Motores de turbina de gas para aeronaves

Hola a todos! En este artículo quiero hablar sobre cómo funcionan los motores de turbina de gas (GTE). Intentaré hacer de este el lenguaje más simple y comprensible.

ATE GTE se puede dividir en:

• motores turborreactores (motores turborreactores)
• motores turborreactores de doble circuito (motores turborreactores)
• Motores turbohélice
• Motores turborreactores (TVAD)

Además, el motor turborreactor y el motor turborreactor pueden contener un quemador posterior, en cuyo caso serán un motor turborreactor y un motor turborreactor, respectivamente. En este artículo no los consideraremos.

Comencemos con los motores turborreactores.

Motores turborreactores

Este tipo de motor fue creado en la primera mitad del siglo XX y comenzó a tener un uso generalizado a fines de la Segunda Guerra Mundial. El primer avión turborreactor de producción del mundo fue el alemán Me.262. Los motores turborreactores fueron populares hasta los años 60, después de lo cual comenzaron a ser reemplazados por motores turborreactores.


Foto moderna de Me-262 tomada en 2016

El motor turborreactor más simple incluye los siguientes elementos:

• Dispositivo de entrada
• Compresor
• Cámara de combustión
• La turbina
• Boquilla de chorro (en adelante simplemente boquilla)

Podemos decir que este es el mínimo establecido para el funcionamiento normal del motor.

Ahora considere lo que necesita 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 está cambiando y allí todo es completamente diferente.

Un compresor es un dispositivo en el que aumenta la presión del aire. El compresor puede caracterizarse por un valor tal como el grado de aumento de presión. En los motores modernos, ya está comenzando a superar las 40 unidades. Además, la temperatura aumenta (tal vez en algún lugar hasta 400 grados Celsius).

Cámara de combustión: 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 parecerle que la presión de gas en la cámara también aumenta considerablemente, pero esto no es así. Se supone teóricamente que el calor se suministra a presión constante. En realidad, cae un poco debido a las pérdidas (el problema de la construcción imperfecta).

Una turbina es un dispositivo que convierte parte de la energía del gas después de la cámara de combustión en la energía del compresor. Dado que las turbinas se usan no solo en la aviación, se puede dar una definición más general: este es un dispositivo que convierte la energía interna del fluido de trabajo (en nuestro caso, el fluido de trabajo es gas) en trabajo mecánico en el eje. Como puede comprender, la turbina y el compresor están en el mismo eje y están interconectados rígidamente. Si en el compresor hay un aumento en la presión del gas, entonces en la turbina, por el contrario, una disminución, es decir, el gas se expande.

Una boquilla es un canal de estrechamiento en el que la energía potencial del gas se convierte en cinética (la reserva de energía restante del gas después de la turbina). Como en una turbina, la expansión de gas ocurre en la boquilla. Se forma un chorro que, saliendo de la boquilla, mueve el avión.

Con los elementos básicos resueltos. ¿Pero aún no está muy claro cómo funciona? Por otra parte, brevemente.

El aire de la atmósfera ingresa a la entrada, donde se comprime ligeramente y entra al compresor. En el compresor, la presión del aire aumenta aún más y la temperatura aumenta. Después del compresor, el aire ingresa a la cámara de combustión y, al mezclarse allí con combustible, se enciende, lo que conduce a un fuerte aumento de la temperatura, a, se puede decir, 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 la rotación del compresor por la turbina (para que pueda realizar su función descrita anteriormente), otra parte de la energía se gasta en el movimiento del avión que necesitamos, debido al hecho de que el gas que pasa a través de la turbina se convierte en una corriente de chorro en la boquilla y escapa de ella (boquilla) a la atmósfera. Esto completa el ciclo. Por supuesto, en realidad, todos los procesos del ciclo son continuos.

Tal ciclo se llama ciclo de Brighton o ciclo termodinámico con una naturaleza continua del proceso de trabajo y el suministro de calor a presión constante. En este ciclo, todos los motores de turbina de gas funcionan.


Ciclo de Brighton en coordenadas PV

HB - proceso de compresión en el dispositivo de entrada
VK: el proceso de compresión en el compresor
KG - entrada de calor isobárico
GT - proceso de expansión de gas en una turbina
GS - proceso de expansión de gas en la boquilla
CH - eliminación de calor isobárico a la atmósfera


Diseño esquemático de un motor turborreactor, donde 0-0 es el eje del motor.

El motor turborreactor puede tener dos ejes. En este caso, el compresor consiste en un compresor de baja presión (LPC) y un compresor de alta presión (HPC), y la turbina de baja presión (HPH) y la turbina de alta presión (HPD) suministrarán el trabajo, respectivamente. Tal esquema es más ventajoso gasdinámicamente.


Un motor real seccional de este tipo.

Examinamos el principio de funcionamiento del esquema más simple de un motor de turbina de gas de un avión. Naturalmente, los motores de turboventilador se instalan en los motores modernos de Airbus y Boeing, cuyo diseño es mucho más complicado, pero funciona de acuerdo con las mismas leyes. Miremos a ellos.

Bypass motor turborreactor

El motor de turboventilador, en primer lugar, difiere del motor de turboventilador en que tiene dos circuitos: externo e interno. El circuito interno contiene lo mismo que el motor turborreactor: compresor (dividido en bombas de baja presión y alta presión), cámara de combustión, turbina (dividida en bombas de alta presión y alta presión) y boquilla. El circuito externo es un canal, con una boquilla al final. No tiene cámara de combustión ni turbina. Delante de ambos circuitos (inmediatamente después del dispositivo de entrada del motor) hay una etapa de compresor que opera en ambos circuitos.

Sale una imagen no muy clara, ¿verdad? Veamos como funciona.


Diseño esquemático de un motor turborreactor de doble eje y doble circuito

El aire que ingresa al motor, pasando por la primera etapa del compresor de baja presión, se divide en dos flujos. Una parte del aire pasa a lo largo del circuito interno, donde ocurren los mismos procesos que se describieron cuando desmontamos el motor turborreactor. La segunda parte del aire ingresa al circuito externo, recibiendo energía de la primera etapa del interruptor de baja presión (el que funciona en dos circuitos). En el circuito externo, la energía del aire se gasta solo para superar las pérdidas hidráulicas (debido a la fricción). Al final, este aire ingresa a la boquilla del circuito externo, creando una tremenda tracción. 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 del flujo de aire en el circuito externo al flujo de aire en el circuito interno. Este número puede ser mayor o menor que uno. En los motores modernos, este número va más allá del valor de 12 unidades.
Los motores, cuya relación de derivación es más de dos, generalmente se llaman turbofan, y la primera etapa del compresor (la que funciona en ambos circuitos) es un ventilador.


Avión turborreactor Boeing 757-200. En primer plano puedes 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, los motores Rolls Royce RB211 (instalados en L1011, B747, B757, B767), D-18T (An-124), D-36 (Yak-42) se fabrican de acuerdo con dicho esquema


D-18T en el contexto del interior

La principal ventaja de un motor de turboventilador es la capacidad de crear una gran tracción y una buena eficiencia, en comparación con un motor de turboventilador.

Sobre esto, me gustaría terminar con el motor de turboventilador y pasar al siguiente tipo de motor: un motor de turbohélice.

Motores turbohélice

Un motor turbohélice, como un turborreactor, pertenece a los motores de turbina de gas. Y funciona casi como un turborreactor. Un motor turbohélice elemental consta de elementos que ya nos son familiares: un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una boquilla. A ellos se agregan 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 rotar el compresor y rotar el tornillo a través de la caja de engranajes (aquí el tornillo y la caja de engranajes están en el mismo eje que el compresor). El tornillo crea la mayor parte del empuje. El resto, después de la turbina, parte de la energía se dirige hacia la boquilla, formando un empuje de chorro, pero es pequeño, puede representar una décima parte del total. La caja de cambios en este circuito es necesaria para reducir las revoluciones y transmitir el momento, ya que la turbina puede girar a una frecuencia muy alta, por ejemplo, 10,000 revoluciones por minuto, y el tornillo solo necesita 1,500, y el tornillo es bastante pesado.


Diseño esquemático del teatro.

Pero hay otro esquema de motores de turbohélice: con una turbina libre.
Su esencia es que una turbina separada se coloca detrás de una turbina de compresor convencional, que no está conectada mecánicamente a la turbina del compresor. Tal turbina se llama libre. La conexión entre la turbina del compresor y la turbina libre es solo dinámica de gas. Un eje separado va desde una turbina libre sobre la cual se monta una caja de engranajes con un tornillo. Todo lo demás funciona de la misma manera que en el primer caso. La mayoría de los motores modernos funcionan exactamente de esta manera. Una de las ventajas de este esquema es la capacidad de usar el motor en el suelo como una unidad de potencia auxiliar (APU) sin mover la hélice.


Diseño esquemático de un motor de turbina con turbina libre.

Quiero señalar que no es necesario considerar los motores de turbohélice como una reliquia ineficaz del pasado. He escuchado tales declaraciones varias veces, pero son incorrectas.
Un motor turbohélice en algunos casos tiene la mayor eficiencia, por regla general, en aviones con velocidades no muy altas (por ejemplo, a 500 km / h), además, el avión puede tener un tamaño impresionante. En este caso, un motor turbohélice puede ser varias veces más rentable que el motor turborreactor considerado anteriormente.

En esto sobre los motores de turbohélice puede terminar. Poco a poco nos acercamos al concepto de un motor de turboeje.

Motor turbo

La mayoría de los lectores aquí primero deben escuchar ese nombre. Este tipo de motor está montado en helicópteros.

El motor del turboeje es muy similar a un motor turbohélice con una turbina libre. También consta de un compresor, una cámara de combustión, una turbina de compresor, luego viene una turbina libre, conectada con todo lo anterior solo gasdinámicamente. Pero tal motor no crea empuje de chorro, no tiene una boquilla de chorro, solo el escape. Una turbina libre tiene su propio eje, que está conectado a la caja de cambios principal del helicóptero (rotor). Sí, todos los helicópteros que conozco tienen una caja de cambios de este tipo y, por regla general, es de un tamaño impresionante. El hecho es que la velocidad del rotor del helicóptero es muy baja. Si en un avión, como escribí anteriormente, pueden alcanzar las 1.500 rpm, en un helicóptero, por ejemplo, en el Mi-8, solo 193 rpm.
La velocidad del motor de un helicóptero suele ser muy alta (debido al pequeño tamaño), y deben reducirse cien veces o más. Sucede que la caja de cambios está en el motor y en el helicóptero mismo, por ejemplo, el Mi-2 y su motor GTD-350.


Diseño esquemático de un motor de turboeje


El motor TV3-117 del helicóptero Mi-8. El tubo de escape y el eje de transmisión son visibles a la derecha.

Entonces, examinamos cuatro tipos de motores de turbina de gas. Espero que mi texto sea claro y útil para usted. Todas las preguntas y comentarios pueden escribirse en los comentarios.

Gracias por su atencion