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

Historia Evolutiva de los Motores a Reaccin.

Arbey Sebastin Pastrana Solano.

Universidad de San Buenaventura, Programa de Ingeniera Aeronutica, Bogot.

Apastrana@academia.usbbog.edu.co

RESUMEN- La creacin de los primeros motores a reaccin a comienzos del siglo XX, la

industria aeronutica se ha encontrado bsqueda 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 accin genera una reaccin

inmediatamente, como toda mquina, se presentan distintas configuraciones, perteneciendo a la

seccin de los motores no autnomos, se evidenciaran los principales tipos de motores a reaccin

donde se localizan, turbojet, turbofan, turbohlice y turboshaft, ramjet y scramjet.

1. INTRODUCCIN.

Isaac Newton, Fsico ingls del siglo XVI,

descubridor de las leyes de la mecnica

clsica, las cuales llevaron su nombre, fue

gracias a la tercera la ley de Newton; el

principio de que toda accin genera una

reaccin, es que se puede realizar la

propulsin. Hern de Alejandra aplica este

principio en el siglo I a.C, a un experimento,

el cual es una esfera de Eolo (eolipia),

utilizaba la fuerza de propulsin del vapor

para hacer girar la esfera, se considera

actualmente como la primera mquina

trmica, para ese tiempo solo fue usada

nicamente como jugu. Ya siendo el siglo

XI d.C, en china se descubre la plvora, se ha

evidenciado pequeos cohetes utilizados para

las guerras, dando comienzo a la propulsin a

chorro, respecto al siglo XIV.

Figura 1. Heros Eolipia. Primera mquina trmica.

Leonardo da Vinci, utiliza una corriente de

humo para mover un cuerpo; la aparicin 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 direccin a unos

alabes pegados a un eje, el cual generaba

movimiento a un mecanismo de engranes que

hacan 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 diseo nunca fue

construido por falta de materiales y tcnicas

de fabricacin para su desarrollo.

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

turbina de gas.

Con el diseo de Frank Whittle en el siglo

XIX, el cual inclua un rotor interno que era

accionado por una seccin de turbina,

teniendo solamente una cmara de

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combustin, la compresin estaba formada

por un compresor radial de dos entradas. Se

inicia a una era en donde los motores que

funcionan bajo la propulsin por reaccin,

seran utilizados en la industria aeronutica

militar y comercial.

Figura 3. Frank Whittle (1930 -1934). Registra la

primera patente para la utilizacin de la turbina de

gas en la propulsin por reaccin en aeronaves.

Actualmente estos motores se bautizan con el

nombre de turborreactores se caracterizan, en

que en cualquier condicin de vuelo, el aire

ingresa al motor, el cual es sometido a

compresin y expiacin de tipo mecnica,

donde la etapa de compresin se efecta en

turbocompresores y la expansin en turbinas,

se aclara que esto depender del fabricante y

de las caractersticas especficas del motor, la

cantidad de secciones que tenga cada estas

partes.

2. TIPOS DE CONSTRUCCIN DE MOTORES A REACCIN.

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 cmara de combustin y se

expande por la turbina y la tobera de

escape. [1]. (Vallbona Vilajosana. E.,

2011).

Admisin toma de aire.

Compresin compresor de baja y alta (N1 y N2).

Combustin cmara de combustin.

Expansin turbina (alta y baja) y tobera de escape. (Vallbona Vilajosana. E., 2011).

Fue el tipo de reactor ms simple, siendo

el primero en aparecer, formado por una

seccin pequea (de forma tubular),

siendo muy eficiente a velocidades

supersnicas, es ineficiente a velocidades

subsnicas, relativamente ruidoso. Este

posee la caracterstica de ser de eje simple

(single spool) o de mltiple eje

(multi.spool). [1]. (Vallbona Vilajosana.

E., 2011).

Simple eje: solo tiene un eje. Bastante ineficiente.

Mltiple eje: los ejes (spools) mueven los compresores rotando uno dentro del otro.

Siendo cada compresor movido por una

turbina distinta, consiguiendo

velocidades optimas de rotacin del

compresor. [1]. (Vallbona Vilajosana. E.,

2011).

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

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Figura 5. G. Paniagua, P. Piqueras. Diagramas,

Turbojet de simple con flujo axial y Turbojet de

mltiple eje con flujo axial.

B. Motor Turbohlice.

El primer motor turbohlice en la historia fue

el CS-1 creado en 1938 por Gyrgy

Jendrassik, la potencia mxima que alcanzo

fue de 400 HP por problemas en la estabilidad

de la combustin, fue utilizado en un avin

Varga MI-1.luego, se implement este motor

en aviones militares cuyo propsito era

transportar soldados, se trat en la Segunda

Guerra Mundial de hacer uso de ellos, pero

en esta poca el desarrollo de turborreactores

freno las investigaciones respecto a la

fabricacin y al mejoramiento de los motores

turbohlice. Rolls-Royce desarrollo el motor

RB50 Trent, Era bsicamente un turbojet al

que se le acomodo un eje, una caja de

reduccin y una hlice de 5 aspas, motor

utilizado en un Gloster Meteor. Tiempo

despus, en 1949, el Hermes V despego con

un motor BT-502. [3] (Douglas, W., 2009).

Desde ese instante, se vio a los motores

turbohlice como a una alternativa eficaz de

propulsin es por ello que aviones como el

Viscount, conocido por tener 4 motores tipo

turbohlice de Rolls-Royce, el Fokker F-27

bimotor con una velocidad de 480 km/h

tambin con un ejemplar de Rolls-Royce, se

convirtieron en modelos de aviones eficaces

que no contaban con un turbojet. [4].

Actualmente, los motores turbohlice se

utilizan en aviones comerciales de corto

rango o en aviones de categora 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]

Bogot, M., Penagos, H., Turbohlice.

(2014).

La turbina utilizada para mover una hlice,

con va a un mecanismo de reduccin

(reduction gear), muy eficiente

propulsivamente, ya que mueve mucho aire a

poca velocidad. El empuje se produce en los

siguientes porcentajes, 90% para la hlice 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 hlice.

Free turbine: turbina dedicada a mover exclusivamente la hlice. Con ventajas

reduccin de esfuerzos de torsin, puesta

en marcha, operacin de la hlice a bajas

rpm, y se puede instalar un freno de hlice

(rotor parking brake).

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

Ventajas: altas eficiencias en velocidades subsnicas y bajo consumo de

combustible.

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Desventajas: velocidad limitada, complejidad en la trasmisin del motor y

elevado ruido.

C. Motor Turbofan.

Los motores turbofan fueron diseados como

un compromiso entre el turbohlice y el

turbojet. Una pequea parte del aire sale del

fan entra en el ncleo central para originar la

combustin. El resto pasa por el conducto

secundario (by-pass duct), donde se volver a

encontrar con los gases del flujo primario

despus de la etapa de la turbina. [1].

Ventajas: Presentan mejores presentaciones y consumo que los

turbojet, disminuye contaminacin

acstica, mayor eficiencia propulsiva,

menor ruido, y el flujo de aire secundario

refrigera el motor.

Desventajas: gran complejidad, motores de mayor dimetro, palas ms pesadas,

mayor exposicin a FOD (Foreingn

Object Damage) y hielo.

Los motores turbofan tienen ms de un eje

(spool). En los que se encuentran los de

doble eje y triple eje.

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.

El uso intensivo de los motores turbofan en

aviacin comercial se encuentra entre 30000

ft a 40000ft de altura a una velocidad de ms

o menos 0.8 M (Mach).

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

En los motores turbofan se introduce el

concepto de ndice de derivacin (by-pass

ratio). Siendo la relacin entre el flujo de aire

secundario y el flujo de aire primerio.

Se tienen las siguientes caractersticas.

Low by-pass ratio 1.5 Intermediate by-pass ratio 1.5 a 3.5 Higth by-pas ratio ms de 3.5.

Los motores de ltima generacin (Rolls

Royce Tren) tiene ndices de derivacin de

hasta de 8,5. El GE90 (motor que monta el

B77) tiene un ndice de derivacin de 9.1.

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

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

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D. Motor Ramjet.

En el ao 1913, Rene Lorin, disea y describe

el principio de funcionamiento de un

estatorreactor (athodyd, ramjet). Para la

poca no era factible fabricarlo, se presentaba

ausencia de materiales resistentes a las altas

temperaturas, ineficientes a las velocidades

de vuelo de la poca, siendo los ramjet

actuales muy parecidos a la concepcin de

Lorin.

Figura 10. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).

Diagrama, diseo motor Ramjet Rene Lorin 1913.

El motor ramjet se clasifica en los motores

aerorreactores, donde:

Athodyd, es un ariete de retropropulsin,

conducto aerotermodinmico. Se caracteriza

por ausencia de partes mviles, los elementos

principales que posee son: difusor, cmara de

combustin, tobera. [2] .

Figura 11. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).

Diagrama, clasificacin de un aerorreactor.

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

Ventajas: bajo peso, elevado radio de empuje-peso, ausencia de partes mviles,

tolerancia a altas temperaturas, elevada

eficiencia, velocidades de hasta Mach 6.

Desventajas: no produce en puje en condiciones estticas, ineficiente en

vuelos subsnicos, necesidad de frenado

en el aire hasta rgimen subsnico en la

cmara de combustin, problemas de

combustin en Mach 6, muy ruidoso.

La Nasa tiene en marcha un famoso proyecto

llamado X-43 el cual utiliza el motor Ramjet.

Figura 13. Nasa Dryden Flight Research Center

Graphics Collection. (2004). X-43A 3 view.

E. Motor Scramjet.

Los reactores para aviacin (air jets):

necesitan aire atmosfrico para poder operar,

sern de dos tipos, compresin dinmica y

compresin esttica.

Compresin dinmica: debido a la velocidad del aire (ramjet y scramjet).

Compresin esttica: contienen compresores (turbojet, turbofan,

turbohlice y turboshaft). Ya vistos

anteriormente.

Los motores scramjet, son senilmente

mecnicos, muy complejos

aerodinmicamente, combustin en rgimen

supersnico (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).

Figura 14. G. Paniagua, p. Piqueras., (2015).

Diagrama, componentes de un motor scramjet.

3. CONCLUSIONES.

Se identificado todos los parmetros evolutivos que se dieron en diseo y

construccin que tuvieron los motores a

reaccin 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 artculo se percibi el gran avance evolutivo que obtuvieron los

motores a reaccin respecto, a

componentes, etapas y ciclos

termodinmicos, que permitieron que en

la actualidad se alcanzara a llegar a

velocidades subsnicas, snicas y

supersnicas.

Debido a la gran investigacin en todos los campos la industria aeronutica, los

diferentes tipos de motores a reaccin, se

ha podido identificar que las dos mejores

clasificaciones de motores son: el

turbohlice para realizar vuelos con

excelentes eficiencias propulsoras a

velocidades bajas. Y el motor Turbofan

que puede realizar vuelos a altas

velocidades subsnicas 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.aviaco-

va.es/WP/motor_de_turbina.pdf

[2] G. Paniagua, P. Piqueras., (2015).

Historia de la clasificacin de los motores a

reaccin. Departamento de Mquinas y

Motores Trmicos. Universidad Politcnica

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] Bogot, M., Penagos, H., Turbohlice.

(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] Oate, A. E. (1981). Turborreactores:

Teora, sistemasy propulsin de aviones.

Salamanca: AeronuticaSumaas S.A.

[7] Savaranamuttoo, H. (1996). Gas turbine

theory. (4taed., pp. 117-120). Londres:

Longman.

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

[8] Mattingly, J. (1996). Elements of

propulsion: Gasturbines and rockets.

[10] Cuesta, M. (1995). Motores de reaccin.

(8va Ed.).Madrid: Paraninfo S.A.

[11] Cengel, Y. A. (2012). Termodinmica.

(7ma Ed., pp.525-532). Mexico D.F:

McGraw-Hill.

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