Motores a reacción

Tipos de motores a reacción

Trabajo: Un resumen de los seis tipos principales de motores a reacción. Cada uno de ellos se explica con más detalle en el texto que sigue, seguido de un enlace a un excelente sitio web de la NASA en el que encontrarás aún más gráficos y animaciones.

Todos los motores a reacción y las turbinas de gas funcionan a grandes rasgos de la misma manera (aspiran aire a través de una entrada, lo comprimen, lo combustionan con combustible y permiten que el escape se expanda a través de una turbina), por lo que todos comparten cinco componentes clave: una entrada, un compresor, una cámara de combustión y una turbina (dispuestos exactamente en esa secuencia) con un eje de transmisión que los atraviesa.

Pero ahí terminan las similitudes. Los diferentes tipos de motores tienen componentes adicionales (impulsados por la turbina), las entradas funcionan de forma indiferente, puede haber más de una cámara de combustión, puede haber dos o más compresores y múltiples turbinas. Los motores aeroespaciales se diseñan con un meticuloso compromiso de ingeniería: tienen que producir la máxima potencia con el mínimo de combustible (con la máxima eficiencia, en otras palabras) y ser lo más pequeños, ligeros y silenciosos posible. Las turbinas de gas que se utilizan en tierra (por ejemplo, en las centrales eléctricas) no tienen por qué comprometerse de la misma manera; no necesitan ser ni pequeñas ni ligeras, aunque sí necesitan la máxima potencia y eficiencia.

Turborreactores

Foto: Los primeros motores turborreactores de un avión Boeing B-52A Stratofortress, fotografiado en 1954.El B-52A contaba con ocho turborreactores Pratt and Whitney J-57, cada uno de los cuales podía producir unas 10.000 libras de empuje.Foto cortesía de la Fuerza Aérea de EE.UU.

El diseño original de Whittle se denominó turborreactor y aún hoy se utiliza ampliamente en los aviones. Un turborreactor es el tipo más sencillo de motor a reacción basado en una turbina de gas: es un chorro «cohete» básico que mueve un avión hacia delante disparando un chorro de escape caliente hacia atrás. El escape que sale del motor es mucho más rápido que el aire frío que entra en él, y así es como un turborreactor genera su empuje. En un turborreactor, lo único que tiene que hacer la turbina es alimentar el compresor, por lo que toma relativamente poca energía del chorro de escape.

Los turborreactores son motores básicos de uso general que producen cantidades constantes de potencia todo el tiempo, por lo que son adecuados para aviones pequeños de baja velocidad que no tienen que hacer nada especialmente notable (como acelerar repentinamente o transportar enormes cantidades de carga). El motor que hemos explicado e ilustrado arriba es un ejemplo.Lee más sobre los turborreactores en la NASA (incluye un motor animado con el que puedes jugar).

Turboejes

Foto: El tubo gris que se ve bajo el rotor de este helicóptero militar estadounidense Seahawk es uno de sus motores gemelos de turboeje. Hay otro exactamente igual en el otro lado. Foto de Trevor Kohlrus, cortesía de la Armada de EE.UU.

Puede que no pienses que los helicópteros son impulsados por motores a reacción -tienen esos enormes rotores en la parte superior que hacen todo el trabajo- pero estarías equivocado: los rotores son impulsados por uno o dos motores de turbina de gas llamados turboejes. Un turboeje es muy diferente de un turborreactor, porque los gases de escape producen relativamente poco empuje. En cambio, la turbina de un turborreactor capta la mayor parte de la potencia y el eje de transmisión que la atraviesa hace girar una transmisión y una o varias cajas de cambios que hacen girar los rotores. Aparte de los helicópteros, también hay motores de turboeje en trenes, tanques y barcos. Los motores de turbina de gas montados en cosas como centrales eléctricas también son turboejes.

Turbopropulsores

Foto: Un motor turbohélice utiliza un motor a reacción para impulsar una hélice. Foto de Eduardo Zaragoza por cortesía de la US Navy.

Un avión moderno con hélice suele utilizar un motor turbohélice.Es similar al turboeje de un helicóptero pero, en lugar de alimentar un rotor superior, la turbina de su interior hace girar una hélice montada en la parte delantera que empuja el avión hacia delante. A diferencia del turboeje, un turbohélice produce algo de empuje hacia delante a partir de los gases de escape, pero la mayor parte del empuje proviene de la hélice.Sin embargo, las hélices crean mucha resistencia al aire, por lo que se desarrollaron los turboventiladores.Lea más sobre los turboventiladores en la NASA.

Turboventiladores

Foto: Un motor turbofan produce más empuje utilizando un ventilador interior y un bypass exterior (el anillo más pequeño que se ve entre el ventilador interior y la carcasa exterior). Cada uno de estos motores produce 43.000 libras de empuje (casi 4,5 veces más que los motores Stratofortress de arriba). Foto de Lance Cheung por cortesía de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.

Los gigantescos aviones de pasajeros tienen enormes ventiladores montados en la parte delantera, que funcionan como hélices súper eficientes. Los ventiladores funcionan de dos maneras. Aumentan ligeramente el aire que fluye por el centro (núcleo) del motor, produciendo más empuje con el mismo combustible (lo que los hace más eficientes). También soplan parte de su aire alrededor del exterior del motor principal, «evitando» el núcleo por completo y produciendo una corriente de aire como una hélice. En otras palabras, un turboventilador produce empuje en parte como un turborreactor y en parte como un turbopropulsor. Los turboventiladores de bajo bypass envían prácticamente todo el aire a través del núcleo, mientras que los de alto bypass envían más aire alrededor del mismo. Una medida llamada relación de bypass indica la cantidad de aire (en peso) que pasa a través del núcleo del motor o alrededor de él; en un motor de alto bypass, la relación puede ser de 10:1, lo que significa que pasa 10 veces más aire alrededor que a través del núcleo. El diseño de bypass también enfría el motor a reacción y lo hace más silencioso. Lea más sobre los turbofanes en la NASA.

Ramjets y scramjets

Foto: Un motor ramjet/scramjet Pegasus desarrollado para aviones espaciales en 1999.Foto por cortesía del Centro de Investigación de Vuelos Armstrong de la NASA.

Los motores a reacción toman el aire a gran velocidad, por lo que, en teoría, si se diseña la entrada como una tobera que se estrecha rápidamente, se puede hacer que comprima el aire entrante automáticamente, sin necesidad de un compresor o una turbina que lo alimente. Los motores que funcionan de este modo se denominan ramjets, y como necesitan que el aire se desplace rápidamente, sólo son adecuados para aviones supersónicos e hipersónicos (más rápidos que el sonido). El aire que se desplaza más rápido que el sonido al entrar en el motor se comprime y se ralentiza drásticamente, hasta alcanzar velocidades subsónicas, se mezcla con el combustible y se enciende mediante un dispositivo llamado portallamas, produciendo un escape similar al de un turborreactor clásico. Los ramjets suelen utilizarse en motores de cohetes y misiles, pero como «respiran» aire, no pueden utilizarse en el espacio. Los scramjets son similares, pero el aire supersónico no se ralentiza tanto como la velocidad del motor. Al seguir siendo supersónico, el aire sale a una velocidad mucho mayor, lo que permite al avión ir considerablemente más rápido que uno propulsado por un ramjet (teóricamente, hasta Mach 15, o 15 veces la velocidad del sonido, en la región «hipersónica alta»).Lea más sobre los ramjets y los scramjets en la NASA.

Chart: Los motores a reacción modernos son unas 100 veces más potentes que los inventados por Frank Whittle y su rival alemán Hans von Ohain. El bloque rojo muestra el GE90, actualmente el motor más potente del mundo. En la siguiente línea de tiempo, puede descubrir cómo se desarrollaron los motores y los cerebros de la ingeniería que están detrás de ellos.

Una breve historia de los motores a reacción

• ~1800: Utilizando modelos sencillos, el inventor inglés Sir George Cayley (1773-1857) diseña el diseño básico y el funcionamiento del avión moderno con alas. Por desgracia, la única fuente de energía práctica disponible durante su vida es la máquina de vapor de carbón, que es demasiado grande, pesada e ineficiente para propulsar un avión.
• Década de 1860-1870: De forma independiente, los ingenieros franceses JosephÉtienne Lenoir (1822-1900), el ingeniero alemán Nikolaus Otto(1832-1891) y Karl Benz desarrollan el moderno motor de automóvil, que funciona con gasolina relativamente ligera, limpia y rica en energía, un combustible mucho más práctico que el carbón.
• 1884: El inglés Sir Charles Parsons (1854-1931) es el pionero de las turbinas de vapor y los compresores, piezas clave de la tecnología de los futuros motores de avión.
• 1903: Los hermanos Wilbur Wright (1867-1912) y Orville Wright (1871-1948) realizan el primer vuelo con motor utilizando dos hélices fijadas a las alas de un simple biplano.
• 1908: El francés René Lorin (1877-1933) inventa el ramjet, el motor a reacción más sencillo posible.
• 1910: Henri-Marie Coandă (1885-1972), nacido en Rumanía pero que trabaja principalmente en Francia, construye el primer avión a reacción del mundo, el Coandă-1910, impulsado por un gran ventilador de aire en lugar de una hélice.
• 1914: El pionero espacial estadounidense Robert Hutchings Goddard (1882-1945) obtiene sus dos primeras patentes que describen cohetes multietapa alimentados por líquido, ideas que, muchos años después, ayudarán a lanzar a las personas al espacio.
• 1925: Pratt & Whitney (ahora uno de los mayores fabricantes de motores aéreos del mundo) construye su primer motor, el Wasp de nueve cilindros.
• 1928: El ingeniero alemán Alexander Lippisch (1894-1976) monta motores cohete en un planeador experimental para fabricar el primer avión cohete del mundo, el Lippisch Ente.
• 1926: El ingeniero británico Alan Griffith (1893-1963) propone el uso de motores de turbina de gas para propulsar aviones en un artículo clásico titulado AnAerodynamic Theory of Turbine Design. Este trabajo convierte a Griffith en el padre teórico del motor a reacción (entre sus numerosas contribuciones se encuentra la de descubrir que el compresor de un motor a reacción debe utilizar álabes curvados en lugar de álabes de perfil simple y plano). Más tarde, Griffith se convierte en pionero de los turborreactores, los turbofanes y los aviones de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) como científico jefe de Rolls-Royce, uno de los principales fabricantes de motores de aviación del mundo.
• 1928: Con sólo 21 años, el ingeniero inglés Frank Whittle (1907-1996) diseña un motor a reacción, pero los militares británicos (y Alan Griffith, su asesor) se niegan a tomar en serio sus ideas. Whittle se ve obligado a crear su propia empresa y a desarrollar sus ideas por sí mismo. En 1937, construye el primer motor a reacción moderno, pero sólo como prototipo en tierra.
• 1936: Whittle inventa y registra una patente para el motor turbofan de derivación.
• 1933-1939: Hans von Ohain (1911-1998), rival alemán de Whittle, diseña simultáneamente motores a reacción con compresores y turbinas.Su motor HeS 3B, diseñado en 1938, impulsa el Heinkel He-178 en su vuelo inaugural como primer avión turborreactor del mundo el 27 de agosto de 1939.
• 1951: El ingeniero aeroespacial estadounidense Charles Kaman (1919-2011) construye el primer helicóptero con motor de gas, el K-225.
• 2002: El turboventilador GE90-115B de General Electric se convierte en el motor más potente del mundo, con un empuje máximo de 569kN (127.900 lbf).
• 2019: El GE9X de General Electric, basado en el GE90, utiliza una elevada relación de derivación de 10:1, menos aspas de ventilador y mejores materiales para ofrecer un 10 por ciento más de eficiencia de combustible y un 5 por ciento menos de consumo de combustible con menos ruido y menos emisiones. Sin embargo, produce un empuje significativamente menor (alrededor de 470kN o 105.000 lbf).