Turbofán

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Motor turbofan utilizado en los B 747.

Los motores de aviación tipo turbofán (adaptación del término en inglés turbofan al español, se puede traducir como turborreactor con soplante,turbosoplante o turboventilador)¹ son una generación de motores a reacción que reemplazó a los turborreactores o turbojet. Caracterizados por disponer un ventilador o fan en la parte frontal del motor, el aire entrante se divide en dos caminos: flujo de aire primario y flujo secundario o flujo derivado (bypass) . El flujo primario penetra al núcleo del motor (compresores y turbinas) y el flujo secundario se deriva a un conducto anular exterior y concéntrico con el núcleo. Los turbofanes tienen varias ventajas respecto a los turboreactores: consumen menos combustible,² lo que los hace más económicos, producen menor contaminación y reducen el ruido ambiental.

El índice de derivación es el cociente de la masa del flujo secundario entre la del primario y es igual al cociente entre las secciones transversales de la entrada a sus respectivos conductos.

Suele interesar mantener índices de derivación altos ya que disminuyen el ruido, la contaminación, el consumo especifico de combustible y aumenta el rendimiento. Sin embargo, aumentar el flujo secundario reduce el empuje especifico a velocidades cercanas o superiores a las del sonido, por lo que para aeronaves militares supersónicas se utilizan motores turbofan de bajo índice de derivación, el turbofan más potente del mundo es el General Electric GE90-115B con 512kn.

Clasificación [editar]

• Turbofan de bajo índice de derivación: Posee entre uno y tres ventiladores en la parte frontal que producen parte del empuje de la aeronave. Su porcentaje de bypass (desviación del flujo secundario de fluído) tiene un valor entre el diez y sesenta y cinco por ciento del flujo primario, que es igual al cociente entre las áreas de paso. Es normal que exista uncarenado a lo largo de todo el conducto del flujo secundario hasta la tobera del motor. En la actualidad se utilizan mucho en aviacion militar y algunas aeronaves comerciales siguen utilizando motores de bajo bypass como el MD-83 que usa el Pratt & Whitney JT8D, y el Fokker 100 con el Rolls-Royce Tay.
• Turbofan de alto índice de derivación: Estos motores representan una generación más moderna; la mayor parte del empuje motor proviene de un único ventilador situado en la parte delantera del motor y movido por un eje conectado a la última etapa de la turbina del motor. Al utilizarse sólo un gran ventilador para producir empuje se origina un menor consumo específico de combustible y un menor ruido.³ Lo que le hace muy útil para velocidades de crucero entre 600 y 900 km/h. Los usan las aeronaves modernas como el Boeing 777 ó elAirbus 380.
• Propfan, unducted fan y turbofan de indice de ultra-elevado de derivacion (ultra high bypass turbofan): Son la generacion de motores turbofan que se está experimentando. El Propfan resulta básicamente una mezcla entre un turbofan y un turbohélice, siendo muy parecido al unducted fan que es un turbofan sin el carenado externo y con mayor indice de derivacion. El turbofan con indice de derivacion ultra-elevado es un proyecto similar con indices de derivacion mayores de 20 lo que permitirá menor consumo específico de combustible y gran reduccion de gases contaminantes.

Componentes [editar]

Diagrama de funcionamiento del turbofan. Sistema de baja presión en verde. Sistema de alta presión en púrpura

• Fan: situado al frente del motor.⁴ Es dónde se inicia la propulsión. Le atraviesa un flujo de aire que se divide en dos corrientes: la primaria y la secundaria o bypass air.⁵ La corriente primaria⁶ entra a través de los compresores a la cámara de combustión.⁷

• Compresores: el flujo de aire primario pasa a través de diversas etapas de compresores que giran en el mismo sentido del fan. Se suelen utilizar compresores de alta y de baja presión en distintos ejes. La función de estos compresores es aumentar de modo significativo la presión y la temperatura del aire.

• Cámara de combustión: una vez realizada la etapa de compresión, el aire sale con una presión treinta veces superior de la que tenía en la entrada y a una temperatura próxima a los 600 °C. Se hace pasar este aire a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se quema la mezcla, alcanzándose una temperatura superior a los 1100 °C.

• Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara, pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar diversos ejes. En los motores de bajo bypass el compresor de baja presión y el fan se mueven mediante un mismo eje; mientras que en los de alto bypass se dispone de un eje para cada componente: fan, compresor de baja presión y compresor de alta presión.

• Escape: una vez el aire caliente ha pasado a través de las turbinas, sale por una tobera por la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse. El peso del aire, combinado con esta aceleración produce parte del empuje total.⁸ En general, un aumento en el bypass trae como consecuencia una menor participación de la tobera de escape en el empuje total del motor.

• Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario.

Sistema Ecológico [editar]

La incorporación de los turboventiladores o turbofan en los aviones modernos es un gran beneficio al mantenimiento del equilibrio ecológico mediante la no contaminación debido que los mismos utilizan como combustible JET A 1, un desarrollo mucho mas ecológico al JP 1 utilizado en los turboreactores. La capacidad de los motores turbofan es mucho mayor utilizando un menor porcentaje de combustible. El compresor, toma un 100% de aire para comprimir dividido en dos partes, un 65% que pasará directamente al sector de carburación y turbinas y un 30% que será comprimido, combinado con el combustible para generar la carburación necesaria eliminando en el escape un 100% de aire caliente que impulsará al avión. Este 100% aire caliente que se expulsa contiene solo un 30% de combustible.

TURBOREACTOR

Turborreactor

Diagrama del funcionamiento de una turbina de gas

El turborreactor (turbojet en inglés), es un tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de ciclo alternativo que tienen un funcionamiento discontinuo (explosiones), tiene un funcionamiento continuo. Consta de las mismas fases que un motor alternativo: admisión, compresión, expansión y escape,el turborreactor más potente del mundo es el Koliesov VD-7MD con 422kn.

Funcionamiento

Ensayo de un motor Pratt & Whitney en la Base Robins de la Fuerza Aérea (Georgia, Estados Unidos)

Turborreactor SNECMA Atar 09C

Para la fase de compresión, se usan compresores axiales o centrífugos que comprimen grandes volúmenes de aire a una presión de entre 4 y 32 atmósferas. Una vez comprimido el aire, se introduce en las cámaras de combustión donde el combustible es quemado en forma continua. El aire a alta presión y alta temperatura (o sea, con más energía que a la entrada) es llevado a la turbina, donde se expande parcialmente para obtener la energía que permite mover el compresor (similar al funcionamiento delturbocompresor que se encuentra en los automóviles). Después el aire pasa por una tobera, en la que es acelerado hasta la presión de salida, proceso que transforma la presión en velocidad.

En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por una parte por la cantidad de movimiento. Al lanzar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. En el caso de los aviones militares, el empuje proviene prácticamente en su totalidad de los gases de escape. En el caso de aviones comerciales (como los Boeing y Airbus), una parte del aire que absorben los alabes es desviado por los costados de la turbina, generando parte del empuje de manera similar a un avión con turbohélice. Hoy en día, estos motores alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.

Comparación con otros motores similares

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta varias ventajas frente a los motores alternativos:

• Es más eficiente en términos de consumo de combustible.
• Es más sencillo y tiene menos partes móviles.
• Tiene una mejor relación peso/potencia.
• Requiere menor mantenimiento.
• La vida útil es más larga.

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeronáutico, comparado a los pulsorreactores tiene desventajas técnicas a la hora de la construcción y del mantenimiento. Los pulsorreactores, a diferencia de los reactores, estatorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless (sin válvula como los tipoLockwood Hiller) y que tienen ventajas significativas tales como:

• Carencia de piezas móviles.
• Relaciones peso/empuje mayores que los reactores.
• Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas.
• Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o gases licuados sin modificación alguna.
• Construcción simple.
• Fácil disponibilidad de materiales.

COHETE ESPACIAL

Un cohete espacial es una máquina que, utilizando un motor de combustión, produce la energía cinética necesaria para la expansión de losgases, que son lanzados a través de un tubo propulsor (llamada propulsión a reacción). Por extensión, el vehículo, generalmente espacial, que presenta motor de propulsión de este tipo es denominado cohete o misil. Normalmente, su objetivo es enviar artefactos (especialmente satélites artificiales y sondas espaciales) o naves espaciales y hombres al espacio (véase atmósfera).

Un cohete está formado por una estructura, un motor de propulsión a reacción y una carga útil. La estructura sirve para proteger los tanques de combustible y oxidante y la carga útil. Se llama también cohete al motor de propulsión en sí mismo.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del motor de cohete se basa en la tercera ley de Newton, la ley de la acción y reacción, que dice que "a toda acción le corresponde una reacción, con la misma intensidad, misma dirección y sentido contrario".

Imaginemos una cámara cerrada donde exista un gas en combustión. La quema del gas producirá presión en todas las direcciones. La cámara no se moverá en ninguna dirección pues las fuerzas en las paredes opuestas de la cámara se anularán.

Si practicáramos una abertura en la cámara, donde los gases puedan escapar, habrá un desequilibrio. La presión ejercida en las paredes laterales opuestas continuará sin producir fuerza, pues la presión de un lado anulará a la del otro. Ya la presión ejercida en la parte superior de la cámara producirá empuje, pues no hay presión en el lado de abajo (donde está la abertura).

Diagrama en corte del coheteSaturno IB

Así, el cohete se desplazará hacia arriba por reacción a la presión ejercida por los gases en combustión en la cámara de combustión del motor. Por esto, este tipo de motor es llamado de propulsión a reacción.

Como en el espacio exterior no hay oxígeno para quemar el combustible, el cohete debe llevar almacenado en tanques no sólo el combustible (carburante), sino también el oxidante (comburente).

La magnitud del empuje producido (expresión que designa la fuerza producida por el motor de cohete) depende de la masa y de la velocidad de los gases expelidos por la abertura. Luego, cuanto mayor sea la temperatura de los gases expelidos, mayor será el empuje. Así, surge el problema de proteger la cámara de combustión y la abertura de las altas temperaturas producidas por la combustión. Una manera ingeniosa de hacer esto es cubrir las paredes del motor con un fino chorro del propio propelente usado por el cohete para formar un aislante térmico y refrigerar el motor.

Tipos de cohete

Astrobee: coheteestadounidense

En cuanto al tipo de combustible usado, existen dos tipos de cohete:

• Cohete de combustible líquido - en que el propelente y el oxidante están almacenados en tanques fuera de la cámara de combustión y son bombeados y mezclados en la cámara donde entran en combustión;
• Cohete de combustible sólido - en que ambos, propelente y oxidante, están ya mezclados en la cámara de combustión en estado sólido.

En cuanto al número de fases, un cohete puede ser:

• Cohete de una fase - en este caso el cohete es "monolítico";
• Cohete de múltiples fases - posee múltiples fases que van entrando en combustión secuencialmente y van siendo descartados cuando el combustible se agota, permitiendo aumentar la capacidad de carga del cohete.

Uso militar [editar]

Misil antiaéreo de fabricación rusa

El cohete constituye un medio capaz de transportar una carga útil a grandes velocidades de un punto a otro. Como arma, un cohete puede transportar unexplosivo (convencional o nuclear) a grandes distancias en un tiempo lo bastante corto como para coger al enemigo por sorpresa. El cohete presenta otras ventajas con respecto a los proyectiles: tiene un radio de acción más grande y su trayectoria puede ser controlada.

Existen cohetes militares (también nombrados misiles) de muy variado tamaño, potencia y radio de acción. Los pequeños pueden ser lanzados directamente por los soldados o desde vehículos en movimiento, y suelen ser utilizados para atacar las aeronaves del enemigo. La capacidad de controlar su vuelo también les permite ser usados para atacar objetivos fijos con bastante precisión.

Los misiles de gran tamaño pueden llegar a tener un radio de acción de miles de kilómetros y se utilizan para bombardear las instalaciones introducidas en territorio enemigo sin necesidad de enviar tropas o aviones. Su gran velocidad también dificulta la intercepción. De especial atención son los misiles balísticos intercontinentales (ICBM en terminología inglesa). Estos cohetes tienen un radio de acción de decenas de miles de kilómetros y siguen una trayectoria balística que los lleva, efectivamente, fuera de la atmósfera terrestre. Armados con explosivos nucleares constituyen un medio de disuasión importante, ya que permiten atacar el corazón de la nación enemiga por muy lejos que esté, sin que ésta disponga de ninguno medio para impedir su llegada.

Uso civil

Fuera del campo militar, el uso más importante de los cohetes es el de lanzar objetos al espacio exterior, normalmente poniéndolos en órbita en torno a la Tierra. Para este objetivo, el cohete es el único medio disponible. Por una parte, son los únicos vehículos capaces de alcanzar la velocidad necesaria para esta aplicación, y de la otra sólo el cohete es capaz de propulsarse en el vacío del espacio. Los otros vehículos necesitan un medio material sobre el que desplazarse, o bien obtienen algún elemento esencial para su funcionamiento del medio.

Sin embargo, el cohete no deja de ser un medio ineficaz de lanzar objetos al espacio. Debido a su propia naturaleza el cohete habrá siempre de ser mucho mayor que el objeto que tiene que transportar, y eso quiere decir que en un lanzamiento la mayor parte de la energía será utilizada para acelerar el propio cohete y no su carga útil. Por ejemplo, un cohete Ariane 5cargado de combustible pesa en torno a 750 toneladas, de las cuales sólo 20 pueden ser efectivamente puestas en órbita. Sin embargo, no existen alternativas en el cohete ni a corto ni a largo plazo para esta aplicación.

Otro uso ligeramente diferente de los cohetes se encuentra en los estudios de microgravedad. Un cohete puede poner un objeto en una trayectoria balística fuera de la atmósfera, donde no será sometido a la fuerza de rozamiento del aire y estará, pues, en una situación de caída libre, equivalente a la ausencia de gravedad para muchos fenómenos físicos.

En razón del creciente desarrollo y la alta tecnología que involucra, no puede dejarse de lado la cohetería vocacional, conocida también como cohetería amateur.

El futuro

Cohete Protón de Rusia

El cohete convencional deberá pasar por algunos avances en los próximos años, aunque aún será el mayor responsable, por mucho tiempo, del envío de astronautas y satélites artificiales al espacio.

La adopción de vehículos reutilizables, como el transbordador espacial, de la NASA, debe ampliarse. Los transbordadores espaciales despegan como un cohete convencional, pero aterrizan como aviones, gracias su aerodinámica especial.

Un motor revolucionario, que puede hacer avanzar la tecnología astronáutica, es el motor Scramjet, capaz de alcanzar velocidades hipersónicas de hasta 15 veces la velocidad del sonido. El motor Scramjet no posee partes móviles, y obtiene la compresión necesaria para la combustión por el aireque entra de frente, impulsado por la propia velocidad del vehículo en el aire. La NASA probó con éxito un motor de este tipo en 2004. El cohete, llamado X-43A, fue llevado a una altitud de 12.000 m por un avión B-52, y lanzado de un cohete Pegasus a una altitud de 33.000 m. Alcanzó la velocidad récord de 11.000 km/h.

Otra posibilidad de adelanto en la tecnología de motores de cohetes es el uso de propulsión nuclear, en que un reactor nuclear calienta un gas produciendo un chorro que se usa para producir empuje. O la idea de construir un cohete en forma de vela, impulsado por la presión de radiación solar, lo que permitiría viajes interplanetarios a distancias mayores.

Principales cohetes, por potencia

Cohete	Carga útil	Situación	Lanzamientos
Saturno V	118 toneladas en órbita baja terrestre	Retirado	1967-1973
Energía	100 toneladas en OBT	Retirado	1987-1988
N-1	75 toneladas en OBT	Proyecto cancelado	1969-1972
Atlas V	29 toneladas en OBT	Activo	2002-Actualmente
Delta IV	25 toneladas en OBT	Activo	2002-Actualmente
Protón M	22 toneladas en OBT	Activo	2001-Actualmente
Ariane 5	21 toneladas en OBT	Activo	1996-Actualmente
H-IIA	15 toneladas en OBT	Activo	2001-Actualmente
Zenit 2	13 toneladas en OBT	Activo	1985-Actualmente