ENERGÍA, MAQUINARIA Y MOTORES: EL MOTOR AERONÁUTICO. Un motor aeronáutico o motor de aviación es aquel que se utiliza para la propulsión de aeronaves mediante la generación de una fuerza de empuje. Existen distintos tipos de motores de aviación aunque se dividen en dos clases básicas: motores recíprocos (o de pistón) y a reacción (donde se incluyen las turbinas). Recientemente y gracias al desarrollo de la NASA y otras entidades, se ha comenzado también la producción de motores eléctricos para aeronaves que funcionen con energía solar.
Motor aeronáutico
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Un motor aeronáutico o motor de aviación es aquel que se utiliza para la propulsión de aeronaves mediante la generación de una fuerza de empuje.
Existen distintos tipos de motores de aviación aunque se dividen en dos clases básicas: motores recíprocos (o de pistón) y a reacción (donde se incluyen las turbinas). Recientemente y gracias al desarrollo de la NASA y otras entidades, se ha comenzado también la producción de motores eléctricos para aeronaves que funcionen con energía solar.
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[editar] Motores a pistón
La aviación como la conocemos comenzó gracias a la propulsión de aeronaves mediante motores a pistón, también llamados motores alternativos. A pesar de que existían otros métodos y formas de propulsión, los motores permitieron una propulsión de trabajo constante, operados principalmente por gasolina. Debido a la rudimentaria tecnología de finales del Siglo XIX, puede atribuirse en parte al desarrollo de los motores el que a comienzos del Siglo XX el vuelo propulsado fuera posible. Por ejemplo, el motor que usó el Flyer III de los hermanos Wright hecho con la ayuda del mecánico Charles Taylor, fue un gran éxito debido a su excelente relación peso potencia, ya que era un motor de 170 libras que producía unos 12 CV a 1025 RPM.
[editar] Motor radial
Más tarde, hacia 1925, aparece el motor radial ó en estrella, un motor con cilindros generalmente impares dispuestos en torno a un cigüeñal, de cuatro tiempos, refrigerados por aire. El gran salto de estos motores fue permitir mayor potencia con menos peso, mayor confiabilidad que los motores rotativos y a diferencia de estos tenían un bloque fijo donde se aloja el cigüeñal y se atornillan los cilindros, así que en este caso los cilindros no giraban en torno al cigüeñal como en los motores rotativos; tienen menor complejidad del conjunto en comparación a los motores en línea o en V ya que no necesitan del sistema de refrigeración por líquido ó sus componentes. Sin embargo los motores en línea y en V seguían siendo ampliamente usados y ya no eran las mismas máquinas poco eficientes de principios de siglo.
El primer desarrollo conocido para el motor radial fue a partir de un listado de requerimientos que la Armada Estadounidense publicó para que los distintos inventores y fabricantes de motores, desarrollaran una planta motriz capaz de superar los problemas que presentaban otras formas de propulsión para la época y que favorecían la producción de un motor radial. El resultante de este desarrollo fue el exitoso Curtiss-Wright Whirlwind J-5, y junto a su posterior competencia, la compañía Pratt & Whitney, se convirtieron en los dos mayores fabricantes. Estos motores se produjeron hasta comienzos de la década de los sesentas, cuando fueron desplazados definitivamente por los motores a reacción.
Los motores radiales son los responsables de expandir a la aviación como un sistema de transporte que podría llegar a ser seguro, masivo y eficiente. Los aviones cada vez fueron creciendo en tamaño, peso, capacidad de pasajeros o carga, y complejidad y su aplicación en los años treintas fue el momento clave desde el cual la aviación dejó de ser un campo inseguro, exclusivo y aventurado.
[editar] Motor de cilindros horizontalmente opuestos
Otro sistema emergente casi en paralelo al motor radial pero con una inferencia menor en la industria de la aviación fue el motor de cilindros horizontalmente opuestos (ver disposición del motor. Estos motores son de 4, 6 y excepcionalmente de 8 cilindtros que se ubican en bancadas con pares de cilindros en contraposición. Con cilindradas mucho menores que en los motores radiales, los motores de cilindros opuestos impulsaron la aviación general ya que son relativamente pequeños, livianos y pueden ajustarse en compartimientos de aviones pequeños donde los motores radiales podrían resultar demasiado grandes, pesados o complejos, o resultaban ser aviones muy pequeños y baratos como para albergar una turbina. Estos motores se siguen fabricando hasta la actualidad por diversas compañías generalmente estadounidenses, alemanas, francesas y rusas, y son usados por una amplia gama de aviones ligeros tanto de aviación general, como de aviación militar y comercial. Eventualmente el octanaje ofrecido para operarlos se incrementó hasta la actual medida de 100 a 110 octanos, en la gasolina AvGas 100LL.
[editar] Diferencias entre motores con cilindros en oposición
Tanto los motores horizontalmente opuestos, como el sistema Boxer y la V con apertura de 180º, son tres sistemas distintos de Motores con cilindros en oposición.
Ocasionalmente se confunde el término motores con cilindros en oposición con una de sus variantes, el motor de disposición Boxer usado principalmente en automóviles Porsche. En la disposición Boxer, los pistones que están enfrentándose (dos o tres bancadas de cilindros con pares que se oponen en torno al cigüeñal) se acercan y se alejan del cigüeñal al mismo tiempo que su opuesto, ya que las bielas comparten un mismo muñón perpendicular.
Otra forma de motor con cilindros en oposición es la V de 180º, en la cual los cilindros confrontados comparten la misma posición en el muñón del cigüeñal (como ocurre con los motores en V de 45, 60, 75 o 90º de apertura) y la configuración del orden de encendido se distribuye entre las distintas bancadas. Así en una bancada de cilindros que se oponen, mientras un piston se acerca al cigüeñal el otro se aleja.
En los motores con cilindros horizontalmente opuestos (los que se usan comúnmente en aviación), el orden de encendido se ha distribuido de forma tal que los pistones en oposición no comparten la misma posición en el cigüeñal y todos están a destiempo: en el motor Boxer los pistones se alejan y acercan al tiempo del cigüeñal, y en la V de 180º los pistones confrontados se alejan a medida que el otro se acerca al cigüeñal.
[editar] Codificación de los motores recíprocos
Los motores a pistón, a partir de los motores radiales y generalmente de producción estadounidense, están organizados en letras y números que permiten conocer su disposición, cilindrada y en algunos casos, la referencia del sistema de combustible que los fabricantes ofrecen para estas plantas motrices.
La codificación se encuentra de la siguiente forma:
X-n-g
en el que X es el conjunto de letras, n la cilindrada en pulgadas cúbicas y g la variante específica
Letras (disposición):
- L: En L
- O: Con cilindros opuestos
- R: Radial
- V: En V
En estas cuatro nomenclaturas la variante específica "g" corresponde a información adicional (componentes específicos, uso o no de sobrealimentación, etc.) que se encuentra en el manual de cada motor. Se usó como una clasificación militar de los motores que usaban las aeronaves de dicha aviación, pero con la llegada del jet y otros avances ha caído en desuso y solo es aplicable para motores antiguos que fueron cobijados bajo este sistema.
Letras (características de un motor de cilindros opuestos):
- G: Geared (con caja reductora de engranajes)
- I: Injected (cuenta con sistema de inyección)
- S: Supercharger (con Sobrealimentador)
- O: Opposite (Motor de cilindros horizontalmente opuestos)
- T: Turbo (con turboalimentador)
En los motores de cilindros horizontalmente opuestos la variante específica "g" tiene que ver con información sobre el sistema de combustible que el fabricante ha desarrollado para el motor, lo cual incluye los accesorios que van en el conjunto del motor: acoples, sistema de control de gasolina, tipo de carburador o piezas del sistema de inyección, etc.
Así por ejemplo el motor Pratt & Whitney R-1830-55, es un motor Radial de 1830 pulgadas cúbicas de desplazamiento (1,830 cu. in. = 29,988 cc aprox.) con la variante específica -55.
El Allison V-1710-34 es un motor en V de 1,710 cu. in. (28,000 cc aprox) con la variante específica -34.
El motor Lycoming GTSIO-520M, es un motor de cilindros horizontalmente Opuestos de 520 cu. in. (8,520 cc aprox), con sistema de Inyección de combustible, Turbo Sobrealimentado, con caja reductora de engranajes (Geared); la M quiere decir que todos los componentes del sistema de control de combustible, se rige bajo las partes que tengan la letra M para ese motor.
Si por ejemplo se trata de un Continental O-550G, indica que es un motor de aspiración normal (con carburador), sin ninguna mejora o variante en el sistema de mezcla de combustible o aspiración, y la referencia del sistema de combustible es G.
El motor Lycoming TIO-540AF1B, indica que es un motor turbocargado y con sistema de inyección de 540 cu. in (8850 cc aprox.) con partes del sistema de combustible de diversas características.
Esta codificación puede estar sujeta a las diferentes formas en que los fabricantes presentan sus motores y sólo sirven como referencia en los casos en los que sea aplicable.
[editar] Motor rotativo
Una de las disposiciones de motor más revolucionarias fue el motor rotativo (no confundir con el Motor Wankel), en el cual varios cilindros (junto con el bloque del motor) giraban en torno a un cigüeñal, siendo la disposición precursora del motor radial o de estrella, y ampliamente usada en aviones de la Primera Guerra Mundial. Este motor a diferencia del motor en línea o en V, estaba refrigerado por el aire que chocaba contra los cilindros que giraban, a velocidades constantes de operación, y eran motores de cuatro tiempos. Sin embargo estos motores eran muy poco fiables, debido a que funcionaban a máxima potencia todo el tiempo sin que pudiera controlarse el paso de gasolina (sólo se podían encender o apagar), sus componentes internos no estaban hechos para resistir varias horas de uso, tendían a sobrecalentarse por encima de 350°C, temperatura a la cual varios componentes comienzan a fundirse y perforarse permitiendo fugas de aceite que se inflamaba inmediatamente, provocando el incendio del motor y de la aeronave, un hecho que cobró muchas vidas en la Primera Guerra Mundial, época en la cual no se contaba con paracaídas o trajes ignífugos.
[editar] Motores a reacción
Históricamente han existido tres tipos de empuje por reacción, sin embargo el que tuvo más éxito operativo fue el turborreactor. Los otros dos tipos son el Pulsorreactor desarrollado en Alemania durante la Segunda guerra mundial para impulsar las bombas dirigidas V1 y V2, y el motor Estatorreactor ó Ramjet el cual, requiere que un turborreactor eleve la velocidad de paso de aire a más de 1 Mach (velocidad del sonido) para poder impulsar una gran masa de aire que entra a alta presión y temperatura en combustión con combustible inyectado para llegar a velocidades mucho mayores; actualmente solo se tiene conocimiento del motor Ramjet en el Lockheed SR-71 Blackbird.
Los motores empleados hoy en dia habitualmente en aviación comercial, aviones privados de largo alcance y helicópteros debido a su gran entrega de potencia. Su funcionamiento es relativamente más simple que el de los motores recíprocos, sin embargo lás técnicas de fabricación, componentes y materiales son mucho más complejos ya que están expuestos a elevadas temperaturas y condiciones de operación muy diferentes en cuanto a altitud, rendimiento, y velocidad interna de los mecanismos.
El núcleo de estos motores es una turbina de gas que, mediante la expansión de gases por combustión, produce un chorro de gas que propulsa la aeronave directamente o mueve otros mecanismos que generan el empuje propulsor.
Los turborreactores generalmente se dividen en zonas de componentes principales que van a lo largo del motor, desde la entrada hasta la salida del aire: en la zona de admisión se aloja por lo general una entrada o colector con un compresor de baja compresión y un compresor de alta compresión, en la zona de combustión es donde se inyecta el combustible y se quema en la cámara de combustión mezclado con el aire comprimido de la entrada; esto resulta en una alta entrega de flujo de gases que hace accionar finalmente una turbina (el "corazón" del motor). Por último en la salida se halla la tobera de escape que es la que dirige el flujo de gases producido por la combustión.
Los tipos más comunes de motor a reacción (conocidos simplemente como de turbina, erróneamente) son:
[editar] Turborreactor
También llamado turbojet. Los gases generados por la turbina de gas, al ser expelidos, aportan la mayor parte del empuje del motor.
Fue la primera forma de sistema turborreactor y fue inventado por Frank Whittle, quien conceptualizó esta novedosa forma de propulsión a finales de los años treinta. Al ser rechazado en repetidas ocasiones por el Ministerio del Aire Británico, ya que podría violar el tratado de Versalles que impedía desarrollos aeronáuticos con fines bélicos o militares, Whittle publicó sus teorías en varias revistas científicas, al mismo tiempo que en 1935 funda la compañía Power Jets en la cual se empeña en hacer funcionar su nuevo motor. Irónicamente, el ingeniero alemán Hans von Ohain, inspirado en las publicaciones de Whittle, es el primero en lograr construir un motor a reacción para una aeronave tripulada bajo el patrocinio del Dr. Ernst Heinkel, sin embargo al igual que Whittle, el proyecto fue rechazado por la Luftwaffe por diferentes motivos a pesar de contar con tres prototipos diferentes completamente probados (He-178, He-280, y He-162 Salamander), y la compañía Messerschmitt fue galardonada con la autorización de construir un caza propulsado por un motor a reacción, el célebre Messerschmitt Me-262, el primer avión no experimental y de producción en ser propulsado por turbinas. Terminaría produciendo el motor jet más avanzado de la Segunda Guerra Mundial , el Heinkel He S 011.
Pasada la Segunda Guerra Mundial, la compañía Rolls-Royce lideraba el desarrollo de los turborreactores a mediados de los años cuarentas, y posteriormente las compañías General Electric y Westinghouse se dedicaron a fabricar variantes de dichos motores en Estados Unidos. Pratt & Whitney fue la primera compañía estadounidense en producir un motor completamente nuevo con desarrollo estadounidense, el Pratt & Whitney J-57, galardonado con el premio Collier Trophy como el "Más grande logro de la Aviación en Norte América".
Los turbojet fueron los primeros motores a reacción empleados en la aviación comercial y militar. Presentaban una mayor potencia sin precedentes que permitieron el desarrollo de aviones más grandes que volaran a mayores altitudes y alta velocidad. Gracias a su concepto de turborreacción, son los motores que popularmente se conocen como "motores de propulsión a chorro". Su forma estrecha y alargada a modo de barril o cigarro, permitía perfiles más aerodinámicos y diseños aeronáuticos más eficientes. A diferencia de los motores recíprocos, su potencia no se mide en caballos de fuerza producidos sino en libras de empuje, y la capacidad para producir empuje se ve afectada por altitudes mucho mayores que en los motores de pistón debido a la alta velocidad interna de operación y a la compresión del aire que impulsan.
La gran mayoría de los primeros tipos de turborreactor produce empuje centrífugo, debido a que la compresión del aire se hace mediante la centrifugación del aire que circula al interior del motor.
Hoy en día se encuentran en desuso por su elevada sonoridad y bajo rendimiento de combustible y solo se hallan en aviones antiguos y de tipo militar.
[editar] Turbofan
En el motor turbofan (planta motriz turboventilante) los gases generados por la turbina son empleados mayoritariamente en accionar un ventilador (fan) situado en la parte frontal del sistema que produce la mayor parte del empuje, dejando para el chorro de gases de escape solo una parte del trabajo (aproximadamente el 30%).
Estos motores comenzaron a usar el sistema de flujo axial, que mantiente la corriente de aire comprimido presionada hacia el eje de la turbina, por lo que el aire sale propulsado con mayor velocidad y con menos tendencia a disiparse de la corriente de salida. Esto incrementa notablemente la eficiencia.
Otro gran avance del Turbofan fue la introducción del sistema de doble flujo en el cual, el ventilador frontal es mucho más grande ya que permite que una corriente de aire circule a alta velocidad por las paredes externas del motor, sin ser comprimido o calentado por los componentes internos. Esto permite que este aire se mantenga frío y avance a una velocidad relativamente igual al aire caliente del interior, haciendo que cuando los dos flujos se encuentren en la tobera de escape, formen un torrente que amplifica la magnitud del flujo de salida y a la vez lo convierte en un flujo más estrecho, aumentando la velocidad total del aire de salida. Este tipo de motor tiene una gran entrega de empuje, permitiendo el desarrollo de aviones con capacidad de carga y transporte de pasajeros mucho más grande, y al nivel que conocemos en la actualidad.
Es el motor utilizado por la mayoría de los aviones de reacción modernos por su elevado rendimiento y relativa economía de combustible respecto a un Turbojet.
Normalmente son motores de dos ejes, uno para la turbina de gas y otro para el ventilador. Sin embargo Rolls Royce plc produce motores turbofan de tres ejes, que corresponden a los modelos de la serie Trent.
[editar] Turbohélice
También llamado turboprop. Estos motores no basan su ciclo operativo en la producción de potencia a partir del empuje de los gases que circulan a través de ellos, sino que la potencia que producen se usa para mover una hélice. De manera similar a los turbofan, los gases de la turbina se emplean en su totalidad para mover en este caso una hélice que genera el empuje necesario para propulsar la aeronave.
Esto se logra mediante una caja reductora de engranajes, ya que las velocidades de operación de un Turboprop son superiores a las 10.000 RPM, demasiado rápido para una hélice. Al igual que en la mayoría de motores recíprocos, los motores cuentan con gobernadores que mantienen fija la velocidad de la hélice y regulan el paso de sus palas (constant speed, variable pitch propeller). La potencia de los motores turbohélice se mide en turbocaballos o SHP (shafted horse power)
Presentan una gran economía de funcionamiento relativa a los turbofan, y permiten una potencia operativa intermedia entre los motores recíprocos y las turbinas, por lo que su uso se ve restringido a propulsar aviones con mayor autonomía, velocidad, tamaño y/o rendimiento que los que operan motores a pistón, pero que no llegan a ser tan veloces, grandes y autónomos que los que usan turbinas sin hélice.
Son exitosos al operar aviones de tipo regional que no han de cubrir grandes distancias y también se han convertido en una opción para incrementar la potencia de aviones de pistón. El Lockheed C-130 'Hercules' es un exitoso ejemplo de lo que el motor turbohélice ha constituido para los transportes aéreos medianos o el nuevo Airbus A400M. También se encuentran las versiones en turbohélice que varios fabricantes de aeronaves de aviación general ofrecieron al público como el Cessna 441 Conquest, el Piper PA-42 Cheyenne IIIA, o el Piper PA-46T Malibu; así mismo Beechcraft tiene los bimotores de serie King Air, que lleva algo más de cuatro décadas en producción con distintos modelos. La aplicación del turbohélice también se ha extendido a aviones militares de entrenamiento y/o ataque como el Embraer EMB 314 Super Tucano, el Beechcraft T-34C Mentor o el FMA IA-58 Pucará, en este caso un bimotor.
Existen otros tipos de motores de turbina como el propfan que se encuentran en fase experimental.
[editar] Turboeje
Un motor turboeje (en inglés: turboshaft) es un motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje. Es similar al motor turbohélice pero, a diferencia de éste, no mueve directamente una hélice, sino un eje motor independiente. Normalmente se utiliza como motor de aviación para propulsar helicópteros.
[editar] Otros motores alternativos
Recientemente se han desarrollado algunos motores alternativos de ciclo Diésel realizados en materiales ligeros, a partir del campo en el que se ubican los motores de cilindros horizontalmente opuestos. El motor Diésel ofrece un mayor par motor relativo en bajas revoluciones de operación, dificultad que los motores de gasolina usados en aviación confrontan ya que deben entregar máxima potencia a revoluciones más bajas que en motores de automoción con el fin de incrementar la durabilidad y rentabilidad.
Las compañías que trabajan en su desarrollo se empeñan por producir motores que tengan el económico consumo de combustible del Diésel, con la refrigeración por aire de los motores actuales. También se hace énfasis en reducir las emisiones ya que la tecnología actual de los motores Diésel permite ofrecer motores más amables al medio ambiente que los motores que usan gasolina de 100 octanos, ya que para alcanzar este octanaje tan elevado no puede prescindirse del uso del plomo como se hace en los automóviles. Además el motor Diésel ha probado tener un sistema de reparación que involucra menos componentes (en algunos casos sólo se cambian pasadores de pistón, anillos, y bomba de inyección) y su durabilidad es mucho mayor. Esto ampliaría notablemente las horas TBO (time between overhauls) haciendo que operar aviones con motores recíprocos se convierta en una actividad menos costosa para los propietarios y operadores.
La NASA ha desarrollado motores eléctricos para algunos desarrollos aeroespaciales que incluyen la alimentación energética por medio de energía solar.
[editar] Véase también
- Motor de aeronave
- Motor de combustión interna alternativo
- Ciclo Otto
- Anexo:Lista de motores aeronáuticos
[editar] Enlaces externos
- Web de Aviadvigatel
- Web de General Electric
- Web de Honeywell
- Web de IAE (International Aero Engines)
- Web de Pratt & Whitney
- Web de Rolls Royce
- Web de Rotax Aircraft Engines
- Web de Snecma
- Web de Teledyne Continental Motors
- Web de Textron Lycoming
- Web de Walter Engines
[editar] Evolución
Gracias al Ciclo Otto se inventó el motor de combustión interna, que sería aplicado a la incipiente aeronáutica de finales del siglo XIX. Estos motores, enfriados por agua, generaban potencia por medio de una hélice. La hélice, debido sus dos palas alabeadas, propulsaba la masa de aire circundante, arrastrando al aeroplano hacia adelante, produciendo el vuelo. En 1903, los hermanos Wright lograron realizar el sueño casi imposible de hacer volar un artefacto más denso que el aire.
Los motores se perfeccionaron con el tiempo, logrando aprovechar su potencia para luego ser montados en los primeros aviones de transporte y militares, como los de la Primera Guerra Mundial. Entre los años 1940 y 1950 se crearon los primeros motores a reacción a ser utilizados en los aviones de combate en la Segunda Guerra Mundial.
De los descubrimientos en la física y la mecánica de fluidos, se tomó el Principio de Bernoulli, teorema en el que se fundarían las bases para la invención de los cohetes bélicos y de los motores jet, cuyo principio se basa en leyes físicas como el principio de acción y reacción.
Los últimos aviones de transporte comercial emplearon cuatro motores radiales de 36 cilindros y de 3.500 caballos de fuerza; son ejemplos de ello los Douglas DC-7 y los Constellation Lockheed 1049G. Más tarde, vendría el gran cambio a los motores a reacción, que en un inicio fueron motores Straight Jet, es decir, de flujo de aire directo, (no poseían fan).
La industria del motor de aviación ha dado un gran salto tecnológico; hoy se emplean los motores turbofan en aviones comerciales. Para los aviones de combate se ha mejorado su ‘’performance’’, no emplean el mecanismo del turbofan pero sí el Afterburner es un quemador posterior que aumenta el empuje real de los motores durante una maniobra forzada.
En la aviación moderna se emplean básicamente dos tipos de motores, los de turbofan y los de turbohélice. Si bien, en la aeronáutica también se emplean motores con combustibles sólidos, los montados en aviones, tanto comerciales como militares, emplean combustibles líquidos.
En los aviones de porte pequeño es usual que se utilicen motores de combustión interna que no se basan en el principio de las turbinas de gas sino en el movimiento alternativo de pistones.
[editar] Véase también
[editar] Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Motores de avión. - Página de la NASA sobre motores turbofan
- Página de la NASA sobre motores turbohélice
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