¡Hola a todos! En este artículo quiero hablar sobre cómo funcionan los motores a turbina de gas de aviación (GTDA). Intentaré hacerlo de la manera más simple y comprensible posible.
Los GTDA de aviación se pueden clasificar en:
- motores turbojet (TRD)
- motores turbojet de doble circuito (TRDD)
- motores turbohélice (TVD)
- motores turboválvula (TVaD)
Además, los TRD y TRDD pueden incluir una cámara de postcombustión, en este caso se denominarán TRDF y TRDDF respectivamente. En este artículo no los abordaremos.
Empecemos con los motores turbojet.
Motores turbojet
Este tipo de motores fue creado en la primera mitad del siglo XX y comenzó a encontrar aplicación masiva a finales de la Segunda Guerra Mundial. El primer avión turbojet en serie del mundo fue el alemán Me.262. Los TRD fueron populares hasta la década de 1960, después de lo cual fueron reemplazados por los TRDD.
Fotografía moderna del Me-262, tomada en 2016
El motor turbojet más simple incluye los siguientes elementos:
- Dispositivo de entrada
- Compresor
- Cámara de combustión
- Turbina
- Boquilla de reacción (en adelante simplemente boquilla)
Se puede decir que este es el conjunto mínimo para el funcionamiento normal del motor.
Ahora veamos para qué sirve cada componente y por qué.
El dispositivo de entrada es un canal en expansión donde el aire es conducido al compresor y se comprime preliminarmente. En él, la energía cinética del aire entrante se convierte parcialmente en presión.
* aquí y en adelante hablaremos de velocidades subsónicas. A velocidades supersónicas, la física cambia y todo es completamente diferente.
El compresor es un dispositivo en el que se incrementa la presión del aire. El compresor se puede caracterizar por un valor como el coeficiente de aumento de presión. En motores modernos, ya supera las 40 unidades. Además, en él la temperatura aumenta (puede alcanzar hasta 400 grados Celsius).
La cámara de combustión es un dispositivo donde se suministra calor al aire comprimido (después del compresor) debido a la combustión del combustible. La temperatura en la cámara de combustión es muy alta, pudiendo alcanzar los 2000 grados Celsius. Podría parecer que la presión del gas en la cámara también aumenta considerablemente, pero no es así. Teóricamente, se acepta que el suministro de calor se realiza a presión constante. En la realidad, esta presión disminuye un poco debido a las pérdidas (problemas de diseño imperfecto).
La turbina es un dispositivo que transforma parte de la energía del gas después de la cámara de combustión en energía para accionar el compresor. Dado que las turbinas no solo se utilizan en la aviación, se puede dar una definición más general: es un dispositivo que convierte la energía interna del fluido de trabajo (en nuestro caso, el fluido de trabajo es el gas) en trabajo mecánico en el eje. Como habrás comprendido, la turbina y el compresor están en un mismo eje y están rígidamente conectados entre sí. Si en el compresor hay un aumento de la presión del gas, en la turbina, por el contrario, hay una disminución, es decir, el gas se expande.
El inyector es un canal que se estrecha, donde se produce la conversión de la energía potencial del gas en energía cinética (el remanente de energía del gas después de la turbina). Al igual que en la turbina, en el inyector ocurre la expansión del gas. Se forma un chorro que, al salir del inyector, impulsa el avión.
Hemos comprendido los elementos básicos. Pero, ¿cómo funciona realmente? Entonces, vamos a explicarlo una vez más de manera breve.
El aire de la atmósfera entra en el dispositivo de entrada, donde se comprime un poco y llega al compresor. En el compresor, la presión del aire aumenta aún más, así como la temperatura. Después del compresor, el aire entra en la cámara de combustión y, al mezclarse allí con el combustible, se inflama, lo que provoca un fuerte aumento de la temperatura, manteniendo, se podría decir, una presión casi constante. Después de la cámara de combustión, el gas caliente y comprimido llega a la turbina. Parte de la energía del gas se utiliza para hacer girar el compresor a través de la turbina (para que pueda cumplir su función, como se describió anteriormente), y la otra parte de la energía se utiliza para el movimiento del avión, debido a que el gas, al pasar por la turbina, se convierte en un chorro de reacción en la tobera y sale de ella (la tobera) a la atmósfera. Así termina el ciclo. Por supuesto, en la realidad, todos los procesos del ciclo ocurren de manera continua.
Este ciclo se llama ciclo Brayton, o ciclo termodinámico de carácter continuo del proceso de trabajo y entrada de calor a presión constante. Todos los motores de turbina de gas funcionan según este ciclo.
Ciclo Brayton en coordenadas P-V
H-V — proceso de compresión en el dispositivo de entrada
V-K — proceso de compresión en el compresor
K-G — adición de calor isotérmico
G-T — proceso de expansión del gas en la turbina
G-S — proceso de expansión del gas en la tobera
S-H — disipación de calor isotérmica a la atmósfera
Esquema de la construcción de un motor turbojet, donde 0-0 es el eje del motor
Un TGD puede tener dos ejes. En tal caso, el compresor está compuesto por un compresor de baja presión (CLP) y un compresor de alta presión (CHP), y el trabajo será realizado por la turbina de baja presión (TLP) y la turbina de alta presión (THP) respectivamente. Este esquema es más ventajoso desde el punto de vista de la gasodinamica.
Un motor real de este tipo en sección transversal
Hemos considerado el principio de funcionamiento del esquema más simple de un motor a gas de aviación. Naturalmente, en los modernos "Airbus y Boeing" se instalan TPRD, cuya construcción es notablemente más compleja, pero funciona bajo las mismas leyes. Vamos a examinarlas.
Motor turbojet de doble circuito
El TRDD, ante todo, se diferencia del TRD en que tiene dos circuitos: uno externo y uno interno. El circuito interno contiene lo mismo que el TRD: un compresor (dividido en KND y KVD), una cámara de combustión, una turbina (dividida en TVD y TND) y una boquilla. El circuito externo consiste en un canal, con una boquilla al final. No tiene ni cámara de combustión ni turbina. Delante de ambos circuitos (justo después del dispositivo de entrada del motor) hay un escalón del compresor que trabaja para ambos circuitos.
La imagen no es muy clara, ¿verdad? Vamos a desglosar cómo funciona.
Construcción esquemática de un motor a reacción a dos ejes y dos circuitos.
El aire que entra en el motor, tras pasar por la primera etapa del compresor de baja presión, se divide en dos flujos. Una parte del aire va por el circuito interno, donde se llevan a cabo los mismos procesos que hemos descrito al analizar el TRD. La segunda parte del aire entra en el circuito externo, obteniendo energía de la primera etapa del KND (la que trabaja para ambos circuitos). En el circuito externo, la energía del aire se utiliza solo para superar las pérdidas hidráulicas (debido al roce). Al final, este aire llega a la boquilla del circuito externo, creando una enorme propulsión. La propulsión generada por el circuito externo puede representar el 80% de la propulsión total del motor.
Una de las características más importantes del TRDD es el grado de bicircuito. El grado de bicircuito es la relación entre el caudal de aire en el circuito externo y el caudal de aire en el circuito interno. Este número puede ser mayor o menor que uno. En los motores modernos, este número supera el valor de 12 unidades.
Los motores que tienen un grado de bicircuito mayor que dos se conocen como motores turboventiladores, y la primera etapa del compresor (la que trabaja para ambos circuitos) se denomina ventilador.
TRDD del avión Boeing 757-200. En primer plano se puede ver el dispositivo de entrada y el ventilador.
En algunos motores, el ventilador es impulsado por una turbina separada, que se coloca más cerca de la boquilla del circuito interno. Entonces el motor resulta ser de tres ejes. Por ejemplo, este esquema se utiliza en los motores Rolls Royce RB211 (instalados en L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42).
D-18T en sección desde adentro.
La principal ventaja de los turbopropulsores es la capacidad de generar una gran potencia y una buena eficiencia en comparación con los motores a reacción.
Con esto, quisiera terminar sobre los turbopropulsores y pasar al siguiente tipo de motores: los turboejes.
Motores turbopropulsores
El motor turbopropulsor, al igual que el motor a reacción, pertenece a la categoría de motores de gas. Funciona casi de la misma manera que un motor a reacción. Un motor turbopropulsor elemental consta de los mismos elementos que ya conocemos: compresor, cámara de combustión, turbina y tobera. Se añaden un reductor y una hélice.
El principio de funcionamiento es el mismo que el del motor a reacción, con la diferencia de que prácticamente toda la energía del gas se destina a hacer girar el compresor y la hélice a través del reductor (aquí, la hélice y el reductor están en un mismo eje con el compresor). La hélice genera la mayoría de la potencia. La parte restante de energía después de la turbina se dirige a la tobera, generando empuje reactivo, pero este es bajo, pudiendo representar una décima parte de la potencia total. El reductor en este esquema es necesario para reducir las revoluciones y transferir el par motor, ya que la turbina puede girar a muy alta frecuencia, por ejemplo, 10,000 revoluciones por minuto, mientras que la hélice solo necesita 1,500. Y la hélice es bastante pesada.
Diseño esquemático de un turboeje
Pero también existe otro esquema de motores turbopropulsores: con turbina libre.
La esencia de esto es que detrás de la turbina del compresor se coloca una turbina independiente, que no está mecánicamente conectada a la turbina del compresor. Esta turbina se llama libre. La conexión entre la turbina del compresor y la turbina libre es únicamente gasodinámica. Desde la turbina libre sale un eje separado, al que se conecta un reductor con la hélice. Todo lo demás funciona igual que en el primer caso. La mayoría de los motores modernos se configuran de esta manera. Una de las ventajas de este esquema es la posibilidad de utilizar el motor en tierra como unidad de potencia auxiliar (APU), sin poner en movimiento la hélice.
Diseño esquemático de un motor turboeje con turbina libre
Quiero señalar que no se debe ver a los motores turbopropulsores como un vestigio poco eficiente del pasado. He escuchado varias veces tales afirmaciones, pero son incorrectas.
El motor turbohélice, en algunos casos, tiene la mayor eficiencia energética, generalmente en aviones que no alcanzan velocidades muy altas (por ejemplo, a 500 km/h), y además, el avión puede ser de tamaños considerables. En tal caso, el motor turbohélice puede resultar mucho más rentable que el motor a reacción considerado anteriormente.
Con esto concluimos sobre los motores turbohélice. Poco a poco hemos llegado al concepto de motor turboeje.
Motor turboeje
Es posible que la mayoría de los lectores escuchen por primera vez este nombre. Este tipo de motores se instala en helicópteros.
El motor turboeje es muy similar al motor turbohélice con turbina libre. También consta de un compresor, una cámara de combustión, una turbina de compresor, y luego hay una turbina libre, que está conectada a todo lo anterior solo de manera gasodinámica. Sin embargo, este motor no genera empuje a reacción, no tiene tobera de reacción, solo escape. La turbina libre tiene su propio eje, que se conecta al reductor principal del helicóptero (del rotor principal). Sí, todos los helicópteros que conozco tienen tal reductor, y generalmente es de tamaño considerable. La cuestión es que las revoluciones del rotor principal del helicóptero son muy bajas. Si en el avión, como mencioné anteriormente, pueden alcanzar 1500 revoluciones por minuto, en el helicóptero, por ejemplo, en el Mi-8, solo 193 revoluciones por minuto.
Y las revoluciones del motor en el helicóptero son a menudo muy altas (debido a su pequeño tamaño), y es necesario reducirlas en cien veces o más. A veces, el reductor se encuentra tanto en el motor como en el propio helicóptero, por ejemplo, en el Mi-2 y su motor GTD-350.
Diagrama esquemático del motor turboeje
Motor TV3-117 del helicóptero Mi-8. A la derecha se ven el tubo de escape y el eje de transmisión.
Así que hemos revisado cuatro tipos de motores de turbina de gas. Espero que mi texto haya sido claro y útil para ustedes. Pueden escribir cualquier pregunta o comentario en la sección de comentarios.
Gracias por su atención.
Fuente: habr.com
