Si hojeamos un libro sobre física, no tardaremos en encontrar un apartado sobre las Leyes de Newton que afectan al movimiento, y que son básicas para comprender cómo funciona un motor a reacción, en particular la tercera, que dice “Con toda acción ocurre siempre otra acción igual y de sentido contrario”, (reacción) viniendo de ahí el nombre de “motor a reacción”.
Veamos algunos ejemplos donde puede observarse el efecto de las fuerzas de acción – reacción.
a).- Cuando saltamos, empujamos a la tierra hacia abajo, pero como no se mueve debido a su gran masa, ésta nos empuja con la misma intensidad hacia arriba.
b).- Una persona que rema en un bote empuja el agua con el remo en un sentido y el agua responde empujando el, bote en sentido opuesto.
c).- Cuando caminamos empujamos a la tierra hacia atrás con nuestros pies, a lo que la tierra responde empujándonos a nosotros hacia delante, haciendo que avancemos.
En el caso de la aviación un motor a reacción, reactor o “jet” es, en dos palabras, un tipo de motor que descarga hacia atrás un chorro de fluido a gran velocidad para generar un fuerza hacia adelante llamada “empuje” de acuerdo con las leyes de Newton, específicamente la tercera antes mencionada. Esta definición generalizada del motor de reacción incluye el “turborreactor”, el “estatorreactor”, el ”turbofan”, el “motor cohete”, el “turbohélice”, y el “pulsorreactores” pero, en su uso común, el término se refiere generalmente a una turbina utilizada para producir un chorro de gas con propósito de propulsión, por lo que también es conocida su utilización en la aeronaútica como “propulsión a chorro”. Hay varios tipos, pero nosotros vamos a centrarnos en los más utilizados en el sector de la aviacion, conocidos como “reactores”, ”turboreactores”, “turbofan” y “turbohélice” por ser los más habituales, cumpliendo todos ellos el llamado ciclo de Brayton, de “Admisión”, “Compresión”, “Combustión” y “Escape” (Figura 2)
Un poco de historia.
Los motores de reacción pueden ser datados desde el siglo I, cuando Herón de Alejandría inventó la eolípila, máquina constituida por una cámara de aire (generalmente una esfera o un cilindro), con tubos curvos por donde es expulsado el vapor dirigido a través de dos salidas, para conseguir que una esfera girase rápidamente sobre uno de sus ejes. (Figura 1)
Sin embargo, el aparato nunca fue utilizado para realizar trabajos mecánicos y las potenciales aplicaciones prácticas de la invención de Herón no fueron reconocidas, considerándose como una curiosidad, sin uso específico.
El uso de la “propulsión a chorro” propiamente dicha, comenzó con la invención por los chinos en el siglo XI de un sistema de propulsión usado inicialmente para fuegos artificiales, utilizándose gradualmente para crear algunos tipos de armas, aunque su tecnología no progresó durante siglos. Uno de los primeros intentos de fabricación de motores reactores, fué el denominado “termorreactor” desarrollado por Secondo Campini, que utilizaba el aire comprimido por una hélice movida por un motor de pistones convencional, para crear el empuje, en aplicación de la tercera ley de Newton. Las primeras patentes para la antes mencionada “propulsión a chorro” fueron otorgadas en 1917, aunque las limitaciones en el diseño impidieron que estos tipos de motores fuesen fabricados regularmente, debido a los problemas de seguridad, fiabilidad y peso. En 1935, en España, el ingeniero aeronáutico militar Virgilio Leret ya disponía de un proyecto de un motor a reacción denominado “Mototurbocompresor de Reacción Continua”, patentado en Madrid el 28 de marzo de 1935.
La optimización de un motor depende de muchos factores incluyendo el diseño de la toma de aire, el tamaño total, el número de etapas del compresor, el tipo de combustible, el número de etapas de salida, los materiales de los componentes, la cantidad de aire derivada en los casos donde se haga uso de derivación de aire, etc.
El funcionamiento básico del motor a reacción consiste en una compresión del flujo de aire, una combustión a presión constante y una expansión, lo que permite que el flujo de aire salga con una velocidad mayor respecto a la de entrada. Comenzando por el reactor propiamente dicho (Figura 3), todos tienen como objetivo conseguir un “chorro” de aire a alta velocidad que saliendo por la parte trasera del motor, y debido a la ya comentada tercera Ley de Newton, produzca una fuerza en sentido contrario, conocida como “empuje” que sea capaz de mover el avión.
Entre los diferentes tipos de motores a reacción, los más conocidos como ya expusimos anteriormente, son el “turboreactor”, el “turbofan” y el “turbohélice”.
Turboreactor (Figura 4)
Como base de los motores a reacción, el turboreactor se caracteriza por poseer un único flujo, es decir, que la masa completa de gases que entra al motor a través del compresor pasa a la cámara de combustión y luego a la turbina de salida, finalizando con la expansión de dicho flujo de salida.
Turbofan (Doble flujo) (Figura 5)
Conocido también como “turboventilador” o “de doble flujo” es una mejora del turborreactor básico en el que una parte del aire entrante comprimido se desvía para que fluya por una carcasa exterior hasta el final de la turbina, (“flujo secundario”) donde se mezcla con los gases calientes que salen de la misma, (“flujo primario”) antes de llegar a la tobera. Un reactor “turbofan”, tiene mayor empuje para el despegue y el ascenso, consiguiendo además ser más eficiente y que el aire que fluye por el exterior refrigere el motor y reduzca el nivel de ruido.
Turbohélice (Figura 6)
Un motor “turbohélice”, es una hélice montada delante del reactor propulsada por una segunda turbina (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. 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 a velocidades mayores.
Partes de un motor a reacción
Las principales partes de un motor a reacción son la entrada de aire, la división del flujo en dos en el caso de los “turbofan”, la compresión, la combustión y la salida de los gases por la tobera. En algunos casos, sobre todo en aviones militares, se añade una post-combustión.
Entrada de aire
Para ello, el aire entra por delante, se comprime en el compresor, se quema en la cámara de combustión pasa por la turbina y se expulsa a través de la tobera a muy alta velocidad.
En el caso de los ”turbofan”, el “chorro” a la entrada se divide en dos, el “flujo primario” o principal que recorre el motor por su interior a través de los compresores de baja y alta presión, cámara de combustión, turbina y tobera, y el “flujo secundario” que lo hace por el exterior directamente a la tobera.
La entrada de aire en un motor de reacción no presenta dificultades especiales, consistiendo de manera esencial en una apertura diseñada con el fin de reducir la resistencia al avance como cualquier otro elemento del avión.
Ventilador (En el caso de los “turbofan”)
Llamado así, (de “fan” en inglés = “ventilador”) está situado en la parte frontal del motor, y es un compresor de mayor tamaño que los demás, lo que permite dividir el aire entrante en dos flujos
Compresor
Con un diseño similar al ventilador pero más pequeño, está compuesto por los llamados “álabes” y los “estatores”, formando un conjunto conocido como “etapa” cuya función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de combustión, utilizando para ello compresores de baja y de alta presión que giran alrededor de ejes concéntricos, permitiendo así ajustar la velocidad de rotación en cada etapa para conseguir incrementar el rendimiento.
Está compuesto como mencionado antes por varias “etapas” consistentes cada una en conjuntos de “álabes”, que son como pequeñas aletas que se intercalan entre otras fijas similares llamadas “estatores” (figuras 7 y 8) consiguiendo así que el aire, al pasar a través del compresor incremente su presión y temperatura antes de dirigirlo a la cámara de combustión.
Cámara de combustión
Con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema dando como resultado de esta combustión los gases calientes que mueven las turbinas. Una vez el fluído ha pasado el compresor, su presión es elevada siendo el momento de inyectarle combustible y quemarlo en la cámara de combustión siendo bastante sencillo su funcionamiento: el aire llega comprimido, y se divide en dos flujos:
a) Flujo primario que se introduce en el «tubo de llama» donde con un vaporizador se inyecta combustible, y a través de una bujía, se inflama la mezcla. La temperatura alcanza de 1700 a 2000ºC.
b) Flujo secundario que va entre el “tubo de llama” y la carcasa del motor (cárter) refrigerando el material a base de crear una película de aire.
Al final de la cámara, el flujo secundario se mezcla con el primario para bajar la temperatura hasta 200 – 500ºC y conseguir así que la turbina (elemento que viene después de la cámara de combustión) no se funda a consecuencia de la temperatura.
Turbina
Erroneamente suele pensarse que “turbina” hace referencia al motor entero o que es la parte que se ve por delante girando incluso con el motor apagado.
Compuesta también por “álabes” y “estatores”, actúa como un molino de viento, pasando el aire caliente que sale de la cámara de combustión a través de los “álabes” de varias turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador.
En torno a 1/3 de la potencia de los gases se usa para mover la turbina y con ella el compresor. Los otros 2/3 son los que se encargan de obtener empuje a la salida.
Tobera
En un reactor, el aire que entra por delante, se comprime en el compresor, se quema en la cámara de combustión y se expulsa a través de la tobera, donde los gases del flujo primario se mezclan con los del secundario adquiriendo velocidad y proporcionando empuje como consecuencia de la diferencia de dichas velocidades entre la entrada y la salida de los gases en el motor.
Por tanto en una tobera, al revés que ocurre en el difusor, se transforma presión en velocidad. La presión (y la temperatura) de los gases disminuyen a lo largo de la tobera, mientras que su velocidad aumenta.
Como colofón, valgan algunas fotos de las turbinas Trent y Olympus de Rolls Royce y JT8D de Pratt & Whitney (figuras 10 y 11).
J. Yebenes
