elevar la energía de este fluido por medio de la elevación de presión, mediante la aplicación de trabajo mecánico. Después de que el aire ha sido comprimido, es dirigido hacia la cámara de combustión, donde se le suministra energía calorífica, mediante su combinación con un combustible y combustionando esta mezcla. El resto del motor se alimenta de esta energía liberada, la cual es transformada en energía cinética al pasar y expandirse en la turbina. El escape de los gases productos de la combustión, se da en la tobera, el cual consiste en un ducto convergente donde el flujo incrementa su velocidad a costa de disminuir su presión. El aire combustionado sale del motor a una alta temperatura y a gran velocidad, esta velocidad mucho mayor a la del aire de entrada, genera como se ha explicado con anterioridad el empuje del motor.
Limites op eraciones
Los limites operaciones son estándares que delimitan un margen de condiciones bajo las que puede operar un motor, así como parámetros críticos que no deben ser excedidos, ya que de lo contrario podrían causar daños en componentes internos, interferir con su correcto funcionamiento e incluso poner en riesgo la operación en cuestión. Dichas limitaciones son impuestas por el fabricante en base a cálculos de diseño, pruebas realizadas a prototipos y estudio de las condiciones ambientales en las distintas fases de vuelo, las cuales que influyen en el desempeño de los motores. Factores q ue afectan el funci onamiento del motor
Los motores instalados en aeronaves están sometidos a operar bajo condiciones que varían considerablemente conforme la aeronave sigue su ruta, las cuales son factores primordiales que pueden influir en el empuje producido. Estas condiciones variantes influyen en la cantidad de aire que fluye a través del motor, así como la presión y temperatura del aire de admisión, entre otros. A continuación se describen a más detalle cada uno de estos factores. Efectos de la altura
La altura tiene diversos efectos en el rendimiento de los elementos del motor, habiendo tanto aumentos como reducciones de rendimiento, así como ventajas y desventajas. Ventajas de un alto nivel de vuelo
A mayor altura, debido a las condiciones ambiente, existe un menor arrastre, lo que propicia una mayor velocidad de vuelo. El aumento en la velocidad de vuelo incrementa el rendimiento de la propulsión, además, aumenta la presión dinámica, la presión a la entrada, incrementando la energía mecánica obtenida en el motor y mejorando el rendimiento global. También, la baja temperatura del aire a la entrada, hace que requiera menos energía para la compresión, además que la misma compresión del aire no produce un aumento de temperatura tan grande que pueda afectar al motor. No obstante la desventaja de disminución de aire admitido por menor densidad, esta disminución se presenta tanto en la parte de entrada del compresor como en la parte de salida de la tobera, mejorará la expansión de los gases, y con ello el rendimiento de la turbina, obteniéndose un rendimiento global mayor.
Desventajas de un alto nivel de vuelo
La disminución de la presión, de la densidad del aire y la masa del fluido a través del motor, disminuyendo el empuje y la energía comunicada al compresor por la turbina. Si se mantiene el consumo de combustible, al disminuir la densidad del aire aumentará la temperatura de entrada del gas a la turbina y con ello el rendimiento térmico, pero al verse incrementada la velocidad de salida de gases, disminuirá el rendimiento de propulsión. Nota: A partir de la tropopausa, al mantenerse la temperatura constante (56,5ºC) y la presión que sigue disminuyendo, el empuje se reducirá drásticamente.
Veloc idad del aire a la entrada del mo tor
En situaciones donde un motor se encuentra operando en un banco de pruebas o cuando una aeronave esta inmóvil en pista, el motor debe tomar aire del exterior y acelerarlo desde su estado de reposo o velocidad cero hasta la velocidad de los gases de escape en la tobera. Sin embargo cuando la aeronave comienza a desplazarse, la velocidad del aire que entra al motor también comienza a incrementarse debido a la velocidad de la aeronave. El empuje es un efecto del cambio de cantidad de movimiento en el aire de entrada y el aire de escape del motor, esta diferencia de velocidades es directamente proporcional al empuje entregado, cuando la velocidad del aire de entrada aumenta, la diferencia de velocidades disminuye y por lo tanto el empuje también disminuye. Esta relación se expresa más claramente en la siguiente gráfica de empuje contra velocidad del aire de admisión. Humedad del aire
Debido a la evaporación, la atmósfera siempre contiene alguna parte de moléculas de agua en forma de vapor, las cuales ocupan el lugar de las moléculas de aire seco. Debido a la menor densidad del vapor de agua respecto al aire seco, un determinado volumen de aire húmedo pesa menos (es menos denso) que el mismo volumen de aire seco. Su efecto es mínimo, pues solo afecta a la densidad del aire en la entrada. El empuje no Causa ningún efecto adverso debido a lluvia, nieve o granizo, sin embargo, debe aumentarse el empuje con respecto al anterior con que el motor operaba, pues este disminuirá al ser desviado parte del aire al sistema de deshielo.
Temperatura en la cámara de combustión
La temperatura afecta al rendimiento del motor debido a que influye en la masa de aire admitida en el motor, de igual forma, sobre los elementos mecánicos del motor, ya que una temperatura excesiva muy baja los puede dañar. En la turbina, se tiene especial cuidado en la relación aire combustible que se emplea ya que esta puede producir una temperatura excesiva en la turbina que puede dañar a la turbina, y provoca un decrecimiento en el empuje. El aire que entra en el compresor al nivel del mar en un día estándar se encuentra a una temperatura de 59º F (15º C). Debido a la compresión, la temperatura a través del compresor sube gradualmente hasta un punto determinado por el número de etapas de compresión y su rendimiento aerodinámico. En algunos motores comerciales grandes, la temperatura delante de la sección de combustión es aproximadamente 800º F (427º C). A medida que el aire entra en las cámaras de combustión, se añade combustible y la temperatura se eleva hasta aproximadamente 3.500º F (1.927º C) en la zona más caliente de la llama. Puesto que esta temperatura está por encima del punto de fusión de la mayoría de los metales, la cámara de combustión y piezas de alrededor en el motor están protegidas por una película de aire de refrigeración la cual se establece por medio del propio diseño de la cámara de combustión. A causa de esta película de refrigeración, el aire que entra en la sección de turbina es considerablemente más frío. La aceleración del aire a través de la sección de turbina reduce aún más la temperatura. Si el motor funciona sin posquemador, hay una ligera caída de temperatura a través del conducto de escape. Si el motor funciona con posquemador, habrá una acusada elevación de la temperatura en el conducto de escape. Alti tu d c rit ic a
Es la altitud máxima a la que el motor puede operar correctamente, de sobrepasarse, el motor puede sufrir congelamiento interno, ya sea en los elementos mecánicos por la formación de hielo derivado de la humedad en el aire, o por congelación de alguno de los fluidos de operación, como el combustible o aceite, lo que provoca una disminución de potencia muy notoria, o sufrirá un apagado total. Al aumentar la altitud, se modifican varios parámetros en el ambiente. Entre los cuales se encuentra la densidad del aire la cual disminuye, al igual que la presión atmosférica y la temperatura, los cuales pueden tener efectos benéficos o perjudiciales en el funcionamiento del motor. Por ejemplo, una baja temperatura aumenta la densidad del aire, sin embargo, también puede propiciar el congelamiento. La baja densidad de aire reduce el flujo másico a la entrada del motor, reduciendo el empuje. Y una baja presión a la entrada resulta en un mayor trabajo del compresor.
A una gran altura, el avión produce un menor arrastre, lo que deriva en una mayor velocidad, esto resulta benéfico puesto que esta velocidad ayuda a tener una mayor presión a la entrada, sin embargo, una excesiva velocidad y presión puede dañar los elementos del motor. La falta de uniformidad en la mezcla puede aparecer a elevadas alturas, y es un fenómeno que naturalmente tiene por origen la carbonización y la inestabilidad en las cámaras de combustión. Las RPM del moto r
Para cualquier motor, el empuje aumenta rápidamente como las RPM aprovechan la máxima velocidad del motor. La masa de aire que penetra en el motor es función principal de las rpm y estas, a su vez, de la cantidad de combustible suministrado. Los motores poseen una unidad de control de combustible, cuya función es regular las RPM y el consumo de combustible de forma que se obtenga un mayor empuje cuando mayores sean dichos factores, hasta los valores que no provoquen sobre velocidad del rotor ni alta temperatura en las turbinas.
Cuando el motor disminuye sus RPM el radio de compresión es menor, por lo que el volumen de aire en la parte final del compresor aumenta. La velocidad de entrada disminuye (aumenta la presión) y por lo tanto aumenta la tendencia a la perdida de compresión.
Aceite
Debe encontrarse a una presión y temperatura adecuadas, puesto que estos afectan a su viscosidad, y por lo tanto, su capacidad lubricante, como a su capacidad de evacuar el calor resultado de la fricción de los elementos mecánicos del motor. Una baja presión de aceite, le impedirá a este poder llegar a todas las zonas del motor que requieran lubricación, situación que pone en riesgo el correcto funcionamiento del motor. La presión de aceite debe estar entre 40 y 55 psi Si cae de 35 psi se debe parar el motor si las condiciones de vuelo lo permiten, o reducir el empuje al mínimo hasta completar el vuelo. La temperatura máxima de aceite para operación continua es de 120°C Se permite un máximo de 15 minutos entre 120°C y 157°C. Pasado ese tiempo el aceite pierde sus propiedades y el motor podría sufrir graves daños. Asimismo es muy importante insistir en que siempre que se recargue alguna cantidad de aceite debe ser reflejado en el Cuaderno de vuelo, pues de lo contrario Mantenimiento no puede llevar el historial del motor de manera adecuada. Elementos mecánicos del m otor
Se debe evitar someter a los elementos del motor a esfuerzos excesivos, resultado de la mala operación de los sistemas ya mencionados o en condiciones anormales,
puesto que estos pueden llegar a fallar, lo que puede llegar a desembocar en un fallo general del motor. En empuje de despegue, un motor está funcionando más próximo a sus capacidades físicas y estructurales totales que durante cualquier otra fase de funcionamiento. Consecuentemente, por razones de seguridad así como también para asegurar una máxima vida en servicio de los componentes del motor, debemos ceñirnos estrechamente a todas las limitaciones operativas. Más que cualquier otro factor asociado, la temperatura interna del motor (EGT) afecta a la vida en servicio de los motores turborreactores y turbofanes. Las excursiones rápidas y los periodos prolongados de funcionamiento a altas EGT’s
tienen efectos adversos y muy pronunciados sobre los componentes de la sección caliente del motor-alabe guías de entrada en turbina, discos de turbina, y alabes rotatorios de turbina. Compresores
Fenómeno de inestabilidad: Se da en los compresores centrífugos, sucede cuando hay variaciones en el gasto de aire a unas determinadas RPM, lo que genera variaciones de presión, produciendo un flujo anormal en el espacio entre álabes. La variación del gasto ya sea arriba o abajo del normal provocará variaciones de presión e inestabilidad. Entrada en pérdida: Se da en compresores axiales, es la falta de continuidad en la compresión y se manifiesta principalmente como pulsaciones que pueden ir acompañados de fuerte ruido, incapacidad del motor de acelerar correctamente y desaceleración del motor. Se debe al aumento del ángulo de ataque efectivo en lo álabes del rotor. Puede aparecer principalmente por el efecto que produce un aumento del ángulo de ataque por la disminución relativa de la velocidad axial respecto de las RPM, o el vuelo en una zona turbulenta.
Limites operacionales del moto r Pratt & Whitney (PW4050)
Pratt & Whitney (PW4050) Descripción Motor turbo fan de flujo axial, de doble carrete, con una etapa de fan, cuatro etapas de compresor de baja presión, combustión anular, dos etapas de turbina de alta presión y cuatro etapas de turbina de baja presión.
Largo Altura Peso en seco
3.9 m 2.48 m 4272.84 kg
Para poder identificar mejor el cómo influyen los distintos factores antes vistos en la operación del motor, comenzaremos analizando el empuje en condiciones a nivel del mar, en estas situaciones es donde normalmente se certifica el empuje de los motores, ya que las condiciones presentes en un ambiente así son tomadas como estándar.
En la siguiente tabla se muestra el limite operacional que delimita al motor a operar por debajo de una temperatura de 600°C a la salida de la turbina.
El fabricante del motor igualmente restringe la velocidad de giro (RPM’s), imponiendo un límite de 4012 RPM en la flecha de baja velocidad y de 10300 RPM para la flecha de alta velocidad.
El ultimo parámetro en el que el fabricante hace hincapié debido a su influencia en la operación de este motor es la presión en el combustible y en el aceite. En el caso de la presión de combustible, se especifica que no debe ser menor a 34.5 kPa y no debe superar los 482.6 kPa.Para el aceita su presión superar el valor de 482.6 kPa.
Bibliografía
Cuesta Álvarez Martín, Motores de Reacción, Tecnología y Operación de Vuelo, Octava Edición, Edit. Paraninfo, España 1995. Páginas 72-216. Saínz Díez Valentín. El motor de Reacción y sus sistemas auxiliares. (8va ed.).2002 Paraninfo: España.
Esteban Terradas Motores de reacción y Turbinas de gas Madrid, Instituto Nacional de Técnica Aeronáutica, Tomo I, 1951 Vallbona Vilajosana El motor de Turbina CESDA, 2011 https://www.easa.europa.eu/system/files/dfu/EASA-TCDS-
