Estos chalados en sus locos cacharros

Laertes · 24 Octubre, 2020 16:27

Una vez que ya hemos visto cómo son los dos tipos de compresor que nos podemos encontrar en un turborreactor es hora de hablar de la turbina. Pueden ser axiales, centrípetas o centrífugas pero solo hablaremos de las axiales ya que son las únicas usadas en turborreactores para mover el compresor. Al igual que en el compresor están formadas por varias etapas y cada etapa consta de una parte estática y una rotativa. Pero a diferencia del compresor el número de etapas es mucho más reducido, incluso las hay de una sola etapa. En cada etapa primero se sitúa la parte estática (vanos) y luego la rotativa (álabes), es decir, lo contrario del compresor.

Además, claro, su función es diferente. Cada espacio entre dos vanos es una tobera, recuerden que en el compresor era un difusor, y su función es redirigir y acelerar el aire para que ataque a los álabes de manera óptima para hacerlos girar. Se pueden hacer a la idea que cada espacio entre dos vanos es como la boquilla de una manguera que dirige el chorro de aire con la velocidad y dirección deseada.

En la foto anterior pueden ver los vanos en color plateado y detrás de ellos los álabes dorados de un turborreactor Snecma Atar. Estos vanos tienen muchos nombres pero uno muy común es NGV, que viene de Nozzle Guide Vanes, algo así como tobera de vanos guía. Normalmente una etapa de NGVs está compuesta por varios segmentos que se montan en unas ranuras en la carcasa y se bloquean para que no giren.

Los NGVs, además de la función aerodinámica, pueden ser uno de los frames estructurales que ya describimos en una entrada anterior. De hecho en nuestro querido J85 el NGV de la
primera etapa es precisamente el tercer frame del motor. ¿Recuerdan ustedes esta foto?¿Sabrían ahora identificar el frame 3 y por lo tanto el NGV1?

Los álabes, a su vez, son el equivalente a las aspas de un molino y van montados en unos discos mediante unas ranuras en forma de abeto, llamadas firtree en inglés. Los discos a su vez se unen al eje que conecta la turbina al compresor.

Ahora ya pueden identificar ustedes todos los componentes principales de un turborreactor. Y visto un turborreactor vistos todos… salvo por un par de “cositas” que veremos en próximas entradas.

Les dejo con un video que enseña con un motor real lo que hemos visto sobre las turbinas y mucho más, como por ejemplo un motor de arranque neumático, algo que no hemos visto todavía pero llegará también, y que a su vez es una turbina centrípeta.

Terminamos aquí esta entrada pero les dejo un par de preguntas:

¿Por qué una turbina tiene menos etapas que el compresor?
¿Cuál es la pieza que trabaja en las condiciones más altas de temperatura y por lo tanto es la que limita las prestaciones del turborreactor?

En la próxima entrada hablaremos de estas cuestiones pero les animo a dejar sus respuestas. No se preocupen si son incorrectas, aquí estamos todos para aprender y sus respuestas me pueden servir para mejorar el enfoque de las entradas.

Laertes · 31 Octubre, 2020 18:06

Ya hemos visto que tanto el compresor como la turbina están formadas por varias etapas pero el número de ellas es mucho mayor en el compresor. ¿Por qué? Para entenderlo nos tenemos que fijar en la distribución de presiones a lo largo del motor. A la entrada del motor el aire está a presión atmosférica, la presión va aumentando en las etapas del compresor y es máxima a la salida del compresor y en la cámara de combustión, donde se mantiene prácticamente constante. En la turbina va reduciéndose en cada etapa y se reduce más aún en la tobera de salida hasta alcanzar de nuevo la presión atmosférica (idealmente, en la realidad no es exactamente la atmosférica).
Sabemos que un gas siempre se mueve de una zona de alta presión a una de baja, por lo tanto el compresor tiene que trabajar en contra de esto, mientras que en la turbina el aire circula por sí mismo a través de ella. Esto hace que el salto de presión en el compresor tenga que ser menor para cada etapa y por lo tanto necesitemos muchas más etapas. En la siguiente imagen vemos como la caída de presión es mucho más pronunciada en la turbina que en el compresor.

Por otro lado la turbina, o mejor dicho la primera etapa de la turbina y más concretamente los NGVs son las piezas que limitan el motor. Estos NGVs están situados justo a la salida de la cámara de combustión y por lo tanto en la zona en la que la corriente de aire está a más temperatura. Recuerden que comentábamos que la llama está a temperaturas mayores de las que puede aguantar los materiales conocidos y usados en estas zonas. En teoría con añadir más combustible en la cámara de combustión aumentamos el empuje, pero no se puede aumentar indefinidamente ya que esto aumenta la temperatura de los gases (aparte de otras limitaciones, como las RPM, que tampoco pueden aumentar indefinidamente o las piezas se romperían por la fuerza centrífuga) y llegaría a fundir los NGVs de la etapa 1 primero e incluso los álabes situados detrás.
Para conseguir que estos NGVs aguanten más temperatura, además de utilizarse aleaciones con cada vez más resistencia al calor, se usan varias técnicas que se han ido desarrollando durante los pasados 70 años y siguen en desarrollo. Una de ellas es aplicar un recubrimiento cerámico a la superficie de los NGVs ya que las cerámicas tienen puntos de fusión más altos que las aleaciones metálicas. Desgraciadamente sus propiedades mecánicas son mucho peores, sobre todo por su fragilidad. Es posible que en el futuro haya piezas hechas de cerámica completamente en lugar de sólo recubiertas.
Combinado con lo anterior, se usa también refrigeración por aire. Se extrae aire de alguna de las etapas del compresor y se introduce dentro de los NGVs (y álabes) que son huecos y tienen varios conductos interiores y decenas de agujeros por los que este aire de refrigeración sale del interior y forma una capa de aire a menor temperatura en la superficie que lo protege del aire caliente procedente de la cámara de combustión.

Álabe con recubrimiento cerámico y agujeros de refrigeración:

NGV con recubrimiento cerámico y agujeros de refrigeración:

No piensen que el aire que se extrae del compresor y se usa para refrigerar esta “frío”, de hecho está muy caliente, alrededor de 200-300C dependiendo del motor, ya que el aire al comprimirse se calienta, pero sí está mucho más frío que el aire que sale de la cámara de combustión y puede así servir para refrigerar los NGVs.
Esto es todo por hoy. Con esto hemos terminado con los turborreactores más sencillos como el J85. Pero los hay algo más complejos tal como veremos en la siguiente entrada.

Nota curiosa y que no viene a cuento: buscando fotos de NGVs, en lugar de encontrar las fotos esperadas el buscador me mostraba fotos de una tal Vanessa Hudgens. ¿Será que el buscador sabe mejor que yo lo que quiero buscar en realidad?

Laertes · 21 Noviembre, 2020 19:13

Tenía un poco dejada de lado la serie, así que es hora de continuarla. Ya hemos visto la estructura de un turborreactor pero a ese diseño, llamémosle básico, se le pueden añadir varias cosas más. Para hablar de una de ellas quiero que se fijen en esta foto:

Lo que más llama la atención es precisamente la lengua de fuego de varios metros que sale por la tobera. Por lo que hemos visto hasta ahora, el único lugar donde se quema combustible es en la cámara de combustión en medio del motor. Aparentemente esa llama que vemos en la foto ha atravesado toda la turbina, lo cual no tiene mucho sentido si recordamos que esa llama está a mayor temperatura de la que aguantan los materiales de los que está hecha la turbina.

En realidad la llama de la cámara de combustión no llega hasta la tobera, ni siquiera hasta la turbina, se queda en la cámara de combustión y no se ve desde fuera del motor. ¿Entonces dónde se produce la llama que vemos en la foto? Es lo que se llama postcombustión, en inglés reheat o afterburner. Consiste en poner después de la turbina y antes de la tobera una nueva remesa de inyectores de combustible con el propósito de aumentar el empuje del motor, ya que detrás de la postcombustión no hay una trubina que se pueda fundir y por lo tanto se puede quemar combustible casi de manera ilimitada. Digo casi porque por supuesto tenemos la limitación del depósito de combustible y de las bombas y tubos que lo distribuyen. Con ello se logra casi el doble de empuje que sin postcombustión, pero el precio a pagar es alto. Para empezar el consumo de combustible crece mucho más que el incremento de empuje que se logra y por lo tanto su uso está limitado a emergencias y por poco tiempo. También por supuesto hacemos el motor más largo, pesado, complejo y caro.

Nuestro ya conocido J85 en una versión con postcombustión

Además obliga a hacer la tobera de área variable, es decir que pueda aumentar o reducir su área de salida, lo que implica de nuevo más complejidad y peso al hacerse necesario un sistema de actuadores para poder controlar este área.

Toberas de un F-15, una en su posición de apertura máxima y la otra en mínima (Estos motores no son este tipo de turborreactor pero para ilustrar las toberas de área variable nos vale)

Además genera un estruendo tremendo que de estar cerca puede dañar permanentemente el oído. Por todo ello solo los aviones militares, principalmente cazas y algún bombardero, tienen postcosmbustión. No esperen montar en un avión de pasajeros y ver salir estas llamaradas del motor. De hecho si ven llamas salir por la tobera en alguno de sus viajes empiecen a preocuparse.

Bombardero B-1 Lancer despegando con postcombustión

El único avión civil con postcombustión fue el Concorde que usaba la postcombustión durante el despegue y durante el paso de Mach 1, que como veremos en algún momento es un régimen en que la resistencia crece mucho.

Si lo miran de otro modo, y recuerdan el primer tipo de motor que vimos, el estatorreactor, se puede considerar que la postcombustión es como añadir un estatorreactor a un turborreactor, el cual funciona como un generador de corriente de aire para alimentar al estatorreactor. De hecho, al conjunto compresor + cámara de combustión + turbina se le conoce como generador de gas, gas que después alimenta la tobera o la postcombustión + la tobera o incluso otras cosas que veremos más adelante en otros tipos de motores.

Les dejo con un vídeo muy interesante en el que pueden ver la tobera de área variable y la postcombustión de un turborreactor General Electric J79 (les recuerdo que es el motor del famoso Phantom o del F-104 entre otros) en funcionamiento.

Y si quiren ver más en detalle todos los componentes pueden ver este otro.

Nada más de momento. En la siguiente entrada seguiremos añadiendo componentes al turborreactor, no uno nuevo como es la postcombustión, sino que, en cierto modo, duplicaremos unos ya existentes.

Cotarro · 27 Noviembre, 2020 19:20

Buenas tardes.

Una entrada interesante como es habitual, sólo echo en falta una cosa…, la encuesta!!

Me voy a tomar la libertad de hacer una pregunta que da que pensar al hilo de lo que nos ha enseñado @Laertes sobre la postcombustión y la tobera. No sé si os habéis fijado que la tobera se cierra con el aumento de la potencia del motor, sin embargo, se abre cuando se enciende la postcombustión de la misma manera que cuando se corta vuelve a menguar cuando se apaga se vuelve abrir.

En este video se ve bien “el juego de la tobera”, si alguno quiere ahorrar tiempo a partir del 1:35 se ve el movimiento completo.

Un saludo a todos

Laertes · 28 Noviembre, 2020 17:52

Muy interesante su comentario y el vídeo. Efectivamente es tal como describe. El funcionamiento de una tobera a pesar de ser “solo un tubo” es muy complejo y más en el caso de un motor con postcombustión y de un avión supersónico además. Cuando hablemos del vuelo supersónico tendremos que volver de nuevo sobre las toberas. De momento les dejo las principales posiciones:

Totalmente abierta durante el arranque del motor, para facilitar el paso del aire cuando el compresor todavía no es capaz de empujar mucho aire
Totalmente cerrada con el motor al 100% pero sin postcombustión
Totalmente abierta con el motor al 100% y con postcombustión. La razón, muy simplificada, es que la postcombustión aumenta mucho la temperatura y por lo tanto aumenta el volumen del gas y de ahí que se necesite aumentar el área de la tobera

Laertes · 7 Diciembre, 2020 11:15

Como ya adelantábamos todavía no hemos terminado con el turborreactor y en esta entrada vamos a ver otra modificación al diseño básico. Recordarán que el compresor consta de multitud de etapas, todas ellas unidas al mismo eje y por lo tanto girando a las mismas RPMs. Se habrán dado cuenta además que cada etapa es más pequeña que la anterior debido a que el aire al estar más comprimido ocupa menos volumen y si se mantuviera el mismo área el aire aceleraría a velocidades demasiado altas antes de llegar a la cámara de combustión.

Fíjense ahora en el tamaño de los álabes de la primera etapa y los de la última. Hay una diferencia apreciable ¿verdad? Cualquier máquina cuanto más grande más baja es su velocidad de trabajo óptima. Por ejemplo si queremos comernos la sopa en el mismo tiempo con una cuchara sopera o con una cucharilla de café tendremos que dar muchas más cucharadas con la cucharilla que con la cuchara en ese tiempo. Algo parecido ocurre con los álabes. Las RPMs más adecuadas para el primer álabe no son las mismas que para el segundo, el tercero o el último y sin embargo todos giran a la vez. Lo ideal sería que cada uno girara a su velocidad óptima independiente del resto, pero esto daría lugar a un motor increíblemente complejo. Un motor real gira a una velocidad de compromiso entre todas las etapas.

Pero hay otra solución, y consiste en dividir el compresor en dos, o lo que es lo mismo, tener dos compresores, con sus dos ejes y sus dos turbinas girando cada conjunto a diferente velocidad. Ahora en lugar de tener una velocidad de compromiso entre, digamos, 16 etapas, podemos tener una velocidad para las 8 primeras etapas y otra, más rápida, para las 8 siguientes. Es lo que se llama un turborreactor de dos ejes, o two shaft (o spool) turbojet en inglés.

Al primer compresor se le llama compresor de baja presión o LPC por sus siglas en inglés (Low Pressure Compressor) y al segundo compresor de alta presión o HPC (High Pressure Compressor). En las turbinas es al revés, la primera es la turbina de alta presión o HPT (High Pressure Turbine) conectada al HPC por medio del eje de alta presión (en negro en la siguiente imagen) y la segunda la turbina de baja presión o LPT (Low Pressure Turbine) conectada a su vez al LPC por medio del eje de baja presión (en gris en la siguiente imagen). El eje de baja es el más largo ya que el LPC y la LPT están en los extremos del motor. Este eje va por dentro del eje de alta que es hueco y más corto ya que el HPC y la LPT están más cerca el uno del otro.

Como ya sabemos, no hay nada gratis, y claro, mejoramos un aspecto del motor pero a costa de empeorar otros, en este caso ya vemos que el motor es más complejo, tiene más piezas que antes, el montaje, desmontaje y mantenimiento se complica… Es la tónica que estamos siguiendo desde que empezamos con el estatorreactor.

Con esta entrada terminamos con la descripción del turborreactor, pero no lo vamos a abandonar del todo porque en la siguiente entrada hablaremos brevemente de su historia y de los aviones equipados con él. Aunque se parece ya mucho más a los motores que llevan los aviones actuales me temo que les tengo que desilusionar y decirles que los aviones modernos no llevan turborreactores, pero no se preocupen que seguiremos avanzando poco a poco hasta llegar a ellos.

Hace mucho que no planteamos una encuesta así que les dejo una muy sencilla. ¿En qué década creen que voló por primera vez este modelo de avión?

En los 50
En los 60
En los 70
En los 80
En los 90

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