Todo sobre los componentes principales del motor a reacción

¿Alguna vez ha mirado un avión y se ha preguntado qué lo mueve? Motores a reacción son máquinas asombrosas que impulsan a los aviones por el cielo. En este artículo, conoceremos las partes principales de los motores a reacción y cómo trabajan juntas para hacer posible el vuelo.

Los motores a reacción impulsan la aviación moderna

Motores a reacción son potentes máquinas que hacen posible el transporte aéreo moderno. Funcionan aspirando aire, comprimiéndolo, mezclándolo con combustible, quemando la mezcla y expulsando gases calientes para crear empuje. Este empuje hace que el avión avance por el cielo.

Existen varios tipos de motores a reacción. Los principales son:

• Turborreactores (motores sencillos para aviones muy rápidos)
• Turbocompresores (motores con grandes ventiladores que utilizan la mayoría de los aviones de pasajeros)
• Turbopropulsores (motores que impulsan hélices para aviones más pequeños)

Veamos la componentes principales que componen estas increíbles máquinas.

Componentes básicos de un motor a reacción

A. Sistema de admisión de aire

En toma de aire es la parte delantera del motor que aporta el aire necesario para el funcionamiento del motor. Debe:

• Reducir la velocidad del aire entrante
• Dirige este aire suavemente hacia el motor
• Funcionan bien a diferentes velocidades y alturas

Los aviones que vuelan por debajo de la velocidad del sonido (la mayoría de los aviones comerciales) utilizan tomas simples y redondeadas. Los aviones supersónicos (como los cazas de combate) necesitan tomas especiales con piezas móviles para manejar el aire a gran velocidad.

B. Sección del compresor

Después de que el aire entre en el motor, el compresor lo exprime para dejarlo listo para la combustión. El compresor tiene muchas paletas giratorias que empujan el aire a un espacio cada vez más pequeño, aumentando tanto su presión como su temperatura.

Hay dos tipos principales:

• Compresores axiales: Tienen hileras de paletas que empujan el aire hacia atrás (se utilizan en la mayoría de los grandes motores a reacción).
• Compresores radiales: Empuja el aire hacia fuera desde el centro (se utiliza en motores más pequeños)

El compresor también tiene álabes del estator (aspas fijas) entre las aspas giratorias para ayudar a dirigir correctamente el flujo de aire. Los motores modernos suelen tener ambos alta presión y baja presión secciones que giran a diferentes velocidades para un mejor rendimiento.

C. Cámara de combustión (Combustor)

En cámara de combustión es donde se produce la magia. Esta cámara en forma de anillo es donde el combustible se mezcla con el aire comprimido y se quema. Esta combustión genera gases calientes en expansión que impulsan el motor.

La cámara de combustión debe:

• Mezclar completamente el combustible y el aire
• Mantén la llama encendida
• Manejar temperaturas extremas (más de 2.000 °F)
• Proteger el resto del motor del calor

Existen tres tipos principales de cámaras de combustión:

1. Anular: Una sola cámara en forma de anillo (la más común en los motores modernos)
2. Can-annular: Varias cámaras en forma de tubo dispuestas en anillo
3. Flujo inverso: Donde el aire fluye de vuelta hacia el frente antes de quemarse

Las cámaras de combustión modernas utilizan técnicas de refrigeración especiales para evitar que las paredes metálicas se fundan con el intenso calor.

D. Montaje de la turbina

Una vez que el combustible se quema en la cámara de combustión, los gases calientes se precipitan en la cámara de combustión. sección de turbina. La turbina tiene hileras de álabes especiales que giran al paso de los gases calientes. Este movimiento giratorio:

• Acciona el compresor en la parte delantera del motor
• Proporciona energía a los sistemas eléctricos del avión
• Hace girar el ventilador en los motores turbofan

Las turbinas deben soportar temperaturas increíblemente altas. Se fabrican con aleaciones especiales capaces de soportar el calor. Las turbinas modernas tienen diminutos canales de refrigeración dentro de los álabes que bombean aire frío a través de ellos para evitar que se fundan.

La sección de turbina suele tener turbinas de alta presión (HPT) conectado al compresor de alta presión, y turbinas de baja presión (LPT) conectado al ventilador o al compresor de baja presión.

E. Sistema de escape

En sistema de escape maneja los gases calientes después de que pasen por las turbinas. Incluye:

• En cono de escape que ayuda a guiar los gases
• En boquilla que acelera los gases para crear más empuje

Los diferentes tipos de boquillas incluyen:

• Toberas convergentes: Se estrechan para acelerar el escape (se utilizan en la mayoría de los aviones comerciales).
• Boquillas divergentes: Estos se ensanchan para escape supersónico (utilizado en aviones militares)
• Toberas vectoriales de empuje: Pueden cambiar de dirección para ayudar a los aviones a girar rápidamente

Muchos aviones también tienen inversores de empuje que redirigen el escape hacia delante al aterrizar para ayudar a detener el avión más rápidamente. Son dispositivos de seguridad que evitan que el avión se deslice en pistas mojadas o heladas.

F. Sistemas de apoyo

Además de los componentes principales, los motores a reacción necesitan varios sistemas de apoyo para funcionar correctamente:

• Rodamientos y lubricación: Los cojinetes especiales y los sistemas de lubricación mantienen las piezas giratorias en movimiento.
• FADEC (Control digital del motor con plena autoridad): Sistemas informáticos que supervisan y controlan el motor.
• Purga del sistema de aire: Toma aire comprimido del motor para:
• Presurizar la cabina para que la gente pueda respirar a gran altitud
• Calentar las alas para evitar la formación de hielo
• Arrancar el motor
• Enfriar piezas calientes del motor

Estos sistemas de apoyo son fundamentales para un funcionamiento seguro y eficaz del motor.

Variaciones en el diseño de los motores a reacción

No todos los motores a reacción son iguales. Veamos los principales tipos:

Motores turborreactores

Son los motores a reacción más sencillos. Ellos:

• Empuja el aire directamente a través del motor
• Son muy ruidosos
• Funcionan bien a altas velocidades
• Utiliza mucho combustible
• Eran comunes en los primeros aviones a reacción, pero rara vez se utilizan hoy en día, excepto en algunas aplicaciones militares.

Motores turbofán

La mayoría de los aviones modernos utilizan motores turbofán. Tienen un gran ventilador en la parte delantera que:

• Aspira mucho más aire del que puede pasar por el núcleo
• Envía la mayor parte del aire al exterior del motor ("aire de derivación")
• Crea la mayor parte del empuje de forma más eficiente
• Funcionamiento más silencioso que los turborreactores

En relación de derivación (la cantidad de aire que pasa alrededor o a través del núcleo) es muy importante. Los motores modernos, como el GE90 de los Boeing 777 y el Trent XWB de los Airbus A350, tienen altas relaciones de derivación para mejorar la eficiencia del combustible. Este la ingeniería de precisión requiere un mecanizado complejo para crear los intrincados diseños de las aspas del ventilador.

Motores turbohélice

Motores turbohélice utilizan un núcleo de turbina de gas para hacer girar una hélice a través de una caja de engranajes. Ellos:

• Son más eficientes a velocidades medias (300-400 mph)
• Utilizan menos combustible que los motores a reacción puros
• Funcionan bien para aviones regionales y de carga
• Producen menos ruido en el interior de la cabina que los turbofanes

Motores Ramjet/Scramjet

Estos motores no tienen piezas móviles y sólo funcionan a velocidades muy altas:

• Ramjets funcionan entre Mach 3 y Mach 6 (de 3 a 6 veces la velocidad del sonido)
• Scramjets puede funcionar por encima de Mach 6
• Ambos se utilizan principalmente en misiles y aviones experimentales
• No pueden trabajar paradas y necesitan otro motor que las ponga en movimiento rápido primero.

Sistemas avanzados e innovaciones

La tecnología de los motores a reacción sigue mejorando. He aquí algunos avances de vanguardia:

Toberas de vectorización de empuje

Los aviones militares como el F-22 Raptor utilizan vectorización del empuje donde la tobera de escape puede apuntar en diferentes direcciones para:

• Hacer el avión supermaniobrable
• Permiten cambios rápidos de dirección
• Permite despegues y aterrizajes más cortos

Fabricación aditiva

Impresión 3D está cambiando la forma de fabricar las piezas del motor:

• Los complejos canales de refrigeración pueden imprimirse directamente en los álabes de las turbinas
• Piezas que antes se hacían de muchas piezas ahora se pueden imprimir como una sola
• Reduce el peso y mejora el rendimiento
• Permite crear prototipos y probar nuevos diseños con rapidez

Muchos Procesos de mecanizado CNC se siguen utilizando junto con la impresión 3D para crear componentes de precisión para motores.

Compuestos de matriz cerámica (CMC)

Estos materiales increíbles:

• Soporta temperaturas más elevadas que los metales
• Pesan menos que los materiales tradicionales
• Permiten que los motores funcionen más calientes y de forma más eficiente
• Requieren menos aire de refrigeración, lo que mejora el rendimiento

Propulsión híbrida eléctrica

Las empresas están desarrollando motores que combinan:

• Turbinas de gas tradicionales con motores eléctricos
• Baterías para alimentación adicional o de reserva
• Potencial de reducción de emisiones
• Gestión más flexible de la energía

La ciencia de los materiales en los motores a reacción

Las distintas piezas de los motores a reacción necesitan materiales diferentes para afrontar retos específicos:

Aleaciones de titanio

Se utilizan principalmente en la sección de compresores porque:

• Tienen una elevada relación resistencia-peso
• Resiste la corrosión
• Soporta un calor moderado
• Reducir el peso total del motor

Álabes monocristalinos

Los álabes de las turbinas modernas se cultivan como cristales individuales de metal que:

• No tienen límites de grano donde puedan formarse grietas
• Soporta el calor extremo sin deformarse
• Duran mucho más que las cuchillas convencionales
• Permiten que los motores funcionen más calientes y de forma más eficiente

La fabricación avanzada de estos componentes suele requerir Mecanizado en 5 ejes para una precisión perfecta.

Revestimientos de barrera térmica (TBC)

Estos revestimientos cerámicos especiales:

• Proteger las piezas metálicas del calor extremo
• Permiten temperaturas de funcionamiento más elevadas
• Aumenta la vida útil del motor
• Mejorar la eficiencia del combustible

Seguridad y mantenimiento de componentes críticos

Mantener la seguridad de los motores a reacción requiere procedimientos de mantenimiento estrictos:

Resistencia a los choques con aves

Las aspas del ventilador deben poder:

• Soportan los impactos de las aves
• Seguir funcionando después de los daños
• Contener las piezas rotas dentro del cárter del motor.
• Evitar daños en el resto del avión

Control EGT (temperatura de los gases de escape)

Esta medida crítica:

• Indica si el motor está demasiado caliente
• Ayuda a predecir cuándo pueden fallar las piezas
• Orienta los programas de mantenimiento
• Evita fallos catastróficos

Detección de grietas en discos de turbina

Unas técnicas especiales detectan las pequeñas grietas antes de que se vuelvan peligrosas:

• Las pruebas ultrasónicas utilizan ondas sonoras para encontrar defectos ocultos
• El ensayo por líquidos penetrantes hace visibles las grietas más pequeñas
• Los rayos X y la tomografía computarizada observan el interior de las piezas
• Las inspecciones periódicas evitan catástrofes

Casos prácticos de motores a reacción modernos

GE9X: el motor turbofán más grande del mundo

Este enorme motor para el Boeing 777X:

• Tiene un ventilador de 134 pulgadas de diámetro (¡más de 11 pies!)
• Produce 134.300 libras de empuje
• Utiliza aspas de ventilador de compuesto de fibra de carbono
• Consigue una mejora del consumo de combustible de 10% respecto a los motores anteriores
• Boquillas de combustible impresas en 3D para mezclar mejor el combustible.

Rolls-Royce Trent XWB: campeón en eficiencia

Este motor propulsa el Airbus A350:

• Es uno de los grandes turbofanes más eficientes en servicio
• Proporciona 97.000 libras de empuje
• Proporciona 15% mejor eficiencia de combustible que los motores anteriores
• Utiliza avanzadas aspas de ventilador huecas de titanio
• Incorpora un avanzado sistema de compresor con una relación de presión de 50:1

Pratt & Whitney F135: potencia militar

Este motor para el caza F-35 Lightning II:

• Produce más de 43.000 libras de empuje
• Capacidad de despegue corto y aterrizaje vertical
• Incorpora funciones de ocultación para reducir la firma del radar
• Incluye controles digitales avanzados para un rendimiento preciso

Muchos componentes de estos motores avanzados requieren mecanizado de precisión de metales para cumplir las especificaciones exactas.

Preguntas frecuentes sobre componentes de motores a reacción

El futuro de la tecnología de los motores a reacción

La tecnología de los motores a reacción sigue avanzando de forma apasionante:

• Combustión de hidrógeno: Motores que pueden quemar hidrógeno en lugar de combustible de aviación, produciendo sólo agua como escape.
• Combustibles de aviación sostenibles (SAF): Sustitutivos de fuentes renovables para el combustible de aviación convencional
• Diseños de rotor abierto: Motores con aspas de ventilador expuestas que son mucho más eficientes pero tienen problemas de ruido.
• Propulsión distribuida: Múltiples motores más pequeños repartidos por el avión en lugar de unos pocos grandes.
• Materiales avanzados: Nuevos compuestos y cerámicas que permiten temperaturas más altas y un peso más ligero

Resumen

Los motores a reacción son máquinas asombrosas con muchos componentes especializados que funcionan a la perfección. Desde la entrada de aire en la parte delantera hasta el sistema de escape en la parte trasera, cada pieza desempeña un papel fundamental en la creación del empuje que impulsa el vuelo moderno.

Los principales componentes que hemos cubierto incluyen:

1. En toma de aire que capta y dirige el aire hacia el motor
2. En compresor que exprime el aire a alta presión
3. En cámara de combustión donde el combustible se quema con el aire comprimido
4. En turbina que extrae energía de los gases calientes
5. En sistema de escape que acelera los gases para crear empuje
6. Varios sistemas de apoyo que hacen que todo funcione a la perfección

A medida que avanza la tecnología, los motores a reacción siguen siendo más potentes, más eficientes y más respetuosos con el medio ambiente, lo que garantiza que el transporte aéreo seguirá siendo una parte vital de nuestro mundo en las generaciones venideras.