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09.- LUBRICANTES Y COMBUSTIBLES.
09-01.- LUBRICANTES. EMPLEO Y CARACTERÍSTICAS.
.- Los lubricantes deben permitir, que funcionando correctamente el sistema de lubricación del
motor, se asegure el establecimiento y la renovación de la película que se interpone entre los
elementos mecánicos en movimiento (lubricación), que se realice al mismo tiempo la evacuación de
las calorías que permiten el correcto funcionamiento de los elementos anteriormente indicados
(refrigeración) y que todas aquellas partículas depositadas en las zonas que recorre sean arrastradas
y depositadas en los elementos filtrantes (limpieza).
.- En un turboeje, de forma general, podemos indicar que la lubricación es necesaria para: los
cojinetes que soportan al compresor, turbinas de potencia y generadora de gas.
.- Los piñones y engranajes de la cadena de accionamiento de los accesorios y el sistema de
reducción de velocidad.
.- Los lubricantes empleados deben poseer unas características específicas a las altas
temperaturas de funcionamiento y el cumplimiento de las misiones del sistema de lubricación. Las
temperaturas de funcionamiento de un motor son tales que las zonas lubricadas se pueden encontrar
entre temperaturas de -55°C y 250°C y su régimen de funcionamiento puede ser de mas de 20.000
r.p.m. con unas cargas medias. También en motores de aviones, debemos tener en cuenta la elevada
altitud de funcionamiento, que repercute en bajas presiones, por lo que los lubricantes deben
presentar una baja volatilidad. Finalmente es necesario que los lubricantes no sean susceptibles de
formación de espumas, no debiendo atacar en ningún caso a la constitución de las juntas de
estanqueidad y no formar depósitos de carbonilla.
En resumen las propiedades fundamentales del aceite para la lubricación son:
- Altas características de anti-friccion.
- Poca variación de la viscosidad con la temperatura.
- Mantener alta fluidez a bajas temperaturas.
- Gran capacidad de refrigeración.
- Resistencia a la oxidación.
- No tener propiedades corrosivas, ni formar depósitos.
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PUNTO DE CONGELACION (POUR POINT)
Temperatura a la cual el aceite deja de fluir por la acción de la gravedad.
PUNTO DE INFLAMACION (FLASH POINT)
Temperatura a la cual el aceite produce suficiente vapor para poder ser inflamado,
pero no quemado continuamente.
TIPOS DE LUBRICACIÓN.
.- Pueden distinguirse tres formas distintas: lubricación hidrodinámica, límite o de contorno,
hidrostática.
A.- Lubricación hidrodinámica:
.- las superficies están separadas por una película de lubricante que proporciona
estabilidad.
.- no se basa en introducir lubricante a presión (puede hacerse), exige un caudal de
aceite, la presión se genera por movimiento relativo.
.- se habla también de lubricación de película gruesa, fluida, completa o perfecta.
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05-02.- TIPOS DE CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
.- La cámara de combustión esta formada básicamente por dos tubos concéntricos. Un tubo
interior llamado Tubo de Llamas y uno exterior que es la Carcasa.
.- En el interior del tubo de llamas es donde se realiza la combustión propiamente dicha
mientras que la carcasa es el elemento que da rigidez al conjunto sirviendo además para el guiado
del aire que no interviene en la combustión. Posteriormente volveremos sobre este tema para
profundizar en su forma y funciones.
.- Existen tres tipos básicos de cámaras de combustión, Tubulares o Individuales, Anulares y
Tubo-anulares o Mixtas.
05-02-01.- CÁMARA TUBULAR
.- La cámara tubular está constituida por varios conjuntos formados por dos tubos cilíndricos
uno interior que se llama Tubo de Llamas o Forro de Combustión y un tubo exterior o Carcasa. Estos
conjuntos están unidos entre sí por tuberías de interconexión. Cada motor lleva un número
determinado resultante de distribuirlas alrededor de su eje longitudinal y a la salida de los últimos
alabes del compresor.
.- Una o más de las cámaras llevan un dispositivo para el inicio de la combustión
eléctricamente llamado Bujía, generalmente llevan dos situadas en dos de las cámaras que se
encuentren diametralmente separadas.
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.- Una vez iniciada la ignición las bujías dejan de funcionar manteniéndose la combustión
constantemente y propagándose al resto de las cámaras a través del tubo de interconexión. Este
tubo también tiene la función de volver a realizar la ignición de algunas de las cámaras en el caso de
que se produzca su apagado.
.- La boca de entrada de la cámara forma parte del difusor de entrada anteriormente
mencionado dividiéndose el aire que entrante en dos flujos, el que entra en el tubo de llamas de
menor proporción y que interviene en el proceso de combustión y el que entra en el espacio existente
entre el tubo de llama y la carcasa, de mayor proporción, por el que discurre el aire que no interviene
en la combustión.
05-02-02.- CÁMARA ANULAR
.- La cámara anular está formado por cuatro tubos concéntricos aproximadamente cilíndricos
y situados alrededor del eje longitudinal del motor entre la raíz y la punta de los alabes del
compresor. Los cilindros exterior e interior forman las carcasas exterior e interior respectivamente,
mientras que entre los dos intermedios forman un anillo dentro del cual se produce la combustión, es
decir el tubo de llamas o el forro de combustión.
.- No existen tubos individuales, todo la zona existente entre las dos carcasas intermedias es
la zona de combustión. Es una solución con
el máximo aprovechamiento del volumen.
.- Se puede apreciar en el dibujo la
forma difusora que adopta el tubo de fuego
así como los agujeros centrales interiores
donde se alojan los inyectores de
combustible.
.- La mayor ventaja de la cámara
anular es que, para la misma potencia de
salida, la longitud de la cámara es solo del
75% de la que necesita el sistema Tubo-anular para el mismo diámetro por lo que pesa menos y se
produce más barata.
.- Como el área de pared comparada con la Turbo-anular es menor, se requiere menos aire
para refrigerar, un 15 % menos, por lo que aumenta la eficiencia en la combustión.
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05-02-03.- CÁMARA TUBO-ANULAR O MIXTA
.- Este tipo de cámara es una solución intermedia entre las dos anteriores, esta formada por
tubos de llamas individuales como en la cámara tubular y dos cilindros concéntricos exterior e interior
que forman las carcasas exterior e interior como en las cámaras anulares.
.- Este tipo de cámara fue el paso intermedio entre las tubulares y las anulares. En la
actualidad la mayoría de las turbinas de gas emplean las cámaras de tipo anular ya que entre otras
ventajas tiene la de cumplir con los requisitos de la combustión con menos volumen que las demás,
si bien existen muchos aviones que llevan motores con cámaras mixtas.
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05-02-04.- CÁMARAS DE FLUJO RECTO E INVERTIDO
.- Esta es otra clasificación que podemos establecer de las cámaras de combustión en base
a la dirección que lleva en su interior el fluido de trabajo.
.- La cámara de flujo recto se caracteriza porque en ella el flujo sigue una trayectoria
globalmente rectilínea desde la entrada a la salida de la cámara. Es la cámara más común. El aire
sale del compresor en la dirección axial, según el eje del motor, entra en la cámara con la misma
dirección y sale de esta sin sufrir un cambio sensible en su dirección.
.- Esta es la cámara más comúnmente utilizada, se utiliza en motores que mueven grandes
cantidades de aire en los que no interesa realizar cambios en su dirección por las turbulencias que
genera, y la disminución del rendimiento de la cámara que ello conlleva.
.- La cámara de flujo invertido se caracteriza porque el flujo sufre un giro de 180° a la entrada
de la cámara y otro igual pero en sentido contrario a la salida.
Este último tipo de cámara es especialmente apto para motores que emplean compresores
centrífugos. En estos el aire sale del compresor radialmente, sufre un giro de 90° para situarse en
dirección axial, gira 180° dentro de la misma cámara tomando al misma dirección pero de sentido
contrario y ulteriormente vuelve a sufrir otro giro de 180° para volver a la misma dirección y sentido el
de avance hacia la turbina.
.- Este itinerario tan tortuoso da como resultado una cámara de combustión más corta de
longitud, con lo que acorta la longitud total del motor. Este tipo de cámaras suelen utilizarse en
motores de pequeño empuje, de pequeño volumen y en los que las cantidades de aire que se
manejan no son grandes.
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05-03.- FUNCIONAMIENTO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN
.- El funcionamiento de la cámara de combustión lo vamos ha hacer basándonos en la
cámara tubular, pero las deducciones son aplicables a cualquier tipo de cámara.
.- El aire procedente del compresor entra en la cámara por la boca de entrada. Los inyectores
de combustible se encuentran situados en la parte anterior del tubo de llamas; rodeándolos o muy
próximos a ellos hay una seria de alabes o paletas en forma de hélices llamados Alabes de
Turbulencia o Torbellinadores cuya misión es crear un torbellino de aire cerca del orificio de salida
del combustible para que se facilite el mezclado rápido del combustible con el aire necesario de
forma que se alcance la proporción necesaria de combustible y comburente lo antes posible y se
favorezca una pronta y buena combustión. En el centro del torbellino la presión es menor que en la
periferia, el aire trata de entrar en esta zona de bajas presiones y como consecuencia, aunque la
velocidad media del fluido es del orden de 40m/s en realidad hay zonas de velocidades menores e
incluso negativas.
.- Las cámaras de combustión las podemos dividir en tres zonas con las siguientes
características:
1. Zona Primaria:
— Inyección y pulverización del combustible.
— Captación y rotación del aire primario.
— Vaporización de las gotas de combustible.
— Iniciación de la combustión y anclado de la llama.
— Velocidad de la llama del orden de 5m/s.
— Temperatura de la llama del orden de 2500 K.145
2. Zona Secundaria:
— Aporte de aire para completar la combustión.
— Adecuar la llama para que no se acerque a las paredes.
— Velocidad media de la llama del orden de 50m/s.
— Temperatura de la llama del orden de 2000°K.
3. Zona Terciaria:
— Aporte de aire para dilución para adecuar la temperatura de gases a la turbina.
— Estructura de gases para obtener un perfil adecuado de temperatura a la
turbina .
— Velocidad media de la llama del orden de 50m/s.
— Temperatura de la llama del orden de 1500"K.
.- La región de la cámara donde se inyecta el combustible, se mezcla con el aire y se fija o
Ancla la llama esa la Zona Primaria o Zona de Reacción de la cámara. El anclado de la llama es
clave en el proceso de la combustión, ya que estamos realizando una combustión en el seno de una
corriente de aire que se desplaza a alta velocidad y que por tanto existe el peligro de arrastre o
Soplado de la llama, es decir, la llama se separa de la zona de reacción desplazándose aguas abajo.
.- Mientras que la corriente del aire que entra en la cámara el del orden de 50m/s, la
velocidad de propagación de la llama es de tan solo de 5m/s en el mejor de los casos, es decir,
cuando las condiciones de mezclado sean tales que obtengamos las proporciones estequiométricas.
Para que se ancle la llama y no exista soplado tenemos que conseguir esta proporción ideal y
además que la velocidad de la corriente del fluido sea igual a la velocidad de propagación de la
llama. Esta es la función de los torbellinadores, de los agujeros de la zona primaria de la cámara e
incluso del cono formado por el cono del combustible todo lo cual tiene el fin de crear una zona local
de una mezcla de aire combustible estequiométrica y con una velocidad en esa zona igual a la de
propagación de la llama, consiguiéndose por diseño en el vértice de la llama, aunque después
globalmente la velocidad del fluido media sea muy superior.
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.- Si hacemos un corte transversal de la llama obtenemos la distribución de velocidades
representadas en la figura siguiente:
.- Cuando la llama no esta anclada, básicamente produce:
— Una combustión tardía, el combustible puede abandonar la cámara sin haberse
consumido en su totalidad.
— La llama fuera de la cámara puede dañar los materiales adyacentes,
sobretodo de la turbina.
— Se puede producir el apagado de la llama.
.- Como se aprecia el la figura anterior y en la siguiente, el aire procedente del compresor se
divide en dos flujos:
— Flujo Primario: El cual pasa directamente a la entrada del tubo de llamas y que esta
formado por el aire que debe mezclarse con el combustible de forma directa para que se
realice la combustión.
— Flujo Secundario: Esta constituido por el resto del flujo de aire correspondiéndole la
parte más importante del flujo total, en el dibujo se dan valores orientativos en %, este flujo
se desvía alrededor del tubo de llamas y pasa entra las paredes formadas por el tubo de
llamas y la carcasa exterior de la cámara.
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05-04.- TUBO DE LLAMAS
.- En la figura siguiente podemos apreciar un tubo de llamas en el que se pueden advertir la
presencia de dos tipos generales de orificios, los mayores, son los orificios de refrigeración de la
cámara de combustión, es decir, para que penetre el aire del flujo secundario y diluya el flujo primario
que ha sufrido la combustión y de esta manera formar una masa de aire con una temperatura lo más
alta posible pero que sea soportable por los alabes de la turbina y además que la temperatura de
esta masa de aire sea uniforma en todo su conjunto para que actúe por igual en todas las zonas de
la turbina y no se cree puntos calientes en ella.
.- Por los orificios más pequeños penetra también el aire del flujo secundario pero lo hace de
forma que circula pegado a la pared del tubo de llamas formando una película de aire protectora de
la pared de dicho tubo.
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05-05.- PROCESO DE LA COMBUSTIÓN EN LOS TURBORREACTORES
.- La teoría general de la combustión nos dice que solo esta es idónea cuando la proporción
de combustible y comburente es la estequiométrica, es decir cuando ambos compuestos contienen
las cantidades que arroja la fórmula de la reacción correspondiente debidamente ajustada. Cuando
los componentes están fuera de esta proporción la combustión solo es posible en un margen
estrecho de variación.
.- La proporción estequiométrica de aire combustible es de 15:1, mientras que la relación aire
combustible que entra en la cámara de combustión es del orden de 60:1, por lo cual vemos que la
combustión sería imposible en estas condiciones. Por esta razón el aire se divide en los dos flujos
descritos anteriormente. El más pequeño penetra directamente en el tubo de llamas para mezclarse
con el queroseno en proporción aproximadamente estequiométrica, mientras que el resto circula por
el exterior del tubo de llama.
.- Si la mezcla que hemos conseguido de aire y queroseno es próxima a la estequiométrica
las temperaturas que podemos alcanzar en los productos de reacción son del orden de 2300-2500"K.
Estas temperaturas no son soportables, en la actualidad, por los materiales conocidos y menos aún
si además esta soportando grandes esfuerzos como ocurre con el órgano del motor que recibe los
gases de la cámara de combustión, la turbina. Par reducir esta temperatura antes de llegar a la
turbina pero sin perder energía, lo que hacemos es diluir estos gases muy calientes con el aire,
relativamente frío, constituyente del flujo segundario que penetra en el tubo de llamas por los
agujeros más grandes que tiene esta. De esta forma obtenemos en vez de una cantidad pequeña de
fluido muy caliente, una cantidad mucho mayor a una temperatura menor, soportable por la turbina.
La temperatura final que obtenemos en el fluido de trabajo es del orden de 1300-1900 K.
.- La temperatura media de salida del gas de la cámara de combustión (entrada a turbina) es
la llamada Temperatura Máxima de Funcionamiento del Motor o simplemente Temperatura de
Turbina, ya que es el punto del motor que soporta las temperaturas más altas.
.- Después de la combustión disponemos de una gran cantidad de fluido a gran presión y a
gran temperatura, es decir, con mucha energía del cual debemos extraer. Cuanto mayor es la
temperatura de esta fluido mayor es la energía que podemos extraer del mismo, razón por la cual
trabajaremos siempre con la máxima temperatura permitida por la turbina, siempre con la condición
de que cuanto más alta sea la temperatura del fluido que soporta la turbina, mayor habrá sido el
coste tanto en materiales como en su desarrollo que se habrá tenido que invertir en ella.
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05-06.- INYECTORES DE COMBUSTIBLE
.- Los Inyectores son elementos que van colocados en la cámara de combustión y que se
encargan de inyectar el combustible dentro de ella en la zona de reacción, entendiéndose
inyección como el proceso de pulverización y distribución del combustible.
.- La pulverización del combustible consiste en convertirlo en un fluido finamente dividido en
pequeñas gotas con el fin de que presente en conjunto una mayor superficie de exposición y con ello
esté en contacto con el oxígeno del aire la mayor cantidad posible de combustible con lo que se
favorecerá una combustión más completa y más rápida. Este mezclado como hemos visto
anteriormente se ve favorecido por los alabes torbellinadores. Si no se hiciera así necesitaríamos
una cámara de combustión mucho más larga para que le diera tiempo a todo el combustible a
quemarse o bien tiraríamos parte del combustible sin quemar.
.- Las gotas de combustible obtenidas son del orden de 0,3-1,5/1 y en ellas tenemos la
siguiente situación. Está la propia gota de combustible la cual se va evaporando desde su superficie
hacia el interior, a partir de lo que es el propio combustible existe una zona donde tenemos
combustible evaporado mezclado con el aire adecuado apto para realizar la combustión y por último
después de esta zona tenemos solamente aire. El diámetro de la gota va disminuyendo según
transcurre el tiempo. Si las gotas son muy grandes antes de evaporarse completamente puede
empezar a hervir con lo que se evaporan los componentes volátiles del combustible convirtiéndose
en carbonilla. Por el contrario si conseguimos diámetros inicialmente pequeños con una buena
atomización, las gotas se consumen pronto, de aquí la necesidad conseguir una buena inyección.
.- Los inyectores para motores de reacción son de dos tipos: Inyectores de Presión y
Inyectores de Atomización por Aire.
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05-06-01.- INYECTORES DE PRESIÓN
.- Es el más elemental de los inyectores y consta de un orificio a través del cual se hace
pasar el combustible a alta presión. El líquido una vez que abandona el inyector pasa a un medio de
sección mucho mayor que el lugar del que proviene con lo que tiende a realizar un proceso de
difusión, intentando ocupar el volumen existente lo que produce su rotura en gotas de mayor o menor
diámetro.
.- Los inyectores de combustible utilizados en turborreactores someten además al
combustible a una fuerte rotación haciéndolos pasar por unas ranuras en forma de hélice que tiene el
propio inyector en su interior, lo cual favorece más aún la difusión, la separación de unas partículas
de otras. Estos inyectores se llaman Inyectores con Componente Tangencial de Velocidad y pueden
ser de dos tipos:
1. Inyectores de un Circuito: En este inyector una vez que el combustible a adquirido
una fuerte velocidad tangencial sale del inyector formando un Dardo Cónico. El espesor del
fluido va disminuyendo a medida que se aleja del inyector rompiéndose finalmente en gotas
de diversos tamaños. El ángulo del cono de inyección no debe se muy amplio pues el
combustible tocaría las paredes del tubo de llama ni demasiado pequeño que produzca una
llama demasiado larga. Este ángulo de inyección varía normalmente entre 70 y 100°. Este
tipo de inyector tiene el inconveniente de poseer un reducido margen de caudal frente a la 152
amplia variación de consumo que un turborreactor necesita tanto al variar sus revoluciones
como su altura.
2. Inyectores de dos circuitos: También se le llama Dúplex, y consiste en un inyector
como el anterior paro con dos entradas tangenciales de combustible y una válvula divisora de
flujo. Cuando el motor demanda consumo de combustible bajo, por ejemplo a bajas r.p.m, el
combustible llega solamente por el circuito primario, mientras que para regímenes que
demandan consumos mayores la válvula divisora permite el paso de combustible también por
el circuito secundario.
05-06-02.- INYECTORES DE ATOMIZACIÓN POR AIRE
.- En este tipo de inyectores colaboran en la atomización del combustible los efectos de la
presión anteriormente descritos y además la presencia de aire a alta presión en el propio inyector
provenientemente de una derivación de aire del compresor. También en este tipo de inyectores
existen los inyectores Dúplex en los cuales además de los dos circuitos de alimentación de
combustible incorpora otra toma de aire que inyecta a la salida conjuntamente con el combustible.
153
05-07.- ACTUACIONES DE CÁMARA
.- Se llaman Actuaciones de la Cámara a la variación de sus características operacionales,
de sus prestaciones, en función de la velocidad y la altitud de vuelo.
.- De una forma general, las características operativas deseables de una cámara de
combustión de un turborreactor se pueden resumir en:
1. Rendimiento de combustión máximo.
2. Estabilidad de la combustión en todos los regímenes de funcionamiento, incluidos
los transitorios.
3. Reencendido en el aire en el campo operativo más amplio posible.
4. Perfil térmico de los gases de salida adecuado (distribución adecuada e
intensidad soportable por la turbina).
5. Perdidas de presión mínimas.
6. Integridad estructural y vida útil alta.
7. Dimensiones mínimas.
05-07-01.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN
.- El Rendimiento de la Combustión es la relación entre la temperatura real alcanzada en el
gas en la cámara de combustión y la que se obtendría en condiciones ideales, sin pérdidas de
temperatura y habiéndose quemado todo el combustible.
.- Actualmente este rendimiento alcanza prácticamente el 100% cuando la cámara esta
trabajando en condiciones próximas a las de diseño.
.- Este rendimiento se ve afectado tanto por la presión como por la temperatura en el sentido
de aumentar con ambos factores. Debido a que tanto la presión como la temperatura han ido en
aumento en los últimos años a consecuencia del incremento de la relación de compresión obtenida
en el compresor, el rendimiento de la combustión actualmente es máximo. En motores de altas
prestaciones para vuelo subsónico los valores de la presión y temperatura de entrada del aire a la
cámara de combustión son del orden de P=35Kg/cm2 y T=900°K.
05-07-02.- ESTABILIDAD DE LA COMBUSTIÓN EN TODOS LOS REGÍMENES DE
FUNCIONAMIENTO, INCLUIDOS LOS TRANSITORIOS
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.- Estabilidad de combustión significa combustión suave y la capacidad de la llama para
mantenerse encendida en un amplio rango de operación.
Esto implica que sea capaz de soportar grandes márgenes de aire y combustible, que sea capaz de
gestionar grandes variaciones de la estructura de la llama sin que se produzca el apagado.
05-07-03.- REENCENDIDO EN EL AIRE
.- Se llama Reencendido en el Aire al conjunto de procedimientos que permiten restaurar la
combustión en la cámara cuando por cualquier circunstancia la llama se haya apagado en vuelo
(Flameout) .
.- Los turborreactores presentan un techo físico de funcionamiento debido a los bajos
rendimientos de combustión que se obtienen a medida que aumenta la altitud de vuelo. Esto es
debido a la disminución de presión y temperatura del aire que llega a la cámara de combustión.
.- De este modo, las posibilidades de reencendido en vuelo aumentan con todas las
actuaciones del avión que favorecen la presencia de aire en la cámara convenientemente
comprimido.
.- El procedimiento de reencendido está basado en un normativa, la cual exige la publicación
de una Envolvente de vuelo (velocidad-altitud) donde el motor se puede encender en el aire o bien
tablas apropiadas que permiten seleccionar la combinación apropiada de altitud y velocidad para la
puesta en marcha.
.- Las zonas de los gráficos o las tablas de reencendido en el aire representan datos
seguros para efectuar el procedimiento. Son datos obtenidos por el fabricante del avión durante la
certificación del conjunto avión-motor. Suelen se datos conservadores, $es decir, los gráficos o
tablas dividen el espacio en dos zonas, en la interior el reencendido es seguro y en el exterior
aunque no sea seguro, sí se puede intentar.
.- En general, el reencendido con el motor en molinete es más difícil conforme aumenta el
índice de derivación en el turbofan, dada la gran inercia que este tipo de motores posee.
.- Por ello es aconsejable realizar el procedimiento de encendido de la cámara de combustión
lo más pronto posible, una vez se ha detectado la extinción de la llama. De esta forma se aprovecha
la gran inercia de giro que tiene leí fan y de esta forma aumentar las posibilidades de inflamar la
mezcla en la cámara de combustión.
.- Un apagado es más probable que ocurra en vuelo durante un picado o un planeo con el
motor al relenti, (cuando hay una gran cantidad de flujo de aire y solo un pequeño flujo de
combustible) por lo que la mezcla es muy pobre.155
Techo del Motor de Turbina
.- El funcionamiento estable de la cámara de combustión requiere que los límites de mezclas
que provocan la extinción de la llama se encuentran suficientemente lejos de la operación normal de
motor, en condiciones de vuelo normales.
.- El margen de utilización de mezcla rica (4 a 1 ) y mezcla pobre (20 a 1 ) a nivel del mar es
bastante ancho, pero se estrecha a medida que el avión asciende. El llamado Techo del
Turborreactor se debe, realmente, a que el rendimiento de la combustión disminuye progresivamente
con la altitud de vuelo. Debido a la baja presión de aire a la entrada de la cámara resulta que la
reacción química de la mezcla (combustión) necesita cada vez más volumen para poder
completarse, para conseguir el aire necesario, volumen que no se encuentra disponible en la cámara
por lo cual resulta una combustión parcial.
.- Según lo anteriormente expuesto, podemos decir, que el límite de altura del motor de
turbina viene fijado, fundamentalmente, por el volumen disponible en la cámara para los gases de
combustión. De esta forma cuanto mayor es la presión del fluido a la entrada de la cámara mayor es
el techo del motor, o dicho de otra forma, los motores cuya relación de compresión global (dinámica
más estática) es mayor presentan mayor techo de servicio .
-El rango de relacion aire combustible entre el limite rico y pobre, se reduce con el
incremento de la velocidad del aire, y tambien si la masa de flujo de are se incrementa mas alla de
un cierto valor.
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05-07-04.- PERFIL TÉRMICO DEL GAS A LA SALIDA DE LA CÁMARA
.- La turbina es el componente del motor que va detrás de la cámara de combustión según el
sentido de movimiento de los gases en el motor y es el elemento del motor que esta sometido a
condiciones más exigentes. En particular la parte de la turbina que a peores condiciones de trabajo
está sometido es la raíz de los alabes del rotor. Para aliviar de alguna forma sus condiciones de
trabajo los Ingenieros que diseñan el motor procuran que la distribución de temperaturas de los
gases que abandonan las cámaras de combustión tengan una Distribución Radial, es decir, que la
temperatura de los gases aumenten con la distancia al eje axial hasta alcanzar la máxima
temperatura hacia la mitad del alabe para después ir disminuyendo hasta la punta del alabe.
.- Esta distribución en la temperatura de los gases se consigue de dos formas:
1. Construcción Aerodinámica de la Turbina: Antes de que los gases procedentes de
las cámaras de combustión incidan sobre los alabes del rotor de turbina, lo hacen sobre los
alabes del estator los cuales están construidos de forma que sus puntas formen conductos
convergentes (de tipo Impulso) , de esta forma, cambiamos parte de la energía que
contienen los gases por velocidad disminuyendo, por tanto, su temperatura. Los alabes del
estator al no ser móviles están sometidos a menos esfuerzos mecánicos que los alabes del
rotor por lo cual soportan mejor temperaturas más altas.
2. Mayor Refrigeración en esas Zonas: Esto se consigue a través de una
refrigeración más enérgica mediante una mayor incidencia del flujo secundario que rodea el
tubo de llamas sobre las zonas descritas.
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MANCHAS CALIENTES EN TURBINA
.- Los alabes del estator de turbina son los elementos de esta que están sometidos
directamente a los gases que abandonan las cámaras de combustión, si por algún motivo existe una
zona en la cámara de combustión cuya temperatura es mayor que la media que existe en el resto, a
la parte del estator de turbina que se corresponde con esta zona le llegan gases más calientes. A
esta zona de temperatura superior a la media que al resto se le llama Mancha caliente de la cámara
de combustión.
.- La mancha caliente se puede producir por ejemplo, porque una serie de inyectores tienen
una deficiencia en la pulverización del combustible con lo cual este tarda más en mezclarse con el
oxígeno y por tanto tarda más en quemarse y se prolonga durante más espacio, la llama se acerca al
estator.
.- En el rotor no tienen influencia las manchas calientes ya que aunque existan los alabes del
rotor pasan tan rápidamente por ellas que todos los alabes tendrán la misma temperatura media.
05-07-05.- PERDIDAS DE PRESIÓN MÍNIMAS
.- En la cámara de combustión tenemos pérdidas debidas al proceso de combustión que se
realiza y además pérdidas de presión aerodinámicas debidas a los torbellinadores, flujos invertidos,
conducciones y agujeros en el tubo de llama, en el diseño de la cámara se debe tratar de que estas
pérdidas sean mínimas y así acercarnos al ciclo teórico en el que
158
05-07-06.- CARGA TÉRMICA DE LA CÁMARA
.- En este punto vamos a agrupar los conceptos de Integridad Estructural y Vida Útil Alta y
Dimensiones Mínimas de la Cámara.
.- La vida de servicio de la cámara esta íntimamente relacionada con la capacidad del
sistema de refrigeración para enfriar suficientemente el tubo de llamas.
.- Ya hemos comentado anteriormente que en dicho tubo de llamas se practican una serie de
orificios de distintos tamaños y diseño complicado los cuales tiene la misión, unos, los más grandes,
de introducir el aire del flujo secundario profundamente en la zona de la llama y otros, los más
pequeños, de formar una película interior en el la pared del tubo de llamas para protegerlo
precisamente de la llama.
.- Los esfuerzos mecánicos que se originan en los bordes de estos orificios son
considerables. A esto hay que añadir los cambios térmicos que se producen en esta zona
conduciendo todo ello con mucha frecuencia al fallo del material.
.- El calor que soporta el tubo de llamas es debido en parte a la alta temperatura que posee
el aire que proviene del compresor y además principalmente a la radiación de la propia llama. Esta
radiación, desgraciadamente, es proporcional a la presión de entrada del aire al compresor con lo
que aumenta también en el mismo sentido la temperatura que soporta el tubo de llamas.
.- Como sabemos hay una parte del flujo de aire del compresor que dedicamos al tema de
refrigeración, si por necesidades de refrigeración la cantidad del aire que destinamos a la
refrigeración es muy grande, tendremos poco aire para obtener un perfil adecuado de temperatura en
los gases que inciden sobre la turbina con los problemas que se pueden derivar de ello.
.- Todo ello ha llevado a construir cámaras de combustión más cortas, de menor volumen
interno, con menos necesidades de refrigeración.
.- Podemos resumir diciendo que por un lado nos interesa una presión alta del aire a la salida
del compresor para aumentar su rendimiento de combustión pero por otro nos interesa que no sea
tan alto para evitar problemas de carácter termomecánico, es decir, problemas derivados de la alta
temperatura combinados con elevadas cargas por flexión lateral, debido a la alta presión del gas, a
que está también sometido el tubo de llamas.
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05-08.- INGESTIÓN DE AGUA EN EL MOTOR
.- Vamos a hacer en este punto una breve reseña a los problemas que puede causar en un
motor La Ingestión de Agua en Exceso.
.- Tres son los efectos que puede producir la ingestión de agua en exceso, la extinción de la
llama (Flameout) , la regresión de revoluciones del motor (Rollback) y la pérdida de compresión
(CompresorStall) .
.- La Extinción de la Combustión en estos casos se produce cuando la relación agua/aire que
existe en el flujo interno del motor sobrepasa los limites de estabilidad de la cámara de combustión.
El límite de estabilidad y con ello la extinción de la llama se produce por la disminución del
rendimiento de la combustión, es decir, por la incapacidad de la mezcla de producir el suficiente calor
para propagar la llama a zonas de mezcla adyacentes.
.- La Regresión de Revoluciones del Motor es consecuencia de la intensa refrigeración del
fluido en el compresor como consecuencia de la evaporación del agua. El combustible que se inyecta
no tiene capacidad calorífica para contrarrestar esta refrigeración con lo cual se demanda más
combustible, de manera que si el flujo de combustible requerido es superior al flujo que necesita el
motor para alcanzar las condiciones estacionarias de operación, las revoluciones del motor se vienen
abajo y disminuye el empuje, el motor es incapaz de alcanzar la condición de funcionamiento
estacionario. El régimen puede caer por debajo del ralentí en vuelo y llegar a ser nulas las
posibilidades de reencender el motor en estas condiciones.
.- La Perdida de Compresor, debida a la ingestión de agua, se explica también por la masiva
evaporación de agua. El vapor de agua producido hace de Efecto Tapón aguas abajo del compresor
lo que provocará la perdida de los primeros escalones del compresor causada por la disminución de
la velocidad axial del aire o incluso el Surge completo del compresor.
160
05-09.- MATERIALES EN LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
.- Los materiales que se empleen en las cámaras de combustión deben ser capaces de
soportar de forma continua fuertes cargas de trabajo a altas temperaturas.
.- En la figura siguiente se muestran de forma aproximada las temperaturas a las que
trabajan los distintos componentes de un turborreactor y los elementos que componen los materiales
empleados en cada caso.
.- En ella podemos apreciar que en la Zona Caliente del motor (zona de combustión y
turbinas) predominan las aleaciones con Níquel mientras que en la Zona Fría del motor (compresor)
predomina el titanio con aleaciones de aluminio de alta resistencia a la vez que muy ligeras. Si las
relaciones de presión son muy altas es necesario acudir a aceros al níquel, en particular en
compresores de alta.
El tubo de llamas de la cámara de combustión está constituido por una chapa muy delgada,
del orden de 1 mm. Cuando esta en funcionamiento se le somete a gradientes térmicos muy fuertes
161
debido al proceso de combustión por un lado y a la presencia del aire de refrigeración y de dilución
procedente del compresor por el otro.
.- En las zonas adyacentes a los orificios por los que penetra el aire dentro del tubo de
llamas, existe una distribución de temperatura muy desigual en el metal. Se originan entonces
grandes esfuerzos térmicos, por contracción y dilatación de la chapa. Es frecuente, por ello, observar
grietas en estas zonas de las cámara. Normalmente no son peligrosas hasta que alcanzan una cierta
longitud, o bien se forman un conjunto de ellas de pequeño pero en una zona localizada. La
reparación puede hacerse por soldadura.
.- De acuerdo con lo visto los materiales empleados en el tubo de llamas deben tener:
— Buena estabilidad térmica a alta temperatura.
— Buena resistencia a la fatiga térmica.
— Alta resistencia a la oxidación .
— Alta resistencia a la corrosión.
— Conductividad térmica alta.
— Bajo coeficiente de dilatación.
— Buena soldabilidad.
.- La alta conductividad es necesaria para que la diferencia de temperatura entre sus
diferentes zonas sea las mínimas posibles y de esta forma evitar tensiones locales que acaban por
fatigar y agrietar el material. Si el material tiene buena conductibilidad el calor se propaga con
rapidez por el de unas zonas a otras vecinas, favoreciendo la estabilidad térmica del conjunto.
.- También hemos hecho referencia a la necesidad de que el material del que estén
constituidas tenga un coeficiente bajo de dilatación, esto es debido a la necesidad de mantener una
estabilidad en las dimensiones de la cámara.
.- Por último el requisito de buena soldabilidad es por facilidad tanto de construcción como de
reparación de las grietas que se pudieran originar en su funcionamiento.
.- Las superaleaciones son aleaciones metálicas que tiene buenas características de
resistencia mecánica altas temperaturas de trabajo y en especial las de base de níquel y cobalto que
además tienen a dichas temperaturas una gran resistencia a la oxidación y corrosión.
.- Los motores de altas prestaciones funcionan al limite tanto en la resistencia de los
materiales que utilizan como en el aire que desvían para refrigeración. No tenemos posibilidad de
aumentar la temperatura en la turbina, en busca de mayores rendimientos térmicos, porque las
necesidades de aire de refrigeración que se necesita, alcanza tal punto hoy día que penaliza 162
gravemente el propio ciclo de funcionamiento del motor. Este aire destinado a la refrigeración es aire
admitido por el motor y justo cuando se dispone a producir trabajo útil de propulsión se deriva del
circuito principal hacia el interior del motor para refrigeración, es aire inútil desde el punto de vista
propulsivo pero indispensable para el funcionamiento del motor.
.- La cantidad de aire derivado actualmente para refrigeración es muy importante,
prácticamente al límite, por lo que incrementos de temperatura del fluido a la entrada de
turbina deberá se a base de avances en la obtención de materiales más resistentes.
05-10.- TURBORREACTORES Y CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
.- La cámara de combustión es un recinto atravesado por aire (O2 y N2
.- El CO
fundamentalmente)
más un combustible que es un hidrocarburo de la forma CnHm. En su interior y en el tiempo que
tardan los reactivos en atravesarla debe producirse la reacción de la combustión completamente.
.- Como hemos dicho anteriormente la cámara de combustión debe ser lo más corta posible.
Si suponemos que su longitud es de 1m., como la velocidad del fluido a través de ella es del orden
de 50 m/s podemos deducir que el tiempo del que se dispone para que se realice la combustión es
del orden de 0,02 seg.
.- En este pequeño intervalo de tiempo se debe evaporizar el combustible, mezclarse con el
aire y producirse la reacción, lo cual nos da idea de la importancia de una buena atomización y
distribución del combustible en la inyección.
.- En la cámara de combustión, teóricamente tiene lugar las dos reacciones siguientes:
.- Cuando la reacción es completa se dan se producen las siguientes reacciones:
2 emigra a cotas bajas de la estratosfera formando una anillo circular, una corona
esférica alrededor de la tierra que es la causante del Efecto Invernadero. Este manto es permeable a
163
las radiaciones de alta temperatura (baja longitud de onda) , es decir, permite el paso de los rayos
solares. Pero es impermeable a las radiaciones de baja temperatura (alta longitud de onda), las
radiaciones que la tierra calentada irradia hacia el exterior, las cuales ahora rebotan en esta corona y
vuelven a la tierra.
.- La segunda reacción, en la que el producto de la reacción es H2O, es estela que se puede
observar detrás de los aviones cuando una vez fuera del motor esta se condensa. Es la reacción
ideal. La humanidad busca quemar solo hidrógeno. Se pretende, mediante la energía solar, disociar
el agua del mar obteniendo H2 y O2
.- El monóxido de carbono es un gas muy tóxico pues reacciona con la hemoglobina
y disminuye el contenido del oxígeno en la sangre.
.- Por otro lado el carbón forma pequeñas partículas que en pequeñas cantidades
son capaces de producir humos muy intensos en el escape, son los llamados hollines, los
cuales son visibles (difractan la luz), inundan el ambiente disminuyendo la visibilidad además
de ser cancerígenos.
.- Los radicales H
con los que posteriormente realizamos nuestra combustión
volviéndose a obtener agua nuevamente.
.- El problema es que el hidrógeno es muy peligroso, reacciona explosivamente con el
oxígeno a temperatura ambiente. Se pretende almacenarlo en pequeñas cantidades a bajas
temperaturas, en forma líquida, para que sea menos peligroso e irle dosificando.
.- Como acabamos de decir, estas reacciones solamente se producen de esta forma cuando
la combustión es completa, lo que por lo general no ocurre. En la práctica además de agua y dióxido
de carbono se forman otros componentes que son los responsables de la contaminación atmosférica.
1. En primer lugar, en algunas fases de la actuación del motor, solo una parte del
combustible se quema completamente, es decir en algunas ocasiones no todo el combustible
que introducimos puede ponerse en contacto con el oxígeno necesario para reaccionar con
el y el resultado es una oxidación parcial del hidrocarburo formándose monóxido de carbono
y carbón.
+ son inocuos, reaccionan con el oxígeno del aire dando agua.
164
.- Además de estos dos componentes a que acabamos de hacer referencia, al no ser
la combustión completa, también se expulsa al exterior hidrocarburos (CnHm) no quemados
sobre los cuales se han señalado posibles efectos cancerígenos y por su puesto ese olor
característico picante que se detecta en el escape de los turborreactores.
2. Además de los compuestos contaminantes anteriormente descritos debidos a la
combustión incompleta del hidrocarburo, aparecen además otras reacciones colaterales.
Estas reacciones son debidas a altas temperaturas el Nitrógeno existente en el aire se
encuentra disociado.
.- De esta forma es muy reactivo combinándose con el oxígeno para dar óxidos de
nitrógeno.
.- Estos compuestos son tóxicos y además forman, al igual que el dióxido de carbono
un anillo esférico alrededor de la tierra pero en capas más altas reaccionando con el ozono
destruyéndolo y eliminándolo y, por tanto, eliminando la protección que ejerce el ozono
contra la radiación ultravioleta.
3. Por último y debido a que los combustibles no tiene una composición pura sino
que contienen trazas de diversos metales como: azufre, plomo, vanadio, etc. Los cuales son
susceptibles de reaccionar con el oxígeno y con el nitrógeno.
.- Es especialmente importante la emisión de CO a regímenes bajos del motor debido
a que en esta fase de funcionamiento la reacción de combustión suele ser muy incompleta.
.- Otro factor por el cual la combustión no es completa es porque parte de
combustible que ya está reaccionando si toca la paredes frías del tubo de llamas se apaga,
cesando la reacción.165
.- Para evitar la emisión de los compuestos no deseados de la combustión en condiciones de
combustión incompleta podemos reseñar las siguientes técnicas:
.- Aumentar el tiempo de permanencia del gas en la zona de combustión, par favorecer el
consumo completo del combustible. Este tiempo se puede aumentar disminuyendo la velocidad del
gas dentro de la cámara o bien alargando ésta.
.- Incrementar la temperatura local en la zona de reacción de la cámara con
dosificaciones correctas, ya que de esta forma se acelera la reacción de la combustión.
.- Mejorar la atomización y distribución del combustible y así disminuir el tamaño de las
gotas y aumentar con ello la superficie de contacto del combustible con el oxígeno y por otro lado
impedir que haya zonas de mucha aglomeración de combustible en las cuales no hay oxígeno
suficiente para que se complete la reacción.
.- Si ahora estudiamos el comportamiento de la combustión a altas revoluciones del motor
vemos que el rendimiento de la cámara es prácticamente del 100% y no hay emisión de CO ni de
hidrocarburos sin quemar. La atomización del combustible mejora y la cámara trabaja a temperatura
y presión altas. Es en estas condiciones en las que se producen los óxidos de nitrógeno, lo cuales se
producen en zonas de altas temperaturas y en las que hay abundancia de oxígeno.
.- La formación de óxidos de nitrógeno aumentan con la temperatura de la llama y con el
tiempo de permanencia del gas en la cámara. La temperatura de la llama aumenta a su vez con la
temperatura de entrada del aire a la cámara y por lo tanto aumenta con la relación de compresión del
motor.
.- Para evitar o reducir este tipo de emisiones podemos deducir las siguientes técnicas:166
.- Disminuir el tiempo de permanencia del gas en la cámara para impedir que se
forman cantidades de óxidos de nitrógeno significativas. El tiempo de permanencia
disminuye si se aumenta la velocidad del gas dentro de la cámara o si se acorta esta.
.- Funcionamiento de la cámara con mezclas pobres para disminuir la temperatura de
la llama y la velocidad de formación de estos compuestos.
.- Mejorar la atomización y distribución del combustible para evitar la formación de
zonas locales de altas temperaturas.
.- Como podemos apreciar los mecanismos que reducen la emisión de un tipo de
compuestos estimulan la producción de los otros y viceversa salvo en la técnica que se refiere a la
atomización y distribución del combustible.
.- La solución de este dilema no es sencilla y por regla general habrá que adoptar una
solución de compromiso que se llegará en el desarrollo del motor dependiendo de las condiciones de
trabajo a las que se vaya a destinar.
167
06.- TURBINAS
06-01.- FUNCIÓN
.- Hasta ahora, todos los mecanismos que hemos estudiado, tiene por objeto la preparación
del aire para la combustión. La combustión es la fuente de energía para mantener en marcha el
propio generador, pero además de mantener el autofuncionamiento del generador y el de todos los
accesorios, la combustión debe ser capaz de proporcionarnos energía para la propulsión.
.- El primer mecanismo de consumo de energía, el más inmediato, se debe a la necesidad de
arrastrar el compresor, el elemento que aumenta la presión del aire en la cámara de combustión.
.- Esta función la realiza La Turbina, es decir, es el componente del generador de gas que
extrae trabajo de los gases producidos en la combustión para mantener el propio funcionamiento del
generador y para el arrastre de todos los accesorios que de él toman la fuerza.
.- Su funcionamiento es totalmente inverso al del compresor, el proceso termodinámico que
se realiza en ella es inverso al que se realiza en el compresor. La diferencia con este es que en él
teníamos gradientes inversos de presión, los cuales hacían que pudiera desprenderse la corriente,
mientras que en la turbina consideramos que no los hay.
168
06-02.- DEFINICIÓN Y CONSTITUCIÓN DE LAS TURBINAS
06-02-01.-DEFINCIÓN
.- Se llama turbina al mecanismo que extrae la energía de una corriente fluida, bien sea de
gas o de agua. En este proceso el fluido pierde parte de su energía (presión y temperatura totales)
entregándosela a la turbina en forma de energía de rotación. En nuestro caso la energía del gas
proviene de los procesos anteriores producidos en el generador, compresión y sobre todo
combustión.
.- El gas a la salida de la cámara de combustión tiene una cierta energía potencial parte de la
cual pierde en la turbina cuantificándose esta pérdida en disminuciones de presión y temperatura
totales (expansión). Cuanto mayor sea la expansión del fluido en la turbina, mayor es el trabajo
mecánico que se obtiene de ella.
.- El movimiento de rotación que adquiere la turbina por la expansión del gas en ella se
traduce en un movimiento de giro que se traslada al compresor mediante un eje que une
solidariamente a la turbina con el compresor, el cual está apoyado sobre cojinetes para disminuir el
rozamiento.
06-02-02.-CONSTITUCIÓN DE LA TURBINA
.- La turbina esta constituida, de manera similar al compresor, por un anillo de alabes fijos
llamado Estator de Turbina y un anillo de alabes giratorios llamado Rotor de Turbina.
.- Una Etapa o Escalón de turbina es el conjunto formado por un rotor y un estator, es decir,
un disco de alabes fijos y un disco de alabes giratorios, van situados en el mismo orden enunciado
de la admisión al escape, es decir, en sentido inverso al del compresor.
.- La turbina, en general, esta formada por varia etapas de turbina situadas unas detrás de
otras.
.- Los alabes del rotor de turbina están dispuestos alrededor de una llanta o disco solidario al
eje de giro compresor-turbina. Estos alabes absorben la energía del fluido de trabajo entregado por
el estator y la comunican al disco y por tanto al eje descrito un momento de giro.
.- Los alabes del estator se montan en guías internas practicadas en el Cárter de Turbina. El
cárter, además, lleva unas pistas por la que se deslizan las puntas de los alabes del rotor
estableciendo ellos mismos en su movimiento de giro, rozando sobre la cara interna de la pista, su
propio ajuste y holgura.
.- La función de los alabes del estator de turbina es acelerar los gases y dirigirlos hacia los
alabes del rotor de turbina de su etapa.
169
170
06-03.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA
.- En la figura siguiente podemos apreciar las variaciones que experimenta el flujo del fluido
de trabajo a su paso por los alabes del estator y del rotor de turbina.
.- Siempre que tratamos del movimiento de un gas a través de conductos fijos y en
movimiento tenemos que aplicar los conceptos de composición de velocidades.
El vector U es el vector Velocidad de Arrastre y se corresponde a la velocidad angular del rotor
multiplicado por la distancia que hay entre el punto del alabe considerado y el eje de giro.
.- El resto de los vectores son la Velocidad Absoluta (V) , la Velocidad Relativa (W) , la
$Velocidad Axial (Vz) y la Velocidad Tangencial (V ) en cada sección.
.- Su funcionamiento es totalmente inverso al del compresor. La diferencia con éste es que
en él teníamos gradientes inversos de presión, los cuales hacían que pudiera desprenderse la
corriente, mientras que en la turbina consideramos que no los hay, aunque localmente si pueden
darse.
.- En la turbina pretendemos buscar los cambios de energía más bruscos.
.- A la salida del estator tenemos una velocidad tangencial elevada, tenemos un torbellino
muy grande mientras que a la salida del rotor es pequeño. Como la velocidad axial permanece 171
aproximadamente constante obtenemos como resultado del paso del fluido a través del rotor una
disminución de su velocidad absoluta, es decir, de su energía cinética, la cual, ha sido absorbida por
la turbina y traducida en un momento de giro.
06-04.- POTENCIA PRODUCIDA EN UNA TURBINA
.- La potencia que podemos obtener de cada etapa de turbina depende de tres factores:
1. Del cambio de la velocidad tangencial que obtengamos en la corriente del fluido en
los alabes.
2. Revoluciones del rotor de turbina.
3. Gasto de fluido de trabajo que pasa por ella.
.- Considerando un gasto constante vamos a analizar los límites de los otros dos factores.
1. GIRO DE LA CORRIENTE EN LOS ALABES
.- El cambio que experimenta la velocidad tangencial al pasar por el rotor, nos interesa que
sea máximo ya que el trabajo que la turbina extrae del gas es función directa de dicho cambio.
.- Este giro en la corriente tiene su límite y si lo superamos la corriente se desprende, se
separa del alabe, estos dejan de guiarla, produciéndose los mismos efectos que se producían en el
compresor, aunque como ya hemos comentado anteriormente, al desplazarse el fluido en la turbina
con gradientes de presión favorables (de mayor a menor presión) , podemos forzar más el giro de la
corriente en la turbina que en el compresor.
.- Las turbinas de los motores de altas prestaciones trabajan con giros de la corriente que
frecuentemente alcanzan los 100°, todo ello con la intención de reducir el número total de etapas.
2. VELOCIDAD DEL ALABE
.- La potencia que produce una turbina depende también de las revoluciones que
obtengamos en ella.
.- Debido al cambio producido en la velocidad tangencial del fluido y al gasto de gas que
pase obtendremos una fuerza resultante en los alabes del rotor, la cual produce el giro del rotor, es
decir, una velocidad tangencial del los alabes del rotor, o lo que es lo mismo, la velocidad de arrastre
U.
.- Como sabemos la revoluciones son función de la velocidad de arrastre U y del radio a
través de la expresión:
rUw
.- Si variamos, por tanto, el radio también variaremos la potencia extraída de la turbina.172
.- Podemos recordar a este respecto que la potencia al eje tiene la expresión:
ParnWeje ·60
··2
.- En la cual se aprecia su dependencia de las revoluciones n y del Par. La fuerza del Par en
este caso se genera en el alabe, como hemos dicho, por la variación de la componente tangencial de
la velocidad y del gasto de gas.,
.- Las variables relacionadas anteriormente, el gasto, la variación de la velocidad tangencial y
las revoluciones, se pueden combinar para la obtención de configuraciones distintas que se han ido
adoptando a lo largo de la historia en las que se van variando la distancia de los alabes al eje de giro
y su longitud, con lo que variamos el gasto que pasa por cada conducto formado por los alabes así
como su velocidad tangencial para obtener unas potencias determinadas.
1. Disco pequeño y alabes cortos: Es una disposición antigua, en esta situación, la
velocidad tangencial de los alabes es pequeña debido a la poca fuerza obtenida por cada
alabe. La potencia obtenida, por tanto, en cada escalón también lo es ya que aunque al ser el
radio pequeño la w es grande, el par es pequeño. Debemos utilizar muchos escalones para
poder conseguir la potencia deseada para accionar el generador de gas o, en su caso, un
Fan. El motor podía llevar hasta 10 escalones.
2. Disco pequeño y alabes largos: Con esta disposición se podía aumentar la
potencia extraída por escalón. Este aumento lo produce un aumento de las revoluciones del
generador ya que la distancia de los alabes al eje de giro sigue siendo pequeña y extraemos
más fuerza por alabe. No olvidemos que es el fluido el que mueve el rotor de turbina. El
aumento de las revoluciones llevaba a la necesidad de instalar un reductor de velocidad
para algunos componentes como el Fan, con la complejidad mecánica que ello conlleva.
3. Disco grande y alabes largos: Esta es la disposición adoptada hoy día de forma
estándar. En ella se sitúa entre la turbina del generador y la del Fan un conducto ascendente
cuya finalidad es aumentar la distancia del alabe al eje de giro, de esta forma aumenta la
velocidad tangencial del alabe pero en menor medida ya que aunque la fuerza por alabe es
mayor, también lo es el radio. Esta solución tiene el inconveniente de que el gas debe seguir
un camino sinuoso sufriendo pérdidas por rozamientos, pero permite un número
intermedio de escalones entre las dos disposiciones anteriores y sin necesidad de
instalación de reductores.
173
06-05.- CLASIFICACIONES DE LAS TURBINAS
06-05-01.- TURBINAS AXIAL Y RADIAL
.- Podemos hacer una primera clasificación de las turbinas en función de la dirección de la
corriente fluida, en:
.- Centrípetas o Radiales.
.- Axiales.
.- El salto de presiones por escalón es del mismo orden de magnitud, tanto en las centrípetas
como en las axiales, si bien estas últimas son más apropiadas para grandes gastos.
.- En las turbinas centrípetas el fluido se desplaza desde el exterior o periferia de la turbina
hacia el centro.
.- Por la forma de actuación de la corriente fluida y la disposición de los elementos del motor
de reacción, las turbinas centrípetas no son adecuadas para motores de propulsión en aviación. Se
utilizan como turboalimentadores en motores alternativos o en algunas unidades de potencia auxiliar
(APU)
.- La turbina recibe este nombre porque en ella la dirección del fluido de trabajo es paralela al
eje del motor. El número de turbinas que tiene un motor depende de la relación de compresión y del
propio tamaño del motor, es decir, cuanto mayor son los dos parámetros anteriores necesitaremos
más número de escalones para extraer toda la energía del fluido.
174
06-05-02.- TURBINAS DE IMPULSO, REACCIÓN Y ACCIÓN-REACCIÓN
DEFINICIÓN.- GRADO DE REACCIÓN DE UNA TURBINA
.- Como sabemos, los álabes, tanto en los álabes del rotor como en los del estator de turbina
forman conductos por los que circula el fluido de trabajo. Dependiendo de la forma geométrica del
conducto que formen ocurre que el fluido puede aumentar su velocidad, es decir, realizar una
expansión o por el contrario mantenerla constante.
.- Los alabes del estator forman siempre conductos convergentes de forma que en ellos se
produce una aceleración del gas y por tanto una expansión, pero en el rotor puede ocurrir lo mismo o
también pude ocurrir que sus alabes formen conductos cuya sección permanezca constante con lo
que el fluido de trabajo ni se acelera ni se expande.
.- Se define el Grado de Reacción como la relación entre la expansión producida en el rotor y
la que se produce en el conjunto de la etapa estator-rotor.
EstátorExpansiónRotorExpansiónRotorExpansionR
___
175
- Así, de esta forma, podemos encontrar tres tipos de turbinas dependiendo de su grado de reacción:
.- Turbinas de Impulso o Acción.
.- Turbinas de Reacción.
.- Turbinas de Acción-Reacción.
A.- TURBINA DE IMPULSO
.- Se caracteriza porque mantiene fija, invariable, la sección de paso para el gas entre los
alabes del rotor, es decir en la turbina de impulso el gado de reacción es cero, no se produce
ninguna expansión en el rotor.(R = 0)
.- En este tipo de turbina, todo el aumento de velocidad del fluido de trabajo se produce en el
estator.
- Al producirse toda la expansion en el estator, tambien se produce toda la bajada de
temperatura en el estator, por lo que la turbina recibe menos temperatura.
176
177
178
B.- TURBINA DE REACCIÓN
.- En este tipo de turbina la sección de los conductos que forman tanto los alabes del rotor
como los del estator forman conductos convergentes y por tanto se produce un aumento de
velocidad tanto en uno como en el otro, es decir, el gas se expansiona en los des componentes de la
turbina.
.- En estos caso el orden de reacción suele ser del orden de: R=0,5
.- Se produce la misma expansión en el rotor y en estator.
-Este tipo de turbina genera mas trabajo que la de impulso, para identicas condiciones
previas.
179
FUNCIONAMIENTO DE AMBOS TIPOS
.- En la turbina de acción el estator funciona como una verdadera tobera, es decir, se
comporta como un conducto que produce una alta aceleración del fluido, cercana a la velocidad del
sonido que para las condiciones de temperatura a las que se encuentra localmente el gas es del
orden de 700-800 m/s (recordemos que en condiciones estándar es de 340 m/s) . Este chorro de gas
es dirigido al rotor de turbina imprimiendo en sus alabes un impulso que se transmite en un
movimiento de giro del disco del rotor.
.- Por el contrario e la turbina de reacción el rotor acelera los gases, es decir, lo que está
haciendo es aplicando una fuerza sobre dichos gases, que por la tercera ley de Newton sabemos
que estos responden con otra de igual intensidad y sentido contrario, de dirección tangencial al disco
del rotor, sobre los alabes de este, haciendo girar el disco del rotor. En este tipo de turbina le disco
del rotor se mueve por la propia reacción de los gases.180
.- La diferencia fundamental que podemos apreciar entre ambas esta en función de que el
movimiento de la turbina se produzca debido a una acción (efecto origen) o de una reacción (efecto
consecuencia).
.- En las de acción el fluido empuja literalmente el alabe (acción) y este a su vez, a parte de
moverse, empuja al fluido (reacción) haciendo que este cambie de dirección.
.- En las de reacción el rotor cambia el módulo y la dirección de la velocidad del fluido
(acción) y este a su vez reacciona contra el alabe haciendo que este se mueva.
181
C.- TURBINA DE ACCIÓN-REACCIÓN
.- Tanto uno como otro tipo de turbina tiene sus ventajas como sus inconvenientes. De hecho
en la actualidad no se emplean turbinas que sean 100% de impulso o de reacción, sino que son
intermedias entre las dos, con un cierto % de participación de uno y otro principio. En efecto en la
figura siguiente se representa un alabe típico de un rotor actual en el que se aprecia que desde su
Raíz hasta su Punta va variando su geometría de forma que cerca de la raíz los conductos que
forman son de sección prácticamente constante, parte A del gráfico, siendo su principio de
funcionamiento el de acción y según nos desplazamos a lo largo del alabe hacia la punta su
geometría va variando pasando a formar conductos convergentes, parte B del gráfico, cuyo principio
de funcionamiento es el de reacción. Son turbinas que se pueden denominar Turbinas de Acción-
Reacción.
.- Además del giro que van experimentando las distintas secciones de los alabes para formar
con los alabes contiguos conductos convergentes o divergentes, hay que hacer notar que
independientemente cada alabe va experimentado un estrechamiento de la raíz a la punta ya que en
este sentido los esfuerzos que se van solicitando de las distintas secciones es menor. Cada sección
debe soportar los esfuerzos centrífugos de la parte del alabe situada por encima de él.
.- El estator en cambio, que esta más cerca de la cámara de combustión tiene en cambio
menos problemas debido a su carácter estático.
.- La turbina del tipo de impulso en la raíz del alabe y del tipo de reacción en el extremo la
variación de presiones del gas, desde la raíz al extremo del alabe, varía como se indica en la figura
siguiente.
182
.- Esta forma de variación de presiones tiene una ventaja de funcionamiento, y es que la
mayor presión del gas en la zona del extremo del alabe reduce el escape del gas que tiende a
producirse por fuerza centrípeta hacia la periferia, resultando de esta forma un alabe con mayor
rendimiento.
183
.- En la figura siguiente se representa un a gráfica comparativa de ambos tipos de turbina. En
ella se representa la forma que poseen los conductos en ambos tipos, así como las variaciones que
experimentan las variables de estado del fluido de trabajo a su paso por ellos.
.- En esta figura se hace referencia a la existencia de conductos convergentes-divergentes
en el estator, siendo este tipo más usual en las turbinas de impulso donde se producen en él grandes
caídas de presión, el fluido alcanza velocidades transónicas que necesitan, por tanto, este tipo de
conductos. Mientras que, en las turbinas de reacción, el estator, forma conductos totalmente
convergentes ya que en este se requieren menores caídas de presión porque posteriormente, en el
rotor, se sigue realizando la expansión del fluido.
184
.- El diseño de los alabes de los rotores de turbina se realiza con un dimensionado referido al
esfuerzo de flexión, después de tener en cuenta los esfuerzos centrífugos y el límite de carga
admisible hasta la rotura por termofluencia. Dentro de estos diseños se encuentra la diferente forma
de disponer los alabes en el disco soporte del rotor, actualmente el diseño más extendido es el
denominado de encastre de abeto, siendo la disposición de los alabes la de Apoyados o en Voladizo.
.- Los alabes apoyados presentan las ventajas de poder disponer el extremo de los mismos
más próximo del cárter de cierre de la sección, con la consiguiente reducción de pérdidas de gas
fuera de la zona de turbina, que junto a la disminución de las vibraciones han extendido su
utilización.
185
.- El inconveniente que presentan es que la masa añadida en la zona de la periferia,
incrementa el efecto de la fuerza centrífuga en la misma, provocando un aumento considerable de
esfuerzo en la raíz del alabe. La temperatura puede influir como añadido a este aumento
considerable del esfuerzo, provocando puntos críticos en la resistencia del alabe en aquellos motores
que trabajen a elevadas temperaturas a la entrada de la turbina, por lo que en ellos no se utilizan
este tipo. La solución que se está empleando actualmente es el utilizar el primer rotor con alabes no
apoyados, y si en los siguientes, que tienen unos regímenes de funcionamiento a menores
temperaturas.
06-06.- ESFUERZOS MECÁNICOS Y TÉRMICOS
.- La turbina es el componente más exigido del motor, sobre todo el rotor ya que está
sometido, a parte de condiciones de trabajo continuo a muy alta temperatura, a grandes esfuerzos de
tracción debidos a la alta velocidad de giro.
.- La turbina es el elemento que se encuentra sometido a las condiciones más severas, tanto
de presión como de temperatura. Es el primer elemento que recibe los gases nada más abandonar la
cámara de combustión.
186
.- Si la turbina estuviera formada por una turbina doble, una de baja presión y otra de alta, es
la de alta la que soporta las peores condiciones ya que la de baja recibe el fluido de trabajo ya en
parte expansionado y refrigerado que procede de la turbina de alta.
.- En el caso de encontrarnos con una única turbina podríamos establecer la misma
diferenciación entre los primeros y los últimos escalones.
.- Es el estator del grupo de alta presión el que trabaja a mayor temperatura, pero al
permanecer inmóvil los esfuerzos a que están sometidos son solamente térmicos, debiendo tener
gran resistencia a la fatiga térmica, fluencia y corrosión.
187
06-06-01.- RESISTENCIA A LA FLUENCIA
.- La fluencia del material del que está formado el estator de turbina es un proceso que se
manifiesta por la deformación progresiva de sus alabes debido a la carga aerodinámica que soportan
en condiciones de altas temperaturas. Esta deformación puede afectar a la geometría de los
conductos internos de refrigeración con lo que empeoramos de modo progresivo las condiciones
internas de refrigeración del alabe, redundando en deformaciones posteriores más severas y en un
deterioro ulterior exponencial.
188
06-06-02.- RESISTENCIA A LA FATIGA TÉRMICA
.- La fatiga térmica es un deterioro de las propiedades de resistencia de los materiales como
consecuencia de encontrase dichos materiales en condiciones de trabajo sujetas a fuertes
variaciones de temperatura.
.- Las aceleraciones y deceleraciones de un motor son procedimientos en los que existe una
modificación del flujo de combustible produciendo por tanto variaciones en la temperatura del fluido
de trabajo y por tanto de las superficies sobre las que incide.
.- Cuando un motor pasa de ralentí régimen de despegue, la temperatura del metal cambia
en cuestión de segundos. La temperatura de los bordes de ataque y de salida varían mucho más
rápidamente que la parte central del alabe pudiendo llegar en el caso descrito hasta 400°C.
.- En cambio en el transcurso de una parada de motor la temperatura de entrada a turbina
puede superar los 1500 K a temperaturas por debajo de 0 °C.
.- Tanto en uno como en otro caso las variaciones de temperatura originan en el material
esfuerzos internos de tracción y compresión (ciclo de fatiga térmica) que puede provocar su fallo
catastrófico.
189
06-06-03.- RESISTENCIA A LA CORROSIÓN
.- La corrosión que presenta esta zona es la Corrosión en Caliente, fruto de la aceleración de
las reacciones del fluido de trabajo con el material de la turbina con las altas temperatura. El principal
agente corrosivo es el Sulfato Sódico (SO4Na2) formado a partir del Dióxido de Azufre (SO2) ,
formado en la combustión, y del Cloruro Sódico (CINa) que pueda venir disuelto en el aire de
admisión del motor. Aquella sal se deposita sobre los alabes provocando su corrosión.
190
06-07.- MATERIALES
.- El Estator suele estar formado por aleaciones de cobalto, mientras que en el rotor suelen
ser de níquel.
.- Para proteger contra la corrosión en caliente del níquel y del cobalto, se revisten estos
metales depositando sobre su superficie una capa de aleaciones complejas en las que está presente
el aluminio, el cual forma una capa con el níquel o con el cobalto muy resistentes a este tipo de
corrosión.
.- Los discos de los alabes del rotor son grandes y pesados y aunque trabajan a menor
temperatura que los alabes sigue siendo muy alta y además están sometidos a importantes
esfuerzos de tracción debido a las altas revoluciones que soporta siendo, por tanto, muy importante
la uniformidad de resistencia mecánica en toda la superficie del disco para que no se produzcan
zonas débiles donde progresen grietas prematuras. Además debe tener un límite de elasticidad alto a
las temperaturas a las que trabaja para evitar en lo posible deformaciones.
.- En la actualidad se utilizan aleaciones de níquel y aleaciones de níquel, cromo y cobalto
con adición de aluminio y titanio (Ej . Waspalloy y Astralloy) .
06-08.- MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA DE TURBINA
.- La resistencia de los materiales disminuye con el incremento de temperatura, por lo tanto,
es necesario controlar la temperatura a que están sometidos los alabes de la turbina para no
sobrepasar ciertos límites.
.- Lo ideal es saber la temperatura a que se encuentra el metal pero esto no es práctico
debido a las condiciones de trabajo que debería soportar la sonda. Normalmente en los aviones
comerciales se mide la Temperatura del Gas Entre Etapas de Turbina (ITT) o la Temperatura de los
Gases de Salida (EGT) . Ambas guardan relación con la temperatura real del gas en la turbina y
también con la del metal, son aproximaciones pero suficientemente válidas según corrobora la
experiencia.
.- En general las limitaciones operativas del motor provienen de la sobrevelocidad y de la
sobretemperatura.
191
06-09.- REFRIGERACIÓN DE LA TURBINA
.- La mejora del ciclo termodinámico de un turborreactor mejora con el aumento de la
temperatura de entrada a turbina, razón por la cual la evolución histórica de estos motores ha sido
orientada en este sentido.
.- El mayor aumento posible de la temperatura de entrada a turbina produce los siguientes
efectos favorables en el motor:
1. Aumento de la velocidad de salida de gases en la tobera de escape ya que al
tener mayor temperatura como la turbina consume lo mismo, nos queda un fluido con mayor
energía disponible. Es mayor la presión disponible de gas y con ello aumento del empuje
específico.
2. Si el motor es de doble flujo se puede aumentar el índice de derivación y
mejorar con ello el rendimiento propulsivo.
3. Permite una relación de compresión más alta en el generador de gas
disminuyendo el consumo específico de combustible. Hemos visto anteriormente que el
aumento de la temperatura y la relación de compresión favorecen el rendimiento de la
combustión con lo cual con menor combustible obtenemos mayor temperatura en la cámara
de combustión y para el mismo empuje podemos disponer de mayor energía para la
compresión.
4. Para un mismo empuje, si aumentamos la temperatura de gases de entrada a
turbina, puede usarse para disminuir el consumo de combustible, resultando un motor con
postcombustión económicamente mejorado.
5. Debido al incremento de empuje que es capaz de proporcionar podemos
conseguir un motor más pequeño para el mismo empuje o bien un motor más potente para el
mismo tamaño.
192
06-09-01.-FUNCIÓN DE LA REFRIGERACIÓN DE TURBINA
.- La función principal de la refrigeración de la turbina es hacer lo más independiente posible,
la temperatura de trabajo del metal de los alabes de turbina respecto de la temperatura del gas.
.- Los métodos principales de refrigeración de la turbina se basan en derivar del compresor
una cierta cantidad de aire y conducirla por conductos internos hasta la turbina.
.- Si los alabes de la turbina son macizos se proyecta una cortina de aire sobre su superficie
exterior produciendo la disminución de su temperatura, aunque la mayoría de los alabes macizos no
son refrigerados porque se aplican en motores de prestaciones moderadas.
.- Cuando los alabes de turbina son huecos el aire de refrigeración circula interiormente,
expulsándose al exterior por medio de unos orificios practicados en la superficie del alabe,
mezclándose finalmente con la corriente general de los gases. Esta refrigeración es más efectiva que
la anterior y suele ser la que utilizan los motores modernos.
.- Si la turbina dispone de varios escalones, es posible que varios de ellos necesiten
refrigeración, mientras que los últimos no la llevan pues en cada con cada expansión tenemos una
reducción de la temperatura.
.- En general la temperatura del aire que refrigera el rotor de la turbina es menor que la que
se emplea para refrigerar el estator.
.- El aire que se utiliza para la refrigeración del rotor suele provenir de las etapas intermedias
del compresor mientras que el que se utiliza para refrigerar el estator se suele tomar del flujo
secundario de la cámara de combustión ya que es un lugar más próximo y fácil de extraer aunque su
temperatura es mayor.
.- La refrigeración de los alabes del estator es más fácil de realizar que los del rotor debido a
su carácter fijo ya que se puede recurrir a formas complicada en los conductos internos de
refrigeración.
193
06-09-02.- MÉTODOS DE REFRIGERACIÓN
.- Los métodos de refrigeración de la turbina se clasifican en cuatro grupos:
1. Convección.
2 . Convección Forzada.
3. Refrigeración por Película (Film Cooling) .
4. Transpiración.
.- Los tres primeros se utilizan en motores de altas prestaciones en la actualidad mientras
que el cuarto, la transpiración a través de materiales porosos está en experimentación.
1. REFRIGERACIÓN POR CONVECCIÓN.-
.- En este método el calor que poseen los gases procedentes de la combustión es transmitido
a través de las paredes del los alabes hasta el aire que circula por su interior.
.- La cantidad de calor transmitido depende de la superficie interna bañada por el aire y de la
diferencia de temperaturas entra los gases exterior e interior.
2. REFRIGERACIÓN POR CONVECCIÓN FORZADA.-
.- En algunos puntos de los alabes especialmente calientes se necesita una refrigeración
más intensa la cual se consigue haciendo incidir sobre estas zonas internamente un chorro de aire
obteniéndose un incremento en la intensidad de la refrigeración.
3. REFRIGERACIÓN POR PELÍCULA DE AIRE.-
.- Este es el método más enérgico de los anteriores. Consiste en la formación de una película
de aire sobre una o varias zonas de la pared exterior del alabe. Esta película de aire aísla el alabe de
la corriente de los gases calientes.
194
195
07.- TOBERA
07-01.- FUNCIÓN
.- Los motores turbopropulsores poseen un sistema de expulsión después de la turbina, el cual, dirige el fluido de trabajo de la turbina de gas a la atmósfera a una determinada velocidad y dirección con el fin de proporcionar el empuje requerido.
.- Para alcanzar el máximo empuje de una determinada masa de gas que pasa por el motor
(máxima variación de la cantidad de movimiento) deben cumplirse dos condiciones:
1. La expansión de los gases en el sistema de salida debe ser completa.
2. Los gases no deben tener componentes de velocidad tangencial, es decir, no
deben poseer movimiento de rotación.
.- Para que se cumpla el primer punto, el sistema deberá poseer un conducto de forma
Convergente cuando el motor se destine a realizar sus funciones en régimen subsónico y
Convergente-Divergente cuando las realice en regímenes supersónicos.
.- Para que se cumpla el segundo punto debe diseñarse el último escalón de la turbina de
forma que los triángulos de velocidades sean tal que la corriente de gases salga en dirección axial.
.- La presión y la velocidad de los gases de salida generan el, empuje del motor en los
turbopropulsores pero en los turbohélices y turboejes, el sistema de salida de gases, sólo contribuye
con un pequeño empuje pues la mayor parte de la energía ha sido absorbida por la turbina que
impulsa la hélice o el rotor del helicóptero.
.- El diseño correcto de la tobera de salida de gases produce una notable influencia en las
"performances" del motor.
.- Generalmente el sistema de salida de gases consta de:
.- Conducto de salida (Jet Pipe).
.- Tobera Propulsiva.
.- Las secciones del Jet Pipe y de la tobera de salida dependen de la temperatura de entrada
a turbina, el gasto de aire y de la velocidad y presión de los gases del salida del motor.
.- La velocidad del fluido se mantiene a una velocidad relativamente baja durante la mayor
parte del conducto de salida para reducir las pérdidas por rozamiento, las cuales aumentan con la
velocidad. En la última parte del conducto de salida, en la tobera, es donde se comunica una fuerte
aceleración al fluido de trabajo.
.- El parámetro fundamental de un conducto de salida de gases es el grado de expansión, la
relación entre la presión total a la entrada de la tobera, P5t y la presión atmosférica, P0.
196
0
505 PP t
t
.- Esta relación determina la utilización de una tobera convergente o convergente-divergente
pues si es lo suficientemente grande las velocidad del fluido de trabajo alcanzará las condiciones
críticas en alguna sección (garganta) de la tobera convergente y a partir de ella necesitaremos un
conducto divergente para seguir aumentando la velocidad del fluido puesto que disponemos de
presión para ello.
07-02.- TIPOS DE TOBERAS
.- La primera gran división que podemos efectuar en las toberas es debida a la relación
existente entre las distintas áreas de las secciones que la forman. De esta forma podemos encontrar:
.- Toberas Convergentes.
.- Toberas Convergentes-Divergentes.
197
07-02-01.- TOBERAS CONVERGENTES
.- En este tipo de toberas la sección de entrada de gases, la sección de salida de la turbina,
es mayor que la sección de salida. Es por regla general la más utilizada en la aviación civil. Este tipo
de toberas se diseñan para relaciones de presión 5t0 que no sean muy elevadas, insuficientes para
conseguir velocidades supersónicas del fluido.
198
07-02-02.- TOBERAS CONVERGENTES-DIVERGENTES
.- Este tipo de toberas esta formado inicialmente por un conducto convergente al que
posteriormente se le añade otro divergente, siendo la sección de unión entre ambos conjuntos, la
sección donde se consiguen las condiciones criticas del fluido de trabajo (garganta) . Este tipo de
toberas se instalan en motores con una relación de presiones 5t0 suficientemente alta para
conseguir velocidades supersónicas en el fluido de trabajo. Si estuviéramos en este caso y no
instaláramos este tipo de tobera, si instaláramos toberas
convergentes, esto repercutiría en una gran perdida de empuje
del motor pues estaríamos tirando al exterior el fluido de trabajo
con una presión, con una energía de la que no abríamos
obtenido energía útil. Son tobera utilizadas mayoritariamente en
la aviación militar.
199
.- Aparte de estos dos tipos y sin ser excluyentes con ellos, también podemos encontrar:
.- Toberas de Seccione Fija.
.- Toberas de Sección Variable.
07-02-03.- TOBERA DE SECCIÓN FIJA
.- Las toberas de sección fija tienen una geometría constante y definida, diseñada para
realizar un salto de presiones especifico en el fluido de trabajo teniendo un buen rendimiento en
condiciones de diseño, pero siendo este mucho menor cuanto más se aleja el motor de dichas
condiciones. Por el contrario es una tobera de fácil y económica fabricación además de necesitar un
casi nulo mantenimiento debido a la ausencia de partes móviles.
07-02-04.- TOBERA DE SECCIÓN VARIABLE
.- La característica principal de este tipo de tobera es su capacidad para variar su geometría,
en concreto su sección de salida y de esta forma dar elasticidad al a tobera, es decir, adapta la
geometría de la tobera a las condiciones de régimen y condiciones de vuelo en que se encuentre el
motor y de esta forma obtener una tobera que proporciona un alto rendimiento en un abanico mayor
de condiciones de trabajo.
.- En un margen mayor de actuaciones del motor, una tobera de este tipo es capaz de
adaptarse e impedir que se tire al exterior el fluido con presión, con energía que podemos convertir
en energía útil para el empuje. Es mucho mas cara y complicada de fabricación y mantenimiento, con
lo cual dependerá la elección de una tobera fija o variable de las exigencias que a que vaya a estar
sometido el motor.
200
.- Básicamente los cuatro tipos de toberas especificados anteriormente engloban todos los
tipos de toberas existentes siendo el conjunto de estas una combinación de algunos de aquellos,
realizadas en función de las condiciones de salida de los gases de turbina y de las condiciones de
vuelo en que se vaya a desenvolver el avión que monte el motor, así como de criterios económicos y
de facilidad de mantenimiento.
201
07-02-05.- TOBERA VECTORIAL
.- La-tobera vectorial se caracteriza por su capacidad de orientar el empuje del motor, lo cual
incrementa de forma espectacular la capacidad de maniobra del avión, reduce significativamente las
carreras de despegue y aterrizaje y supone un importante aumento de la seguridad en vuelo. El
diseño de este tipo de tobera está basado en patentes españolas, es un concepto innovador y único,
que se distingue de otros existentes por su mayor simplicidad y ligereza.
.- Las principales ventajas del diseño de esta tobera:
.- El reducido número de actuadores (4 contra 6 ó 9 de otras soluciones) lo que
permite un menor peso.
.- El diseño de las barras de reacción triples, las cuales permiten lograr ángulos de
deflexión de 23° contra los 11 a 20° de otras opciones.
.- El empleo del efecto "BALANCE-BEAM" por el cual se aprovecha parte de la
energía del chorro de gas para ayudar al movimiento de cierre de la tobera, logrando una
disminución de las fuerzas requeridas de hasta un 15°.
202
07-03.- RUIDO Y SU AMORTIGUACIÓN
.- El ruido emitido por un turborreactor puede ser de carácter interno y externo. El primero es
generado por el compresor, la cámara de combustión y la turbina, mientras que el externo es
generado por la tobera.
07-03-01.- RUIDO EXTERNO
.- El ruido de la tobera de salida es causado por la extremadamente violenta mezcla de los
gases de salida con los de la atmósfera y se debe a la velocidad relativa existente entre unos y otra.
Junto al conducto de salida se crean pequeños remolinos que causan un ruido de alta frecuencia y
aguas abajo grandes remolinos que crean ruido de baja frecuencia.
.- Adicionalmente cuando la velocidad de salida de los gases de escape excede de la
velocidad local del sonido se forma un tren de ondas de choque oblicuas en el interior de la estela
que forman los gases de salida produciendo un ruido discontinuo que provocan una ampliación del
ruido producido por la mezcla de los gases.
07-03-02.- RUIDO INTERNO
.- El principal elemento generador de ruido interno es el compresor.
.- El ruido producido por el compresor y por la turbina se debe a la variaciones de presión y
turbulencias producidas entre los alabes móviles del rotor y los fijos del estator.
.- Se pueden distinguir dos tipos de ruidos:
.- Ruido discreto, de frecuencia simple.
.- Ruido de fondo, de banda ancha, de amplio rango de frecuencias.
203
.- El ruido discreto se debe a que en el paso regular del fluido a través de los alabes de rotor
y de los del estator el alabe fijo se interpone en la estela que incide sobre el rotor, le hace sombra, es
el mismo efecto que se produce cuando circulamos por una carretera a una velocidad relativamente
grande cerca de una serie de obstáculos que se encuentran inmóviles.
.- El ruido de fondo se debe al deslizamiento, a la fricción del fluido sobre la superficie de los
alabes.
204
07-03-03.- INTENSIDAD DE RUIDO EN DISTINTOS TURBORREACTORES
.- El turborreactor puro es el motor de reacción que más ruido produce siendo su principal
fuente la tobera, mucho más que el compresor y la turbina.
.- El siguiente motor de reacción en nivel de ruido sería el turborreactor puro con supresores
de ruido. Al igual que en el anterior sigue siendo la tobera la mayor fuente de ruido.
.- Por último nos encontramos con los motores turbofan como los motores de reacción que
generan menos ruido siendo los de bajo Índice de derivación los más ruidosos y siendo en ellos el
ruido proveniente de la tobera el de mayor intensidad y los de gran Índice de derivación los que
menos ruido generan. En estos últimos la intensidad del chorro de salida y los de la turbina y del
compresor son de intensidad similar.
205
07-03-04.- SISTEMAS DE SUPRESIÓN DE RUIDOS
.- La supresión del ruido producido por los turborreactores se oriente en dos caminos, por un
lado minimizarlo en origen, es decir, reducir su producción y por otro lado impedir o reducir su
propagación mediante la utilización de materiales absorbentes.
.- El ruido puede ser reducido minimizando el rompimiento, el desbaratamiento, la
desorganización del fluido, el cual produce las turbulencias que generan el ruido tanto en la turbina y
el compresor como en la tobera de salida. Esto se logra tratando de que las revoluciones de giro del
motor sean mínimas, así como la velocidad del fluido y su intensidad. También se ve reducido el
ruido mediante el diseño adecuado de la separación entre las ruedas de alabes del rotor y del estator
así como la relación entre el número de alabes que tiene la rueda del rotor y la del estator.
.- El ruido producido en la tobera pude ser reducido creando una región en la que se
produzca una rápida y corta zona de mezcla. Esto reduce el ruido de baja frecuencia pero puede
incrementar el de alta frecuencia pero por fortuna este último ruido es absorbido rápidamente por la
atmósfera. Para conseguir este efecto incrementamos el área de contacto entre el chorro de salida y
la atmósfera utilizando una tobera propulsiva que sea corrugada o bien que incorpore una serie de
aberturas por las cuales el aire atmosférico es arrastrado hacia el interior de la tobera debido a la
velocidad de los gases en su interior mezclándose ambos gases y disminuyendo la energía del
chorro de gases de salida.
.- Por tanto podemos realizar una reducción del nivel de ruido producido por los gases de
escape mediante:
.- Un aumento de la superficie de mezcla entra los gases de salida y la atmósfera.
.- Una disminución de la velocidad de salida de los gases de escape.
206
07-04.- INVERSORES DE EMPUJE
.- Los aviones con motores turborreactores utilizan el cambio de dirección del chorro de
gases de salida (inversión de empuje) para disminuir considerablemente la carrera de aterrizaje, con
las considerables ventajas de actuación que esto supone.
.- El desvío de la corriente da origen a una componente de velocidad dirigida hacia delante lo
cual indica la aplicación de una fuerza sobre el fluido e la misma dirección, según la dirección del
avión. Por tanto sobre el motor actúa una fuerza (reacción) dirigida hacia atrás, o empuje negativo.
.- En los aviones turbohélice se consigue el mismo efecto mediante la variación del paso de
la hélice, hasta conseguir llegar a invertir el sentido de la tracción normal.
.- En vuelo normal los dispositivos deflectores están adosados a la tobera de escape (a) de la
figura siguiente y girando a la posición (b), deflectan el chorro aproximadamente 90° de su dirección
axial. A partir de este momento unos alabes guia continúan girando la corriente hasta obtener un
chorro casi opuesto a la dirección normal produciendo, de esta forma, un frenado efectivo.
207
208
.
209
- En la práctica tenemos dos tipos de inversores:
.- Tipo Cascada.
.- De Valvas.
TIPO CASCADA
.- Este tipo está representado en la figura siguiente en la que podemos ver en la parte
superior la disposición normal de flujos en un motor de doble flujo con alto Índice de derivación y en
la inferior la situación de los flujos en régimen de inversión de empujes. En este caso la corriente de
aire se desvía por una cascada de compuertas que imparten un giro al flujo de salida.
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DE VALVAS
Este tipo de inversor es un sistema que utiliza compuertas o valvas que desvían el flujo, e este caso
los dos flujos del motor.
211
07-04-01.- GRADO DE INVERSIÓN
.- Se llama grado de inversión de empuje del motor a la relación entre el valor máximo
absoluto de empuje negativo a máximo régimen y el empuje positivo a máximo régimen, en
condiciones estáticas. El grado de inversión oscila entre valores del orden de 30%-50%.
07-04-02.- CONTROL DEL SISTEMA DE INVERSIÓN DE EMPUJE
.- El sistema de inversión de empuje se despliega por medios neumáticos o hidráulicos, más
frecuente por este último. Su operación es eléctrica y el tiempo que tarda en estar totalmente
establecido es del orden de 2 segundos.
.- Un sistema típico cuenta con los siguiente mecanismos:
— Unidad de potencia, que en el caso normal es de accionamiento hidráulico.
— Martinetes actuadores, hidráulicos.
— Cerrojos para las compuertas.
— Microinterruptores de inhibición del sistema.
— Microinterruptores de seguimiento de posición de las compuertas.
.- El control lógico del sistema requiere que se cumplan una serie de condiciones previas a la
actuación de la inversión de empuje.
.- Aproximadamente el 50% del empuje correspondiente al despegue puede ser utilizado
como reversible. El dispositivo debe dejar de operarse a una determinada velocidad específica para
cada motor, pues a bajas velocidades afecta al funcionamiento normal de la corriente de gases. La
ingestión de gases de alta o mediana temperatura por la toma de aire puede provocar la pérdida de
compresor. La situación es consecuencia de la baja densidad del aire en la entrada del compresor,
donde disminuye la velocidad axial de la corriente en las primeras etapas. Por esta razón la inversión
de empuje debe finalizar cuando el avión alcanza una velocidad determinada durante la carrera de
aterrizaje.
.- Este sistema produce una interferencia en la corriente de salida de los gases cuando actúa
en modo normal (sin deflectar la corriente) que produce una reducción del empuje respecto al mismo
motor sin dispositivo reversible que puede llegar al 25% en regímenes de despegue y un aumento
del consumo específico del orden del 1% en regímenes de crucero.
.- Los sistemas de empuje reversible en los turborreactores de doble flujo pueden adoptar
una de las dos variantes siguientes:
212
.- En sistema reversible para el flujo primario y otro similar para el segundario, que es
el sistema más generalizado.
.- En los motores de doble flujo de medio y alto índice de derivación suele ser
suficiente el desvío únicamente del aire secundario ("Fan"). Esto es debido a que en este tipo
de motores el flujo secundario es el contribuyente fundamental en el empuje del motor y el
empuje negativo conseguido en la inversión es proporcional a este.
.- La inversión del flujo primario plantea mayores problemas mecánicos para el sistema
inversor de empuje debido a la velocidad y temperatura de los gases de escape. Sistemas de este
tipo solo se utilizan en motores de bajo índice de derivación y en los turborreactores puros.
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SECCIÓN II
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08.- COJINETES Y SELLOS. COJINETES O RODAMIENTOS.
.- Cuando un elemento de máquina está soportado por un segundo elemento, y hay un
movimiento relativo entre ellos, de tal forma que las superficies en contacto deslizan una sobre la
otra, el conjunto constituye un cojinete. Pero comúnmente se ha dado en llamar cojinete al elemento
que soporta o sobre el cual se mueve el otro elemento, el cual puede ser un gorrón, un collar de
empuje, zapatas, etc.
.- La parte móvil de un motor, funcionando en el caso de las turbomáquinas a elevadas
velocidades de rotación, es sometida a enormes tensiones. El conjunto giratorio, cuidadosamente
equilibrado estática y dinámicamente, debe ser sostenido por cierto número de cojinetes destinados a
soportar los esfuerzos, tanto axiales como radiales, que surjan del funcionamiento.
.- De manera generalizada se sitúa en la parte delantera del compresor, un rodamiento para
soportar los esfuerzos de empuje y en la parte trasera de la turbina, un rodamiento destinado a
soportar especialmente los esfuerzos radiales. Tenemos que tener en cuenta la necesaria alineación
de los puntos de soporte y el reparto adecuado de las cargas en los mismos, así como la necesidad
de asegurar la lubricación, refrigeración y la estanqueidad de los rodamientos.
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RODAMIENTOS.
Es una pieza interpuesta entre los cojinetes y los árboles giratorios, que sirve para sustituir el
rozamiento por deslizamiento entre superficies del eje y el cojinete por un rozamiento de rodadura.
Por lo general, un rozamiento de rodadura es mucho menor que otro de deslizamiento. Los
rodamientos están compuestos:
- Cuerpos rodantes: los componen las bolas, rodillos o agujas.
- Anillos, aros o pistas: constituyen los caminos de rodadura. Uno de los
anillos permanece fijo mientras que el otro gira durante el funcionamiento
respecto al otro.
- Caja o jaula: sirve para mantener uniformemente separados los cuerpos
rodantes.
Tipos de cargas que soportan:
- Axiales: en dirección al eje de giro.
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- Radiales: Perpendiculares al eje de giro.
- Combinados: Carga de ambos tipos, radiales y axiales.
Comportamientos básicos de los rodamientos:
- De bolas soportan esfuerzos tanto radiales como axiales.
- De rodillos soportan esfuerzos radiales, dentro de estos, los de rodillos
cónicos soportan tanto radiales como axiales.
- Los de bolas son más silenciosos y se calientan menos, por lo tanto
admiten más velocidad.
- Los de rodillos son más rígidos.
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- Los de rodillos admiten mejor el desplazamiento axial cuando existe
dilatación térmica del eje.
- Los de rodillos cónicos admiten más velocidad que los de rodillo cilíndrico
cuando las cargas van combinadas, si la carga sólo es axial, los de rodillos
cilíndricos admiten mayor velocidad que los rodillos cónicos.
- A igualdad de tamaño, los rodamientos de rodillos soportan mayor carga
axial que los de bolas.
MANEJO DE LOS RODAMIENTOS
El cuidado correcto de los rodamientos es la práctica más recomendada para conseguir una
larga vida en servicio. Un rodamiento que no completa su vida prevista, afecta a la fiabilidad del
producto, así como a su coste. En ningún caso esto es aceptable.
Si aplicamos dos leyes fundamentales para el mecánico, garantizaremos una larga vida para
el rodamiento:
Primera Ley: Un rodamiento que esté en servicio toda su vida prevista, es uno que ha sido
tratado con cuidado durante su instalación.
Segunda Ley: Un rodamiento continuará en servicio cuando se desmonte correctamente de
su instalación y se cuide correctamente durante su mantenimiento periódico programado.
Para manejar un rodamiento deberemos de tener:
- Herramientas correctas (extractores, alicates, etc.).
- Utilizar guantes (algodón/quirúrgicos, resistentes al aceite).
- Abrazaderas de plástico (tipo autofrenables).
- Gomas elásticas.
- Bolsas de plástico-contenedores.
- Inyector de aceite (plástico transparente).
- Fluido de montaje.
El área de trabajo debe ser:
- Limpia y bien iluminada.
- Con el suelo de madera/corcho (blando).
- Estación de limpieza no corrosiva.220
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- Debe de disponer de Horno de secado, verificador de magnetismo, bobina
de desmagnetización, lupas, medidor de ruido y equipo de embalaje
adecuado.
- Disponer de carteles y señales de precaución.
Al rodamiento debemos preservarlo de:
- HUMEDAD
- AGENTES QUÍMICOS
- AIRE
- ÁCIDOS CORPORALES
- DAÑOS EN EL IZADO DE LOS MOTORES
- DAÑOS EN EL TRANSPORTE DEL MOTOR
Tenemos que conocer los rodamientos:
- Como están ajustados las piezas.
- Que significa la palabra “THRUST” (empuje) que suelen llevar grabada
sobre la cara de anillo del rodamiento.
- Que significa “MATCHED SET” (conjunto emparejado), no se pueden
separar.
- La documentación, en caso de que la hubiera.
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DESMONTAJE/MONTAJE
Debemos seguir las instrucciones que nos indique la Orden Técnica, y en general:
Utilizar siempre guantes, no tocarlos con la mano desnuda, sobre todo en el montaje.
Asegurarse del correcto estado de los útiles.
Comprobar el aprieto del anillo interior.
Cuando se empuje o extraiga el rodamiento hacia dentro o fuera del eje, los elementos
giratorios deben quedar libres de cualquier esfuerzo.
En el desmontaje, una vez extraído el rodamiento, colocar abrazaderas si fuera necesario y
empaquetarlo hasta una posterior limpieza.
Para un correcto montaje deberemos de:
a- Asegurarnos que la pestaña extractora queda hacia fuera.
b- Comprobar la orientación impresa del componente.
c- Los rodamientos del tipo de empuje en una sola cara, se instalan cara posterior con cara
posterior, o cara delantera con cara delantera, según se indique.
d- La flecha/línea grabada sobre el rodamiento debe quedar emparejada.
e- La lengüeta/pasador antirotación, deberá estar fijada a la ranura del anillo exterior.
Con los procesos de desmontaje y montaje debemos evitar:
- Fuerzas localizadas222
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- Esfuerzos desiguales provocados por extractores desgastados
- Impactos y golpes
- Excesiva fuerza en los alicates que desmontan los rodillos
- Extractores desalineados
- Vibraciones en el transporte
Las fuerzas indebidas sobre un elemento del rodamiento puede provocar:
- Cortes en la bola
- Indentación plástica
- Roces axiales
- Orificios escariados
- Grietas
- Roturas
- Jaulas deformadas
VERIFICACIÓN
Un rodamiento se debe verificar cuando lo estipule la Orden Técnica, bien por horas de
funcionamiento o tiempo de vida, y siempre que:
Parezca maltratado
Halla tenido impactos del eje
Tenga un aspecto poco común
Tenga contaminación de polvo, suciedad, líquidos o agua.
Para verificar un rodamiento, lo primero que tendremos que hacer es limpiarlo. Una vez limpio
se comprobará que no tiene magnetismo, lo comprobaremos con un indicador Gauss. En caso de
tener, habrá que desmagnetizarlo mediante una bobina.
Si el rodamiento es desmontable, se efectuará una inspección visual de todas las partes
ayudado de una lupa de 10 aumentos y una varilla calibrada (scriber) con la punta de la medida que
indique la Orden Técnica, este se pasará sobre el defecto en posición vertical y sin aplicar peso
alguno, únicamente el del propio útil. En caso de notar algo, nos indicará que el defecto es superior a
lo estipulado en la O.T.
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Para los rodamientos que no son desmontables, se utiliza un equipo de medición de ruido,
donde al rodamiento se le hace girar a un elevado número de rpm y se le aplica una carga radial, en
torno a 2 Kg., y se mide el ruido, y con arreglo a unos patrones, sabremos si es útil o rechazable.
Siempre que en la verificación aparezca metal levantado, contaminantes o sobre aprieto,
habrá que investigar que ha producido esta deformación en los rodamientos.
DIFERENTES TIPOS DE AVERIAS EN LOS RODAMIENTOS
Cada una de las diferentes causas de averías del rodamiento (inadecuada o insuficiente
lubricación, manipulación negligente, ajuste incorrecto, montaje defectuoso, etc.) genera su propio y
peculiar deterioro.
Tal deterioro, conocido como deterioro inicial, ocasiona después fallos inducidos,
desconchado y rotura. También el deterioro inicial puede exigirnos prescindir del rodamiento, por
ejemplo debido al excesivo juego interno, vibración, ruido, y así sucesivamente. Un rodamiento
averiado ostenta, frecuentemente, una combinación de daño inicial y daño secundario.
Los tipos de daños se pueden clasificar en:
Daño inicial o primario:
- Desgaste
- Indentación
- Adherencia
- Fatiga superficial
- Corrosión
- Daño por corriente eléctrica
Daño secundario
- Desconchado o descascarillado
- Rotura
Desgaste
En casos normales, no existe desgaste apreciable en rodamientos rotativos. Sin embargo, el
desgaste puede ocurrir como resultado de la presencia de partículas extrañas dentro del rodamiento
o cuando la lubricación es insatisfactoria. Las vibraciones en rodamientos que permanezcan
estacionarios, la ausencia de limpieza antes y durante la operación de montaje, lubricante
contaminado y mala estanqueidad, producen desgastes.
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Todo ello se puede corregir utilizando siempre lubricante nuevo y limpio. No desembalar los
rodamientos hasta justo antes de ser montados y mantener la zona de trabajo limpia junto con las
herramientas que se vayan a utilizar.
En el transporte de los motores utilizar medios con soportes antivibratorios, nada rígido que
pueda transmitir las vibraciones del transporte al motor.
Indentaciones
Los caminos de rodadura y los elementos rodantes pueden llegar a presentar indentaciones
(producidas por defecto de montaje o sobrecarga) si la presión de montaje está aplicada sobre el aro
equivocado, de forma que esta se transmite a través de los elementos rodantes, o si el rodamiento
está sujeto a cargas anormales mientras no gira. Las partículas extrañas en el rodamiento también
pueden causar indentaciones. Todo ello se puede evitar siguiendo las instrucciones correctas de
montaje, sin golpear el rodamiento y manteniendo una escrupulosa limpieza.
Adherencias
Cuando dos superficies, inadecuadamente lubricadas, deslizan entre sí bajo carga, el material
se transfiere de una a otra, esto se conoce como adherencia. Como consecuencia de ello, el material
puede llegar a alcanzar grandes temperaturas, dando lugar a recalentamientos, produciendo
desgarres y mal aspecto de las superficies, concentraciones de fatiga que pueden originar grietas. Se
puede corregir con un lubricante más apropiado y con mayores interferencias para el ajuste.
Fatiga superficial
El deterioro no se percibe inicialmente a simple vista. Con las necesarias horas de servicio del
rodamiento, se hacen evidentes cráteres pequeños y poco profundos con fracturas cristalinas
superficiales. Todo ello es debido a una insuficiente o inadecuada lubricación.
Corrosión
Ocurre al introducirse agua o agentes corrosivos en tal cantidad que el lubricante no puede
ofrecer protección para la superficie del acero. Este proceso conducirá pronto a zonas de óxido
profundo. Otro tipo de corrosión que se produce en los rodamientos es la oxidación por contacto. Se
corrige mejorando la estanqueidad y con un lubricante con mejores propiedades inhibidoras contra la
oxidación producida por agua o agentes químicas y mejorando los ajustes de los asientos contra la
oxidación de contacto.
Daño por corriente eléctrica
Está originado por el paso de corriente eléctrica a través del rodamiento girando o
estacionario. El rodamiento presenta estrías o cráteres de color pardo oscuro o negro grisáceo en
caminos de rodadura y rodillos. Las bolas sólo presentan decoloración oscura, algunas veces 225
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quemaduras en zig-zag en los caminos de rodadura en los rodamientos de bolas. Y cuando están
estáticos presentan quemaduras localizadas, tanto en los caminos de rodadura como sobre los
elementos rodantes.
Desconchado
Se presenta como resultado de la fatiga normal al haber alcanzado el rodamiento el límite de
su vida operativa. Se hace notar en forma de ruido y vibración cuando el desconchado es prematuro.
Se pueden producir por precarga, compresión oval, compresión axial, desalineación, indentación,
adherencias, por óxido profundo y por corrosión de contacto. Se corrige verificando los alojamientos y
los ajustes de montaje.
Grietas
La causa más común de formación de grietas en los rodamientos es un trato brusco, tanto en
el montaje como en el desmontaje, al golpear directamente con el mazo, aprietos excesivos que
sobrepasan el límite elástico del material. También se producen por adherencias y corrosión de
contacto.
Averías en la jaula
Cuando la jaula de un rodamiento está dañada, otros componentes del rodamiento
generalmente también están dañados, y esto hace más difícil descubrir la causa de la avería . En
general se pueden dañar por vibraciones, velocidad excesiva, desgaste, gripado, falta de alineación
de los aros de los rodamientos de bolas, etc.
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SELLOS / CIERRES
.- En un motor es necesario asegurar la estanqueidad entre diferentes compartimentos,
teniendo en cuenta la dificultad de tener que llevarlo a cabo con elementos con movimientos
giratorios muy elevados. Los sellos que más se utilizan para esta operación son los denominados
sello tórico u "O" ring, el retén labial o "Simrit", el sello de grafito o "Sealoil" y finalmente los sellos de
tipo laberinto que utilizan la técnica de depósitos de material desgastable o de la presurización con
circulación interna de aire.
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Los sellos se utilizan para controlar o contener el aire, aceite o gas en el motor. No es bueno
el uso en motores de sellos de caucho debido a que la elevada velocidad de rotación de los ejes
provoca una fricción que generaría demasiado calor y produciría un desgaste rápido de los cierres.
Esto sería particularmente peligroso en la zona de las cámaras de rodamientos donde el vapor de
aceite del lubricante podría inflamarse. Los cierres del compresor de inter-escalones pueden estar
muy próximos a las aleaciones de titanio. Las limaduras de titanio son inflamables por lo que la
fricción con el caucho de este tipo de sellos sería de nuevo peligrosa.
El rápido desgaste de los cierres de caucho limitaría la vida de los módulos del motor.
Se emplean distintos tipos de cierres para contener el aceite en las cámaras de rodamientos,
para regular el flujo de aire de refrigeración, para evitar fugas de aire en el comprensor, para evitar la
entrada de gas caliente en las cavidades del disco de turbina, y para evitar fugas de gas en la punta
del álabe de turbina.
SELLOS DE LABERINTO
Este tipo de sellos consta de una serie de aletas que rotan próximas a un revestimiento de
Honeycomb o de algún tipo de abradable insertado en una zona estática de la carcasa.
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Lo primero que ocurre en el funcionamiento de un motor es que las aletas del eje contactan
ligeramente cortado el revestimiento de abradable, o de forma idéntica si fuera Honeycomb, creando
un fino espacio entre las aletas y el revestimiento. Ese espacio se ajusta automáticamente para
compensar el crecimiento térmico y la flexión de los miembros en rotación. Los flujos de aire internos
del motor son controlados para producir una caída de presión a lo largo del cierre de laberinto. Esto
induce un flujo regulado de aire a través de la aleta del cierre al espacio en el revestimiento.
Cuando este tipo de cierre se utiliza para contener aceite en un rodamiento o cojinete. El aire
pasa del exterior del cierre a través de las aletas hacia el interior de la cámara del rodamiento para de
este modo evitar pérdida de aceite a través del cierre. Algunos tipos emplean una aleta continua
mecanizada de forma helicoidal o configuración de tornillo en el eje. Este tipo de cierres se conocen
como screw-back seal, el cual empuja al aceite que entra de vuelta a la cámara.
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Otro tipo de cierre de laberinto conocido como cierre de inter-escalones se utiliza para obtener un
flujo calibrado de aire de sellado en las cavidades del disco de turbina para proporcionar una presión
positiva de aire, la cual opone resistencia a la entrada de gas de escape caliente en el interior de las
cavidades.
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Los cierres de inter-escalones se utilizan en las secciones de turbina y compresor para evitar
fugas de gas y aire.
En un motor multi-carrete puede ser necesario proporcionar un sellado entre los dos ejes de
rotación. La flexión de los dos ejes daría como resultado un rozamiento entre las aletas giratorias y el
revestimiento también giratorio. Esta situación se evita mediante la sustitución del abradable con un
canal anular mecanizado en el interior del eje exterior que se llena de aceite y se mantiene en su
posición debido a la fuerza centrífuga mientras que el eje esté girando. Una aleta mecanizada, en el
eje interior, trabaja ahora próximo al aceite. Si los ejes flexionan la aleta lo necesario para que
penetre el aceite en la corona circular y sin que se produzca frotamiento entre las partes giratorias.
Este es un tipo de cierre de entre-ejes y se conoce como cierre hidráulico.
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CIERRES DE INTER-ESCALONES
Estos son cierres de tipo laberinto que están diseñados para proporcionar un flujo calibrado
continuo de aire de refrigeración en las cavidades del disco de turbina para contrarrestar la entrada
de gas caliente. Pueden estar diseñados para proporcionar diferentes flujos de aire en la parte trasera
y en la delantera de los discos de turbina gracias al número de aletas instaladas en cada lado del
cierre.
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Los cierres de inter-escalón del compresor evitan fugas de aire en el compresor en las carcasas
del motor. Las aletas en el carrete del compresor rotan próximas al abradable situado en la base de
los estatores.
CIERRES HIDRÁULICOS
Este tipo de cierres se utiliza normalmente como cierre de entre-eje. A diferencia del cierre de
laberinto no permite el paso de aire a través de él. El cierre está formado por una única aleta que
penetra en un canal de aceite contenido en una corona circular giratoria. El aceite se mantiene en la
corona gracias a la fuerza centrífuga. Cualquier diferencia de presión de aire detectada a través del
cierre cambia simplemente el nivel de aceite en cualquiera de los lados de la aleta.
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CIERRES ANULARES
Este cierre consiste en un anillo de hierro fundido alojado en una ranura cerrada situada en la
carcasa estática. El anillo puede flotar en la ranura si el eje flexa. Este tipo de cierre crea un espacio
más cerrado de carrera que un laberinto cuando se utiliza para sellar la cámara de un rodamiento. El
contacto anillo-a-eje es muy ligero y crea poca fricción. Este cierre no puede utilizarse en zonas muy
calientes puesto que el anillo puede estropearse haciendo que se gripe en su ranura y, posiblemente,
se agriete.
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CIERRES DE CARBONO
Este cierre se utiliza en aquellas zonas donde no se quiere fugas de aire a través del cierre
debido a un requisito de sellado positivo. El cierre estático de carbono y grafito está instalado en una
pista de acero de carburo de cromo pulido. La elevada presión de contacto se mantiene gracias a
unos muelles para proporcionar un sellado ajustado sin espacio libre. El calor generado por fricción
en este cierre de transferirá al aceite de evacuación en la cámara del rodamiento. El material de
carbono de estos cierres puede generar deposiciones negras en los filtros de evacuación de aceite.
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CIERRES DE CEPILLO
Este cierre consta de un cepillo estático grueso de delgadas cerdas de acero, las cuales hacen
contacto con el revestimiento cerámico giratorio del eje. La flexión de estas cerdas asegura que la
flexión del eje no puede aumentar las pérdidas de aire a través del cierre, puesto que las cerdas
nunca dejarán de hacer contacto con el revestimiento cerámico. Este tipo de cierres se utiliza
normalmente cono cierres de aire.
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FROTAMIENTO DEL CIERRE
El desgaste del cierre principal puede dar como resultado un frotamiento excesivo del cierre que
alteraría el tiempo de rodaje del motor. Durante el rodaje del motor se debe anotar el tiempo y se
debe informar los sonidos de frotamiento que emanan del motor. Girando el motor manualmente
puede producir resistencia y ruidos. El desgaste en los cierres de la cámara del rodamiento puede
conducir a escapes de aceite al interior de las carcasas del motor, particularmente durante el rodaje y
la autorrotación. El desgaste extremo puede llevar a una perdida importante de aceite durante el
funcionamiento del motor. El consumo excesivo de aceite y la existencia de aceite alrededor de las
ventilaciones del motor o en la entrada o salida, podrían ser una indicación de un fallo en el cierre del
laberinto de la cámara del rodamiento, posiblemente debido a un fallo o desgaste del rodamiento
principal.
CIERRE DE EQUILIBRIO DE PRESIÓN
Un eje de motor experimentará tensión como resultado de las acciones del compresor y la turbina.
El empuje hacia delante del compresor se equilibra mediante la fuerza hacia atrás de la turbina. Si
estas fuerzas están desequilibradas, el rodamiento puede experimentar una carga elevada, que
puede llevar a un desgaste acelerado y un fallo eventual. Por otro lado, el rodamiento puede necesitar
una carga de operación. Para ajustar las cargas del rodamiento a lo largo del rango de empuje del
motor, se utiliza un cierre de equilibrio de presión. Un cierre de diafragma metálico de diámetro dado
rotando con el eje está expuesto al aire presurizado para crear una diferencia de presión a través de
él. El producto diferencial de presión y el área del cierre proporciona una fuerza de empuje que
genera la carga necesaria al rodamiento. En algunos tipos de motores, el flujo de aire de refrigeración
presurizado que actuada en cualquiera de los lados del disco de turbina crea presiones diferenciales
a través del área del disco, las cuales proporcionan las fuerzas de equilibrio. Este es el mismo
principio que el cierre de equilibrio de presión.
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09.- LUBRICANTES Y COMBUSTIBLES.
09-01.- LUBRICANTES. EMPLEO Y CARACTERÍSTICAS.
.- Los lubricantes deben permitir, que funcionando correctamente el sistema de lubricación del
motor, se asegure el establecimiento y la renovación de la película que se interpone entre los
elementos mecánicos en movimiento (lubricación), que se realice al mismo tiempo la evacuación de
las calorías que permiten el correcto funcionamiento de los elementos anteriormente indicados
(refrigeración) y que todas aquellas partículas depositadas en las zonas que recorre sean arrastradas
y depositadas en los elementos filtrantes (limpieza).
.- En un turboeje, de forma general, podemos indicar que la lubricación es necesaria para: los
cojinetes que soportan al compresor, turbinas de potencia y generadora de gas.
.- Los piñones y engranajes de la cadena de accionamiento de los accesorios y el sistema de
reducción de velocidad.
.- Los lubricantes empleados deben poseer unas características específicas a las altas
temperaturas de funcionamiento y el cumplimiento de las misiones del sistema de lubricación. Las
temperaturas de funcionamiento de un motor son tales que las zonas lubricadas se pueden encontrar
entre temperaturas de -55°C y 250°C y su régimen de funcionamiento puede ser de mas de 20.000
r.p.m. con unas cargas medias. También en motores de aviones, debemos tener en cuenta la elevada
altitud de funcionamiento, que repercute en bajas presiones, por lo que los lubricantes deben
presentar una baja volatilidad. Finalmente es necesario que los lubricantes no sean susceptibles de
formación de espumas, no debiendo atacar en ningún caso a la constitución de las juntas de
estanqueidad y no formar depósitos de carbonilla.
En resumen las propiedades fundamentales del aceite para la lubricación son:
- Altas características de anti-friccion.
- Poca variación de la viscosidad con la temperatura.
- Mantener alta fluidez a bajas temperaturas.
- Gran capacidad de refrigeración.
- Resistencia a la oxidación.
- No tener propiedades corrosivas, ni formar depósitos.
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PUNTO DE CONGELACION (POUR POINT)
Temperatura a la cual el aceite deja de fluir por la acción de la gravedad.
PUNTO DE INFLAMACION (FLASH POINT)
Temperatura a la cual el aceite produce suficiente vapor para poder ser inflamado,
pero no quemado continuamente.
TIPOS DE LUBRICACIÓN.
.- Pueden distinguirse tres formas distintas: lubricación hidrodinámica, límite o de contorno,
hidrostática.
A.- Lubricación hidrodinámica:
.- las superficies están separadas por una película de lubricante que proporciona
estabilidad.
.- no se basa en introducir lubricante a presión (puede hacerse), exige un caudal de
aceite, la presión se genera por movimiento relativo.
.- se habla también de lubricación de película gruesa, fluida, completa o perfecta.
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