¿CÓMO FUNCIONA UN MOTOR TURBOFAN?En la Figura2 observamos un esquema de una sección transversal del turboventilador. En esta vista lateral, los componentes o estaciones han sido numerados para tener una mejor orientación de los procesos. El aire viaja a través del motor de izquierda a derecha, empezando por el ventilador (número 1 en la figura) y avanzar hacia la tobera de escape (número 5 en la figura). Las componentes y lo que sucede en cada estación se describen en detalle a continuación. 1.- AIR INTAKE/INGESTIÓN El ventilador es responsable de producir la mayoría del empuje generado por un motor turboventilador y es fácilmente visible cuando se mira en la parte delantera del motor, como se ve en la Figura 3. El ventilador está conectado directamente a la baja presión compresor (LPC) y la turbina de baja presión (LPT) por medio de un eje conocido como el eje de baja presión. El ventilador es estación 1 en la Figura 2 (arriba). El aire ambiental entra en el motor mediante el paso a través del ventilador. La mayor parte del aire que pasa a través del ventilador viaja alrededor el núcleo del motor (el centro del motor a la que el compresor, cámara de combustión, turbina y tobera de escape se ubican). Este aire que viaja alrededor del núcleo que se conoce como el aire de bypass (que no pasa por el núcleo, como se ve en la Figura 2).El aire de bypass es acelerado por la parte trasera del motor por el ventilador creando así empuje. Nunca interactúa con el compresor, cámara de combustión, turbina, o tobera de escape. El aire restante entra en el núcleo del motor. Este aire ha sido un tanto acelerado por el ventilador, y entra inmediatamente en el compresor de baja presión. 2.-COMPRESIÓN El propósito de la compresión es preparar el aire para la combustión mediante la adición de energía en la forma de presión y calor. El compresor se divide en dos porciones: compresor de baja presión, mencionado anteriormente, y el compresor de alta presión. El compresor es la estación 2 en la Figura2. Ambos compresores funcionan de una manera similar, sin embargo, que interactúan con diferentes partes del motor de turboventilador. 2.1.-COMPRESOR DE BAJA PRESIÓN (LPC) La LPC está conecta directamente al ventilador y la turbina de baja presión (LPT) por la baja presión del eje. La LPC tiene filas de láminas que hacen girar que empujan el aire más atrás en el motor. Como el aire está siendo forzado hacia atrás, el área de sección transversal disminuye de LPC, haciendo que el volumen de aire va a disminuir. De la ley de los gases ideales, implica que el aire está convirtiendo a la presión y la temperatura en aumento. Inmediatamente después de que el aire pasa a través de la LPC, que entra en el compresor de alta presión. 2.2.- COMPRESOR DE ALTA PRESIÓN (HPC) Situado directamente debajo de la LPC y directamente arriba de la cámara de combustión. El HPC se conecta directamente a la alta presión por el eje de la turbina de alta presión. Al igual que la LPC, la HPC tiene filas de cuchillas giratorias que fuerza el flujo de aire hacia atrás en una presión más alta y una mayor temperatura de estado debido a una disminución en el volumen. El HPC normalmente tiene más filas de las cuchillas cuando se compara con la LPC. El aire que sale de la HPC tiene una alta temperatura y presión y está listo para combustión. 3.- COMBUSTIÓN La combustión se produce dentro de la cámara de combustión, es una cámara estacionaria dentro del núcleo del motor, que es la estación 3 en la Figura2. La cámara de combustión está ubicada directamente debajo de la HPC y directamente arriba de la turbina de alta presión. El propósito de la cámara de combustión es añadir aún más energía para el flujo de aire por medio de adición de calor. Dentro de la cámara de combustión, el combustible se inyecta y se mezcla con el aire. Esta mezcla de combustible-aire se enciende, creando un aumento brusco de temperatura y energizar el flujo, impulsándola hacia atrás hacia la turbina de alta presión. En resumen, en este punto, el aire dentro del motor ha tenido combustible añadido y ha sido quemado muy rápidamente. Este aire está a una presión y temperatura mucho más alta en comparación a cuando entró en el motor. Estas presiones y temperaturas elevadas son debido a la energía añadida al flujo de compresión y combustión. 4. EXPANSIÓN La expansión se produce dentro de la alta presión y turbinas de baja presión. Las turbinas son la estación 4 en la Figura2. Similares en apariencia a los compresores, las turbinas tienen filas de cuchillas que giran (como se ve en la Figura 4). El propósito de las turbinas es extraer energía del flujo que luego se utiliza para hacer girar los compresores y el ventilador. El ventilador cuando gira atrae más aire a través el núcleo del motor que sigue la totalidad proceso, y empuja el aire con más derivación alrededor del motor, generando empuje continuo. 4.1 TURBINA DE ALTA PRESIÓN (HPT) La turbina de alta presión, o HPT, está situado directamente hacia debajo de la cámara de combustión y directamente un hacia arriba de la turbina de baja presión. La HPT es impulsada por el aire a alta presión que pasa a través de él. En la HPT, el área de la sección transversal es inicialmente pequeña y después aumenta hacia abajo. Este cambio en el área permite que el aire se expanda, aumentando de volumen así disminución de la presión y la temperatura. Esta disminución de la presión y la temperatura, a lo largo del proceso generan la energía utilizada para hacer girar la turbina, corresponden a una disminución de la energía total en el flujo de aire. El aire que sale de la HPT es significativamente más fría y a presión inferior a la del aire entrar, sin embargo, todavía tiene energía viable que será extraído por la baja presión turbina. Como se mencionó anteriormente, la HPT se conecta a la HPC por el eje de alta presión. El eje de alta presión hace girar la HPC cuando la HPT se hace girar por el aire que pasa a través de él. Esta interacción asegura que el HPC se tira del aire en la cámara de combustión de forma continua, por lo tanto la alimentación de la HPT altamente energizada, aire quemada continuamente. 4.2 TURBINA DE BAJA PRESIÓN La turbina de baja presión, o LPT, está situado directamente hacia abajo de la HPT y directamente hacia arriba de la tobera de escape. Las funciones LPT exactamente como la HPT, sin embargo, es conectado a la LPC y el ventilador a través del árbol de baja presión. Por lo tanto, cuando la LPT es impulsado por el aire que pasa a través de él, es también impulsa la LPC y el ventilador. Cuando la LPC está girando, se proporciona la HPC con el aire para alimentar a la cámara de combustión. Cuando el ventilador está girando, que proporciona la LPC con aire para alimentar a la HPC, y se produce un impulso de aceleración el aire de bypass fuera del motor. El aire que sale de la LPT es significativamente más frío que cuando se entra, pero todavía es más caliente que el aire ambiental. Este aire caliente sale de la LPT e inmediatamente entra en la tobera de escape. 5.- GASES DE COMBUSTIÓN La tobera de escape del motor está situada directamente hacia abajo del de la LPT y es el último componente donde el aire fluye antes de salir del motor. La tobera de escape del motor está ubicada en la sección 5 de la figura2 y es estacionaria como la cámara de combustión. El propósito de la tobera de escape es impulsar el flujo de gases calientes fuera del motor generándonos un empuje adicional. Esto se logra gracias al diseño que tienes (geometría o forma). La boquilla también ayuda regular las presiones dentro del motor para mantener los otros componentes funcionando correctamente y eficientemente. CARACTERISTICAS Aplicación En la actualidad se utilizan mucho en aviación militar y algunas aeronaves comerciales siguen utilizando motores de bajo bypass como el MD-83 que usa el Pratt & Whitney JT8D, y el Fokker 100 con el Rolls-Royce Tay. Al utilizarse sólo un gran ventilador para producir empuje se origina un menor consumo específico de combustible y un menor ruido. Lo que le hace muy útil para velocidades de crucero entre 600 y 900 km/h. Los usan las aeronaves modernas como el Boeing 777 ó el Airbus 380. CARACTERISTICAS FUNCIONAMIENTO La propulsión en un motor turbohélice se realiza por la conversión de la mayor parte de la energía de la corriente de gas en potencia mecánica para arrastrar al compresor, accesorios, y carga de la hélice. Solo una pequeña cantidad (aproximadamente el 10 por ciento) del empuje del chorro está disponible por la corriente de gas de relativamente baja presión y baja velocidad creada por las etapas de turbina necesarias para arrastrar la carga extra de la hélice. Mientras que el diseño básico de un turbohélice es similar a un turborreactor puro, principalmente difiere en: • una turbina adicional para arrastrar a la hélice, • una disposición de dos conjuntos de rotación, y, • un engranaje reductor para convertir la alta velocidad rotacional de la turbina en una velocidad más moderada para la hélice. Un turborreactor está diseñado para acelerar una masa de flujo de aire relativamente baja a una alta velocidad de escape, inversamente, un turbohélice está diseñado para acelerar una gran masa de flujo de aire a baja velocidad. Esto como resultado nos da un rendimiento de combustible inmejorable, aunque a costa de la velocidad de vuelo y el ruido en cabina. El ciclo termodinámico es igual al del reactor puro. En el reactor puro, la propulsión es el resultado de la reacción sobre la masa acelerada, en tanto que en el turbohélice se obtiene por medio de la tracción de la hélice que recibe la energía procedente de la aplicada a la turbina que la mueve. La velocidad de salida de los gases de escape es pues ya muy reducida, porque la energía cinética de los gases en la expansión ha sido captada casi en su totalidad por las turbinas para mover al compresor o compresores y la hélice. Solo un pequeño empuje residual se obtiene en el turborreactor base, procedente de la energía que aun queda en la expansión después de la última turbina, pero este empuje es muy pequeño comparado con la tracción de la hélice. La energía obtenida en un turbohélice se puede expresar en forma de potencia transmitida al árbol de la hélice, cosa que no ocurre en el turborreactor, al que solo en el caso de que consideremos la velocidad del avión que propulsa, podemos hallar su potencia equivalente. En un turbohélice funcionando pero estando aun en reposo, hay una verdadera potencia en el árbol de la hélice de forma similar a la de los motores alternativos, esto es, potencia disponible. APLICACIÓN El turbohélice más potente del mundo es el Kuznetsov NK-12MA, que produce 15.000 hp. 2 Sólo los turbohélices Progress D-27 y Europrop TP400, más recientes, se le acercan. Algunos motores turbohélice son: Allison T56 Dongan WJ5 Garrett TPE331 General Electric GE38 General Electric T31 Pratt & Whitney Canada PT6 Rolls Royce Dart Rolls Royce Trent (turbohélice) Rolls-Royce AE 2100 Walter M601