Factores que afectan el funcionamiento de un MCIR Los motores de combustión interna rotativos usados en aviación, a diferencia otros tipos tipos de motores que se encuen encuentran tran estacionar estacionarios ios o en movimiento movimiento lento, lento, se encuentran sometidos a diversas condiciones ambientales, tanto por la altitud a la que la aeronave vuela, como por las condiciones meteorológicas en la zona las cuales modifican sus características de funcionamiento.
Fig – 1 Vista de los motores GEnx-2B67 en un 747 volando en crucero. Su altitud crucero estndar es de 1! "m# donde las condiciones am$ientales de acuerdo acuerdo a la atm%s&era estndar son de -'6() * +.16 atm
ifusor
esperfectos o rugosidades en el interior de la toma de aire provocar!n turbulencia interna, que puede propiciar la p"rdida del compresor.
Compresores
Fenómeno de inestabilidad# $e da en los compresores centrífugos, sucede cuando %a& variaciones en el gasto de aire a unas determinadas R'M, lo que genera variaciones de presión, produciendo un flu(o anormal en el espacio entre
!labes. La variación del gasto &a sea arriba o aba(o del normal provocar! variaciones de presión e inestabilidad. )ntrada en p"rdida# $e da en compresores a*iales, es la falta de continuidad en la compresión & se manifiesta principalmente como pulsaciones que pueden ir acompa+ados de fuerte ruido, incapacidad del motor de acelerar correctamente & deceleración del motor. $e debe al aumento del !ngulo de ataque efectivo en lo !labes del rotor. 'uede aparecer principalmente por el efecto que produce un aumento del !ngulo de ataque por la disminución relativa de la velocidad a*ial respecto de las R'M, o el vuelo en una zona turbulenta.
C!maras de combustión#
)*tinción de llama# 'uede ocurrir a ba(as revoluciones & alturas elevadas, produciendo una atomización pobre & la temperatura en la zona de combustión es ba(a tambi"n ocurre con mezcla rica o temperaturas e*cesivamente altas Inestabilidad# )s un fenómeno de fluctuaciones de presión cu&o origen es desconocido, se debe tener en cuenta en el dise+o de c!maras de combustión Carbonización# La formación de depósitos carbonosos en la superficie interior de la c!mara de combustión puede producir flu(o puslatorio por puntos de concentración m!s calientes
-urbina#
-emperaturas & esfuerzos en los alabes# Los alabes est!n sometidos a grandes esfuerzos que se pueden clasificar como#
e tracción, debido a la fuerza centrífuga.
e fle*ión, ebido a la acción de los gases.
$ecundarios, esfuerzos de fle*ión debido a que los centros de gravedad de los perfiles que forman el alabe no est!n alineados.
dem!s, las altas temperaturas & el r!pido cambio de estas producen esfuerzos en los !labes debidos a las r!pidas dilataciones & contracciones.
)fectos de la altura
La altura tiene diversos efectos en el rendimiento de los varios elementos del motor, %abiendo tanto aumentos como reducciones de rendimiento, así como venta(as & desventa(as. ma&or altura, debido a las condiciones ambiente, e*iste un menor arrastre, lo que propicia una ma&or velocidad de vuelo. )l aumento en la velocidad de vuelo incrementa el rendimiento de la propulsión, adem!s, aumenta la presión din!mica, la presión a la entrada, incrementando la energía mec!nica obtenida en el motor & me(orando el rendimiento global. -ambi"n, la ba(a temperatura del aire a la entrada, %ace que requiera menos energía para la compresión, adem!s que la misma compresión del aire no produce un aumento de temperatura tan grande que pueda afectar al motor. $in embargo, las desventa(as de la altura son la disminución de la densidad del aire & la masa del fluido a trav"s del motor, disminu&endo el empu(e & la energía
comunicada al compresor por la turbina. $i se mantiene el consumo de combustible, al disminuir la densidad del aire aumentar! la temperatura de entrada del gas a la turbina & con ello el rendimiento t"rmico, pero al verse incrementada la velocidad de salida de gases, disminuir! el rendimiento de propulsión.
-emperatura
La temperatura afecta al rendimiento del motor debido a que influ&e en la masa de aire admitida en el motor, de igual forma, sobre los elementos mec!nicos del motor, &a que una temperatura e*cesiva mu& ba(a los puede da+ar. )n la turbina, se tiene especial cuidado en la relación aire combustible que se emplea &a que esta puede producir una temperatura e*cesiva en la turbina que puede da+ar a la turbina, & provoca un decrecimiento en el empu(e.
/umedad
$u efecto es mínimo, pues solo afecta a la densidad del aire en la entrada. )l empu(e no acusa ning0n efecto adverso debido a lluvia, nieve o granizo, sin embargo, debe aumentarse el empu(e con respecto al anterior con que el motor operaba, pues este disminuir! al ser desviado parte del aire al sistema de des%ielo.
1b(etos a(enos al motor
)l impacto de ob(etos a(enos al motor, como lo son piedras u otros materiales contra la toma de aire & las palas de ventilador, la %"lice o los compresores del motor pude da+ar el elemento & afectar el funcionamiento del motor. )sto pude suceder en cualquier etapa del vuelo, aunque siendo principalmente durante el despegue & el aterriza(e.
2asto de ire
)s la cantidad en peso de aire que atraviesa el motor por unidad de tiempo. $e e*presa por lo general en 3g4seg, o en gramos4seg. epende de
la
configuración de las secciones del motor, del rendimiento de los componentes fundamentales, de las R'M & de las condiciones e*teriores de altura & velocidad. )ste aumenta con la velocidad, debido tanto al aumento del flu(o volum"trico & el flu(o m!sico por el aumento en la densidad a la entrada al motor.
Consumo de combustible
umenta con la velocidad, pues varía con el gasto de aire. e igual forma disminu&e con la altura, debido a que disminu&e la densidad del aire, esto me(ora las actuaciones del avión al incrementar la autonomía del avión.
)mpu(e
Las variaciones en las RM' del con(unto compresor5turbina tienen gran efecto en el empu(e, &a que el flu(o m!sico de aire est! en función de las R'M, & estas en función de la cantidad de combustible suministrado. )sto es regulado a trav"s de la unidad de control de combustible, de tal forma que se obtenga el ma&or empu(e pero sin sobrepasar los límites del motor.
Conclusión
)l funcionamiento de los motores rotativos depende de muc%os factores que pueden o no estar relacionados entre sí, & que no necesariamente variar!n en con(unto, de tal forma que son varios los elementos a cuidar para obtener el ma&or rendimiento del motor. Como se mostró, no necesariamente el rendimiento de los elementos del motor incrementa a la par o al mismo tiempo, puede reducirse uno e incrementar otro, sin embargo, la relación con la que lo %acen puede imponer venta(as o desventa(as en el funcionamiento global del motor. dem!s, %a& que tomar en consideración las limitaciones mec!nicas de los elementos del motor & su correcto funcionamiento, que tambi"n influ&e en el rendimiento del motor.
Bibliografía
Martín Cuesta lvarez Motores de reacción, -ecnología & operación de vuelo Madrid, )ditorial 'arafino, 6ta edición, 789:
)steban -erradas Motores de reacción & -urbinas de gas Madrid, Instituto ;acional de -"cnica eron!utica, -omo I, 7867
Límites 1peracionales de los MCIR
El motor a reacción
$e trata de un tipo de motor que descarga un c%orro de fluido a gran velocidad para generar un empu(e. $e comprenden a los motores, en el campo de la aviación, el turborreactor, el turboventilador, turbo%"lice & turboe(e & propfan. $u funcionamiento se basa en la turbina de gas & el ciclo de potencia >ra&ton donde el aire entra a un compresor rotatorio a trav"s de la toma de aire & es comprimido, durante una o m!s etapas sucesivas, una vez a alta presión entra en la c!mara de combustión, donde el combustible es mezclado con el aire comprimido e inflamado, esto aumenta considerablemente la temperatura del gas, el resultado de la combustión sale para e*pandirse a trav"s de la turbina, donde se e*trae energía del gas para mover el compresor, reduciendo tanto la temperatura como la presión del gas, sin embargo estos se mantienen generalmente superiores a los
del ambiente. )l flu(o de gas de salida de la turbina se e*pande a la presión ambiental a trav"s de una tobera de propulsión, produciendo un c%orro a altas velocidades. $i la velocidad de este c%orro de gases supera a la velocidad del avión, entonces %a& un empu(e neto %acia delante. -ambi"n en variaciones del motor a reacción, como lo es el turbo%"lice, o el turboe(e, se pone un poco m!s de "nfasis en la producción de potencia en flec%a, & no tanto en el empu(e. Cada uno de los componentes del motor se puede encontrar operando en condiciones e*tremas, & resulta importante el tener cuidado en que estas condiciones no superen los m!rgenes de seguridad.
Fig 1 - ,as 4 &ases del )iclo Bra*ton * elementos en ue se desarrolla cada &ase en un tur$oreactor
ltitud critica# )s la altitud m!*ima a la que el motor puede operar correctamente, de sobrepasarse, el motor puede sufrir congelamiento interno, &a sea en los elementos mec!nicos por la formación de %ielo derivado de la %umedad en el aire, o por congelación de alguno de los fluidos de operación, como el combustible o aceite, lo que provoca una disminución de potencia mu& notoria, o sufrir! un apagado total.
ensidad del aire# )st! ligada con la altitud de vuelo, la masa de aire consumido por motor es el primer factor en determinar el empu(e producido por el motor, de modo que el empu(e disminu&e. Condiciones que afectan la densidad el aire son# • •
-emperatura ambiente. 'resión atmosf"rica.
•
/umedad del aire.
Las R'M del motor# 'ara cualquier motor, el empu(e aumenta r!pidamente como las R'M aprovec%an la m!*ima velocidad del motor. La masa de aire que penetra en el motor es función principal de las rpm & estas, a su vez, de la cantidad de combustible suministrado. La función de la unidad de control de combustible es regular las R'M & el consumo de combustible de forma que se obtenga una ma&or empu(e cuando ma&ores sean dic%os factores, %asta los valores que no provoquen sobrevelocidad del rotor ni alta temperatura en las turbinas.
ltitud & velocidad de vuelo# l aumentar la altitud, se modifican varios par!metros en el ambiente. )ntre los cuales se encuentra la densidad del aire la cual disminu&e, al igual que la presión atmosf"rica & la temperatura, los cuales pueden tener efectos ben"ficos o per(udiciales en el funcionamiento del motor. 'or e(emplo, una ba(a temperatura aumenta la densidad del aire, sin embargo tambi"n puede propiciar el congelamiento. La ba(a densidad de aire reduce el flu(o m!sico a la entrada del motor, reduciendo el empu(e. ? una ba(a presión a la entrada resulta en un ma&or traba(o del compresor. una gran altura, el avión produce un menor arrastre, lo que deriva en una ma&or velocidad, esto resulta ben"fico puesto que esta velocidad a&uda a tener una ma&or presión a la entrada, sin embargo una e*cesiva velocidad & presión puede da+ar los elementos del motor. La falta de uniformidad en la mezcla puede aparecer a elevadas alturas, & es un fenómeno que naturalmente tiene por origen la carbonización & la inestabilidad en las c!maras de combustión. Cuando se vuela a mac% :.9, en los motores turboe(e & opera a una ba(a eficiencia de propulsión, &a que, en un turboe(e la velocidad de vuelo es mu& alta, por diversos efectos aerodin!micos que se presentan en la %"lice del mismo, implicando un límite en la velocidad del mismo
-emperatura# ?a se mencionó el efecto de una ba(a temperatura en el motor, mientras que una alta temperatura puede llegar a afectar durante la etapa
de compresión, puesto que favorece el incremento e*cesivo de temperatura cuando el aire se comprime. 'or otro lado de no regularse correctamente la mezcla aire combustible de acuerdo a las condiciones de vuelo, se puede producir una temperatura e*cesiva a la entrada de la turbina, lo que puede ocasionar da+o en la misma. -ambi"n en las c!maras de combustión, se debe cuidar no tener una temperatura e*cesiva & mantenerlas en óptimas condiciones.
ceite# ebe encontrarse a una presión & temperatura adecuados, puesto que estos afectan a su viscosidad, & por lo tanto, su capacidad lubricante, como a su capacidad de evacuar el calor resultado de la fricción de los elementos mec!nicos del motor. @na ba(a presión de aceite, le impedir! a este poder llegar a todas las zonas del motor que requieran lubricación, situación que pone en riesgo el correcto funcionamiento del motor.
)lementos mec!nicos del motor# $e debe evitar someter a los elementos del motor a esfuerzos e*cesivos, resultado de la mala operación de los sistemas &a mencionados o en condiciones anormales, puesto que estos pueden llegar a fallar, lo que puede llegar a desembocar en un fallo general del motor.
-abla comparativa entre los MCI & los MCIR Motor de combustión interna alternativo
Motor de combustión interna rotativo
Las principales ventajas de estos motores, que %an motivado su gran desarrollo son#
)ste tipo de motores es ampliamente utilizado en aeron!utica, dado que presenta varias venta(as frente a los motores alternativos#
)l uso de combustibles líquidos, de gran poder calorífico, lo que proporciona elevadas potencias & amplia autonomía.
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)s m!s eficiente en t"rminos de consumo de combustible.
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)s m!s sencillo & tiene menos partes móviles.
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Rendimientos aceptables, aunque raramente sobrepasan el 6:A
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-iene una me(or relación
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mplio campo de potencias, desde :,7 B %asta m!s de D: M lo que permite su empleo en la alimentación de m!quinas manuales peque+as así como grandes motores marinos.
peso4potencia. Requiere menor mantenimiento.
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$u combustión es isom"trica Evolumen constante en los motores de gasolina e isob!rica Epresión constante en motores di"sel & utilizan el ciclo 1tto & ciclo i"sel respectivamente. •
$in embargo, estos motores no est!n e*entos de inconvenientes, entre los que cabe se+alar# )stos motores est!n alimentados en su ma&oría por gasolina o di"sel, dos derivados del petróleo que como sabemos es un recurso no renovable, adem!s de sufrir su precio fluctuaciones de consideración. •
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Los gases de la combustión de estos motores son los principales responsables de la contaminación en las ciudades
La vida 0til es m!s larga.
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$u proceso de combustión es isob!rica Epresión constante con el uso del ciclo (oule5bra&ton. •
$i bien el turborreactor es m!s eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeron!utico & tienen venta(as significativas tales como# Carencia de piezas móviles.
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Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas.
'osibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alco%oles o gases licuados sin modificación alguna. •
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Construcción simple. F!cil disponibilidad de materiales.
