Los motores
Excepto los planeadores, el resto de los aviones necesitan de uno o varios motores que lo impulsen para poder volar. De acuerdo con su tamaño, los aviones pueden tener la siguiente cantidad de motores:
-Uno (monomotor)
-Dos (bimotor)
-Tres (trimotor)
-Cuatro (cuatrimotor o tetramotor)
-Seis (hexamotor).
Los aviones monomotores son, generalmente, de pequeño tamaño y llevan el motor colocado en el morro o nariz, claro hay excepción, se puede encontrar algún modelo monomotor que lo lleve invertido y colocado detrás de la cabina del piloto con la hélice enfrentada al borde del estabilizador vertical de cola.
Los aviones que tienen más de un motor los llevan colgados en pilones debajo de las alas, o colocados en la parte trasera del fuselaje en la zona de la cola. Los dos tipos de motores que tienen los aviones son: de Embolo o Pistón o Alternativo de (explosión) y de Reacción (Turbina).
Los modelos de turbina a su vez se dividen en 4 modelos:
1-Turbohélice o Turbopropela
2-Turboreactor o Turbojet
3-Turbofan o Turboventilador
4-Ramjet
Los motores de pistón o (alternativos) pueden tener los cilindros colocados en forma radial, lineal, opuestos o también en "V" y utilizar hélices de dos, tres o cuatro aspas fijas o de paso variable. Los turborreactores y los turbofan no utilizan hélice, mientras los turbohélices, como su nombre lo indica, son motores de turbina con hélice acoplada a un reductor de velocidad.
Como funciona básicamente un motor de avión?
La propulsión requiere de una fuerza para mantener el actual estado de movimiento o, cuando sea necesario, proporcionar la aceleración de la aeronave. Según la tercera ley de Newton, a toda fuerza siempre le corresponde otra de igual magnitud y sentido contrario. Obviamente, para que se produzca movimiento, ambas fuerzas deben estar aplicadas en distintos cuerpos. El ejemplo más común de este fenómeno se produce cuando caminamos. Al andar empujamos el suelo hacia atrás y hacia abajo. Esta es la fuerza que “observa” el suelo. La reacción contraria se produce en nuestro pie mediante una fuerza hacia adelante y arriba que nos hace desplazarnos. En cualquier sistema propulsivo, el resultado es el mismo. El motor (que hace las veces de pie) debe proporcionar una fuerza al aire (que hace las veces de tierra), empujándolo hacia atrás. Como consecuencia de ello, se genera una fuerza sobre el motor en la dirección de avance de la aeronave.Todos los sistemas propulsivos se basan en la variación de la cantidad de movimiento (P=MV) para generar la fuerza necesaria para impulsar la aeronave. La variación de la cantidad de movimiento (P) se obtiene mediante un cambio de la velocidad (V) del aire a una cierta cantidad de masa de aire (M), dependiendo de cómo se produzca esta variación de la cantidad de movimiento así como de la arquitectura o diseño de la aeronave.
Vamos hablar de ellos de la manera más sencilla o fácil de explicar (a mi modo ) pero a la vez con bastante detalle:
Motor a Pistón o Alternativo
Como todos sabemos la aviación comenzó volando con motores a pistón, estos motores demostraron ser la opción más efectiva de propulsión operados principalmente por gasolina, El motor alternativo, similar al empleado en los automóviles, lleva una hélice acoplada en el extremo del cigüeñal. Esta hélice se encarga de variar la cantidad de movimiento dando un pequeño incremento de velocidad a grandes masas de aire, los Hermanos Wright volaron por primera vez con un motor de este tipo y pesaba 170 libras con una fuerza de 12 HP a 1025 RPM, claro con el pasar del tiempo y el avance de la aviación los motores de pistón evolucionaron logrando alcanzar grandes velocidades, con muchos Caballos de fuerza y miles de libras de empuje.
La mayoría de los motores a pistón basan su funcionamiento en el ciclo Otto de cuatro tiempos, claro no podemos hablar de un mismo funcionamiento para todos los modelos de pistón pues suelen configurarse de muchos modos, Las primeras distribuciones fueron los motores en línea y en V, las cuales ubican uno o dos bancos de cilindros en paralelo a un cigüeñal, y era más común el uso de plantas motrices con ciclos de dos tiempos, el cual difiere del ciclo Otto de cuatro tiempos en que estos cuatro se encuentran distribuidos en dos tiempos y además, requiere de una mezcla de combustible y lubricante ya que la cámara de combustión no está separada del cárter.
Definición del ciclo Otto o 4 tiempos: El ciclo de un motor de combustión interno puede definirse como la serie completa de acontecimientos que ocurren antes de que vuelvan a repetirse.
El motor con ciclo de 4 tiempos necesita 4 movimientos de cada pistón, dos hacia arriba y dos hacia abajo ( dos revoluciones completas del cigüeñal), para completar dicho siglo los tiempos, en el orden en que se reproducen se llaman :
- Admisión
-Compresión
-Explosión o carrera de fuerza
-Escape o descarga
ADMISION: La primera etapa del ciclo Otto, la de admisión, queda representada. Empieza cuando el pistón está colocado en la parte superior del cilindro. Con la válvula de escape cerrada y la admisión abierta, el pistón se mueve hacia abajo provocando la admisión al producirse un vació parcial en el interior del cilindro. La presión atmosférica, por ser mayor que la que existe en el interior del cilindro, hace que entre aire por el carburador, donde se mezcla en proporciones adecuadas con el combustible.
COMPRESIÓN: La compresión en un motor de 4 tiempos, sigue inmediatamente la admisión.
Ambas válvulas están cerradas y la mezcla de combustible queda en el cilindro que ahora esta cerrada. El pistón al moverse hacia arriba dentro del cilindro comprime la mezcla combustible al terminar esta etapa el pistón ha completado dos movimientos, uno hacia abajo y el otro hacia arriba y el cigüeñal un circulo completo o sea 360º.
XPLOSION O CARRERA DE FUERZA: Cuando el pistón ha llegado al punto muerto superior (PMS) la mezcla combustible que entró al cilindro durante la admisión ha quedado comprimida. En este momento del ciclo dicha carga combustible se inflama por medio de una chispa producida por la bujía y se verifica la combustión. Debido al calor generado por la combustión, (aproximadamente de 4000 a 4500 ºC ). Se expanden los gases y se produce una alta presión en el interior del cilindro. Esta presión actúa en forma de “de empuje” contra la cabeza del pistón, obligando a bajar, como se ve, lo que constituye la trasmisión de la energía al cigüeñal en forma de fuerza de torsión o rotatoria.
ESCAPE O DESCARGA: Cuando el pistón se acerca al punto muerto inferior (PMI) la posición que corresponde al fin de la energía, la válvula de escape, se abre disminuyendo la presión en el interior del cilindro. Esta válvula permanece abierta mientras el pistón se mueve hacia arriba, hasta que llega al punto muerto superior (PMS). Cuando el pistón alcanza la posición más alta se cierra la válvula de escape. En la mayoría de los motores la válvula de escape se cierra poco después de alcanzado el punto muerto superior (PMS), antes de que el pistón llegue a la parte superior en la admisión empieza a abrirse la válvula de admisión, esta permite que esté abierta totalmente cuando el pistón baja de nuevo para iniciar la admisión siguiente.
Motor Turbohélice o Turbopropela
El turborreactor puro, el turbofan y el turbohélices representan un cambio conceptual en el diseño del motor. Se eliminan los componentes alternativos de los motores anteriores y se sustituyen por turbinas de gas compuestas únicamente por elementos rotatorios. El turborreactor puro emplea la llamada propulsión a chorro mediante una turbomaquinaria encargada de aumentar la presión del aire que es inyectado a alta velocidad a través de una tobera. La variación de la cantidad de movimiento, y por tanto la fuerza propulsiva, se consigue dando un gran salto de velocidades a una cantidad relativamente pequeña de aire. El turbohélice es una turbina de gas a la que se ha acoplado una hélice. Por tanto, consigue la variación de la cantidad de movimiento mediante una combinación de propulsión a hélice y propulsión a chorro. Aunque la mayor parte se consigue a través de la hélice.
El turbohélice tiene los mismos componentes que el turborreactor. Este motor produce dos tipos de empuje usando el principio de la propulsión a chorro. El primer empuje proviene de un gran propulsor accionado por la turbina. Hay también un chorro de gases que al ser despedido empuja al avión hacia adelante.
Los aviones con turbopropulsores son más rápidos que los aviones accionados por propulsor normales, pero más lento que los turborreactores. Un turbopropulsor debe volar con una velocidad menor a la del sonido. El empuje generado por el propulsor y una gran caja de velocidades (que hace que el propulsor funcione a gran velocidad) ayudan a que el consumo de combustible se mantenga a un nivel bajo. Los aviones más lentos utilizan este tipo de motor.
Motor Turborreactor o Turbojet
El turborreactor o turbojet, es un tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de pistón o alternativo que tienen un funcionamiento discontinuo (explosiones), este tiene un funciona de manera continua. Consta de las mismas fases que un motor alternativo: admisión, compresión, expansión y escape, (ya explicado anteriormente) Para la compresión, usan compresores axiales o centrífugos que comprimen grandes volúmenes de aire a una presión de entre 4 y 32 atmosferas. Una vez comprimido el aire, es introducida en las cámaras de combustión donde el combustible es quemado en forma continua. El aire a alta presión y alta temperatura (es decir con más energía de la que entra) es llevado a la turbina, donde se expande parcialmente para obtener la energía que permite mover el compresor (similar al funcionamiento del turbocompresor que se encuentra en los automóviles). Después el aire pasa por una tobera, en la que es acelerado hasta la presión de salida, proceso que transforma la presión en velocidad. En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por una parte por la cantidad de movimiento. Al lanzar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. En el caso de los aviones militares, el empuje proviene prácticamente en su totalidad de los gases de escape. En el caso de aviones comerciales (como los Boeing y Airbus), una parte del aire que absorben los Alabes es desviado por los costados de la turbina, generando parte del empuje de manera similar a un avión con turbohélice.
¿Que son los alabes?
Son pequeñas alas ubicadas dentro de la turbina, que cambian de orientación conforme a las condiciones de funcionamiento, es decir las aletas que conforman el ventilador principal de la turbina.
Los Turborreactores están compuestos de la siguiente manera:
1- compresor: este es la primera parte del reactor, comprime las moléculas de aire para volverlas compactas y volátiles.
2- Cámara de combustión: es en donde se quema el aire comprimido con la ayuda del combustible por lo general Kerosén para este tipo de motor, en casos también Gasolina.
3- Turbina: es por así decirlo el corazón del motor, este el el que mueve todo el eje del motor, es decir lo que hace girar el compresor y demás mecanismos del motor, ya que los gases que salen de la cámara de combustión mueven la turbina.
4- tobera de escape: es por donde salen los gases del motor, lo que da el empuje necesario para desplazarse.
Algunos aviones principalmente los militares y algunos como el Concorde, usan un sistema llamado post-combustión (llama que se ve que sale de la tobera de escape), esta consiste en una admisión de combustible, inyectada en la tobera lo cual quema las moléculas que no han sido plenamente quemadas en la cámara de combustión lo cual aumenta la potencia considerablemente.
Algunas características ventajas y desventajas
Respecto a las ventajas de estos motores en comparación con los de combustión interna en motores alternativos, hay que considerar el uso de cada avión. La turbina, si bien es mucho más sencilla de operar, es mas costosa en su adquisición, y no es rentable montar turbinas en aviones de bajo porte que no necesitan volar grandes distancias a gran altitud (como los aviones pequeños de turismo).
Una aclaración mas: Puedes encontrar aviones de hélice, que sin embargo tienen como planta motriz una turbina, que son los "turbohélices" ya mencionados, y utilizan la potencia generada en su eje para, mediante un tren reductor de engranajes, lograr el giro de la/las hélices. El turborreactor Es más eficiente en términos de consumo de combustible, tiene una mejor relación peso/potencia, necesita poco mantenimiento y La vida útil es más larga. Este tipo de motor ya no se usa frecuentemente en la aviación civil desde hace ya casi 50 dedicando su uso únicamente en gran parte a los aviones militares el motor turborreactor más potente del mundo es el Pratt & Whitney J-58 y fue usado en el tan Famoso Avion Lockheed SR-71 Blackbird asi como también en sus variantes Lockheed YF-12, Lockheed D-21/M-21 y lockheed A-12, este motor produce 32,000 lbf (142 kN).
¿KN significa Kilonewton, y sabes que es un KN? Veamos:
El newton es una medida de fuerza del sistema internacional (SI) y el kilo de masa. Un Newton (N) indica la fuerza que hay que aplicar a una masa de un kilogramo para producirle una aceleración de 1 m/seg2 (SI), Popularmente Cuando se habla de fuerza o esfuerzos, nos referimos a kilogramos, cuando lo correcto debería ser hablar de newtons o kilogramos-fuerza (KGF) que es otra unidad de fuerza pero del sistema técnico terrestre (ST). Un kilogramo-fuerza (KGF) o kilopondio es la fuerza con la cual la tierra atrae a un kilogramo en un lugar donde la aceleración de gravedad es de 9,81 m/seg2.
1 kgf= 1 kg x 9,8 m/seg2 (ST) si buscamos equivalencia entre Newtons y kilogramos-fuerza tenemos que: 1 kgf= 9,8 (N) y que si redondeamos podemos decir que 1 kgf = 10 (N) por lo tanto 1 (NK) = 1000 (N) = 100 (kgf).
Turbofan o turboventilador
Los motores Turbofan representan la ultima generación de motores a reacción mas utilizado en la actualidad, tanto en aviones comerciales como en aviones militares, El turbofan tiene un propulsor o ventilador interno. Este se encuentra dentro de un conducto o tubo. Esto produce mucho más empuje que el turbopropulsor cuyos propulsores se encuentran en la parte exterior. Esto permite que un avión turboventilador viaje a casi la velocidad del sonido, cerca de Mach 0.90, Esto lo hace más rápido que el turbopropulsor, pero más lento que el turborreactor (en algunos casos). Este motor también produce dos empujes diferentes, uno proviene del ventilador y el otro del chorro de eyección.
El turbofan, por su parte, es un sistema conceptualmente parecido al turborreactor puro, sólo que en este caso, no todo el aire que entra al motor pasa por la cámara de combustión, sino que una parte se comprime inicialmente en un fan (o compresor de baja relación de compresión) y se emplea para generar empuje directamente. La otra parte del aire capturado es comprimido a altas presiones (como sucede con el turborreactor puro), pasa a través de la cámara de combustión, mueve las turbinas encargadas de mover los compresores y, con la energía remanente se genera empuje. Estos dos caminos por donde circula el aire tienen su nombre y son, flujo de aire primario y flujo secundario o flujo derivado (bypass).
Existen motores de altos y bajos flujos derivados (Bypass) y eso marca diferencia entre en desempeño de los motores, por ejemplo, los de baja derivación Posee entre uno y tres ventiladores en la parte frontal que producen parte del empuje de la aeronave, y su (bypass) representa ) tiene un valor entre el diez y sesenta y cinco por ciento del flujo primario, normalmente este tipo de motores se usa con mas frecuencia en aviones militares y hay muy pocos en la aviación comercial como por ejemplo tenemos los aviones de Mcdonnell Douglas serie 80 (fuera de producción). Los motores de Alta derivación, son los mas modernos y mas usados en la actualidad, a diferencia de los de baja derivación en este modelo la mayor parte del empuje proviene de un único ventilador situado en la parte delantera del motor y movido por un eje conectado a la última etapa de la turbina . Al tener sólo un gran ventilador para producir empuje se origina un menor consumo de combustible y menor ruido, este motor es utilizado en aviones como el Boeing 737, 757, 777 o Airbus 320, 330 o 380 entre otros.
Actualmente existe un modelo de motor turbofan de ultra derivación (ultra high bypass) pero aun están en pruebas y no ha sido utilizado en ningún avión hasta el momento.
Vamos a conocer de la manera sencilla algunas partes del motor:
-Fan o ventilador: Es dónde se inicia la propulsión. Le atraviesa un flujo de aire que se divide en dos corrientes ya antes mencionadas.
-Compresor: La función de estos compresores es aumentar de modo significativo la presión y la temperatura del aire, se utilizan compresores de alta y de baja presión en distintos ejes.
- Cámara de combustión: una vez realizada la etapa de compresión, el aire sale con una presión treinta veces superior de la que tenía en la entrada y a una temperatura muy alta, el aire entra a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se quema la mezcla, alcanzándose una temperatura casi el doble de con la que sale del proceso de compresión.
-Turbina: en esta entra el aire caliente que sale de la cámara de combustión, y que pasa a través de los alabes del motor.
-Escape: una vez que el aire caliente ha pasado a través de las turbinas, sale por una Tobera que se encuentra en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse. El peso del aire, combinado con esta aceleración produce parte del empuje del avión, un alto índice de derivación ( bypass) trae como consecuencia una menor participación de la tobera de escape en el empuje total del motor.
Como es de notar es casi el mismo proceso que el motor turboreactor
Algunas características ventajas y desventajas
La caja de velocidades del turboventilador es mucho más pequeña que la del turbopropulsor. Esto significa que hay menos probabilidades de que algo se rompa, con respecto a los turborreactores, consumen menos combustible, lo que los hace más económicos, también producen menor contaminación y el ruido es menor esto viene dado por tener índices de derivación altos, aunque tener un (Bypass) alto, reduce el empuje especifico a velocidades cercanas o superiores a las del sonido, por esa razón en aviones militares supersónicos se utilizan motores turbofan de bajo índice de derivación.
Funcionamiento del sistema de reversa
En un turbohélice la reversa se logra variando el ángulo de las palas. Estas se colocan en posición perpendicular a la posición normal de vuelo, invirtiendo el sentido del empuje. En un turbofan, a través de mecanismos nada simples, se bloquea la salida del ducto del fan y se abre en el lateral una derivación que impulsa el aire hacia adelante. Estos mecanismos no solo son bastante complejos sino que difieren bastante entre marcas y modelos. Nada que ver el inversos de un motor Rolls Royce con el de un General Electric.
Motor Ramjet
Es un sistema también de propulsión a chorro solo que se obvia el uso de la turbomaquinaria necesaria para comprimir el aire, y el chorro es inyectado directamente (tras pasar por la cámara de combustión) para generar empuje.
Este motor funciona SOLAMENTE a velocidades superiores a Mach 1.0. Un avión con este tipo de motor primero debe utilizar un turborreactor para alcanzar velocidades arriba de Mach 1.0, y es entonces cuando el ramjet asume el control de la propulsión. El ramjet puede utilizarse para volar con velocidades de hasta Mach 6.0.
Este motor utiliza mucho combustible y se usa generalmente en aviones de caza (militares).
Para concluir veamos cuales son los motores mas potentes de su clase
-El reactor mas potente del mundo es el Pratt & whitney j58 utilizado en el Lockheed A12 y Lockheed SR-71 Blackbird que entrega 142 KN y 32.000 lbf, aunq existe un motor mas potente que este y es el General Electric GE4 pero nunca ha sido utilizado en ningún avión, solo se le pretendía colocar en el prototipo del Boeing 2707 desarrollado como el primer avión supersónico de pasajeros estadounidense pero nunca construido este motor entrega 50,000 lb - 63,200 lb with afterburning ( post Combustión)
-El turbohélice mas potente del mundo es el Kuznetsov NK-12 motor utilizado en el Antonov AN-22 con un aproximado de entrega de 11000 y 12000 lbf.
-El turbofan mas potente del mundo es el GE90-115B utilizado en los Boeing 777-300 y con una entrega de 512KN y 115.300 lbf.
