Si recordáis en la primera entrada hablamos del funcionamiento básico de un motor a reacción y de sus partes, así a grandes rasgos. Ahora es tiempo de hablar de los tipos de motor a reacción que existen. AVISO: Una vez que he terminado la entrada, la he releído y creo que me ha salido demasiado larga. ¡¡Pero es que no se puede reducir más!!4 - ¿Cómo se clasifican los motores a reacción?
Los motores a reacción son todos aquellos que funcionan según la ley de acción y reacción. Por lo tanto este nombre engloba tanto a los motores que vemos en los aviones de línea, como a los motores-cohete.
Una clasificación típica es:
- Motores autónomos: son aquellos que no necesitan de una atmósfera para funcionar, porque además de tener depósitos para el combustible, también tienen depósitos de aire. Son los motores cohete. Se usan para naves espaciales, puesto que al no necesitar de una atmósfera, pueden funcionar en el espacio.
En aviación, el avión más famoso en usar este tipo de motor fue el Messerschmitt Me-163 Komet. Tenía una autonomía de unos 6 minutos.
- Motores no autónomos: Son los que no pueden funcionar por sí mismos, puesto que necesitan de una atmósfera para obtener el aire. Son los motores normales y corrientes. Se dividen en:
- Sin grupo compresor-turbina: Estatorreactores y Pulsorreactores. Son los padres del motor a reacción.
- Con grupo compresor-turbina: Turborreactores y Turbofanes.
- Otros: Sistemas mixtos como el Turboestatorreactor.
Vamos a dejar de lado los motores cohete, ya que los que ahora nos interesan son los motores de reacción no autónomos, es decir, los que necesitan una atmósfera.
5.1 - Sin grupo compresor-turbina
Los motores sin grupo compresor-turbina utilizan la elevada velocidad de vuelo para comprimir el aire a través de un conducto de una forma determinada. Os he puesto la variación de velocidad y presión según el número de Mach para un conducto convergente o divergente(el número de mach es igual a tu velocidad partido la del sonido, es decir, expresa a cuantas veces la velocidad del sonido te mueves. Por ejemplo, M=2 significa que vas a dos veces la velocidad del sonido):
Es decir, que para comprimir el aire sólo por la forma de la entrada de aire, ésta ha de ser divergente para M<1,>1. Por eso hay toberas que pueden variar su forma según la velocidad de vuelo (en este caso las toberas lo que buscan es expandir, no comprimir).
- ESTATORREACTOR (ram-jet, scram-jet):
El estatorreactor es el motor de reacción más simple. La elevada velocidad de vuelo comprime el aire a la entrada del motor. Después se mezcla con el combustible y se quema en la cámara de combustión, y luego se expande en la tobera. Al no llevar compresor, no se necesita de ninguna turbina (recordad que la turbina para lo único que sirve es para obtener un trabajo con el cual mover el compresor y elementos auxiliares).
Si el estatorreactor es subsónico, se le conoce como ram-jet, y si es supersónico, se le conoce como scram-jet.
Si el estatorreactor va a funcionar tanto en régimen subsónico como supersónico, es necesario variar la forma del conducto de entrada, para que continúe comprimiendo el aire (de divergente a convergente). Por lo tanto, se coloca a la entrada un "cono de mach", que es móvil, cambiando dicha divergencia/convergencia.
Como ventajas podemos señalar su simplicidad. Como inconvenientes, su bajo rendimiento a velocidades bajas, la elevada temperatura que se alcanza, el consumo de combustible y la necesidad de una velocidad inicial. Si no hay velocidad inicial, el aire no se comprime. Por eso este sistema se puede usar, por ejemplo, en los misiles que montan las aeronaves militares. También es el que monta el experimental x-43 de la nasa.
- PULSORREACTOR:
El pulsorreactor es el otro motor sin grupo compresor-turbina. Funciona de manera similar al estatorreactor, sólo que a la entrada de la camara de combustión hay unas válvulas que se abren, permitiendo la entrada del aire, hasta que en la cámara hay presión suficiente, momento en el que las válvulas se cierran. Tras la inflamación de la mezcla y la expansión en la tobera, las válvulas se abren, permitiendo de nuevo la entrada de aire.
Es decir, es un motor que genera un empuje discontínuo.
Fue el motor usado en las bombas volantes V-1, en la Segunda Guerra Mundial..jpg)
Su elevado consumo y la limitación en la velocidad de vuelo a causa del abrir y cerrar de las válvulas hace que en la actualidad carezca de interés aeronáutico, pero es usado en aeromodelismo. Y bueno, fue bastante útil al final de la segunda guerra mundial. Como anéctoda, el famoso P-51 Mustang, montó experimentalmente dos pulsorreactores en las alas. Cuando la velocidad de vuelo era suficientemente alta, el motor de pistón se paraba y empezaban a funcionar los pulsorreactores.
La velocidad inicial que necesita es menor que la del estatorreactor.
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Los motores con grupo compresor-turbina utilizan el compresor para comprimir el aire, y la turbina para obtener trabajo con el que mover el compresor. También se podría hacer un motor cuyo compresor se moviese a través de un motor eléctrico, y así ahorrarnos la turbina, que es muy cara, pero entonces se requeriría unas baterías muy grandes para generar electricidad. Con la turbina, sin embargo, el avión es autosuficiente (la turbina también mueve un alternador para producir electricidad)
- TURBORREACTOR:
El turborreactor es el motor de reacción básico de la actualidad (esto no quiere decir que sea el más usado). Es el explicado en esta entrada.
Consta de un compresor, que comprime el aire, una o varias cámaras de combustión, en las cuales se inyecta combustible y se quema la mezcla, una turbina, de la cual se obtiene trabajo para mover el compresor al pasar el aire a su través, y una tobera, en la cual se expanden los gases y se aumenta su velocidad, obteniendo empuje.
Las ventajas de éste tipo de motor son su elevada relación de potencia-peso, y un rendimiento aceptable a velocidades comprendidas entre M=0,7 y M=0,9 , que son a las que vuelan los aviones comerciales.
Los primeros aviones en usar el turborreactor (con cierto éxito), fueron, en Alemania el Messerschmitt Me262 (si bien el primero fue el Heinkel He-178), y el Inglaterra el Gloster Meteor. El desarrollo del motor de reacción fue a la par en Alemania y en Inglaterra, y hay una disputa sobre quién se merece el título de "padre del motor de reacción".
- TURBORREACTOR DE DOBLE FLUJO (turbofan):
El turborreactor de doble flujo es un torburreactor en el que el aire que entra se divide en dos flujos:- Uno sufre las transformaciones termodinámicas del turborreactor normal y corriente: atraviesa el compresor, la cámara de combustión, la turbina y la tobera.
- Otro simplemente se comprime, y luego pasa directamente a la tobera.
- El rendimiento motor de un avión de reacción es: η=2Vs/(Ve+Vs), siendo Ve la velocidad de entrada y Vs la velocidad de salida. Según esto, para que el rendimiento sea lo más alto posible (1), Ve≈Vs.
- El empuje que desarrolla un motor de reacción es: E=G(Vs-Ve), siendo G el gasto másico de aire (cuánta masa entra por unidad de tiempo). Según esto, interesa que Vs>Ve, porque si son iguales, el empuje se hace 0.
Obviamente nos interesa un alto empuje y un alto rendimiento, pero según lo dicho, parece que hay que llegar a una solución de compromiso, porque al mejorar uno empeora el otro... Pero fijáos que podemos bajar Vs para aumentar el rendimiento, y obtener empuje a base de aumentar G. Eso es lo que hace el turbofan:
Gracias al fan, el area frontal es mayor, con lo que el gasto de aire (la cantidad de aire que entra al motor) es mayor, aumentando el empuje. Pero hacer todos los componentes tan grandes es un problema de peso serio. Por eso se divide el flujo en dos (así, el resto del motor es de tamaño más reducido). A la salida, el flujo que ha pasado por el motor completo se mezcla con el que ha pasado sólo por el fan. Obviamente tienen velocidades diferentes, y al mezclarse la velocidad global disminuye. Así aumenta el rendimiento. De esta forma, hemos conseguido aumentar el rendimiento y el empuje.
En el fondo, un fan es más como una hélice. Casi no se obtiene empuje del chorro de gases que pasa por el compresor/cámara/turbina, sino que el empuje se obtiene prácticamente todo del fan. El resto del aire sirve, en su mayoría, para mover la turbina y obtener un trabajo con el cual mover el fan, y el compresor.
Como nota adicional, al mezclar los flujos de aire, el impacto sónico con el medio ambiente es menor (menos ruido. Eso es para otra entrada)
Fuentes de ruido
El turbofan es el motor de reacción que más rendimiento da (lo que implica un bajo consumo, y eso significa que es más barato), y unido a su menor ruido de funcionamiento, le hace el motor que se está montando en todos los aviones de línea.
Los sistemas mixtos, como su propio nombre indica, mezclan diferentes sistemas en uno sólo. Estos sistemas mezclados en un sólo motor, pueden funcionar a la vez, o separadamente según las condiciones de vuelo. Éste es el caso del turboestatorreactor.
- TURBOESTATORREACTOR
El turboestatorreactor es un sistema mixto entre estatorreactor y turborreactor.
A bajas velocidades, este sistema propulsivo funciona como un turborreactor convencional: tiene su compresor, su cámara de combustión, su turbina y su tobera.
Sin embargo, a altas velocidades los elementos propios del turborreactor quedan encerrados por compuertas, y el flujo pasa directamente a una cámara de combustión grande, que está en la zona trasera. El conducto hasta llegar allí adopta la forma necesaria para que el aire se comprima antes de quemarse, gracias a un cono de mach. Es decir, funciona como un estatorreactor.
Además, mientras el motor funciona como turborreactor, la cámara de combustión trasera puede usarse para postcombustión.
El sistema tiene las ventajas del turborreactor a bajas velocidades y las del estatorreactor a altas.
Este motor es el que utiliza el archifamosísimo SR-71 Blackbird
No me siento especialmente contento de ella, pero es que a ver quien es el guapo que resume este tema en menos líneas...
Para la próxima entra de "¿Cómo funciona un motor a reacción?", tengo pensado mostraros gráficamente diversos motores de avión. Ya veremos...
Más Información | Diferentes tipos de motores cohete, Me 163 Komet, NASA X-43
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