¿Cómo funcionan los motores a reacción?

Los motores a reacción han transformado los viajes aéreos desde su adopción generalizada hace más de medio siglo. La potencia entregada por estos revolucionarios motores ha permitido a los humanos volar más lejos, más rápido y más barato que nunca. Pero, ¿cómo funcionan estos motores?

La turbina de gas

Los motores turbofan, o jet, impulsan muchos aviones comerciales modernos. Estos son parte de una familia de motores llamados turbinas de gas, que incluye motores para algunos helicópteros, centrales eléctricas más pequeñas e incluso para algunos tipos de tanques.

El nombre de turbina da alguna pista sobre la forma en que funciona este tipo de motor. Otras turbinas, como las turbinas eólicas o las turbinas de vapor, dependen de algo que gira para generar energía. Las turbinas de gas no son diferentes. Mientras que el viento gira y la turbina de viento y el vapor accionan una turbina de vapor, otro tipo de gas presurizado hace girar una turbina de gas: el aire.

Las turbinas de gas necesitan producir este aire altamente presurizado por sí mismas para asegurar un flujo de energía al motor. Lo hacen quemando algo que es muy denso en energía, como combustible para aviones, queroseno o gas natural. Quemar el combustible expande el aire, y es esta ráfaga de aire caliente lo que hace que la turbina gire.

Chupar, apretar, golpear, soplar

El proceso por el cual esto sucede a veces se explica sin rodeos por el concepto de "chupar, apretar, golpear, soplar". El aire se aspira al motor desde la parte delantera mediante el gran ventilador visible cuando se mira un avión de frente.

Luego, ese aire se comprime en la siguiente etapa del motor: esta es la parte de "compresión". Un segundo ventilador aumenta la presión en el aire alrededor de ocho veces, lo que también aumenta significativamente su temperatura.

El combustible se mezcla con el aire y se enciende, bang, produciendo energía. Este aire caliente a alta presión pasa por un conjunto de álabes de la turbina, lo que hace que giren. Esta turbina está conectada por un eje al compresor y al ventilador, por lo que a medida que los gases hacen girar la turbina, esto hace que tanto el ventilador de entrada como el ventilador del compresor también giren.

Finalmente, los gases de escape calientes salen del motor a través de una boquilla de escape que se estrecha. Así como poner el pulgar sobre el extremo de una manguera (reduciendo la abertura de salida del agua) hace que el agua salga a chorros a alta velocidad, este escape cónico tiene el efecto de acelerar la salida de gases. El aire caliente que sale del motor se mueve a más de 2100 km / h (1300 mph), aproximadamente el doble de la velocidad del aire frío que entra por la parte delantera.

Es este aire que se mueve rápidamente lo que empuja el chorro hacia adelante. Los jets militares (y un avión de pasajeros muy especial) a veces usan postcombustión. Esto es simplemente combustible rociado directamente en el chorro de escape para crear un empuje adicional. Pero para la mayoría de los aviones de pasajeros, el empuje del aire en movimiento es más que suficiente para proporcionar suficiente movimiento hacia adelante para que sus alas generen sustentación.

¿Perfectamente simple?

¿Suena bastante simple? Esencialmente, lo es, pero las presiones y las altas temperaturas involucradas hacen que el diseño de motores a reacción sea una tarea bastante especializada. En la cámara de combustión, donde el aire comprimido se mezcla con el combustible, las temperaturas de combustión superan los 900 ° C (1650 ° F).

Esto significa que los motores deben fabricarse con componentes fuertes pero livianos, térmicamente estables y resistentes a la corrosión que no se doblen, rompan o debiliten bajo el calor y la presión extremos. En los primeros días del motor a reacción, cuando los prototipos de Sir Frank Whittle se basaban en el acero. Este era un material fuerte y duro, pero no resistiría las tensiones de la turbina de gas moderna. El acero comienza a degradarse alrededor de los 500 ° C (932 ° F).

La inadecuación del acero hizo que los fabricantes de motores tuvieran que buscar otro tipo de material. El metal Ricitos de Oro que eligieron los fabricantes fue níquel con un poco de cromo mezclado. Era ligero, barato y fuerte. Resistió la corrosión y conservaría su integridad hasta el 85% de su punto de fusión, que es un asombroso 1,455 ° C (2,651 ° F).

Estas primeras superaleaciones permitieron que los motores a reacción fueran más baratos, más eficientes y mucho más fáciles de producir en masa. Los descendientes de esta mezcla aún proporcionan la estructura en la parte más caliente del motor de turbina de gas, operando a temperaturas de hasta 1,700 ° C (3,000 ° F), algo más alto que el punto de fusión del metal. Entonces, ¿cómo garantizan los fabricantes de motores la integridad de estas piezas?

Enfriar sus chorros

La primera estrategia es aplicar un revestimiento cerámico, que reduce la penetración del calor. En segundo lugar, se alimenta aire frío a la superficie de las palas, que se extrae desde más arriba del motor y se distribuye mediante pequeños orificios en la superficie de las palas. En una entrevista con The Engineer, el jefe de materiales de Rolls-Royce, Neil Glover, explicó:

“Las palas operan en un ambiente varios cientos de grados más caliente que el punto de fusión de la aleación de níquel, pero debido a los mecanismos de enfriamiento, el metal nunca está por encima de su punto de fusión, aunque el ambiente sí lo esté”.

La tecnología de materiales ha ido incluso más lejos que esto, reorganizando la estructura atómica del metal para evitar la pérdida de integridad. Los diminutos cristales que componen los metales están diseñados para crecer todos en la misma dirección, para eliminar las debilidades que generalmente se encuentran en los límites de los cristales. Esto significa que las hojas son efectivamente como una piedra preciosa, con una única red atómica a través de su estructura.

Las aleaciones de níquel se han ido perfeccionando a lo largo de los años mediante la creación de nuevas mezclas y la adición de nuevos elementos. Esto le da al diseñador de la turbina la libertad de crear la mezcla perfecta para cada componente del motor.

Un acto de equilibrio

A medida que los diseños de motores han evolucionado y mejorado, los motores turbofan han normalmente se hizo más grande. Esto se debe a que una gran proporción del empuje generado es el resultado del aire entrante desviado alrededor del compresor y la turbina. La diferencia en el volumen de aire entregado a la turbina frente al que se desvía a su alrededor se conoce como "relación de derivación".

Este "empuje de derivación" no requiere que el combustible se queme directamente. Como tal, la eficiencia del motor se ha mejorado al aumentar la relación de derivación, lo que significa crear un motor de mayor diámetro. Pero esto también tiene una desventaja. Hacer el motor más grande significa hacer que las secciones del ventilador también sean más grandes, lo que lo convierte en un motor más pesado. Cada kilo de peso adicional en la sección del ventilador requiere 2.25 kg de peso adicional. estructura de soporte en el motor y el ala.

Para mitigar parte del aumento de peso de los motores más eficientes en combustible, los fabricantes han comenzado a recurrir a los materiales compuestos como reemplazo de los metales. Los compuestos de matriz cerámica son tan resistentes como los metales, pero solo representan un tercio del peso de las aleaciones de níquel.

El motor más grande del mundo actual, el GE9X para el 777X, utiliza materiales compuestos en las aspas del ventilador y la carcasa. También utiliza compuestos de matriz cerámica en la turbina y la cámara de combustión. Este motor grande, liviano y fuerte promete ser un 10% más eficiente en combustible que su predecesor, el GE90, y también es el motor más silencioso jamás producido por GE.

Fuente: https://simpleflying.com/how-do-jet-engines-work/