¡Hola a todos! En este artículo quiero hablar sobre cómo funcionan los motores de turbina de gas (GTE) de aviación. Intentaré que esto sea lo más simple y comprensible posible.
Los motores de turbina de gas para aviación se pueden dividir en:
- motores turborreactores (TRD)
- motores turborreactores de doble circuito (motores turborreactores)
- Motores turbohélice (TVD)
- Motores turboeje (TVaD)
Además, los motores turborreactores y turbofan pueden contener un postquemador, en cuyo caso serán turbofan y turbofan, respectivamente. No los consideraremos en este artículo.
Empecemos por los motores turborreactores.
Motores turborreactores
Este tipo de motor se creó en la primera mitad del siglo XX y comenzó a generalizarse hacia el final de la Segunda Guerra Mundial. El primer avión turborreactor en serie del mundo fue el alemán Me.20. Los motores turbofan fueron populares hasta los años 262, después de lo cual comenzaron a ser reemplazados por motores turbofan.
Fotografía moderna del Me-262 tomada en 2016
El motor turborreactor más simple incluye los siguientes elementos:
- Dispositivo de entrada
- Compresor
- Cámara de combustión
- Turbina
- Boquilla de chorro (en adelante simplemente boquilla)
Podemos decir que este es el mínimo establecido para el funcionamiento normal del motor.
Ahora veamos qué se necesita, para qué y por qué.
El dispositivo de entrada es un canal en expansión* en el que se suministra aire al compresor y se precomprime. En él, la energía cinética del aire entrante se convierte parcialmente en presión.
*en adelante hablaremos de velocidades subsónicas. A velocidad supersónica, la física cambia y allí todo es completamente diferente.
Un compresor es un dispositivo que aumenta la presión del aire. Un compresor se puede caracterizar por un valor como el grado de aumento de presión. En motores modernos ya se empieza a superar las 40 unidades. Además, la temperatura aumenta (tal vez hasta 400 grados Celsius).
Una cámara de combustión es un dispositivo en el que 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, puede alcanzar los 2000 grados centígrados. Puede que le parezca que la presión del gas en la cámara también aumenta mucho, pero no es así. En teoría, se acepta generalmente que el calor se suministra a presión constante. En realidad, cae ligeramente debido a las pérdidas (el problema del diseño imperfecto).
Una turbina es un dispositivo que convierte parte de la energía del gas después de la cámara de combustión en energía de accionamiento del compresor. Dado que las turbinas se utilizan no solo en la aviación, se puede dar una definición más general: se trata de un dispositivo que convierte la energía interna del fluido de trabajo (en nuestro caso, el fluido de trabajo es gas) en trabajo mecánico sobre el eje. Como puede comprender, la turbina y el compresor están ubicados en el mismo eje y están conectados rígidamente entre sí. Si la presión del gas aumenta en el compresor, en la turbina, por el contrario, disminuye, es decir, el gas se expande.
Una tobera es un canal ahusado en el que la energía potencial del gas se convierte en energía cinética (la reserva restante de energía del gas después de la turbina). Como en una turbina, la expansión del gas se produce en la tobera. Se forma un chorro que, al salir de la boquilla, mueve el avión.
Hemos resuelto los elementos básicos. ¿Pero todavía no está muy claro cómo funciona? Entonces hagámoslo de nuevo y brevemente.
El aire de la atmósfera ingresa al dispositivo de entrada, donde se comprime ligeramente y ingresa al compresor. En el compresor, la presión del aire aumenta aún más y la temperatura también aumenta. Después del compresor, el aire ingresa a la cámara de combustión y, mezclándose allí con el combustible, se enciende, lo que provoca un fuerte aumento de temperatura, a, podría decirse, una presión constante. Después de la cámara de combustión, el gas comprimido caliente ingresa a la turbina. Parte de la energía del gas se gasta en hacer girar el compresor mediante la turbina (para que pueda realizar su función descrita anteriormente), la otra parte de la energía se gasta en el movimiento de la aeronave que necesitamos, debido a que que el gas, al pasar por la turbina, se convierte en una corriente en chorro en la boquilla y escapa de ella (la boquilla) a la atmósfera. Esto completa el ciclo. Por supuesto, en realidad, todos los procesos del ciclo ocurren continuamente.
Este ciclo se denomina ciclo de Brayton, o ciclo termodinámico con un proceso de funcionamiento continuo y aporte de calor a presión constante. Todos los motores de turbina de gas funcionan según este ciclo.
Ciclo de Brayton en coordenadas PV
N-B - proceso de compresión en el dispositivo de entrada
V-K - proceso de compresión en un compresor
K-G - suministro de calor isobárico
G-T - proceso de expansión de gas en una turbina
G-S: el proceso de expansión del gas en la boquilla.
С-Н - eliminación de calor isobárica a la atmósfera
Diseño esquemático de un motor turborreactor, donde 0-0 es el eje del motor.
Un motor turborreactor puede tener dos ejes. En este caso, el compresor consta de un compresor de baja presión (LPC) y un compresor de alta presión (HPC), y el suministro de trabajo se realizará mediante una turbina de baja presión (LPT) y una turbina de alta presión ( HPT), respectivamente. Este esquema es gasdinámicamente más favorable.
Vista en corte de un motor real de este tipo.
Examinamos el principio de funcionamiento del circuito de motor de turbina de gas de avión más simple. Naturalmente, los Airbus y Boeing modernos están equipados con motores turbofan, cuyo diseño es notablemente más complejo, pero todo funciona según las mismas leyes. Mirémoslos.
Circuito dual turborreactor
Un motor turbofan, en primer lugar, se diferencia de un turborreactor en que tiene dos circuitos: externo e interno. El circuito interno contiene lo mismo que un motor turborreactor: un compresor (dividido en LPC y HPC), una cámara de combustión, una turbina (dividida en HPT y LHP) y una boquilla. El contorno exterior es un canal con una boquilla al final. No tiene cámara de combustión ni turbina. Delante de ambos circuitos (inmediatamente después de la entrada del motor) hay una etapa de compresor que opera en ambos circuitos.
No es una imagen muy clara, ¿verdad? Averigüemos cómo funciona.
Diseño esquemático de un motor turborreactor de bypass de doble eje.
El aire que ingresa al motor y pasa por la primera etapa del compresor de baja presión se divide en dos corrientes. Una parte del aire fluye por el circuito interno, donde ocurren los mismos procesos que describimos cuando desmontamos el motor turborreactor. La segunda parte del aire ingresa al circuito externo, recibiendo energía de la primera etapa del LPC (la que opera en dos circuitos). En el circuito externo, la energía del aire se gasta únicamente en superar las pérdidas hidráulicas (debido a la fricción). Al final, este aire ingresa a la boquilla del circuito exterior, creando un enorme empuje. El empuje creado por el circuito externo puede representar el 80% del empuje de todo el motor.
Una de las características más importantes de un motor turbofan es la relación de derivación. La relación de derivación es la relación entre el flujo de aire en el circuito exterior y el flujo de aire en el circuito interior. Este número puede ser mayor o menor que uno. En los motores modernos este número supera las 12 unidades.
Los motores con una relación de derivación superior a dos suelen denominarse motores turbofan y la primera etapa del compresor (la que funciona en ambos circuitos) se denomina ventilador.
Motor turbofan Boeing 757-200. En primer plano se ven el dispositivo de entrada y el ventilador.
En algunos motores, el ventilador es accionado 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, los motores Rolls Royce RB211 (instalados en L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) se fabrican de acuerdo con este diseño.
D-18T en sección desde el interior
La principal ventaja de un motor turbofan es la capacidad de generar un alto empuje y una buena eficiencia en comparación con los motores turborreactores.
Con esto me gustaría terminar con el motor turbofan y pasar al siguiente tipo de motor: el motor turbofan.
Motores turbohélice
Un motor turbohélice, como un turborreactor, es un motor de turbina de gas. Y funciona casi como un turborreactor. Un motor turbohélice básico consta de elementos que ya conocemos: un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una boquilla. Se les añade una caja de cambios y un tornillo.
El principio de funcionamiento es el mismo que el de un turborreactor, con la diferencia de que casi toda la energía del gas se gasta en la turbina para hacer girar el compresor y hacer girar la hélice a través de la caja de cambios (aquí la hélice y la caja de cambios están en el mismo eje que el compresor). La hélice crea la mayor parte del empuje. La parte restante de la energía después de la turbina se dirige a la tobera, formando el empuje del chorro, pero es pequeña, puede llegar a ser una décima parte del total. La caja de cambios en este esquema es necesaria para reducir la velocidad y transmitir el par, ya que la turbina puede girar a una frecuencia muy alta, por ejemplo, 10000 1500 rpm, pero la hélice solo necesita XNUMX XNUMX. Y la hélice es bastante pesada.
Diseño esquemático del teatro.
Pero hay otro diseño para los motores turbohélice: con turbina libre.
Su esencia es que detrás de la turbina del compresor habitual se instala una turbina separada, que no está conectada mecánicamente a la turbina del compresor. Esta turbina se llama libre. La conexión entre la turbina del compresor y la turbina libre es únicamente dinámica de gas. Desde la turbina libre hay un eje separado en el que se instala una caja de cambios con una hélice. Todo lo demás funciona igual que en el primer caso. La mayoría de los motores modernos están diseñados exactamente 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 accionar la hélice.
Diseño esquemático de un motor turbohélice con turbina libre.
Me gustaría señalar que no es necesario considerar los motores turbohélice como una reliquia ineficaz del pasado. He escuchado declaraciones similares varias veces, pero no son ciertas.
En algunos casos, un motor turbohélice tiene la mayor eficiencia, por regla general, en aviones con velocidades no muy altas (por ejemplo, 500 km/h), además, el avión puede tener un tamaño impresionante. En este caso, un motor turbohélice puede resultar muchas veces más rentable que el motor turborreactor comentado anteriormente.
Aquí es donde podemos terminar con los motores turbohélice. Poco a poco nos acercamos al concepto de motor turboeje.
Motor de turboeje
Esta debe ser la primera vez que la mayoría de los lectores aquí escuchan un nombre así. Este tipo de motor se instala en helicópteros.
Un motor de turboeje es muy similar a un motor turbohélice de turbina libre. También consta de un compresor, una cámara de combustión, una turbina compresora, luego hay una turbina libre, conectada a todo lo anterior solo de forma gasdinámica. Pero un motor de este tipo no genera empuje a reacción, no tiene boquilla de chorro, sólo escape. La turbina libre tiene su propio eje, que está conectado a la caja de cambios principal del helicóptero (rotor principal). Sí, todos los helicópteros que conozco tienen una caja de cambios de este tipo y, por regla general, tiene un tamaño impresionante. El caso es que la velocidad del rotor de un helicóptero es muy baja. Si para un avión, como escribí anteriormente, pueden alcanzar las 1500 rpm, entonces para un helicóptero, por ejemplo el Mi-8, solo 193 rpm.
Y la velocidad del motor de un helicóptero suele ser muy alta (debido a su pequeño tamaño) y es necesario reducirla cien veces o más. Sucede que la caja de cambios está instalada tanto en el motor como en el propio helicóptero, por ejemplo, en el Mi-2 y su motor GTD-350.
Diseño esquemático de un motor turboeje.
Motor TV3-117 del helicóptero Mi-8. El tubo de escape y el eje de transmisión son visibles a la derecha.
Entonces, analizamos cuatro tipos de motores de turbina de gas. Espero que mi texto haya sido claro y útil para ti. Puede escribir todas las preguntas y comentarios en los comentarios.
Gracias por su atención.
Fuente: habr.com
