manual propulsion
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ropulsion
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Por ugusto Mejia
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eoriade la propulsion chorro
Todas las aeronaves con motor son impulsadas por motores termicos ,
llamados de combustion.
Motor
es toda maquina capaz de transformar cualquier tipo de energia
en
trabajo.
EI
motor turborreactor
turbojet
adquiere la velocidad por la
aceleracion de la masa de aire que
entra
al motor.
En general cualquier mecanismo que provoque la aceleracion de
una
masa sea
esta : aire , gas, liquido solido, produce Empuje.
plicacion de las Leyes del
Movimiento
de Newton
La
teoria de la propulsion a chorro puede considerarse como la reaccion
provocada por
el
cambio de velocidad de una masa.
Las Leyes del Movimiento de Newton aplicables
al
caso
son
Segunda Ley, la fuerza es proporcional
al
producto de la masa por la
aceleracion.
Tercera Ley, para cada accion , existe una reaccion igual y opuesta.
En un disparo de una pistol a ,
el
retroceso al disparo cum pIe con la 3ra Ley de
Newton. EL motor trabaja con la 3ra ley de Newton.
EI
avion de helice y
el
turborreactor tiene relaciones muy intimas ya que
producen empuje de la misma forma, acelerando una masa de aire. EI de helice
acelerando una gran masa de aire a baja velocidad y
el
de turborreaccion
acelerando una masa de aire pequena a gran velocidad.
E=Mxa
E
Empuje
M , Masa en lb. Masa
a aceleracion en pies/seg
2
La reaccion
R
que mueve al avion es ,
R
= -E , el signa negativo indica que
R
es
opuesta a E
Calculo del
Empuje
Cuando en la ecuacion anterior no se conoce concretamente
el
peso de
Ia
masa
de aire consumida cada segundo por
el
motor
-Gasto-
esto se obtiene por
Ia
ecuaci6n.
Gasto = area de entrada)x peso especifico del aire)x velocidad de.entrada)
Ib
./seg.
Ib./ft
3
ft/seg.
Por
Augusto Mejia
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De hecho cualquier obstaculo
0
presion exterior ejercida sobre a descarga de
chorro que tienda a impedir su flujo reducira en cierto grado el empuje
generado. I rendimiento ideal del motor se obtendria donde no existiera
presion exterior sobre la descarga , produciendose as
el
maximo empuje.
Debe notarse que e empuje de la turbina puede aumentarse siempre que se
aumente el gasto de aire a traves del motor
0
se aumente la velocidad de salida
de la masa de aire.
EI
aumento del flujo de la mas a que pasa por el motor se obtiene utilizando un
sistema de inyeccion de agua 0 con el uso de quemador posterior; con este
ultimo se obtiene tambien
un
aumento de la velocidad de chono.
-Empuje Neto , fuerza que obtendremos a part ir del motor producida por la
aceleracion de la masa de aire.
-Empuje Bruto , suma del empuje neto la reaccion producida por los gases de
descarga contra aire estatico ; sirve
para
determinar la resistencia de los
sopOltes del motor.
Es comun
NO
considerar el flujo del combustible en los calculos
de
empuje ya
que
practicamente el peso del aire que se fuga del motor se considera
equivalente del peso del combustible consumido.
Empuje Bruto , l empuje bruto es el que se desarrolla en la seccion de salida
del motor. Incluyendo el empuje que se genera en el momenta de salida y la
fuerza adicional resultante de diferencias ent re las presiones: estatica del
ambiente y en la tobera.
omparacion
entre
empuje y CabaUaje
El caballaje desarrollado por un motor reciproco y el empuje de una turbina de
gas no son unidades equivalentes , pero ya que ambos motores funcionan
acelerando
una
masa
de
aire ,
una
yes que
el
avion
y
el
motor estan en
movimiento , el tiempo y la distancia intervienen como facto res para hacer una
comparacion. En el caso del motor reciproco , su baja potencia con relacion a su
peso y la velocidad que es capaz de dar al avion , siempre es menor a 5 MPH.
Principio de Funcionamiento del Turborreactor
EI
funcionamiento de un turborreactor consiste en una entrada de aire ,
compresor camara de combustion una secci6n de turbina y el escape. El
empuje es creado por la aceleraci6n del flujo de aire a traves del motor.
Por Augusto Mejia
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icIo
rayton
El cicIo de trabajo de las turbinas de gas es
el
de Brayton. Es similar al del motor
reciproco por contar con la misma disposicion de los tiempos de trabajo:
1
Admision
2
Compresion
3 Combustion
4 Escape
~ - - ~ - - - : m E ; ; : ;
0 1 T O = : = - : : : : c ; : : : C : : - l . i : : : - - -
' ' ' ' ' ' ' ' ' 1
1
COMPRESS
£ON
COMau nO
THE BR YTON CYCLE
- - - -
- -
.
-
En el punto A se muestra la condicion del aire a presion ambiente antes de
entrar
al compresor.
En el punto B marca la entrada al compresor despues de pasar por la seccion
de admision donde se difunde para restarle velocidad. En este punto su valor
es cero con respecto a la velocidad del avion.
El punto C marca la entrada a las camaras de combustion
y
de CaD representa
a combustion a presion constante dentro de a camara de combustion.
El punto D marca la caida de presion que cOlTesponde a la expansion que sufre
la masa caliente en la turbina.
EI punta E marca la candicion del aire despues de pasar poria turbina y la
seccion de la curva E a F representa la continuacion de la expansion del aire al
pasar a la descarga.
El
punto F marca el principio de la descarga de gases calientes a la atmosfera.
Por Augusto
Mejia
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En el punto G , la masa de aire ha dejado ya
al
motor y se descarga al ambiente .
La distancia horizontal de A a G representa
el
aumento que sufre
el
volumen de
aire que interviene en el ciclo , debido al calor que adquiere al quemarse el
combustible del motor.
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UM
E
Por Augusto Mejia
FIG
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Ventajas esventajas de los Motores
Turborreactores
con respecto
los
Motores Reciprocos
Ventajas
Vibracion , libre de vibracion por no tener partes con movimientos reciprocos ni
explosiones alternadas.
I
Controles , solo requiere de un mando para
el
control de velocidad y potencia
del motor.
Radiadores , requiere solo de radiadores pequeno para el enfriamiento del
aceite lubricante , ahorra.ndose peso y disminuyendo resistencia parasita.
Aire de Enfriamiento , requiere de 5 a 8 veces menos aire que el motor reciproco
para su enfriamiento y se absorbe menos potencia del motor para la aceleracion
de esta masa de aire , principalmente en el despegue.
Resistencia al Avance , los motores reciprocos de cualquier tipo representan una
gran area frontal que presenta gran resistencia al avance. Mientras que el motor
turborreactor no la presenta teniendo
una
zona de baja presion frente a
el
, que
aumenta al aumentar la velocidad del motor.
Bujias , solo requiere de dos bujias para
el
arranque del motor ya que
normalmente mantiene encendido el motor por Llama Residual ,
eliminandose asi las frecuentes fallas debidas al encendido.
Carburador , no requiere de carburador aunque tiene unidades de control de
combustible.
Fuerza Neumatica , se puede disponer de aire a presion y con
temperatura
utilizable en sistemas tales como: compresores de presurizacion , calefaccion ,
deshielo , limpieza de parabrisas , compresores de freon.
Riesgo de Incendio , se reduce la peligrosidad del incendio debido a que el
combustible es menos volatil que la gasolina de alto octanaje.
Mayor Potencia Equivalente , la relacion peso por potencia producida , es
mucho mayor que la del motor reciproco. Desarrolla de 3 a 4 veces empuje pol'
cada libra de peso del motor.
Consumo de Aceite , el consumo de aceite se reduce al minimo
pOl
no llegar este
a quemarse en las camaras de combustion.
Reparaciones , por tener menos partes sometidas a friccion , los tiempos de vida
util alcanzan las 4 horas , mientras en los motores reciprocos de alta
potencia no llegan a las 2 horas.
Altitudes, este motor es ideal para trabajar a grandes altitudes que permiten el
vuelo en zonas Iibres de perturbaciones atmosfericas 0 meteorologicas.
Montaje , la facilidad de montaje y desmontaje del motor al avion , reduce
considerablemente el costo de horas-hombre.
PorI ugusto
Mejia
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esventajas
Consumo , tiene un alto consumo de combustible a bajas velocidades.
Solamente la variante del turbo-helice tiene u consumo comparable al del
motor redproco a bajas velocidades.
Baja potencia , la aceleracion de
RPM
minimas a maximas es lenta, no
respondiendo a aceleraciones rapidas , solamente
el
turbo-helice y
el
turbofan 0
turbo-abanico responden mejor al acelerar rapidamente, 5-8 seg.
Arranque , requieren de gran potencia para impulsar a los mecanismos de
arranque, marchas para iniciar su trabajo,
APU/GPU Bleeds)).
Construccion , su construccion es de alto costo con relacion al motor redproco.
Danos , es vulnerable a ser danado facilmente por objetos del exterior que
lleguen a ser absorbidos por la toma de aire.
Pistas , requiere de pistas especiales , debido al gran peso de las aeronaves.
Ruido , debido a la intensidad de ruido que producen estos motores, se requiere
equipo especial de proteccion.
Mantenimiento.
Clasificaci n General de los
Motores
Reacci n
-Turborreactor J)
-Turbo-helice T)
-Reaccion Directa JATO) R)
-Pulso Reactor PJ) uso militar
-Auto Reactor RJ) uso militar
Turborreactor
1 De paso libre by pass)
a) con mezclador
b) sin mezclador , best Choice
2) Con quemador posterior supersonicos)
3) Turbofan / Turbo-abanico
a) anterior aviacion civil)
b posterior
4) Ducto Abanico
Por Augusto Mejia
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otor
Turborreactor
El motor turborreactor es el unico que requiere de unidades con movimiento
rotativo para su funcionamiento, tomando su
nombre por la turbina de gas;
base de su funcionamiento. Las 5 partes principa1es que forman e motor son:
1
secci6n de admisi6n
2 compresor 0 compresores
3) camaras de combusti6n
4) tUI'bina 0 turbinas
5) cono de escape
Los
motores turborreactores se clasitican
en
grupos:
-De
F1ujo
Centrifugo
-De
t1ujo
Axial
Dependiendo del tipo de compresor que usen.
Flujo Centrifugo , la masa de aire admitida por
e
motor; se comprime en linea
perpendicular al eje longitudinal del motor.
Flujo Axial, la masa de aire admitida por
el
motor se com prime en direcci6n
para1ela a eje longitudinal del motor.
1 ecci n de l1diiJi a ion
2 .
C
mnpreaor
"
, 3 .
C ~ t r l r t i B de Coltlhuati6
n
PorI ugusto
Mejia
~ ~ - - - - - - - - - - - ~
DE
FLWO CENTR FUGO
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El
aire de la atmosfera se lleva dentro del motor donde se comprime y descarga
a las camaras de combustion; donde tambien a presion se inyecta
el
combustible para formal la mezcla. Inicialmente la combustion se efectua en las
camaras de combustion que tienen bujia - generalmente solo dos - y se
comunica a las demas por tubos interconectares de t1ama .
Ya
encendido
el
motor la combustion continua por la t1ama residual.
Los
gases con alta presion producto de la combustion pasan a los alabes del
estator de la turbina que los orienta para descarga con maxima eficiencia sobre
la turbina haciendola girar. La mayor parte de la energia del gas se absorbe por
la turbina , la que girando a gran velocidad , impulsa pOI un eje al compresor .
La
energia que permanece en los gases producto de la combustion, produce
empu]e.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~ ----------- . . . . .-
COMPRESSION COMSUSTION EXP NSlON
En la compresion se caliente
el
aire en un proceso adiabatico.
EPR= Engine Pressure Ratio , Relacion de Presion del Motor salida/entrada.
Por Augusto Mejia
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ESC \P E
La masa de aire all legar a la admisi6n del motor se considera a temperatura y
presi6n
estandar
para mediciones fisicas y con velocidad cero. A)
Al pasar al compresor y comprimirse la masa de aire , aumenta en presi6n y
consecuentemente
su
temperatura
al mismo tiempo que por la reducci6n en el
area del ducto del compresor adquiere mayor velocidad.
B)
Por
Augusto ejia
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Al salir el aire del compresor, la difusion a las camaras de combustion se hace
con mayor area, aumentando su presion pero perdiendo velocidad. En la
camara de combustion se inyecta el
combustible que
al
quemarse produce
considerable aumento en 1a temperatura que por disefio de
la
misma camara
de combustion
-y
por no ser cerrada como en
el
caso del motor redproco- se
acelera la masa de gas hacia la zona de menor presion, manteniendose casi
constante la presion.
C)
Aillegar los gases a la turbina se expanden , comunican a esta parte de su
energia y la turbina se encarga de extraer la mayor cantidad de energia cinetica
para impulsar
al
compresor.
AL
dejar la turbina los gases han adquirido su
mayor velocidad , han perdido parte de su temperatura y la mayor parte de su
presion. (D)
Alllegar los gases al ducto de escape de seccion convergente se transforma la
energia que aun permanece en los gases en energia de velocidad , siendo
necesaria esta parte del motor para obtener la velocidad necesaria para generar
e1
empuje ,
a1
descargar
el
chorro en el ambiente. (E)
Motor Turborreactores de Paso
Libre By
Pass)
Es una turbina de gas de flujo axial, circundada por un ducto por donde tiene
libre paso
e1
aire de impacto.
Al
aire que fluye por
el
paso libre se
Ie
inyecta
combustible para
aumentar el
empuje total del motor cuando se queme al entrar
en contacto con los gases de escape.
. • I
/ f yECCION Of C O M \ J r n 8 L ~
Motor de Paso Libre con Mezclador de Gases de Escape
Estos motores tienen dos formas de hacer la union de los gases de escape con el
aire del ducto de paso libre. Can un mezclador de gases de escape, cuando la
union de los gases de escape can los del ducto de paso libre se realiza ,
ya
en
el
Clmbiente , se denomina sin mezclador de gases de escape .
Quemador osterior
Se
ha aumentado
el
empuje para mayor aceleracion durante
el
despegue y
aterrizaje , can la instalacion de quemadores posteriores. Produciendose una
segunda combustion en
el
motor, pero fuera de la camara de combustion,
logrando can esto una aceleracion mayor de
1a
masa de gas.
Por Augusto Mejia
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Este sistema se emplea principal mente como auxiliar en
el
despegue,
logdllldose un aumento en un 50 aproximadamente del empuje de la turbina,
pero con un aumento en el consumo de combustible de una 250
aproximadamente.
Motor Turbofan Turbo abanico
Los componentes de los motores turbofan son iguales a los del motor
turborreactor. El abanico est a formado por alabes de los primeros pasos del
compresor. Estos Mabes, son de una longitud mucho mayor a los comunes de
compresion.
Compresor de
Venti lador alta presion
Turbina de
alta presion
Eje de
Compr sorde
baja presion
alta presi6n
Eje de
baja presion
Camara de
combusti6n
Turbiria de
baja presi6n
Tobera
En el motor turborreactor , el empuje general mente depende de la aceleracion
de una relativamente pequei ia masa de aire a gran velocidad , mientras que en
el motor turbofan su fuerza propulsora se desarrolla dando menos aceleracion
a una relativamente mayor mas a de aire. Siendo su propulsion una accion
combinada de la accion del abanico y el empuje producido por
In
velocidad de
descarga de los gases.
Por
Augusto Mejia
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Comparando
el
motor turbofan con una turbina de gas de igual version este
desarrolla mayor empuje estatico para
el
despegue eI ascenso y en crucero con
menor consumo especifico de combustible en todas las condiciones de
operacion. La etlciencia debe a la fuerza propulsora creada
independientemente del empuje de la turbina.
Motores Turbohe ice
Este motor es la adaptacion de las buena cualidades del motor de turbina de
gas con el de helice. Basicamente una turbina de gas impulsa un mecanismo
reductor para impulsar la helice. Aproximadamente del 80 a 90 de la
eficiencia termica del motor se emplea para hacer girar la turbina al compresor
ya la helice y solo un
10 0 15
se emplea para la generaci6n de empuje.
Caja de
combusti6n
l
motor turbohelice conserva las caracteristicas de poco peso por potencia
desarrollada.
Por, Augusto Mejia
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Motor Pulsorreactor
Su chorro se desarrolla de tal manera que sale pOl' la descarga en explosiones
periodicas
en
vez de ser de flujo continuo, presenta algunas desventajas
importantes que limit an su operacion y aplicacion. Tola la estructura que
10
soporta esta sometida ala serie de golpes que repercuten en forma de una
vibracion considerable, la segunda desventaja , es que su velocidad de operacion
esta entre las 4 Y
5
MPH, no pudiendo aumentarse por decrecer en
eficiencia el motor.
f SECCION VENTURI : DESCARGA'( TUBO DE
Q 7 ~ : ~~ . ; ..;;t -", .n·
~
RESONA"CIA
. \ ' 0 ~ - < l [ -_ - - - - i ~ ~ 1 l ~
. .
- . . ~
:
" ':':' " ' , -
/
~ E A DE
~
CAMARA DE
COMBUSTION
. . . COMBUSTIBLE R E J I ~ l A
C O M ~ ~ . s t I B L E
PARA EL
ARRANQUE
.1
. .
MlITOR
PUlSO -
REACTOn
.
" " , . ,
. . . - - - - - - - - - : ' - . . . . J
Motor Auto reactor
I
r
FIG No.1.46
:
..
En los motores auto-reactores , no se encuentran piezas moviles , siendo la
sencillez su principal caracterlstica. Este motor comprime el aire de impacto
agregando energia calorifica para aumentar la velocidad de la masa del gas y
producir empuje ; es capaz de operar sin comprimir meca,nicamente
el
aire ,
razon por la que este motor no puede trabajar en condicion estatica. Trabaja
eficientemente en velocidades subsonicas y supersonicas. Sus componentes son
un difusor ,
el
inyector de combustible con descargas distribuidas circularmente
, un reten de flama y la tobera de descarga.
MOTOR AUTO
-REACTOR
SUPERSONICO
:
..
.
. '- " .
Por Augusto Mejia
C A l ~ A R A DE C.OMt3U5T10N
. ,
' , '
.
,
.
.
FLAM A
., .
t
" " p '
\ . ' ,
.
,
.'
.
IFIr..N° I.
56
1
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Motor de Reacci n
Directa
Mejor conocido como cohete produce empuje de igual forma que
el
pulsorreactor y auto-reactor pero la difiere de los otros motores de chorro en
que no requiere del oxigeno del aire para la combustion porque lleva su propia
carga de oxidante en forma liquida 0 en forma gaseosa.
EI
unico motor que por
llevar su propio oxidante puede operar fuera de la atmosfera.
,
BOfvlBAS
OMaJ Sit dLE
COMBUSTION
\ MOTOR DE RE CCION
DIREc;rA
I f
Unidades
J TO
Para ayudar en el despegue opcionalmente se instalan en ell as unidades JATO
Jet
Assist Take
Off
Son pequefios cohetes - motores de reacci6n directa - de
combustible solido.
Se
instalan en
1a
pal1e inferior del avian.
La
operacion de
estas unidades es solo por muy corto tiempo -14 segundos- en que generan
hasta
1 000
libras de empuje con una temperatura de
15°C.
Por Augusto Mejia
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,·Fl .1.60 .
YALVU
LA
DE
- SEdUR-l.CA]
}lERRAJES E
.
/ soPORTf··
l UNID D J TO I
ausas
que
varian la
generacion
de
empuje
1
Velocidad relativa y presion de com presion
2 Altitud
3)
Temperatura
y Presion Atmosferica
4) Revoluciones del
motor
5)
Temperatura
de descarga de los gases
6) Humedad ambiente
7 E±iciencia termica
Velocidad
Relativa
y
Presion de ompresion
A mayor velocidad , mas aire y mejora la presion de com presion. La generacion
de empuje es independiente de la velocidad del avi6n. Ya que el empuje es
resultado de la aceleracion de la masa de aire dentro del motor, cuando se
incrementa la velocidad del avion , el empuje generado se reducira si la presion
de entrada del aire al motor no se aumentara en igual proporcion.
EI aire de impacto , como
sea,
aumenta
la presion de
entrada
y a Ia velocidad de
descarga es proporcional
ala
velocidad del avi6n.
La mayor ventaja del avi6n con motor a reacci6n sobre el que tiene motor
reciproco es la capacidad para volar a mayor altitud y
mas
rapidamente.
Por Augusto Mejia
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ltitud
Un consumo relativamente mas alto de combustible por milla en la operacion
en bajas altitudes conduce a operar 1 mas alto posible.
La
limitante , se debe a
la diferencia ent re la presion interior del avion (por presurizacion) y la presion
ambiente , por
1
que no se tienen que disefiar motores con mayor rango de
altitud para su trabajo. Las altas regiones de vuelo resultan mas economicas , ya
que existe la disminucion de resistencia al avance pOI el avion. La disminucion
del empuje que se experimenta con
el
aumento de altitud es debida a la menor
densidad del aire (por menos masa).
Temperatura
del
ire Exterior
EI empuje del motor depende de la masa de aire que a su vez es afectada por su
densidad. La densidad del aire se entiende como
el
numero de particulas de aire
en un volumen dado con determinada temperatura.
El
aumento
0
disminucion
de estas particulas es afectada principalmente por tres condiciones:
a) La velocidad del avion que aumenta la densidad efectiva
b)
La
altitud que al
aumentar
disminuye la densidad y es la mas importante
c) La temperatura del aire (OAT) principalmente en el despegue
La
velocidad del aire (por efecto de la velocidad del avion) actua como
productora de densidad a gran des altitudes, donde el aire exterior es deficiente
en densidad. Sin embargo, las altas temperaturas en tierra afectan
drasticamente el rendimiento en despegue y es de primordial importancia el que
las conozcan los operadores. EI calculo de empuje neto del motor se hace en
condiciones estandar en que la temperatura es de 15°C y la presion
atmosferica de 29.92 Hg.
Para restaurar la perdida de empuje que sufre el motor en dias calidos , cuando
la temperatura es de 33.3°C se usa la inyeccion de agua con
el
proposito de
aumentar
la masa del flujo de aire y en consecuencia
el
empuje requerido
para
el despegue.
Presion tmosferica
Un aumento de
presion,
representa mayor numero de moleculas de aire por
volumen. Las moleculas particulas de aire, pasaran por la entrada del motor,
dando mayor densidad y por consiguiente una masa mayor. Cualquier causa que
varie la presion de entrada al motor, tambien variara el empuje producido, asi
como la existencia de alta
0
baja presion barometrica,
0
un cambio en la presion
de entrada debido a la altitud
0
aumento en la presion de entrada debido al aire
de impacto.
Influencia de las
RP del Motor
Las revoluciones del motor, se indican en el instrumento en porcentaje a
maximo de RPM del motor (100 ). Las revoluciones del motor se controlan por
el sistema de control de combustible que se actlla con la palanca de potencia .
Cuando
la
palanca se avanza , en las camaras de combustion se inyectara mas
combustible, el que al quemarse da energia adicional ala turbina , acelerando el
compresor consecuentemente.
Por Augusto Mejia
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Al aumento de RPM del compresor , aumenta la relacion de compresion y la
mas a de aire admi tida , con un aumento de velocidad en el chorro
y
por
consecuencia aumento del empuje generado.
Temperatura de Descarga de
los
Gases
La
temperatura
de las descargas disminuye con los aumentos de velocidad y
aumenta
rllpidamente a grandes altitudes, obligando a una reduccion de
combustible para evitar sobrecalentamientos. Conforme aumenta la velocidad
del aire , la
temperatura de
la
zona baja
entre
wo
y 15.6°C causando una
reducci6n de empuje por la disminuci6n de la temperatura del chorro. Esta
condici6n se invielte a los
3 0 0 0 0
pies,
donde
la temperatura aumenta
r
-
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La
eficiencia de
un
motor es la relacion que existe entre
el
trabajo desarrollado
y
la cantidad de energia que se Ie suministra en el combustible.
Eficiencia= Trabajo desarrollado/energia liberada x 1
La eficiencia de la turbina de gas de acuerdo a
su
rendimiento general se divide
en:
a) Eficiencia Termica
b) Eticiencia de Transmision
c
Eficiencia de Propulsion
d) Eficiencia Total
La eficiencia termica se define como la capacidad de convertir la energia
quimica contenida en
el
combustible en energia mecanica.
ET=
Energia Mecanica (empuje) / Energia quimica del combustible
A bajas velocidades el motor turborreactor es menos eficiente que
el
de reaccion
directa.
Eficiencia de Transmisi6n
No
toda la potencia producida por
el
motor se transforma en empuje sino que
aparte de ella es utilizada para impulsar las cajas de engranes, que significa
perdida por friccion y arrastre.
Eficiencia de Propulsion
Es la relacion entre el trabajo propulsivo empleado y la energia propulsiva
disponible , parte de la energia disponible se empleara en mover los accesorios
del motor.
Eficiencia Total
Se considera eficiencia total a la relacion entre
el
trabajo propulsivo disponible y
la energia quimica que se ha suministrado al motor.
Por Augusto Mejia
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omponentes
del Motor
Turborreactor
sus
Funciones
Componentes
-Para la Admision
Toma de aire
y
ducto de admision
-Para la om presion
El
0
los compresores
-Para la Combustion
La Seccion Difusora
La Secci6n de Combustion
-Para el Escape
La
Secci6n de Descargas
La Turbina
La
posicion del motor no debe afectar la eficiencia de la toma de aire ni la
descarga del escape. La posicion del motor debe ofrecer la menor resistencia al
avance posible , as como la instalacion de todos sus componentes y accesorios.
Snecma
Por Augusto
ejia
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20
-
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omas e ire
El requisito principal de la tom de aire
y
el ducto de admisi6n es permitir la
entrada de aire al compresor con la menor perdida de energia , si turbulencia en
toda su longitud. Para el trabajo eficiente del compresor
y
evitar altas
temperaturas en la turbina, el aire debe llegar a el a presi6n constante
distribuido uniformemente en toda su area de admisi6n.
Se
debe mantener la
direcci6n recta
y
suave para evitar turbulencia
y
desplomes de compresor
Compressor Stall).
Son
2
los tipos basicos de tomas de aire,
- euna sola
tom
-
etom
dividida
Por Augusto Mejia
La
principal desventaja de la tom de
aire divida es la perdida de presi6n de
impacto que sufre uno de los lados
can el derrape lateral de la nariz del
avi6n que causa un distribuci6n
deficiente del aire en el compresor.
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8/18/2019 manual propulsion
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La
tom de aire ideal p r el motor turborreac tor subsonico
0
de velocidad
supersonica baja es elll m do de tipo pitot de longitud corta y con entrada
circular. Este tipo de
tom
aprovecha al maximo la presion de impacto y sufre el
minimo de perdidas de esta presion con los cambios de altitud de vuelo del
avion. I acercarse a la velocidad del sonido esta
tom
decrece en eficiencia por
la formacion de un ond de choque en el peIfil de ella
.
S T L C O N T I PO
PI TOT
.
Tomas de
ire
en los
Motores
TurboheIice
El
problema del diseiio de las tomas de aire
en
los motores turboMlice es
diferente.
El
eje impulsor de la helice la reduccion de la helice y la misma
Mlice presentan el problema que debe resolver el diseiiador.
Son 3 los tipos basicos con que se ha resuelto el problema.
...
~ r ~ .
~
.
.
[OU TO FUSELi\DO
Par, Augusto l\Ilejia
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22
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8/18/2019 manual propulsion
24/71
rrO MA
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AIRE
O
f.
I rU S E LA DO CON ICO
-\ '
Tomas de Aire Supers nicas
.---- - -
I
OM '
DE
A
RE
ALEJ
AOA I
Dt:t E J E L I·IOTOR I
En altas velocidades supers6nicas , la toma de aire de tipo pitot no es eficiente
por la onda de choque que aumenta con el aumento de velocidad del avi6n ,
encontrandose como mas efectiva la toma denominada de compresi6n externa
interna convergente-divergente).
- - -
.
r
- ~ ~ - - · ~ · - · - - I - ~ . - : :
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Compross
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(01: 1 51 :( ;.
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An Ni9
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1
D I I ; ; R f ) y c e
C ' r " w h ~ 1 i
Este tipo de toma produce una serie de ondas de choque suaves sin excesiva
reducci6n de la eficiencia de la misma toma. Con los aumentos de velocidad
aumenta tambien la relaci6n de compresi6n en
la
admisi6n , en altos numeros
Mach es necesario que el area de las tomas de aire se vade y se instal en valvulas
de descarga para acomodar y controlar
el
volumen de aire que se entrega al
compresor.
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~ ~ ~ " ' t ; ~ ~ ' " ~ '
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Por, Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
25/71
vVC J a
DE .HP..f1SION
f.
L : ' n M ;J
I
NS lALADO
F ;:1 ,\.VI OI-J C l f t ~ ~
-
8/18/2019 manual propulsion
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·
Por
Mejia
-
8/18/2019 manual propulsion
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Seccion de ompresion
Una combusti6n et1ciente
se
logra -:aparte de otros factores-
manteniendo
constante la proporci6n aire/combustible. A divers as altitudes, se logra 10
anterior admitiendo mas aire
para
que al comprimirse , exista mayor cantidad
de oxigeno por volumen dado y se obtenga el desarrollo conveniente de energia
en el evento
de
la combusti6n.
La
compresi6n en los motores
redprocos
, se
lleva acabo mediante el embolo, mientras que en las
turbinas
de gas, para
10grar 1a compresi6n se tiene al compresor.
El rendimiento del compresor centrifugo , no logra
1a
eficiencia del compresor
axial. Un compresor centrifugo no puede alcanzar razones de compresi6n
mayores de
5:1,
mientras que los compresores de tipo axial alcanzan razones de
compresi6n superiores de
1
2:1.
f----·-·,
,M ,'
;
F l ~ ; H r G
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CenJi"ftlg.o
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DE
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M
PRESI ON
-
--- .,..
15
~ F I C N C I A E OS
COMP S O ~ y ~ J
PorI Augusto
Mejia
Pagina 26
-
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La raz6n de compresi6n es la relaci6n entre la presi6n de clescarga del
compresor
y
la presi6n de entrada del mismo.
Raz6n de Presi6n = Pres. de Descarga / Pres. de Entrada
EPR , Is the ratio
of
turbine discharge total pressure
compressor inlet total pressure
ePR
E;PR (ollen pronou n
c€
d Beeper') is
ttl
£) mtio
0':
lltblr
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ciisch.9. 90 tota l p
ress
ure
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et
total pre$s
ure
N 1; loW-pressuco
;;haft
rpm. N 2: high-pressure
; a a
r
pm.
intonltagll lurbine
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h
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1tU;if
gas
r mp_
EPR or Nt
ndica
tors mc
co
mmor'l ly use
-
8/18/2019 manual propulsion
29/71
.
PEL.. R
iFFUSE
El rotor est a compuesto de una serie de palas planas -el alabe que se
extienden Radialmente desde el eje de rotaci6n .
Por Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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A medida
que
las palas giran alrededor del eje de rotacion , la masa de aire es
acelerada por
el rotor y lanzada hacia el difusor a gran velocidad por
entre
los
alabes del rotor. El estator del compensador esta formado por paredes difusoras
con vertice ,
que
gira hacia el exterior del eje central. Cuando
el
aire
abandona el
rotor
tiene
gran velocidad resultante . EI rotor del compresor centrifugo , esta
montado dentro del estator y puede ser del tipo de
entrada
sencilla
0 doble
seglin
su
construcci6n. En
el
tipo de
entrada
doble, los gases se
toman
por
ambos lados del eje del rotor.
FlO.2 • l..Q,.
.. .
\ \ ~ . ~ ~ O .L-.
DE E FECTO SEHCILLO ,
DE DOBLE EFECTO \ c L:
[ i OMP R E
SOR
S CEN
TRlFU
GOS
Compresores Centrifugo de Paso Multiple
Para lograr mayor razon de compresion (EPR) con impulsores centrifugos , se
instalan dos 0 mas compresores en tandem
uno tras
de otro , sobre
una
misma
t1echa.
EI
aire
que
se comprime en la primera
etapa
, pasa a la segunda y se
somete al mismo proceso , as sucesivamente , hasta
terminar
la operaci6n. El
problema de este tipo de compresores es el diseiio y construccion eficiente de
a
circulacion del
t ujo
de aire de
una
etapa a otra.
Por Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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ompresores de lujo A-xial
La circulaci6n del aire en un compresor de t1ujo axial, es en direcci6n 10 mas
paralela posible al eje longitudinal del motor. Esta generalmente formado de
varios pasos compuestos de discos con alabes en su periferia instalados
concentricamente.
BES V DI SCOS DE L
ROTOR SO En
e:
SU E
JE
--->
A ...AS c :S .DEL ESTAT OR OPOR
TAVOS p
aR LA
CA
RC
A Z A
COMPRE SQR
ENSA
M8
LA
Do
Cada paso de compresi6n est a formado por todos los alabes de un mismo disco
rotor rotor blades) y todos los correspondientes montados fijos
ala
carcaza y
que forman
el
estator stator blades).
La
raz6n de compresi6n de una etapa al
100
de RPM varia entre
5:1
y 7:1
UJ
pt\SO DE COM PREStON
rr -- ::-:-:- I r::-:-:-::-: \.
Esfli
fo
f?ft
S
\
C O } l P O ; n
~ t T E . S
DE UN P/\SO
Por,
Augusto
Mejia
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30
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8/18/2019 manual propulsion
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j
OUTLET
figure
3,2. The
Cr3rgt' s
i,1
P r ~ S a u r l
r U Vott)[;jty
Trlrougi)
, In
Axial F ow
\;(lrlnrAF
: lor
Mabes uia
La
primer posici6n circular de alabes del estator
-terminando el
ducto de
admisi6n- se denomina alabes gUla 0 guias de entrada
y
tienen por objeto
disminuir la velocidad del aire, incrementar su presi6n y cambial' su direccion,
para que descargue en
el
espacio existente entre los aJabes del rotor del primer
paso del compresor, para permitir la maxima entrada de aire a la velocidad
normal de trabajo del motor.
Funcionamiento
l aire que pasa entre los alabes del primer paso del compresor , sufre un nuevo
cambio en su velocidad y direcci6n, es decir, cuando llega al espacio
comprendido entre
el
rotor
y
estator del primer paso su velocidad es mucho
mayor y su presion es menol'.
Por, Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
33/71
Por
Augusto Mejia 3
-
8/18/2019 manual propulsion
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Cada alabe del rotor trabaja en forma similar a una pala de helice, es decir su
trabajo
es
individual. Mientras que los alabes del estator trabajan por pares para
su efecto , tomando aire del rotor y llevandolo al siguiente paso a la presi6n y
velocidad correcta , controlando la direcci6n del
f1ujo
de aire.
P IG,£.: , ~ ' .
; .
PER FIL DEL ·
ALAm:
4
f
t la
I
S O DE.:
l
/ , /
ROTOR
I O N DE RA Z DE A l E DEL ROTO R /
Los
alabes guia orientan
el t1ujo
; los alabes m6viles comprimen.
onstruccion Disefio
de
Mabes del Rotor
El
disefio de alabes de rotor tiende a incremental' la eficiencia ,
considerandolos como superficies sustentadoras. Se diferencian de las alas
pOl'que en ellos se presenta el efecto de cascada , que se produce par la corta
separaci6n que existe entre alabe y alabe. Los alabes , se disefian para que sean
capaces de sopor tar la gran fuerza centrifuga.
El
mayor rendimiento que se
puede obtener en un compresor , es cuando las tolerancias de
su
construcci6n se
mantienen al minima. Por
10 tanto el
claro entre los aIabes del rotor y la
cubierta del compresor es muy importante. Par esta raz6n , algunos alabes de
compresores se construyen can las puntas de filo de cuchillo .
Par Augusto
Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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arril
Los componentes del barril del compresor axial, pueden variaI'
segun
cada
fabricante , en disefio , metal que se emplee para fabricarlo, as como las formas
de armado y sujecion.
Fi
.a 3L
Los discos quedan sujetos a las secciones del barril .Cada disco tiene los
alojamientos a determinado numero de aJabes, los que deben instalarse antes de
cerraI' el conjunto. Debido a que el conjunto del rotor gira a grandes velocidades
, debe ser rigido , con perfecto alineamiento y balanceado estatica y
dinamicamente.
Estatores Carcaza
La carcaza es la cubierta exterior del compresor , que se construye dividida
10ngituclinalmente en dos partes iguales. A cada mi tad de la carcaza queda
unida la mitad de los alabes estatores de cada paso de compresion. Los Mabes
van inseltados en secciones semicirculares retenidos sobre la pared interior de
la carcaza pOl medio de otras secciones. Para el funcionamiento de algunos
sistemas del avion 0 afines al motor se usa la presion neumatica creada por la
compresion , llamandose "purgas" a estas descargas de aire.
La
parte frontal de la carcaza se une a la seccion de admision del motor y la
parte posterior unida a la seccion difusora para descargar a las camaras
de
combustion.
Por
Augusto
Mejia
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Por ugusto Mejia
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35
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Compresores de Flujo Axial
de Doble tapa
Dual
A -xial Compressor/Dual Spool Axial Flow Compressor
Te6ricamente
un
compresor de flujo axial de una sola etapa , se puede construir
de un numero indefinido de pasos , segun la relaci6n de compresi6n que se
requiera.
Si
esto se llevara a la practica , los pasos posteriores
de un
compresor
de un gran numero de pasos , operarian ineficientemente y estos estarian
sometidos a esfuerzos muy grandes , pudiendo llegar a producirse
estancamiento de aire en un compresor. El estancamiento se puede corregir
parcialmente, mediante purgas en determinados pasos de Ia compresi6n. Sin
embargo una purga excesiva resulta perjudicial al redimiendo del motor. Estos
problemas se evitan con el uso de dos compresores en tandem y de giro
independiente. Esta disposici6n de compresores se conoce como Compresor de
Flujo Axial de Doble Etapa .
ual
Spool
l Compressor
N Compressor
Por
Augusto
ejia
Pagina
6
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Low Pressure
ompressor
1
High Pressure
orn pressor N ~ J
High
Pressu
ompressor
Drive Shaft
Low Pressure
ompressor
rive Shaft
N )Compresor de Baja Presion, es al primero que llega el aire al penetrar al
motor,
ahi sufre la
primera
etapa
de
su
compresion
y es entregada
con
cierta
presion a N2) Compresor de Alta Presion, que termina el evento con
relaciones de
compresi6n
entre 8:1 y 14:1 al1oo de RPM-
En igual forma que en el
compresor
de una sola etapa
se
observa en este motor
como se va reduciendo el peralte de los Mabes del compresor al ser mayor el
paso
de
compresi6n, para conservar
la
presi6n que
se va
obteniendo. La
diferencia ba.sica es la forma en que se impulsan los dos compresores.
Para
lograrlo
una
flecha
pasa
por
el
centro de
la otra.
La
flecha
interior
impulsa
al
compresor primario
y la exterior al compresor secundario. I giro de cada
turbina es independiente al igual que el movimiento que trasmite al compresor
respectivo.
Por
Augusto
Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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Low Pressure SpoOl
IO'tJ-pmssure compressor
4-stage> a. jar-Ii' V compressor ';, own }
r
/
ow-m
c ';s
uro
(\'li}
cort pressor shaft
1Uf11S frnefy
ins
i
de
2 shaf
t)
~ ~
I I
I J I
- t 1
, i
11
I I
r .
high-pressure {N2 compressor shaft \
(turns freely aroond N
I shaft,
high-pressure compressor
(1 -stage centrifugal-fiow com pressor shown)
high-pressure turbine
High Pressure Spoof
Compresor
de
lta N
2
Secundario
A compresor secundario se Ie denomina de alta debido a que recibe
el
aire ya
a presion y eleva esta al maximo cuando
termina
de pasar
por
el
La turbina
que
10 impulsa se denomina tambien de alta , debido a que esta recibe el maximo
de presion del flujo de gas para
su
trabajo. Las revoluciones a que trabajo el
compresor de alta se conocen como N2.
Cornpresor de Baja N
1
Primario
A
compresor primario se Ie denomina de baja , debido a que es el que inicia el
cicIo de com presion y la presion total que levanta es de menor valor. La
turbina
que
10
mueve se denomina
tambien
de baja , debido a que es impulsada
por
palte de la energia de los gases, despues de
que
estos han pasado por la turbina
de alta. Las revoluciones a que trabaja el compresor de baja se conocen como
Nl
Por,
Augusto
Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
40/71
in
tako fip
Operaci n
Gas Gener
ator
Compress
or
Scctil>n
Combustor _ _ u r bine
I Se c
tion
h'gn-pwr,sura
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diHulier
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dri
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fue
l nozzl
es
h gh·pressure
tU 1)jne
co rnou.s1 c,n
chambe
r
low·pressun'
tur.
binQ
stator vnncs
Los
compresores de doble etapa , producen altas razones de compresion (EPR),
con un peso y area frontal mucho menor que los de una sola etapa.
La
velocidad
de la turbina de alta y respectivamente del compreso de alta es gobernada
pOI'
la
unidad reguladora de combustible (FCU) Fuel Control Unit. Aunque
el
control
de combustible gobierna solo la velocidad del compresor de alta existe la
tendencia de estabilizar la ve10cidad del compresor de baja cuando
1a
temperatura disminuye ; con esto la perdida de empuje con
altitud
debida a
1a
menor densidad del aire , es menor.
La
variacion de velocidad con el cambio de
temperatura en la entrada del compresor se conoce como speed bias
.
Con el compresor de alta girando a una velocidad gobernada constante , hay un
cambio de velocidad en
el
compresor de baja cuando cambia la temperatura de
aire
a
compresor.
La
velocidad aumenta cuando la temperatura disminuye ,
esto se debe a que la potencia requerida para comprimir un kilogramo de aire
frio a una presion 0 relacion de com presion
dada
es
menor
que la que se
requiere para comprimir en iguales condiciones, aire con mas temperatura. Se
ve
con claridad que
la
turbina de baja tiene mas energia disponible cuando se
comprime aire frio, con
el
efecto correspondiente en la turbina
y
compresor de
alta.
Por,
Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
41/71
Sin embargo siendo la velocidad control ada por
el
control de combustible, esta
unidad tiene a limitar la energia que se entrega a la turbina de baja, as que se
establece finalmente
el equilibrio con el compresor de alta operando a
velocidades controladas y
el
compresor de baja operando a una velocidad tal
que en un dia frio
0
a grandes altitudes con bajas temperaturas , es mayor que
con altas temperaturas.
Cuando se mantiene constante la velocidad de la turbina de alta, con un cambio
de temperatura en la entrada del compresor, la temperatura de los gases que
entran
ala
turbina aumentan cuando disminuye la temperatura en la entrada
del compresor. Esto ocasiona que
el motor
trabaje mas caliente en dias frios ,
que en di s calientes. Por 1 tanto para obtener condiciones de operacion mas
favorables ; en la partes que se calienta mas del motor y por consiguiente un
mayor empuje ,
el
control de velocidad del compresor de
alta
responde a los
cambios de temperatura en la entrada al compresor, de manera que la velocidad
aumente , cuando aumente la temperatura.
Resumiendo , con motores de doble etapa de com presion , se obtiene mayores
relaciones de com presion , sin perdida de et1ciencia , con mayor duracion de sus
componentes que trabajan con menores esfuerzos y por su tamafio , presentan
menor resistencia al avance que los de una sola etapa.
Desplome
de ompresor ompressor Stall
Cuando un compresor se desploma , pierde la capacidad para comprimir el aire.
Se puede reconocer su presencia por las pulsaciones del compresor
en
toda la
estructura del avion; a veces se
Ie
puede oir
yen
otras solo se notara la
imposibilidad de acelerar el motor cuando es necesario cuando se desacelera
sin haber movido
el
control del acelerador.
El
abbe de un compresor tiene un angulo de ataque , el cual resulta en velocidad
de entrada y velocidad rotacional del compresor. Estas dos fuerzas se combinan
para crear
un
vector las cuales definen
el
angulo de ataque del aJabe
yel
aire
que se aproxima de la toma. Un desplome de compresor es
el
desequilibrio en
el
vector de las dos fuerzas , velocidad de entrada y velocidad rotacional del
compresor. Puede , por 1 tanto presentarse en una forma
suave
sin ningun
sonido
0
movimiento reconocible por
el
piloto ;
0
bien con fuerte explosion
0
amabas cosas , causando
el
consecuente sobresalto a quien por primera vez 1
Olga.
ausas
Los
alabes del compresor , trabajan en forma similar a
el
ala de un avion. Igual
que
el
ala puede "desplomarse" cuando trabaja con un
c tngulo
de ataque mayor
al
de maxima sustentacion,
el
compresor puede "desplomarse" cuando varios
todos los alabes
est{m
trabajando
en
condiciones de un angulo de ataqlle muy
grande, entonces el t1ujo de aire es interrumpido
y
se crea turbulencia con
i111ctuaciones
en
presion.
La
direccion del viento relativo en
el
ala del viento
relativo en
el
ala del avion
0
en
el
3.labe del compresor y la fuerza de levante
0
sustentacion -
0
presion - que genera se viene abajo , con
10
que resulta un
descenso del avion y
en
la turbina una condicion donde
el
compresor deja de
comprimir al aire en forma normal.
Pori Augusto Mejia
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4
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8/18/2019 manual propulsion
42/71
La comparaci6n
termina
ahi , ya que es muy distinto el comportamiento del
desplome en el avi6n con respecto al de la
turbina
de gas. Otros desplomes en la
turbina resultan de fallas bien definidas del motor, de los accesorios en su
funcionamiento.
La
causa comun para provocar el desplome Ia encabezan el avi6n , el ducto de
admisi6n y la descarga de gases del
motor
0
ambos. Los desplomes de
compresor causan que el aire que tluye al compresor se desacelere y se
estanque, a veces revierten
su
direcci6n.
Norma inlet airflow
Distorted inlet airflow
Algunas causas del desplome de compresor:
- Flujo excesivo del combustible, causado por una abrupta aceleraci6n del
motorOa velocidad axial es reducida debido al incremento de la contrapresi6n
en la camara de combusti6n)
- Operaci6n del
motor
arriba 0 debajo de los parametros de RPM del motor
incrementando
0
disminuyendo la velocidad rotacional del alabe del
compresor)
- Flujo de aire
turbulento 0
interrumpido al ducto
de
admisi6n Ia velocidad
axial es disminuida)
- Compresor contaminado
0
dafiado disminuye
a
velocidad axial debido a
a
disminuci6n en la relaci6n de compresi6n)
- Turbina contaminada 0 dafiada se pierde potencia en el compresor, causando
una disminuci6n en la velocidad axial debido a la baja relaci6n de compresi6n)
Por, Augusto Mejia
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4
-
8/18/2019 manual propulsion
43/71
- Pobre mezcla de airejcombustible causada pOl una abrupta desaceleraci6n del
motor Ia velocidad axial es incrementada por
una
reducci6n en
Ia
contrapresi6n en la camara de combusti6n)
Cualquiera de estas condiciones puede causar un desplome de compresor , tan
pronto ocurra habra una
ruptura
parcial del flujo de aire a traves del motor.
Una de las indicaciones del desplome de compresor es el incremento en las
vibraciones del motor y
un
aumento en EGT (Exhaust Gas Temperature), este
incremento en EGT se debe a que entra menos aire en las camaras de
combusti6n , ya que hay menos aire para enfriar el producto de Ia combusti6n.
Un desplome de compresor es un fen6meno progresivo, el cual podria
inicialmente ocurrir
en
un solo alabe y despues abarcar todo
el
ciclo.
Cuando
el
avi6n vuela a mas de
35 000
pies, es mas factible la producci6n del
desplome de compresor , debido a la excesiva reducci6n de la fuerza de cohesi6n
entre la m o h ~ c u l s del aire -viscosidad- y de la fuerza de inercia -porIa presi6n
de impacto- con relaci6n a sus val ores al nivel del mar. Otro tipo de desplome a
grandes altitudes es causado
porIa
entrada
al motor de cristales de hielo.
Los
cristales de hielo , no se depositan en la entrada del motor, sino que pasan con
el aire al compresor , calentandose al comprimirse, resultando una ingesti6n de
agua. Esto provoca mayor presi6n en la operaci6n de la turbina que aumenta la
posibilidad de desplome del compresor.
Son varias las operaci6n que el piloto puede hacer para evitar el desplome de
com pres or
0
reducir su intensidad.
a) Debe evitar movimientos erraticos
0
bruscos en la aceleraci6n.
b) Debe evitar acelerones bruscos muy rapidos
en
periodos de alta
distorsi6n del aire que entra al motor, as como
en
baja velocidad.
c) Debe evitar bajar la nariz del avi6n bruscamente. EI descenso lento de la
nariz produce
un
flujo suave de aire a la entrada del motor, eliminando la
posibilidad del desplome.
d) Debe aterrizar si no hay control sobre el desplome, debe pararse el
motor, proceder a aterrizar a la brevedad posible para evitar serios
daiios al motor.
Sistema de Purga de ire
Los fabricantes de motores , considerando otros medios para reducir la
tendencia al desplome de compresor , ademas del control de la
unidad
regula dora de combustible, han i n o r p o r ~ d o dos sistemas al motor para
lograrlo, estos son:
a) Por valvulas de purga del compresor
b)
POl
alabes guia de angulo variable
Algunos motores , cuentan con la incorporaci6n de ambos sistemas.
Por
Augusto
Mejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
44/71
Purga del CompresorjCompressor Bleed estas purgas facilitan
el
arranque del
motor
ala
vez que previenen
el
desplome del compresor. En bajas
RPM
permanecen abiertas y cierran en operaciones de alta potencia.
A
estar abiertas
incrementan
el
tlujo inicial del aire en el compresor y reducen la presi6n en la
parte posterior del tlujo -dentro del mismo compresor-. l control de la
descarga a traves de la valvula de purga es auto matico y sensible a las RPM del
motor
en funci6n a la temperatura
y
presi6n de entrada de aire al compresor.
LEeD
VALVE OPEN
Por Augusto Mejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
45/71
Alabes Guia de Angulo Variable/Variable Inlet Guide Vanes la funci6n de los
alabes guia con angulo variable en la admisi6n de aire al compresor compensa
la variaci6n de temperatura y presi6n en la entrada del motor. El movimiento de
los alabes esta controlado por un cilindro actuador que mantente un cingulo de
ataque maximo en bajas RP rango de 35°- ya medida que la velocidad del
compresor aumenta este angulo se va variando y en maximas RP ha llegado a
el
angulo minimo
0
inclusive negativo
rango
de
10° .
Esto se controla por el
Feu
--
V RI BLE ST TOR V NES
6 "
O ,
pur
Q}
R
"O S
I fON
EN B l S RPM
Pagina 44
-
8/18/2019 manual propulsion
46/71
ecciones
Difusoras Multiples
de
ombustible Inyectores
La secci6n difusora queda colocada inmediatamente despues del compresor
y
antes de las camaras de combusti6n. Esta seccion tiene como funcion entregar
el aire comprimido a baja velocidad a las ca.maras de combustion; pero con una
presi6n suficiente para la combustion a cualquier velocidad a que este
trabajando
el
motor.
La
funci6n de esta secci6n
y
hasta
su
construccion es
similar tanto en los motores de flujo centrifugo como de flujo axia1
Por Augusto Mejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
47/71
VIST S DE l S ce l ON l fU S R
]
Po
tener
secci6n divergente para el flujo de aire alllegar este se expande ,
convirtiE lldose su energia cinetica en presi6n , pero conservandose constante la
presi6n total por ser
la
suma
de la
pr
esi6n dinamica mas la presi6n estatica.
Algunos motores tienen en est a secci6n las conexiones de la inyecci6n de
combustible.
S E
~ DIFUSOR A
- - - - - - - -
- - ~ ~ ~ . - -
- - - - - - - -
LA
C M R
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COMe UST I oN
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D { V E R G E
N
T ~
2
. -50.
Por
ugusto Mejia
Pagina 46
-
8/18/2019 manual propulsion
48/71
Inyectores
de ombustible
Para lograr el empuje requerido en un motor turborreactor , se agrega
combustible al aire que llega a las ca.maras de combusti6n. Para una eficiente
combusti6n, el combustible debe ser fina y uniformemente atomizado en el
aire
que
Uega
a la camara de combusti6n. Son los inyectores los encargados de la
atomizaci6n del combustible en las camaras de combusti6n
.
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( Ii V
-
8/18/2019 manual propulsion
49/71
Uno de los primeros tipos de inyector es
el
denominado Simplex .
Este inyector , tiene un solo orificio de descarga y su empleo es eficiente en
motores que trabajan con cargas mas
0
men os constantes. A baja presion
el
abanico de combustible atomizador descarga con arco que varia entre los
7 °
y
8 °
que son optimos
para el
arranque del motor. Con mayor presion
el
abanico
se cierra y penetra mas
en
la camara de combustion, permitiendo que se tenga
una
flama centrada y delgada, que protege de altas temperaturas a la camisa de
la camara de combustion y a los electrodos de las bujias.
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Por, Augusto Mejia
Pagina 48
-
8/18/2019 manual propulsion
50/71
Otro tipo de inyector que ha resultado mas eficiente que
el
simple, es
el
"Duplex", que es de doble descarga concEmtrica en el mismo cuerpo. La descarga
interior se conoce como la "primera etapa" y es de baja capacidad, mientras que
la exterior de "segunda etapa" es para alta capacidad de inyecci6n. Este inyector
provee una buena atomizaci6n de combustible con t1ujo alto 0 bajo y un abanico
de combustible atomizado de arco uniforme en todos los regimenes de
operaci6n.
La
segunda etapa descargara al aumentar la presi6n del combustible,
sin que deje de trabajar la primera. La segunda etapa provee de Ia mayor
cantidad de combustible que usa en regimenes de alta potencia.
1
lR
tU
AR'{FU EI..- I
M IN
-
8/18/2019 manual propulsion
51/71
eneradores
de Vortice
EI
inyector de combustible para cumplir su cometido eficientemente , debe
descargar en una zona de baja presion dentro de la camara de combust ion,
realizandose as Ia mezc a de combustible y el aire en forma intima y uniforme.
Queda instalado en
Ia
parte frontal de la camara y al centro de los alabes del
generador de vertice.
Al
conjunto de inyector y generador de vortice se
Ie
denomina "quemador" burner y tiene como funci6n permitir una combustion
estabIe, ya que
el
proceso se debe efectuar en una Iongitud relativamente corta,
con aire a baja presion y
el
combustible finamente atomizado para facil mezcla y
vaporizacion a Ia mayor rapidez posibIe, reduci€mdose as Ia tendencia a
"apagones" en el motor y aumentando Ia velocidad de Ia flama con Ia generacion
de una mezcla homogenea y apropiada en su relacion aire/combustible.
EN ER
R
DE
VORT
Pori Augusto ejia
Pagina
5
-
8/18/2019 manual propulsion
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ire
Primario
ire Secundario
De
todo
el
aire que admite
el
motor para
su
funcionamiento, aproximadamente
solo un 23% se mezcla con
el
combustible, mientras
el
77% restante Ilena
funciones, principalmente de enfriamiento del motor.
Aire Primal'ia,
el
aire que se mezcla con
el
combustible
para
evento de
combustion (20%-23%).
Aire Secundario, aire que llena funciones propiamente de enfriamiento.
ecciones
de
Combustion
Esta seccion esta formada principalmente por las camaras de combustion y los
inyectores de combustible. Su funcion es formar la mezcla de combustible y
quemarla dentro de las mismas camaras de combustion para entregar la energia
as transformada a la turbina con temperaturas que no excedan de los limites
permisibles a la entrada de la misma.
s,;'tlftt-
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Por, Augusto Mejia
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CORRUW TCD
JOINT
Pagina 51
-
8/18/2019 manual propulsion
53/71
Contra la creencia general no todo el aire que entra
al
motor se quema.
Si
se
mezc1ara todo
el
aire que entra al motor con el combustible que consume
resultaria una mezc a que no arderia.
CA MAR A DE COMBUstION
INYE ION DE O
M
USTI8LE
r
~
I O N
E
O
~
e U J S
~ O
N
I
Enfriamiento de la amara de ombustion
La masa de aire admitida por el motor alcanza su mas alta temperatura en
el
interior de las camaras de combustion al quemarse en ella el combustible. Por
esta razon es necesario u enfriamiento eficiente en ella
el
que se logra
orientando el flujo de aire secundario procedente del compresor para que
circule por ambos lados de la pared de la camara.
De C O M 8 U S T ~ N
AIRt=
PQlM Rlo
r IRE SECUNDAP \O
[ : : G ~ ~ 5 ? . - E N F R I A = ~ : ~ O
E
L ~ R J
EI aire secundario barre la pared exterior de la camara enfriandola mientras
otra parte penetra a enfriar
la
pared interior pasando por pequeiios orificios que
se localizan alrededor de la camara y a 1 largo del reborde.
Por Augusto
Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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Dilucion
de
los Gases
Los gases de la combusti6n alcanzan los 2 400°
C,
temperatura que funde las
aleaciones
mas
resistentes de acero
0 titanio -que
se
funden
a 1,600° C Y
1,7400C respectivamente-.
Para asegurar
la conservaci6n de los Mabes guia y los
de la turbina el aire
secundario
al quedar diluido en los de escape reduce la
temperatura de
estos a limites tolerables
porIa
turbina aproximadamente
800°C.
EI aire
de
diluci6n penetra a las ca.maras de combusti6n por los orificios
de mayor diametro que
hay en sus paredes,
denominados
Orificios de
Diluci6n .
Camaras de Combustion
El objetivo principal
de
las
camaras de
combusti6n es mezclar el aire con el
combustible y
dar
al flujo de aire la energia
termica de
la combusti6n. La
presi6n desarrollada durante la combusti6n
en
las camaras es relativamente
baja
comparada
con la de las
camaras de
combusti6n del
motor
reciproco, ya
que en las primeras es del rango de las 70 PSI mientras en las segundas es del
rango
de
las
1 2 0 0
PSI.
INTERCONNECTOR
SNOUT
\
FUEL
MANIFOLD
IR
C SING
b
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F i g l J r ~
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Pori Augusto Mejia
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53
-
8/18/2019 manual propulsion
55/71
Para formar esta mezcla
se
requiere del 23 del total del aire que manda el
compresor.
Los
orit1cios estan calculados para permitir solo esta entrada. Para
compensar los cambios de densidad y temperatura del aire con los cambios de
altitud y tener siempre una mezcla correcta, el control de combustible del motor
varia el tlujo de combustible segun varia
el
t1ujo de aire, tomando para este
efecto una muestra de la presion estatica
en
las camaras que actua sobre un
aneroide para gobernar la unidad servo del control hidro-mecanico de
combustible.
En la construcci6n de las camaras de combusti6n comunmente se emplea el
MONEL -aleaci6n de 60 a 70 de Nfque1 y el resto de Cobre- y el INCONEL
-aleacion del
7S
de Nlquel, del
12
al1S de Cromo Y9 de Hierro- en
forma 1aminada con uniones soldadas electricamente.
El
nllmero y tipo de camaras de los motores vmian segUn su t ipo y fabricante.
En las camaras de combustion se encuentran tambien otros componentes.
a) Bujias, para
e
encendido, general mente dos, colocadas en camaras
diametra1mente opuestas.
b) Tubos de intercomunicacion , para la propagacion de la flama.
c) Lineas de Drene de Combust ible, para desalojar de las camaras
el
exceso
de combustible acumulado en el arranque.
Las camaras de combustion tambien se numeran en el motor para su
identiticacion en forma similar a como se numeran los cilindros.
ipos de amara
Las camaras se construyen siguiendo dos disefios basicos.
a) Tipo Bote
b) Tipo Anular
Los
que combinados originan el tipo
c) Tipo Canular
Por Augusto Mejia
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8/18/2019 manual propulsion
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Camaras Tipo
Bote
Estas camaras estan formadas por dos partes.
La
cubierta
La camara
Que
se
mantienen separadas concentricamente para
dar
paso
al
flujo de aire
secundario. Como desventaja principal, tienen estas camaras reducido su
diametro , que obliga a un disefio mas largo de camara y consecuentemente al
aumento relativo en la longitud total del motor.
Cl\.MARA
.it.
b)
COM8tJS
l ltlN
DE AUN
Altl iENTO
FIG.
No
7. 6 1,
Este tipo de camara presenta dos ventajas importantes, la primera es que la
remoci6n para inspecci6n 0 cambio es sencilla y sin alterar la instalaci6n del
motor, la otra es que sufre menos distorsi6n provocada pOI el calentamiento.
Camaras Tipo nular
Este tipo de camara es comun en motores e alta potencia de doble etapa de
compresi6n axial. Esta form ada por dos cubiertas concentricas una exterior y
la otra interior- y la camara con desarrollo tambien anular.
Par Augusto
ejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
57/71
E1
conjunto de cubiertas y camaras quedan alrededor de la cubielta de la flecha
del compresor. Tiene como caracteristica su excelente capacidad de trabajo
debido l poca curvatura de la secci6n de la camara en
1
que aventaja a todos
los demas tipos de camaras. Como desventaja tiene que es frecuente que sufra
deformaciones por altas temperaturas debido al tamafio de las partes que la
forman.
lNNE'Ft
AiR --
CASING
FUEL
MAN1FOLO
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M . n ~ ; ~ .. r . r ~ ' · ' i n G , :
Por, Augusto Mejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
58/71
Camaras Tipo Turbo Anular
0
ipo Canular
En este tipo de camara se han aprovechado las ventajas de los tipos de camara
bote y anular, el iminando las desventajas de ambos. El tipo canular esta
formado por
un
camara del tipo anular que en su interior aloja una serie de
pequefias camaras anulares.
I
CAMARAS CANULARES
Esta disposicion permite un t1ujo uniforme de aire, con resistencia a las
deformaciones pOl' temperatura y con excelente control sobre el proceso de
combustion.
La
relacion total en peso del aire admitido
y
el combustible
consumido es de 60:1 , pero en 1a combustion solo 15 partes de aire son
empleadas mientras las 45 restantes, tienen funciones de enfriamiento
y
dilucion.
La
perdida en el t1ujo de aire es solo de 4% a 7%.
I
I
I
OUTER
AIR
CAStNG
SNOOT
I
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CASING
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TUBES
NOZZLE GUIOE
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IGN ITER INTERCONNECTOR
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Pori Augusto
Mejia
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-
8/18/2019 manual propulsion
59/71
Las camaras tienen varios inyectores, colocados al frente de elIas; formando un
conjunto con
el
multiple de combustible.
La
cubierta exterior, construida de
aleacion de acero resistente a
Ia
corrosion y a
Ia
alta temperatura, est a formada
por dos secciones anulares que se unen entre si y con las secciones adyacentes
del motor por medio de pernos roscados. La forma en que se remueven las
cubiertas exteriores a veces de remocion telescopica- permite con relativa
facilidad
el
acceso a las camaras de combustion, multiple de combustible
0
inyectores.
CUl3 IERTA
EXTER
IOR
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ISEC
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A INTeRIOR DE LA CAMARA
DE
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UNA C MARA CANULA§]
CORTE SECCIONAl D _ H
Por
Augusto
Mejia
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58
-
8/18/2019 manual propulsion
60/71
Secci6n
de
Descargas
, labes Guia
y
Cubierta de la
Turbina
Esta seccion , queda definida perfectamente en los mot ores que tienen camaras
de combustion de tipo bote, ya que en los de camaras anulares y canulares se
incorporan sus componentes
ala
seccion de la propia turbina.
PL ISOS
, r IU
g
r
)
BAse DE CAMARAS
DE COMBUSTION
2)
CUBJE RTjl
DE
LA rURSINA
3) ALAB€S GU/A DE LA TURBINA
SECCfON DE
OESCARGAS }
La
funcion de esta seccion , es de servir de apoyo a 1a parte posterior de las
c;imaras de combustion
(1),
recibir los gases procedentes de la camara de
combustion en su seccion anular para hacerlo llegar a los alabes guia (3) y que
descarguen can maxima eficiencia contra los alabes del rotor de la turbina.
A
la
vez que, por su
parte
central que es hueca, se permite el paso de la t1echa del
compresor y se da apoyo a la
cubierta de esta t1echa. Por la funcion de los alabes
guia de la turbina , se conoce a esta seccion como de narices de descarga de la
turbina .
Por Augusto Mejia
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9
-
8/18/2019 manual propulsion
61/71
El
area de descarga de la turbina es
una
parte critica
en
el disefio de esta
secci6n, ya que si es demasiado grande, la turbina no operara con
su maximo
rendimiento y si es muy pequefia, la secci6n de descarga tendnl tendencia a
saturarse de gases en condiciones de maximo empuje, no pudiendo la turbina
extraer toda la energia requerida por
el
motor.
La
construcci6n de esta secci6n ,
es de acero inoxidable en la cubierta, con un diafragma del mismo metal en el
interior
-por
ellado
frontal- y
una
secci6n cilindrica interior.
Las
camaras
conectan
en
su alojamiento frente al diafragma y la secci6n cillndrica sostiene
por medio de tornillos a la cubierta exterior de la turbina
2).
Los alabes guia se
construyen de aleaci6n de acero
0
titanio, segun el motor.
DRJVESHAFT
TO
COMPRESSOR
TUREnNE
BLADE
SHROUD
NOZZLE
GUI E
VANES
IGJr€ I; I .
Po h ~ ,
StlK €; T _ J m i r ~
A:,;ss.J::y
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1
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ii
I
AIR COOLING
MANIFOLD
I
J
1
1
Por, Augusto Mejia
Pagina 60
-
8/18/2019 manual propulsion
62/71
Secci6n
de Turbina
La turbina se considera formada por dos partes principales, una m6vil
rotor
y
otra estacionaria estator semejantes en construcci6n a los componentes del
compresor de
f ujo
axial.
INTERMEDIATE
PRESSURE
TURBINE
SHAFT
, _
ALABE:S GUIA DE
LA
TURB1NA
2 - DISCO
DE .
L A T
UR 61 N
A
NOZZLE
GUIDE
VANES
:,,j :l
I tl; k: : ~ p c o
(Or.i;;.ac ·
r
-
8/18/2019 manual propulsion
63/71
La
turbina toma la energia cinetica de los gases que se expanden al salir de las
camaras de combusti6n , para convertirla en trabajo mecanico y con esto mover
al compresor y a los accesorios del motor.
Las
turbinas proveen la potencia
necesaria adicional para realizar cualquier trabajo que se requiera del motor.
Para impulsar al compresor, se necesitan casi las tres cuartas partes de toda la
energia disponible de los productos de la combusti6n.
La
velocidad de los gases se considera que tienen dos componentes , uno axial y
otro tangencial.
1
\ :
0
-
8/18/2019 manual propulsion
64/71
Funcion
del
stator
a) Acelerar los gases mediante la reducci6n de area entre ellos.
b) Dirigir el flujo de gases para su efecto sobre el rotor.
Tipos de
Turbina
a) Turbinas Impulsoras
b) Turbinas Reactoras Avi6n)
c
Turbinas Impulso-Reactoras
Turbinas
Impulsoras
Son los alabes del rotor, los que causan el cambio en la direcci6n del flujo de la
masa de gas, soportando una fuerza proporcional al cambio efectuado.
J •
EST TORES
/
I
PRESION
DE OESCARGA
DE PI
LA
C M R
DE
COMBUSTION
f
VELOCfDAO
DE
OE5CJ\R ,A DELA
CAMARA
E
C.OMBUSTION
,
I
VELOGI
D D DE S LID
DE LA TURBINA
I
•
PRESION
DE
SAUDA
-
------r--
I
- , . - - - - - - DE LA TURBINA .
I
I
)
V
P ~ € I O N
A l M 0 3 F ~ J l l e . A
I
En 1) el flujo de gas procedente de la camara de combusti6n, tiene alta presi6n
pero relativamente baja velocidad axial.
Los
alabes del estator pOl su secci6n
convergente aceleran la masa de gas.
En (2) para obtener
la
maxima velocidad en este punto, casi se ha tornado toda
la presi6n de la masa de gas. Este punto es el caracteristico de la turbina
Impulsora, la presi6n baja casi a un valor igual al de la atmosterica y el
remanente hace t1uir la masa de aire al rotor, cono y escape.
Por Augusto Mejia
Pagina
63
-
8/18/2019 manual propulsion
65/71
En (3) despues de cruzar la masa de gas la separacion entre estator y rotor,
entra facilmente al alabe del rotor, sufriendo el cambio de direccion que
impulsara la turbina.
En (4) habiendo cruzado la masa de gas al rotor, llegara
al
cono de escape
despues de perder una considerable cantidad de velocidad.
Turbina Reactora
Mientras una aceleracion se experimente en la masa de gas, existe un aumento
en el momento resultante. Esta turbina que con el cambio de momento de la
masa de gas en
el
rotor genera la fuerza que
1
impulsa, se denomina Turbina
Reactora.
ESTATOR
. , En 1) la masa de gas tluye de la
camara de combustion con alta
presion pero relativamente baja
velocidad axial a la entrada del
estator.
n e . : . .?",
P
i
Pr esi on de descarga
de
10 6 mata
d o combus1,ion
En
(2)
la seccion convergente
entre los alabes aumenta
considerablemente la velocidad
de la masa, pero sin extraer
toda
la presion, como ocurre en la
turbina impulsora. Los alabes
del rotor tienen tambien la
seccion convergente , por
1
que
se requiere que los gases Ie
lleguen con presion, para
transformarla en velocidad,
acelerando la masa y creando en
esta forma la fuerza que
hara
girar la turbina.
P2 }
Pr
e
ni6n de
8ulidn
de
l A
tu rb lna
VI ) Ve l oeidad de descar g
a
de I s
eamo.ra de; combu
lI
t i 6n
V
2
) Vel o
cid
ad de .
al
ida do
tu r
bi na
Ya que la perdida de presion en la Turbina Reactora es menor que en la
Impulsora
al
salir del estator, la velocidad de descarga hacia el rotor es tambien
menor. Esta es la diferencia en ambas turbinas, la impulsora requiere de gran
velocidad de descarga procedente del estator para obtener el maximo cambio de
momento, mientras que en la reactora, el cambio de
momenta
se realiza en los
alabes del rotor por la accion de venturi, no requiriendo que el estator descargue
a gran velocidad la masa de gas.
En (3) , igual que en la turbina impulsora, debe recordarse que
el
diagrama
indica el comportamiento de la masa de gas en los componentes fijos del motor.
En (4) la masa de gas al dejar el rotor, solo tiene la presion suficiente para llevar
el gas a1 cono
y
ducto de escape, presion algo superior a la atmosferica.
Pori Augusto
Mejia
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Turbina
Impulso
Reactora
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on BfiJde
TRABJUO DEL
ALA6E
DE
UNA
rURBINA
IMPULSO REAC TORA
Aqui se muestra como cae la presion que recibe el alabe conforme se va al
extremo de el a la raiz mostrando la variacion
en
la descarga del estator para la
seccion del rotor segun sea
el
disefio de reacci6n 0 impulsi6n. Recordando que
para el impulsor se necesita la maxima velocidad dada por el estator mientras
que en la reactora se necesita presi6n para transformarla en velocidad al dejar
el
rotor.
sl
si se hiciera
un
indicaci6n de la velocidad del gas tendria un
desarrollo contrario a la presion.
La raiz trabaja como impulsor
y
el extrema como reactor
y
ambos efectos se
combinan a traves de toda la secci6n y se puede decir que en su longitud la
mitad trabaja como reactor
y
la otra como impulsor.
Por
Augusto Mejia
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