INTRODUCCION En principio, un motor de turbohélice es una versión aérea del motor industrial de turbina a gas. Su propósito es producir potencia para impulsar una hélice. Como el motor de turbina de gas gira a una velocidad más alta que la que requiere la hélice, un arreglo de una sola flecha requiere una caja de engranes de reducción entre la flecha de salida y la hélice. Alternativamente, un motor turbo hélice puede funcionar f uncionar como arreglo de doble hélice si la turbina de potencia impulsa la hélice a una velocidad más baja que el generador de gas. A continuación se presentan dos figuras que nos muestran de diferente forma los componentes del motor turbo HELICE.
Figura 5.1.- Motor turbo hélice-
El turbohélice o turbopropulsor es un motor de reacción en el que la energía cinética de los gases de escape se usa para mover la hélice. Se instala en aviones de tamaño medio y desarrolla velocidades entre 480 y 720 km/h. Es un sistema generador de gases normal, se le agregan canalizaciones de gases para su salida y se acopla al eje principal una hélice. También se han usado cohetes con combustible sólido para suministrar empuje adicional durante la carrera de despegue a aviones de hélice con mucha carga. El cohete es el que contiene el comburente y el combustible, y es el que impulsa los proyectiles teledirigidos El motor turbohélice fue diseñado para reunir dos características muy particulares. Una, la economía de combustible y la adaptación de un motor de turbina para generar potencia, no empuje. La relación peso-potencia de un turbohélice es muy superior a a la de cualquier motor de pistón. Potencia en los otros tipos de motores es el resultado final de acelerar los gases para generar empuje, pero en los turbohélices estos gases son usados para generar potencia ó Torque para mover la hélice delante, mediante una transmisión mecánica enlazada a la hélice de este modo : La etapa de turbina envía la potencia a la transmisión t ransmisión que a su vez la envía a la hélice, para para que esta al girar cree el empuje.
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Figura 5.2.- Esquema del motor turbo hélice
Entonces concluimos que en un turbohélice la turbina no se usa para impulsar el avión, sino para mover la hélice. Los motores turboprop o turbohélice han sido utilizados desde hace varios años en aeronaves pequeñas y medianas que operan en un rango de velocidades entre 480 y 720 Km/hr en los cuales muestran su mayor eficiencia y menor consumo de combustible, y se usan en una gran variedad de aviones como son: Saab340/ 2000, Metro2/ 3 Fokker27/ 50 ,Beech King airs, Jetstream 31/ 32, C-130 Hercules, F-27 Friendship, G-222, EMB-312 Tucano, DHC-6 Twin Otter, IA-50 Guaraní, IA-58 Pucará, etc. Es un motor a reacción con una hélice acoplada mediante una caja reductora de RPM. Esto se hace porque el motor alcanza altas RPM y no serían soportadas por la hélice. Además, en la caja reductora, se suele acoplar otros accesorios (bombas hidráulicas, de lubricación, etc.). A esas cajas se las llama caja de accesorios. 5.1 TIPOS DE MOTORES TURBOHÉLICE
Figura 5.3.- Motor turbo hélice con doble compresor axial y centrífugo
La clasificación fundamental de los turbohélices se efectúa por el sistema de accionamiento de la hélice, y pueden ser: .turbohélices de turbina libre .turbohélices de turbina fija Academia de Térmica
lic es d e tu rb ina lib re son aquéllos en los que la turbina que acciona el Los tur bo hé compresor y la turbina que acciona la hélice están montados en ejes distintos. Un esquema válido de este tipo de turbohélice puede ser el dibujado en la figura 3.6. El esquema refleja que el compresor es accionado por un grupo de dos turbinas enlazadas mediante un eje al compresor. Por el interior de este eje, concéntrico, se sitúa otro que conecta una turbina con la hélice, mejor dicho, con los engranajes que transmiten el movimiento a la hélice. Estos dos ejes pueden girar, por tanto, a velocidad distinta.
Figura.3.6.- De turbina libre lic es de t ur bi na fija son los que sólo tienen un eje. Por tanto, la hélice y el Los tu rb oh é compresor reciben el movimiento a través del mismo eje y del mismo grupo de turbinas. En estos, la hélice se hace girar por el mismo eje (spool) que gira al compresor. Debido a que la hélice necesita girar a menor número de rpm que la turbina, una caja de transmisión reduce la velocidad rotacional del eje para ajustarla a la de la hélice. La velocidad de rotación de la hélice va de 2000 a 3000 rpm (con el fin de evitar que las puntas de la misma giren a velocidades mayores a la del sonido), mientras que la del eje va de 4000 a 10000 rpm.
Los tu rb oh é lic es d e tur bi na l ib re tienen mayor flexibilidad operativa que los de turbina fija, debido a que las velocidades de rotación de los dos ejes pueden, y de hecho es, distinta. Esta situación permite una mejor adaptación a las condiciones La hélice se hace girar mediante una turbina especial. Otra turbina hace girar el compresor. Esta turbina y su compresor giran a velocidad casi constante, sin importar la actuación de la hélice ni la velocidad. Al igual que en el anterior, una caja de transmi sión reduce la velocidad del eje y la transmite a la hélice. La principal ventaja de este tipo de motor es que reduce el torque durante el arranque, ya que el mecanismo de arranque no necesita hacer girar la hélice ni la caja de transmisión, solamente el compresor y su turbina. En uno de un solo eje, el arrancador necesita hacer girar no solo los componentes básicos del motor, sino además, la caja de transmisión y la hélice. La máxima eficiencia de estos motores se da a velocidades no mayores a 450 nudos. Arriba de ésta, la eficiencia cae drásticamente. Alrededor de un 90% de la energía de los gases es absorbida por la turbina que mueve la hélice con lo que solo un 10% se emplea para acelerar el chorro de los gases de escape. El primero es el motor estándar, con el compresor secundario ("fan") en la parte delantera del motor. El segundo, un tipo de concepción más antigua, lleva el compresor secundario en la zona posterior o zona de turbinas. Las diferencias mecánicas son notables pero no así el principio de funcionamiento que es el mismo. Academia de Térmica
La principal diferencia entre estos es la forma de transmitir la potencia a la hélice. En la mayoría de los turbohélices, la bomba de combustible es accionada por el motor. Esto se conoce como marcha directa. En algunos tipos antiguos de motores, la bomba se acciona por la hélice. Ventajas de un turbohélice sobre un turborreactor
La cantidad de potencia de propulsión no depende demasiado de la velocidad de avance del avión, por lo que se tiene más potencia en las etapas de despegue. Un slipstream se produce detrás de la hélice, lo cual mejora los controles de elevadores y timón a bajas velocidades Los motores pueden marchar más eficiente y económicamente a bajas y medianas altitudes, y a velocidades bajas. Utilizando controles de motores y hélices interconectados, la respuesta al avance es más rápida que en un turborreactor Se puede operar desde pistas cortas
5.2.- DESCRIPCIÓN FUNCIONAL DE LOS COMPONENTES DEL MOTOR Un motor turbohélice consta de dos partes principales, el motor y la hélice . El motor (núcleo) es muy similar a un turborreactor básico, teniendo un compresor, cámara de combustión y turbina. Sin embargo, a la salida de la turbina principal el chorro de gases pasa a través de una turbina adicional (mostrada en verde en el esquema), antes de pasar por la tobera. Contrariamente a un turborreactor, la mayor parte de la energía de los gases de salida se utiliza para hacer girar a dicha turbina, la cual se une a un eje que pasa a través
del eje central y que se conecta a una caja de transmisión. Ésta se conecta a una hélice que produce la mayor parte del empuje. La velocidad de salida de chorro del motor es baja y produce poco empuje porque la mayor parte de la energía de los gases se utiliza para hacer girar el eje de transmisión. Su tecnología es muy similar a la del turbofan, con la excepción de que la hélice reemplaza al fan y es más eficiente en vuelos cortos. Se comentan a continuación algunos puntos principales en su diseño constructivo. Academia de Térmica
1. Cond ucto d e entrada y comp resores . El conducto de entrada dirige el flujo de aire
entrante directamente hacia los compresores. Con el paso del aire a través de ellos, la temperatura y presión crecen significativamente. 2. Cám ara d e co m bu sti ón . A la entrada a la misma el aire estará a una presión 30 veces superior a la que tenía a la entrada de los compresores y a una temperatura 540ºC mayor. Se inyectará este aire a la cámara donde se mezcla con el combustible. Una vez incendiada la mezcla, la temperatura del aire supera con facilidad los 1.650ºC. 3. Turb inas . El aire que sale de la cámara pasará a través de las turbinas, que giran solidarias con los compresores y la hélice. . El gas que ha pasado a través de las turbinas saldrá del motor a través de los 4. Escap e escapes situados en la parte posterior del motor. 5. Hé lic es y caj a red u ct o ra . Las hélices se moverán gracias al impulso que al eje comunican las turbinas, girando a una velocidad en torno a las 1.000 – 1.200 revoluciones por minuto, 15 veces más lento que la velocidad de los discos de la turbina. La presencia de la hélice limita, en cierto grado, la velocidad de desplazamiento de estos aviones, debido a fenómenos vibratorios que originan las paletas de la hélice. El desplazamiento del avión está restringido únicamente a la zona atmosférica, no siendo posible el funcionamiento del mismo en el vacío, por no existir en él aporte de aire. El caudal de aire aspirado por esta turbina es unas 6 u 8 veces mayor que el absorbido por un motor de explosión de igual potencia. Se utiliza generalmente como combustible el kerosene, mucho menos inflamable que la nafta y de elevado poder calorífico también, utilizándose generalmente una relación aire-combustible cercana de 60 a 1. Girando la turbina a unas 8000 rpm, se obtiene en cada turbohélice potencias cercanas a los 1400 CV. La puesta en marcha se produce generalmente por medio de un motor eléctrico acoplado al eje compresor-turbina, o bien por medio de bujías calefactoras, puestas al rojo por el paso de una corriente eléctrica. En ambos casos, una vez producido al arranque, deja de actuar inmediatamente el motor eléctrico o se apagan las bujías calefactoras. En un motor de turbohélice, una hélice montada delante del reactor es propulsada por una segunda turbina —o turbina libre— o por etapas adicionales de la turbina que mueve el compresor. Alrededor de un 90% de la energía de los gases expandidos se absorbe en la parte de la turbina que mueve la hélice, con lo que sólo un 10% se emplea para acelerar el chorro de gases de escape . Esto hace que el chorro sólo suponga una pequeña parte del empuje total. Las turbohélices tienen determinadas ventajas para aviones pequeños y medianos a velocidades de hasta 500 o 600 Km. /h. Sin embargo, no pueden competir con los turborreactores o turboventiladores en aviones muy grandes o velocidades mayores. Las hélices, los motores de turborreactor y los de turboventilador funcionan con base en el mismo principio elemental. Admiten aire a una velocidad particular y descargan aire a la atmósfera a una velocidad más alta, produciéndose así una fuerza propulsora llamada empuje. Una hélice se puede modelar como se muestra en la figura 2(a). Aunque una hélice emplea varias aspas, se supone que forman un disco completo al girar. El aire entra a la hélice con V, la velocidad de avance de la aeronave, y sale con una velocidad más alta, Ve. El incremento en la velocidad produce el empuje, F. Para el siguiente análisis, se Academia de Térmica
supone que el aire a ambos lados de la hélice se encuentra a la misma presión atmosférica. También se supone que el aire sale de la hélice en dirección axial, sin rotación.
Un motor de turborreactor, o de turboventilador, se puede modelar como se muestra en la figura 2(b). Siempre y cuando la expansión en la tobera sea hasta alcanzar la presión atmosférica (una diferencia de presión crearía una fuerza adicional, que se ignora en el presente análisis) y la velocidad sea constante a través de la salida, el empuje resultante también se puede calcular por medio de la ecuación
(E.1)
Consideremos una hélice como parte de un sistema de aeronave, según se observa en la figura 3. La aeronave se mueve hacia adelante con la velocidad V relativa a un observador que se encuentra en tierra. En relación con la hélice, el aire entra con una velocidad V y sale con una velocidad Ve. Esto da un empuje resultante F que impulsa a la aeronave a la velocidad V. La rapidez de trabajo realizado sobre la aeronave es:
Sustituyendo para el empuje F
(E.2) Para lograr este empuje, se aumenta la velocidad del aire a través de la hélice. Esto significa que la energía cinética del flujo de aire aumenta y que el suministro de potencia a la hélice debe igualar la razón de cambio de la energía cinética:
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(E.3)
La eficiencia de propulsión es una medida de la rapidez de trabajo efectuado sobre la aeronave en comparación con el suministro de potencia a la hélice: Si sustituimos las ecuaciones (E.2) y (E.3) obtenemos
(E.4) Esta ecuación para la eficiencia de propulsión también es verdadera para un motor de turborreactor. También se puede aplicar para un motor de turboventilador del tipo que se muestra en la figura 1, donde el chorro frío y el chorro del generador de gas se mezclan antes de fluir a través de una sola tobera.
Comparación entre dispositivos de propulsión La relación entre el flujo másico y la velocidad de escape es importante: cuanto más alto sea el primero, menor será el incremento de la velocidad, (Ve-V), y mejor será la eficiencia de propulsión. Una hélice logra el flujo másico alto a través de un diámetro mucho más grande, en comparación con el turborreactor. Si una hélice es tan eficiente ¿por qué hay tan pocas aeronaves impulsadas por hélices? Para dar una respuesta es necesario ver con mayor detalle el funcionamiento de la hélice. La figura 4 muestra la velocidad del aire en relación con el aspa de una hélice. El aire entra en dirección axial con una velocidad V, sin embargo, el aspa en si se mueve y tiene una velocidad de rotación, de manera que para un observador que estuviera sobre las aspas, la velocidad de avance es, 200 m/s, entonces la velocidad del aire que fluye sobre el aspa podría tener una velocidad de 300 m/s. A este valor de velocidad, el aire estaría muy cerca de la velocidad local del sonido, lo que tendría como resultado la formación de ondas de choque sobre las aspas. Las ondas de choque ocasionan una gran caída en la eficiencia de propulsión.
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En la figura 5 se muestra una variación característica de la eficiencia de propulsión de una hélice. Arriba de una velocidad de avance de 200 m/s, la eficiencia cae en forma bastante rápida. Comparativamente, la eficiencia de propulsión de turborreactor aumenta con la velocidad y alcanza valores aceptables de funcionamiento por encima de los 450 m/s. Esta es la razón por que el Concorde esta impulsado por motores de turborreactor.
A una velocidad de avance entre 200 y 450 m/s hay una región en la que la eficiencia de propulsión tanto de la hélice como la del turborreactor es inadmisiblemente baja. Es dentro de esta región que se usan motores de turboventilador porque tiene un mayor flujo másico que el motor de turborreactor, requiere una velocidad de escape más baja y tiene una eficiencia de propulsión más alta. Su tecnología es muy similar a la del turbofan, con la excepción de que la hélice reemplaza al fan y es más eficiente en vuelos cortos.
5.3.- CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES TURBO HÉLICE El turbohélice presenta simplicidad de diseño y construcción, que le hace más fácil de mantenimiento que el motor alternativo de émbolo, puesto que sus partes móviles son en cantidad mucho menor. Al aumentar la potencia necesaria para alcanzar velocidades mayores, aumenta también el tamaño del motor empezando a ser rentable el uso de turbinas de gas. El turbohélice mezcla los conceptos de sistema propulsivo por hélice y por chorro. Con ello se intenta aunar las ventajas de ambos sistemas en los rangos de velocidades comprendidos entre Mach 0.3 y 0.6. Por una parte, la hélice proporciona un rendimiento propulsivo mayor que el turborreactor puro en ese rango de velocidades. Y, por otra parte, combina la menor área frontal, para igual potencia, del turborreactor. El turbohélice necesita de un sistema reductor de revoluciones para evitar que la hélice gire a las mismas revoluciones que la turbina que la mueve. Uno de los problemas que plantea el turbohélice es el de la distribución de la propulsión entre la hélice y el chorro. Si se le da mayor importancia al chorro, el comportamiento tenderá más a asemejarse al turborreactor puro con el consecuente aumento del SFC. Sin embargo, si se da más importancia a la hélice implica diseñar un reductor mayor y con mayores pérdidas de potencia. La distribución óptima de ambos sistemas propulsivos se suele alcanzar al proporcionar la hélice entre el 80 % y el 90% del empuje y el chorro el 20 % o el 10% restante. Los turbohélices se emplean para Academia de Térmica
trayectos cortos (vuelos regionales) donde la diferencia en tiempo entre un avión a reacción y uno a hélice no es elevada y, a cambio, se consiguen reducciones importantes en los costes operativos. La velocidad máxima rentable desde el punto de vista económico es de Mach 0.6. Por encima se produce un aumento del área frontal, del peso y del ruido generado por la hélice. Además, debido a fenómenos de compresibilidad del aire, se crean condiciones sónicas en la punta de la pala que hace que la eficiencia propulsiva caiga rápidamente. El uso de compresores centrífugos es habitual en este tipo de turbina de gas debido a la sencillez de fabricación y bajo coste . Su rendimiento es superior al del compresor axial para bajos consumos de aire. El aumento del área frontal respecto del compresor axial no es importante a bajas velocidades de vuelo.
Figura 5.6.- Configuración general de un turbohélice, fases y componentes
SISTEMA PROPULSOR (HELICE).- La hélice es un dispositivo constituido por un número variable de aspas o palas (2, 3, 4...) que al girar alrededor de un eje producen una fuerza propulsora. Cada pala está formada por un conjunto de perfiles aerodinámicos que van cambiando progresivamente su ángulo de incidencia desde la raíz hasta el extremo (mayor en la raíz, menor en el extremo). La hélice está acoplada directamente o a través de engranajes o poleas (reductores) al eje de salida de un motor (de pistón o turbina), el cual proporciona el movimiento de rotación Aunque en principio las hélices se construyeron de madera, actualmente se fabrican con materiales más ligeros y resistentes. El empleo de hélices como elemento propulsor en aviación ha decaído por la progresiva utilización de la propulsión por turbinas de gas, cada vez más potentes, ligeras, y con consumos más ajustados. No obstante, aunque la propulsión por hélice es poco utilizada en aviación comercial, su uso está generalizado en aviones ligeros.
FUNCIONAMIENTO DE LA HÉLICE.- Los perfiles aerodinámicos que componen una hélice están sujetos a las mismas leyes y principios que cualquier otro perfil aerodinámico, por ejemplo un ala. Cada uno de estos perfiles tiene un ángulo de ataque, respecto al viento relativo de la pala que en este caso es cercano al plano de revolución de la hélice, y un paso (igual al ángulo de incidencia). El giro de la hélice, que es como si se hicieran rotar muchas pequeñas alas, acelera el flujo de aire hacia el borde de salida de cada perfil, a la vez que deflecta este hacia atrás (lo mismo que sucede en un ala). Este proceso da lugar a la Academia de Térmica
aceleración hacia atrás de una gran masa de aire, movimiento que provoca una fuerza de reacción que es la que propulsa el avión hacia adelante.
Las hélices se fabrican con "torsión", cambiando el ángulo de incidencia de forma decreciente desde el eje (mayor ángulo) hasta la punta (menor ángulo). Al girar a mayor velocidad el extremo que la parte más cercana al eje, es necesario compensar esta diferencia para producir una fuerza de forma uniforme. La solución consiste en disminuir este ángulo desde el centro hacia los extremos, de una forma progresiva, y así la menor velocidad pero mayor ángulo en el centro de la hélice se va igualando con una mayor velocidad pero menor ángulo hacia los extremos. Con esto, se produce una fuerza de forma uniforme a lo largo de toda la hélice, reduciendo las tensiones internas y las vibraciones
Un punto crítico en el diseño radica en la velocidad con que giran los extremos, porque si está próxima a la del sonido, se produce una gran disminución en el rendimiento. Este hecho pone límites al diámetro y las r.p.m. de las hélices, y es por lo que en algunos aviones se intercala un mecanismo reductor basado en engranajes o poleas, entre el eje de salida del motor y la hélice. La fuerza de propulsión del aeroplano está directamente relacionada con la cantidad de aire que mueve y la velocidad con que lo acelera; depende por tanto del tamaño de la hélice, de su paso, y de su velocidad de giro. Su diseño, forma, número de palas, diámetro, etc... Debe ser el adecuado para la gama de velocidades en que puede operar el avión. Una hélice bien diseñada puede dar un rendimiento de hasta 0,9 sobre un ideal de 1. Con independencia del número de palas, las hélices se clasifican básicamente en hélices de paso fijo y hélices de paso variable. Se denomina paso de la hélice al ángulo que forma la cuerda de los perfiles de las palas con el plano de rotación de la hélice.
HÉLICE DE PASO FIJO.- En este tipo, el paso está impuesto por el mejor criterio del diseñador del aeroplano y no es modificable por el piloto. Este paso es único para todos los regímenes de vuelo, lo cual restringe y limita su eficacia; una buena hélice para despegues o ascensos no es tan buena para velocidad de crucero, y viceversa. Una hélice de paso fijo es Academia de Térmica
como una caja de cambios con una única velocidad; compensa su falta de eficacia con una gran sencillez de funcionamiento. En aviones equipados con motores de poca potencia, la hélice suele ser de diámetro reducido, y está fijada directamente como una prolongación del cigüeñal del motor; las r.p.m. de la hélice son las mismas que las del motor. Con motores más potentes, la hélice es más grande para poder absorber la fuerza desarrollada por el motor; en este caso entre la salida del motor y la hélice se suele interponer un mecanismo reductor y las r.p.m. de la hélice difieren de las r.p.m. del motor.
HÉLICE DE PASO VARIABLE.- Este tipo de hélice, permite al piloto ajustar el paso, acomodándolo a las diferentes fases de vuelo, con lo cual obtiene su rendimiento óptimo en todo momento. El ajuste se realiza mediante la palanca de paso de la hélice, la cual acciona un mecanismo que puede ser mecánico, hidráulico o eléctrico. En algunos casos, esta palanca solo tiene dos posiciones: paso corto (menor ángulo de las palas) y paso largo (mayor ángulo de las palas), pero lo más común es que pueda seleccionar cualquier paso comprendido entre un máximo y un mínimo.
Para entender cómo funciona el paso variable, partimos de: (1) La mayoría de los motores de combustión interna obtienen su máxima potencia en un punto cercano al máximo de r.p.m. (2) La potencia requerida para volar de forma económica a velocidad de crucero es usualmente menor a la potencia máxima. El paso corto, implica menor ángulo de ataque de la pala y por tanto menor resistencia inducida, por lo que la hélice puede girar más libre y rápidamente, permitiendo el mejor desarrollo de la potencia del motor. Esto le hace el paso idóneo para maniobras en las que se requiere máxima potencia: despegue y ascenso, aunque no es un paso adecuado para régimen de crucero. Este paso es como las marchas cortas (1ª, 2ª) de la caja de cambios de un automóvil, que se emplean para arrancar o subir cuestas empinadas pero no son eficientes para viajar por autopista. Con estas marchas el motor de un automóvil alcanza Academia de Térmica
rápidamente su máximo de r.p.m., lo mismo que el motor de un avión con paso corto en la hélice. El paso largo, supone mayor ángulo de ataque y por ello mayor resistencia inducida, lo que conlleva menos r.p.m. en la hélice y peor desarrollo de la potencia del motor, pero a cambio se mueve mayor cantidad de aire. Con este paso, decrece el rendimiento en despegue y ascenso, pero sin embargo se incrementa la eficiencia en régimen de crucero. Volviendo al ejemplo de la caja de cambios, este paso es como las marchas largas (4ª, 5ª), que son las más adecuadas para viajar por autopista pero no para arrancar o subir una cuesta empinada. Con estas marchas, el motor del automóvil no desarrolla sus máximas r.p.m., pero se obtiene mejor velocidad con un consumo más económico, exactamente lo mismo que un avión con la hélice puesta en paso largo.
HÉLICE DE VELOCIDAD CONSTANTE.- Es una hélice de paso variable, cuyo paso se regula de forma automática, manteniendo fija la velocidad de giro de la hélice, con independencia de los cambios de potencia en el motor. Estas hélices tienen un regulador que ajusta el paso de las palas para mantener las revoluciones seleccionadas por el piloto, utilizando más eficazmente la potencia del motor para cualquier régimen de vuelo. DATO INTERESANTE E IMPORTANTE La densidad del aire es un factor que interviene en el rendimiento tanto de la hélice como del motor: a mayor densidad mayor rendimiento. Puesto que la densidad disminuye con la altura, a mayor altura menor rendimiento de la hélice y del motor.
SUMARIO.
La hélice está formada por un número variable de palas que giran alrededor de un eje produciendo una fuerza propulsora. Cada pala es un conjunto de perfiles aerodinámicos que cambian progresivamente su ángulo de incidencia desde la raíz hasta el extremo de la hélice. Estos perfiles están sujetos a las mismas leyes y principios que otros perfiles aerodinámicos, tal como el ala. Las hélices son movidas por motores de embolo o turbina. El acoplamiento de la hélice al motor puede ser directo o bien mediante mecanismos reductores. La "torsión" dada a la hélice tiene como principal objetivo producir de forma uniforme la fuerza que acelera la masa de aire. Las puntas de la hélice por su distancia al eje, tienen mayor velocidad que la parte central. La proximidad a la velocidad del sonido en el giro de la hélice produce una gran disminución en su rendimiento. Esto limita su diámetro y la velocidad de rotación. Se llama paso al ángulo que forma la cuerda de los perfiles de las palas con el plano de rotación de la hélice. Las hélices se clasifican básicamente en hélices de paso fijo y hélices de paso variable. Como su propio nombre indica, una hélice de paso fijo es aquella cuyo paso es único para todos los regímenes de vuelo; no es modificable por el Academia de Térmica
piloto. Este tipo de hélice compensa su falta de eficacia con una gran sencillez de funcionamiento. Una hélice de paso variable posibilita al piloto ajustar el paso de la hélice a las distintas condiciones de vuelo. El ajuste se realiza con una palanca que, habitualmente, permite seleccionar un paso dentro de un rango, entre un paso mínimo y un paso máximo. El paso corto provoca menos resistencia y permite el mejor desarrollo de la potencia del motor, más r.p.m. Este paso incrementa el rendimiento en despegue y ascenso, pero no es adecuado para régimen de crucero. El paso largo implica mayor resistencia y menor desarrollo de la potencia del motor, menos r.p.m., pero mueve una masa de aire mayor. Es el utilizado en régimen de crucero y no es eficaz en despegue y ascenso. Los pasos de la hélice son como las marchas de la caja de cambios de un automóvil: marchas cortas (paso corto) para arrancar y subir cuestas empinadas; marchas largas (paso largo) para autopistas. Una hélice de velocidad constante, es una hélice de paso variable que mantiene su velocidad constante con independencia de los cambios de potencia del motor. Paso geométrico es la distancia horizontal teórica que avanza una hélice en una revolución, y paso efectivo es la distancia real. Un factor muy importante en el rendimiento del motor y de la hélice es la densidad del aire: a mayor densidad mayor rendimiento. Como la densidad disminuye con la altura, a mayor altura menor rendimiento de la hélice y del motor.
5.4.- ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL MOTOR TURBO HÉLICE POTENCIA DE EMPUJE Y POTENCIA EQUIVALENTE -Potencia mecánica y empuje de chorro. ᵑpr
= Rendimiento de la hélice.
Ca = Velocidad de vuelo. SP = Potencia mecánica. F = Empuje del chorro. -Potencia equivalente o efectiva EP
TP pr
SP
FC a pr
Intensificación del empuje Se requiere el aumento temporal de empuje: -En el despegue. -Para maniobrar durante el combate. En el motor turbohélice, figura 5.6, la energía disponible en la tobera (puntos 5-9 del ciclo termodinámico) no se emplea en generar empuje, sino en mover una turbina (llamada turbina libre) que va acoplada a una hélice a través de una caja de engranajes para evitar que gire a las mismas revoluciones que la turbina. La hélice es, por tanto, la encargada de proporcionar gran parte del empuje que proporciona el motor. Por supuesto, a la salida de la Academia de Térmica
turbina, los gases todavía tienen energía suficiente que se aprovecha para generar más empuje (alrededor de un 20% del total) a través de una pequeña tobera.
Figura 5.6 Configuración y ciclo termodinámico del turbohélice
El empuje de un turbohélice es la suma del empuje de la hélice más el empuje del reactor (motor). Podemos utilizar la ecuación básica de empuje en la hélice y en el reactor para obtener la ecuación de empuje para el turbohélice. Denotemos las condiciones iniciales del flujo por el subíndice 0, las condiciones a la salida de la hélice por 1, la salida del reactor por e, y la entrada a este por c. El flujo de masa se denota por la letra m y la velocidad del flujo por V. Así, la ecuación básica de empuje queda:
F m 0V 1 m 0V 0 m eV e m cV 1 F m 0 (V 1 V 0 ) m e (V e V 1 ) P te P 0
P F
1 2
1 2
1 2
V e
(V e
2
2
V 02 )
A (V e V 02 ) 2
Como se ha visto, el flujo de masa a través de la hélice es mucho mayor que el flujo a través del reactor. Además, la velocidad de chorro de salida del reactor es muy baja y es casi igual a la velocidad de entrada. El flujo de masa que sale del reactor es casi igual que el de entrada. Con esta información, podemos simplificar la ecuación de empuje:
F m 0 (V 1 V 0 ) m e (V e V 1 ) El primer término de la ecuación es bastante grande en comparación con el segundo. Si hacemos una comparación con la teoría de las hélices, el empuje es igual al flujo de masa a través de la hélice por el cambio de velocidad a través de ella más una pequeña cantidad de empuje debida al reactor.
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Debido a que las aspas rotan, las puntas se desplazan con una velocidad mayor que la del centro (donde estas se unen). Para hacer que la hélice sea más eficiente, las aspas presentan torcimiento.
TEORÍA DE MOMENTO SIMPLE.- El empuje generado por la hélice es igual al incremento de la presión P por el área del disco. F=A. P Podemos utilizar la ecuación de Bernoulli para relacionar la presión y velocidad antes y después de la hélice, pero no a través de ella. Delante de ésta, la presión total Pt 0 es igual a la presión estática P 0 más la presión dinámica
P t 0 P 0
1 2 V 0 2
Por debajo de la hélice, la presión total es: P te P 0
1 2
V e
2
En la hélice, el cambio de presión es P=Pte-Pto 1 2 2 P V ( Por lo tanto, e V 0 ) 2 Si sustituimos los valores obtenidos mediante la ecuación de Bernoulli en la ecuación de empuje, tenemos: F
1
2
A (V e
2
2
V 0
)
El generador de gas del turbohélice, al igual que el turborreactor básico, suministra un gas con elevado nivel energético y que queda disponible para su posterior utilización. En el caso del turborreactor el empuje se genera acelerando el gas en la tobera de salida. Por el contrario, en el turbohélice, la mayor parte de la energía disponible a la salida es usada para mover la hélice a través de una turbina; el resto de la energía se utiliza para acelerar los gases en la tobera de salida.
Secciones del Turbohélice
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Modo De Operación El aire es inducido a entrar por la toma de aire del motor, y se le aumenta la presión al entrar a las cuatro etapas del compresor; después el aire es dirigido por un conducto convergente / divergente hacia el combustor, un preciso volumen de aire entra a la cámara de combustión; en ese momento el combustible es añadido; la ignición es inducida por cualquiera de las dos bujías, al expandirse los gases salen de la cámara de combustión haciendo trabajar a la turbina. La turbina extrae casi toda la energía de los gases expansivos, que entonces continúan a través de la sección de escape a la atmósfera.
Figura 5.7.- OPERACIÓNES DEL TURBOHÉLICE Hay cuatro tipos básicos de motores de reacción (turbinas): el turborreactor, el turbopropulsor, el turboventilador, y el ramjet. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas para velocidades específicas de crucero. Los ingenieros enfocan su atención en dos cosas al diseñar un motor de propulsión a chorro: la relación que hay entre el empuje y el peso, y el consumo de combustible. La mayoría de los aviones están diseñados para que su consumo de combustible sea bajo, aunque esto signifique que su habilidad para generar empuje es menor. Algunos aviones, tales como los aviones de caza, necesitan mucho empuje y no importa la cantidad de combustible que usen, si la misión la requiere. Los ingenieros recomiendan cuál es el mejor motor para determinada misión.
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RAMJETS Cuando se trata de velocidades menores a Mach 1.0, el compresor es un componente de los motores de reacción muy necesario. Conforme un avión aumenta su velocidad y sobrepasa Mach 1.0, la presión del aire que se obtiene como resultado de la velocidad de la corriente aérea disminuye la necesidad de utilizar un compresor. Inclusive, cuando la velocidad se acerca a Mach 3.5 - 4.0, el compresor ya ni siquiera es necesario. El ramjet es el motor más eficiente porque tiene menos componentes. El ramjet no tiene compresor ni turbina, y es mucho más tolerante a las altas temperaturas. El siguiente diagrama muestra los componentes de un ramjet. Consta de una entrada de aire, un combustor, y una tobera de eyección.
Sin embargo, el ramjet también tiene limitaciones. La primera limitación es que no funciona a velocidades subónicas; por lo tanto, otro motor debe primero hacer que el avión alcance velocidades supersónicas. Otra limitación se encuentra en la combustión de la mezcla de combustible y aire en el combustor. La entrada del ramjet debe retardar el flujo de aire de velocidades supersónicas a velocidades subsónicas para que la mezcla de combustible y aire encienda en el combustor. Cuando la velocidad se aproxima a Mach 6.0, el aire que entra en el combustor llega a estar tan caliente ¡que no puede quemarse! Esto se debe a la fricción que se genera cuando el aire supersónico disminuye su velocidad en la entrada hasta lograr niveles subsónicos. A esta velocidad (Mach 6) ya no es posible generar la fuerza de empuje necesaria para continuar volando. Se ha propuesto una solución al problema que enfrenta el ramjet cuando se alcanza la velocidad límite (Mach 6.0). A esta propuesta se le conoce como ramjet de combustión supersónica (SCRAMJET). En vez de retardar el flujo de aire hasta lograr velocidades subsónicas para llevar a cabo la combustión, el SCRAMJET podría hacer que el aire encendiera siendo aún supersónico (así se evitaría generar fricción en la entrada). El combustible todavía inyectaría a la corriente aérea para ser encendido. Desafortunadamente, los combustibles de hoy aún no encienden lo suficientemente rápido. El desarrollo de un sistema realizable (práctico) de inyección de combustible para el SCRAMJET se encuentra todavía en sus etapas de infancia.
FUTURO DE LA PROPULSIÓN.- Los ingenieros continúan diseñando mejores motores que utilicen menos combustible, pesen menos, y produzcan más empuje. También están desarrollando nuevos materiales que puedan resistir más altas temperaturas sin romperse ni doblarse. Se están fabricando nuevos circuitos integrados de computadora que controlan todas las partes del motor. Los circuitos integrados pueden controlar las cantidades de aire y combustible que se mezclan para que la combustión sea más eficiente. De igual manera, la computadora puede cambiar la forma de la entrada de aire o del difusor de salida para mejorar la aerodinámica. Academia de Térmica
Los ingenieros continuamente están tratando de diseñar mejores motores. Una opción es "mezclar" los diferentes tipos de motores. Así, un mismo avión podría tener un turborreactor, un ramjet y un cohete, de modo que pudiera volar lo suficientemente rápido ¡para alcanzar el espacio exterior!
La propulsión de un motor turbo eje (turbohélice) se lleva a cabo mediante la acción combinada de una hélice situada adelante del motor y el impulso producido y el impulso producido por los gases de escape procedentes de la turbina de gas. Un motor turborreactor puede convertirse en un motor turbohélice agregando una turbina adicional que impulse la hélice por medio de un sistema de engranajes reductor de la velocidad. El motor turborreactor deriva su impulso de un gran cambio de momento en una masa relativamente reducida de aire. En tanto que el motor turbohélice desarrolla su fuerza propulsiva generando un cambio de momento reducido aplicado a una masa relativamente grande de aire. La turbina de un motor turbohélice esta diseñada no solo para absorber la potencia requerida para impulsar el compresor y los accesorios, sino para dar también al EJE de la hélice el máximo par de torsión posible. La hélice de un motor turborreactor típico da aproximadamente el 90% del impulso total a nivel del mar, en condiciones estáticas. Este porcentaje varía con la velocidad del aire, la altitud y otros parámetros del motor. El motor turbohélice tiene un impulso-consumo específico de combustible mas reducido durante la elevación, y a velocidades bajas a subsónicas moderadas que los motores turborreactor y turboventilador, disminuyendo esta ventaja a medida que aumentan la altitud y la velocidad. Un avión impulsado por motor turbohélice está limitado habitualmente, de acuerdo con la actual tecnología, a una velocidad aproximada de 400 MPH. La elección entre los motores turborreactor/turboventilador (impulso por reactor) y el turbohélice (potencia en el eje e impulso por el reactor) implica tener presente muchas consideraciones. Por ejemplo, cuanto mayor sea la velocidad de operación, mayor puede ser la proporción de salida total bajo la forma de impulso por reactor; por otra parte, puede requerirse una etapa adicional en la turbina si la hélice suministra mas de una cierta proporción de la potencia total. Como el turborreactor se clasifica según el impulso y el motor turbohélice según la potencia en el eje, mas impulso, no se puede hacer una comparación directa entre los dos. Puede hacerse la comparación convirtiendo los caballos de fuerza desarrollados por el motor turbohélice en impulso o bien convirtiendo a caballos de fuerza el impulso creado por el turborreactor. Cuando el motor turbohélice opera en condiciones estáticas, un caballo de fuerza en el eje suministrado a la hélice produce 2.5 lb de impulso. La potencia producida por los motores turbohélice se expresa
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normalmente como caballo de fuerza equivalentes al eje (ESHP). En el caso de condiciones estáticas al nivel del mar:
ESHP estático SHP pro p
chorro
2.5
Los caballos de fuerza equivalentes al eje en el vuelo, con una determinada velocidad en el aire, serán igual a las suma de los caballos de fuerza equivalentes del impulso neto del reactor. Para hacer esta comparación, se supone normalmente que la eficiencia de la hélice es del 80% El funcionamiento de un motor turbohélice se expresa mediante el consumo específico equivalente de combustible (ESFC), el cual se define como:
ESFC
m f ESHP
Ejemplo: Un motor turbohélice está operando en las sigs. Condiciones: Velocidad de vuelo al nivel del mar, día estándar 0 Flujo de aire que entra al compresor 1 lb/seg (1 kg/seg) Relación de presiones en el compresor (total a total) 12 Eficiencias Difusor 100% Compresor 87% Turbina para impulsar el compresor 89% Turbina para impulsar la hélice 89% Tobera 100% Temperatura de entrada en la turbina (estancamiento) 2520°R (1400°K) Presión de estancamiento que sale de la 2ª turbina 25lb/pulg2abs(172.4kPa) Todas las eficiencias se basan en condiciones de estancamiento, y la presión de estancamiento se mantiene constante desde la salida del compresor a la entrada de la turbina. Calcular: 1) El impulso desarrollado por los gases que pasan por la turbina. 2) Los caballos de fuerza equivalentes al eje. 3) Los caballos de fuerza suministrados por este motor a la hélice. 4) El consumo específico equivalente de combustible.
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Turbina a hélice de impulsión
a) h t 5 10921.6 2827 i
25 Pr 5i 177.17 60.75
8094.6 Pr 5a 81.23
72.91
14.7 25
Pr 6i 81.23
h t 5 7745 .2 i
4
W 5a 0.89(10921.6 - 7745.2)
47.76
2827 Btu/lb - mol p
Tobera
h 6i 6467.2
(1,0215)(3600 )(2827 )
(8094.6 6467.2)(2)(32.174)(778)
V6 i
(28.965)(2545)
141.0 hp b)
28.965
1677 pies / seg (1.0215)(1677 ) 0
32.174 53.2lb f
c) ESHP 141
53.2
2.5 162.3 ESHP
d ) ESFC
(0.0215)(3600)
162.3 0.47lbm / ESHP h
Para comparar los motores turborreactores y turboventilador con el motor turbohélice, todos los valores se convertirán a ESHP. ESHP | turborreactor ESFC | turborreactor
91.1
36.4 ESHP 2.5 (0.0215)(3600) 36.4 129.5
2.13
ESHP | turboventilador, BPR 2
51.8 ESHP 2.5 (0.0215)(3600 ) 1.49 ESFC | turboventilador, BPR 2 51.8 185.1 74 ESHP ESHP | turboventilador, BPR 5 2.5 (0.0215)(3600) ESFC | turboventilador, BPR 5 1.05 74
Los cálculos anteriores demuestran la ventaja que tiene el motor de turbohélice en condiciones estáticas al nivel del mar en cuanto al consumo de combustible.
Una diferencia operativa fundamental entre el motor turbohélice y el turboventilador es que el flujo de aire por el ventilador del motor turboventilador esta controlado por diseño, de manera que la Academia de Térmica
velocidad de aire en relación con los álabes del ventilador no resulta afectada por la velocidad del avión en el aire. El flujo del aire total por el ventilador es mucho menor que el correspondiente a la hélice del motor turbohélice.
A continuación se presentan figuras que muestran diferentes cortes del motor turbo hélice
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TIPOS DE TURBOHELICES EN LA INDUSTRIA AERONAUTICA
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Aunque ha perdido terreno en los últimos años, todavía hay aplicaciones militares y comerciales donde el motor turbo hélice desempeña extraordinariamente su magnifico rendimiento. Como ejemplo, el motor del A400M, que era el turbo hélice de mayor potencia jamás construido.
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A continuación se presentan otras aplicaciones del motor turbo hélice
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Motor Turboprop PT6A, fabricado por Pratt & Whitney Canada (Cortesía de Pratt & Whitney Canada)
Motor turboprop, PW123 fabricado por Pratt & Whitney Canada (Cortesía de Pratt & Whitney Canada)
Motor turboprop, T56 fabricado por Rolls-Royce (Cortesía de Jack D. Mattingly)
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