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¿Qué es la aeronáutica?
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Motores ¿Cómo funciona un motor a reacción? ¿Qué es el empuje? Partes de un motor a reacción El primer motor a reacción – Una breve historia de los primeros motores Tipos de motores a reacción Turborreactores Turbopropulsores Turbofanes Turboejes Ramjets Motores

¿Cómo funciona un motor a reacción?

Los motores a reacción mueven el avión hacia delante con una gran fuerza que se produce por un tremendo empuje y hace que el avión vuele muy rápido.

Todos los motores a reacción, que también se llaman turbinas de gas, funcionan según el mismo principio. El motor aspira aire por la parte delantera con un ventilador. Un compresor eleva la presión del aire. El compresor está formado por muchas palas unidas a un eje. Las aspas giran a gran velocidad y comprimen o exprimen el aire. A continuación, el aire comprimido se rocía con combustible y una chispa eléctrica enciende la mezcla. Los gases ardientes se expanden y salen disparados por la tobera, en la parte trasera del motor. A medida que los chorros de gas salen disparados hacia atrás, el motor y el avión son empujados hacia delante. Mientras el aire caliente se dirige a la tobera, pasa por otro grupo de palas llamado turbina. La turbina está unida al mismo eje que el compresor. El giro de la turbina hace que el compresor gire.

La imagen de abajo muestra cómo fluye el aire a través del motor. El aire pasa a través del núcleo del motor, así como alrededor del núcleo. Esto hace que una parte del aire esté muy caliente y otra más fría. El aire más frío se mezcla con el aire caliente en la zona de salida del motor.

Esta es una imagen de cómo fluye el aire a través de un motor

¿Qué es el empuje?

El empuje es la fuerza de avance que empuja el motor y, por tanto, el avión hacia delante. Sir Isaac Newton descubrió que para «toda acción hay una reacción igual y opuesta». Un motor utiliza este principio. El motor toma un gran volumen de aire. El aire se calienta, se comprime y se frena. El aire es forzado a pasar por muchas aspas que giran. Al mezclar este aire con el combustible para aviones, la temperatura del aire puede alcanzar los tres mil grados. La fuerza del aire se utiliza para hacer girar la turbina. Finalmente, cuando el aire sale, se empuja hacia atrás fuera del motor. Esto hace que el avión se mueva hacia adelante.

Partes de un motor a reacción

Ventilador – El ventilador es el primer componente de un turbofan. El gran ventilador giratorio aspira grandes cantidades de aire. La mayoría de las aspas del ventilador están hechas de titanio. A continuación, acelera este aire y lo divide en dos partes. Una parte continúa a través del «núcleo» o centro del motor, donde actúa sobre los demás componentes del motor.

La segunda parte «evita» el núcleo del motor. Pasa por un conducto que rodea el núcleo hasta la parte trasera del motor, donde produce gran parte de la fuerza que impulsa el avión hacia delante. Este aire más frío ayuda a silenciar el motor, además de añadirle empuje.

Compresor – El compresor es el primer componente del núcleo del motor. El compresor está formado por ventiladores con muchas aspas y unidos a un eje. El compresor exprime el aire que entra en él en áreas progresivamente más pequeñas, lo que resulta en un aumento de la presión del aire. El resultado es un aumento del potencial energético del aire. El aire aplastado es forzado a entrar en la cámara de combustión.

Combustión – En la cámara de combustión el aire se mezcla con el combustible y luego se enciende. Hay hasta 20 boquillas para rociar el combustible en la corriente de aire. La mezcla de aire y combustible se incendia. Esto proporciona un flujo de aire de alta temperatura y alta energía. El combustible se quema con el oxígeno del aire comprimido, produciendo gases calientes en expansión. El interior de la cámara de combustión suele estar hecho de materiales cerámicos para proporcionar una cámara resistente al calor. El calor puede alcanzar los 2700°.

Turbina – El flujo de aire de alta energía que sale de la cámara de combustión entra en la turbina, haciendo girar los álabes de la misma. Las turbinas están unidas por un eje para hacer girar los álabes en el compresor y para hacer girar el ventilador de admisión en la parte delantera. Esta rotación toma parte de la energía del flujo de alta energía que se utiliza para impulsar el ventilador y el compresor. Los gases producidos en la cámara de combustión se mueven a través de la turbina y hacen girar sus aspas. Las turbinas del reactor giran miles de veces. Están fijadas en ejes que tienen varios juegos de rodamientos entre ellas.

Tobera – La tobera es el conducto de escape del motor. Es la parte del motor que realmente produce el empuje para el avión. El flujo de aire agotado de energía que pasó por la turbina, además del aire más frío que pasó por el núcleo del motor, produce una fuerza al salir de la tobera que actúa para propulsar el motor, y por lo tanto el avión, hacia adelante. La combinación del aire caliente y el aire frío son expulsados y producen un escape, que provoca un empuje hacia delante. La tobera puede ir precedida de un mezclador, que combina el aire a alta temperatura procedente del núcleo del motor con el aire a baja temperatura que se ha desviado en el ventilador. El mezclador ayuda a que el motor sea más silencioso.

El primer motor a reacción – Una breve historia de los primeros motores

Sir Isaac Newton, en el siglo XVIII, fue el primero en teorizar que una explosión canalizada hacia atrás podía propulsar una máquina hacia delante a gran velocidad. Esta teoría se basaba en su tercera ley del movimiento. A medida que el aire caliente estalla hacia atrás a través de la boquilla, el avión se mueve hacia adelante.

Henri Giffard construyó un dirigible que fue impulsado por el primer motor de avión, una máquina de vapor de tres caballos de potencia. Era muy pesado, demasiado para volar.

En 1874, Félix de Temple, construyó un monoplano que volaba a un corto salto por una colina con la ayuda de un motor de vapor alimentado con carbón.

Otto Daimler, a finales de 1800 inventó el primer motor de gasolina.

En 1894, el estadounidense Hiram Maxim intentó impulsar su biplano triple con dos motores de vapor alimentados con carbón. Sólo voló durante unos segundos.

Las primeras máquinas de vapor funcionaban con carbón calentado y, por lo general, eran demasiado pesadas para volar.

El estadounidense Samuel Langley hizo un modelo de avión que funcionaba con motores de vapor. En 1896, consiguió hacer volar un avión no tripulado con motor de vapor, llamado Aerodrome. Voló alrededor de 1 milla antes de quedarse sin vapor. A continuación, intentó construir un avión de tamaño normal, el Aerodrome A, con un motor de gas. En 1903, se estrelló inmediatamente después de ser lanzado desde una casa-barco.

En 1903, los hermanos Wright volaron, The Flyer, con un motor de gas de 12 caballos de potencia.

Desde 1903, el año del primer vuelo de los hermanos Wright, hasta finales de la década de 1930, el motor de combustión interna alternativo de gas con una hélice fue el único medio utilizado para propulsar aviones.

Fue Frank Whittle, un piloto británico, quien diseñó y patentó el primer motor turborreactor en 1930. El motor Whittle voló por primera vez con éxito en mayo de 1941. Este motor contaba con un compresor de varias etapas y una cámara de combustión, una turbina de una etapa y una tobera.

Al mismo tiempo que Whittle trabajaba en Inglaterra, Hans von Ohain estaba trabajando en un diseño similar en Alemania. El primer avión que utilizó con éxito un motor de turbina de gas fue el Heinkel He 178 alemán, en agosto de 1939. Fue el primer vuelo con motor turborreactor del mundo.

General Electric construyó el primer motor a reacción estadounidense para el avión a reacción de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Era el avión experimental XP-59A que voló por primera vez en octubre de 1942.

Tipos de motores a reacción

Turborreactores

La idea básica del motor a reacción es sencilla. El aire que se toma por una abertura en la parte delantera del motor se comprime en el compresor a una presión entre 3 y 12 veces superior a la original. Se añade combustible al aire y se quema en una cámara de combustión para elevar la temperatura de la mezcla fluida hasta unos 1.100 °F a 1.300 °F. El aire caliente resultante pasa por una turbina, que acciona el compresor. Si la turbina y el compresor son eficientes, la presión en la descarga de la turbina será casi el doble de la presión atmosférica, y este exceso de presión se envía a la tobera para producir una corriente de gas de alta velocidad que produce un empuje. Se puede obtener un aumento sustancial del empuje empleando un postcombustión. Se trata de una segunda cámara de combustión situada después de la turbina y antes de la tobera. El postcombustión aumenta la temperatura del gas antes de la tobera. El resultado de este aumento de la temperatura es un incremento de aproximadamente el 40% del empuje en el despegue y un porcentaje mucho mayor a altas velocidades una vez que el avión está en el aire.

El motor turborreactor es un motor de reacción. En un motor de reacción, los gases en expansión empujan con fuerza la parte delantera del motor. El turborreactor aspira el aire y lo comprime o aprieta. Los gases fluyen por la turbina y la hacen girar. Estos gases rebotan y salen disparados por la parte trasera del escape, empujando el avión hacia delante.

Turbopropulsores

Un motor turborreactor es un motor a reacción unido a una hélice. La turbina situada en la parte trasera gira gracias a los gases calientes, y ésta hace girar un eje que acciona la hélice. Algunos aviones pequeños y de transporte están propulsados por turbohélices.

Al igual que el turborreactor, el motor turbohélice consta de un compresor, una cámara de combustión y una turbina; la presión del aire y de los gases se utiliza para hacer funcionar la turbina, que a su vez genera energía para impulsar el compresor. En comparación con un motor turborreactor, el turbohélice tiene una mayor eficacia de propulsión a velocidades de vuelo inferiores a unos 800 kilómetros por hora. Los motores turbopropulsores modernos están equipados con hélices de menor diámetro pero con un mayor número de palas para un funcionamiento eficaz a velocidades de vuelo mucho mayores. Para adaptarse a las mayores velocidades de vuelo, las palas tienen forma de cimitarra con bordes de ataque barridos hacia atrás en las puntas de las palas. Los motores con este tipo de hélices se denominan propulsores.

Imagen de un motor turbofán

Turbofanes

Un motor turbofán tiene un gran ventilador en la parte delantera, que aspira el aire. La mayor parte del aire fluye alrededor del exterior del motor, lo que lo hace más silencioso y proporciona más empuje a bajas velocidades. La mayoría de los aviones actuales están propulsados por turbofanes. En un turborreactor, todo el aire que entra en la admisión pasa por el generador de gas, que está compuesto por el compresor, la cámara de combustión y la turbina. En un motor turbofán, sólo una parte del aire entrante pasa a la cámara de combustión. El resto pasa a través de un ventilador, o compresor de baja presión, y se expulsa directamente como un chorro «frío» o se mezcla con el escape del generador de gas para producir un chorro «caliente». El objetivo de este tipo de sistema de derivación es aumentar el empuje sin aumentar el consumo de combustible. Lo consigue aumentando el flujo total de masa de aire y reduciendo la velocidad dentro del mismo suministro total de energía.

Imagen del motor turbofán

Turboejes

Esta es otra forma de motor de turbina de gas que funciona de forma muy parecida a un sistema turbohélice. No impulsa una hélice. En su lugar, proporciona energía para el rotor de un helicóptero. El motor turboeje está diseñado para que la velocidad del rotor del helicóptero sea independiente de la velocidad de rotación del generador de gas. Esto permite que la velocidad del rotor se mantenga constante incluso cuando se varía la velocidad del generador para modular la cantidad de potencia producida.

Imagen del motor de turboeje

Ramjets

El ramjet es el motor a reacción más sencillo y no tiene partes móviles. La velocidad del chorro «embiste» o fuerza el aire en el motor. Es esencialmente un turborreactor en el que se ha omitido la maquinaria giratoria. Su aplicación está limitada por el hecho de que su relación de compresión depende totalmente de la velocidad de avance. El ramjet no desarrolla ningún empuje estático y muy poco empuje en general por debajo de la velocidad del sonido. Por consiguiente, un vehículo de chorro de ariete requiere algún tipo de despegue asistido, como el de otro avión. Se ha utilizado principalmente en sistemas de misiles guiados. Los vehículos espaciales utilizan este tipo de chorro.

Imagen del motor Ramjet