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José María Rebés

Motores: cómo y por qué impulsan un avión

Topic started
3-1-2013 23:16:23
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Fuerza y reacción en la dirección opuesta, así de simple. Los aviones a reacción se mueven en el aire gracias a una reacción al impulso desarrollado por los motores. Según una Ley enunciada por el físico Isaac Newton, y que parece cumplirse estupendamente en la aeronáutica, a toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria, de tal forma que esas acciones se compensan mutuamente en una dirección lineal. Esta Ley es totalmente original de Newton, no se basa en ningún otro enunciado previo de otros físicos. No es aplicable a fuerzas electromagnéticas, que siguen otras leyes.

Lo que esta Ley nos dice no es que el impulso del motor se compensa con otra fuerza en el propio motor que anule el impulso, si eso fuera así el avión no se movería, sino que debe existir una acción contraria, o sea en el sentido contrario en la misma línea de la fuerza original. A la fuerza ejercida por los motores la acción compensatoria de conservación del "momento lineal" es el avance del avión en el aire (o en tierra cuando está en rodadura).

Así, cualquier sistema que impulse aire hacia atrás puede producir una reacción que haga impulsarse al conjunto en la dirección contraria, pero no cualquier impulso puede mantener al avión en el aire. La sustentación de las alas, el principio por el que un avión se mantiene en vuelo sin caer, requiere de unas determinadas velocidades, es decir, de un determinado flujo de aire expelido hacia una dirección dada (véase http://www.aviationcorner.net/view_topic.asp?topic_id=9938 ). Lo que está claro es que para que un avión avance "hacia delante" el impulso debe realizarse "hacia atrás" (el entrecomillado se refiere a que "delante" y "detrás" lo determinamos nosotros de acuerdo a nuestras intenciones, pero no es algo intrínseco de los objetos). Un motor de hélice o un reactor siguen el mismo principio, pero con resultados apreciablemente diferentes. Pero, mientras que una hélice es algo cuyo funcionamiento se intuye fácilmente, ¿cómo funciona un reactor?

Un reactor es cualquier motor que produzca la salida de un fluido (en los aviones el fluido son gases) a alta velocidad, considerablemente mayor que la conseguida por una hélice. De hecho la implantación de los reactores se debe al límite de eficiencia de las hélices. El límite de las hélices está en el punto en el que sus palas alcanzan la velocidad del sonido, barrera insuperable sin reactores. El diseño básico de un reactor de aviación consta de una toma de aire delantera que envía ese aire a un compresor rotatorio, de manera que el aire alcanza una elevada presión en varias etapas y entra en una cámara de combustión. Allí se mezcla con el combustible, que es inyectado en forma pulverizada, y se inflama, lo que aumenta enormemente la temperatura del gas resultante de esa combinación del aire y el combustible. El aumento de la temperatura produce un aumento de la presión. Ese gas tras la combustión pasa por una turbina, que es la que alimenta la energía del compresor (retroalimentación). El flujo del gas se expande por la diferencia de presión con respecto al aire exterior, al salir del motor hacia atrás a través de la tobera de propulsión. Esa expansión produce un flujo de alta velocidad. Si la velocidad de ese flujo es superior a la velocidad del avión entonces se produce una diferencia neta que se ve compensada por la reacción comentada más arriba, es decir, por un movimiento incrementado del avión hacia delante. Si el motor se detiene entonces no hay impulso a compensar y el avión pierde velocidad por el roce con la atmósfera y por la fuerza de gravedad (en el espacio interestelar no perdería velocidad, allí se encienden los motores solamente en momentos puntuales en los que se necesita alterar la velocidad o cambiar de rumbo).

El compresor de un reactor cumple además una función secundaria muy importante: evita el reflujo del aire hacia delante, hacia la zona de admisión de aire, es decir, evita que el aire no llegue a la cámara de combustión.

Después de esta descripción algo farragosa vamos a ejemplificarlo de otra manera. Pon ante ti un molinillo de esos que se mueven con el viento y sopla, con la boca lo más abierta que puedas. Difícilmente moverás las palas del molinillo. Ahora cierra tus labios y sopla fuertemente a través de una pequeña apertura, como silbando. El resultado es bien diferente ¿verdad? En el primer caso el flujo de aire supone una fuerza muy pequeña, cuya reacción, pequeña también, no será suficiente para poner las palas del molinillo en marcha. De la segunda manera está creando una cámara interna en tu boca con una presión superior a la circundante (se inflan tus carrillos por la presión) y dejas salir ese aire con esa presión elevada. Ese es el principio simple del reactor, cómo comprimir aire y cómo utilizar ese aire comprimido para producir, además, una energía más elevada que la simple de la presión del aire comprimido, al activar una combustión del aire en presencia del combustible, momento en el que la presión aumenta de forma sustancial.

Otro ejemplo simple es el llenado de un globo de aire (que tendrá una presión superior a la exterior) y la apertura de la válvula de cierre. El principio es el mismo que el del soplado, aunque no tiene la alimentación continua del recinto presurizado como en el caso del ser humano, que desde los pulmones suministra el flujo de aire. Si dejas caer de tus manos el globo mientras expele el aire puedes hacerlo volar por el principio de acción y reacción.

Bien, sigamos con los motores de aviación. La diferencia entre hélice y reactor es evidente: la hélice mueve una masa de aire muy grande para producir un flujo de aire (no de gases) pequeño, mientras que el reactor mueve una masa de aire menor pero produce un flujo de gases mucho más intenso, continuado y veloz.

Enumero, para resumir, los componentes de un reactor actual:

- Toma de aire.
- Compresor (ventilador) de varias etapas.
- Eje (transmisión de energía de la turbina al compresor, ya mencionado más arriba).
- Cámara de combustión.
- Turbina (es como un extractor que saca los gases de la cámara de combustión). La energía generada en la turbina sirve además a varios propósitos, siendo el de mover el compresor uno de ellos.
- En aviones militares: postcombustor. Los gases de salida son de nuevo quemados para incrementar su temperatura y con ello su presión.
- Tobera (zona de salida de los gase al exterior).

"Un Boeing 747-400 de la British Airways, con registro G-BNLK, que realizaba un vuelo de posicionamiento entre Cardiff y Londres Heathrow, sufrió una pérdida de compresión del motor número 2 mientras ascendía, obligando a la tripulación a para el ascenso a FL140. La tripulación decidió continuar el vuelo y el avión aterrizó sin más incidentes en Heathrow 40 minutos después de la salida". La noticia es del 26 de Febrero de este año 2013.

Los reactores pueden sufrir varios tipos diferentes de malfuncionamiento: la caída de la compresión, el sobre-empuje, la combustión externa al motor, la ausencia de combustión, el fuego (combustión no controlada), la ingesta de aves, la parada abrupta de la turbina, deficiencia en el suministro de combustible, la imposibilidad de apagarlo, la imposibilidad de arrancarlo y las vibraciones excesivas. Y seguramente me dejo en el tintero algún malfuncionamiento más.

Todo ello son problemas debidos a la alteración del funcionamiento de alguna de las partes del motor. Por ejemplo, las caídas en la compresión se pueden deber a una mala introducción del aire en la zona de compresión por fallos en la toma de aire, pero también a la pérdida de alimentación energética del compresor desde la turbina. Un fallo de alimentación de combustible puede detener el motor o hacerlo funcionar en oleadas, según sea el fallo de alimentación. Ese mismo fallo intermitente puede producir vibraciones o combustiones externas, si se inyecta demasiado combustible y la mezcla no combustiona en la cámara totalmente, sino que lo hace parcialmente fuera de ella. También puede producirse un retroceso del flujo que haga que la combustión se produzca por delante del motor.

El incidente comentado más arriba de un B747 de la BA es el de la pérdida de compresión, algo particularmente importante durante el despegue, la fase en la que, de producirse, es en la que probablemente se pueda producir. Aunque muy raro en la práctica, no es por ello solo un malfuncionamiento solo teórico, sino que se puede producir en la realidad. En estos casos se puede oír un estallido, a veces confundido con el de un neumático, acompañado por una vibración. Si este estallido se produce antes de V1 es más que probable que la tripulación detenga el despegue con la seguridad de que ha estallado un neumático, cuando en realidad se ha tratado de un estallido de la mezcla gaseosa de aire y combustible. Tal y como se explica en el artículo mencionado más arriba acerca de las velocidades al despegue es de vital importancia que el despegue continúe a partir de V1, aunque se oiga un estallido de este tipo.

Este problema se deriva de un fallo en la estabilidad del ciclo del reactor (básicamente son: admisión, combustión, expulsión) y se puede deber a un buen montón de causas. Los estallidos, debidos a una expulsión anormalmente brusca y rápida de los gases, pueden ir acompañados de una post-combustión, debida a las altas temperaturas de la mezcla. Una vez en vuelo la razón de los fallos de compresión puede desaparecer (podría aparecer solamente a las altas exigencias del despegue) por lo que el vuelo podría desarrollarse sin inconvenientes.

La ausencia de combustión implica, obviamente, la caída total del rendimiento del motor, que se convierte poco más o menos en un ventilador muy caro. Una de las causas más comentadas hace algunos años es la ingesta de cenizas volcánicas por el motor, cenizas que pueden, al menos en teoría, impedir que se produzca la combustión. La mayoría de las paradas de combustión se producen en crucero, raramente al despegue o al aterrizaje.

El sobre-empuje se produce cuando un motor continúa en alto rendimiento a pesar de que se le transmite la orden de disminuir su régimen, sus revoluciones y la potencia de salida, en definitiva. Es como si levantaras el pie del acelerador de tu automóvil y éste siguiera acelerando a tope. La solución es bien simple: apagar el motor. Este tipo de problemas se detecta, obviamente, en fases que no son la de despegue. El pagado de un motor no es un problema de seguridad grave para un avión en una fase de vuelo de crucero o de descenso.

La ingesta de aves puede producir todo tipo de daños internos en el motor, siendo en al mayoría de los casos relativamente menores y no impidiendo el funcionamiento del motor, total o parcialmente. Los daños más probables son los de la zona de admisión de aire (las palas del ventilador de entrada), pero pueden producir otros daños internos que incluso signifiquen la parada total del motor, como en el caso del US Airways que aterrizó en el río Hudson, véase http://www.aviationcorner.net/view_topic.asp?topic_id=9986 ).

Bien, creo que por hoy ya me he extendido lo suficiente, ¡espero no haber sobrepasado vuestra paciencia!

Saludos,

José María

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Modificado el 01/03/2013 23:27:59

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