Turbinas, TI-3436

1. Turbinas, TI-3436 Material preparado para Turbinas, TI-3436 Universidad Simón Bolívar Prof. Pedro J. Boschetti

2. Motores a reacción TI3436 Boschetti

3. Principios de la propulsión a reacción • Segunda ley de Newton o Ley de fuerza • “El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime” TI3436 Boschetti

4. Historia • La primera referencia del uso de la propulsión a reacción viene del la Eolípila, inventada en el siglo I por el ingeniero griego Herón de Alejandría. No tenia ninguna utilidad practica mas que como curiosidad • El segundo ingenio registrado fue el cohete. No se tiene una fuente fiable de cuando se creo el primer cohete, pero se sabe que los chinos los utilizaron como arma contra las hordas invasoras mogolas en 1232. Este artefacto elaborado con un combustible solidó (pólvora) fue utilizado por diversos ejércitos y armadas a lo largo de la historia con pocas mejoras significativas TI3436 Boschetti

5. Historia • En 1926, Robert Goddard hizo el primer lanzamiento de un cohete de combustible liquido en Auburn, Massachusetts, EE.UU. Sus logros fueron replicados mas tarde por Fritz von Opel  en Alemania, lo que condujo a un amplio desarrollo de esta tecnología • En 1906, el ingeniero ruso V.V. Karavodin patento el primer pulsorreactor, completando su trabajo en 1907. En 1908, el inventor francés Georges Marconnet patentó su pulsorreactor sin válvulas. Con base en estas ideas, Georg Madelung y Paul Schmidt propusieron en 1934 al Ministerio del Aire de Alemania la creación de una bomba voladora propulsada con un pulsorreactor. Diez años mas tarde, estas serian utilizadas como armas durante la Segunda Guerra Mundial TI3436 Boschetti

6. Historia • En 1929, el ingeniero aeronáutico y militar británico Frank Whittle envió formalmente sus ideas para un turborreactor a sus superiores en la RAF. Whittle tuvo su primer motor listo en abril de 1937. • En 1935, el ingeniero alemán Hans von Ohain comenzó a trabajar en un diseño similar en Alemania. Su primer motor, HeS-1, comenzó a funcionar en septiembre de 1937 • El 27 de agosto de 1939, el He 178 voló exitosamente utilizando el turborreactor alimentado por gasolina HeS-3 de 5 kN de empuje, en el aeródromo de Marienehe, Alemania • El avión Gloster E28/39 realizó su primer vuelo el 15 de mayo de 1941 con un turborreactor W.1 (Whittle-1) de 4 kN de empuje, en la base RAF Cranwell, cerca de Sleaford en Lincolnshire, Reino Unido He 178 Gloster E28/39 TI3436 Boschetti

7. Historia • En 1944, entra en servicio con la Luftwaffe el Messerschmitt Me 262, apodado Schwalbe (versiones de caza) y Sturmvogel (versiones de ataque), fue el primer avión de producción en serie completamente operacional. Se fabricaron 1.443 unidades hasta la rendición de Alemania el 8 de mayo de 1945 TI3436 Boschetti

8. Tipos de motores a reacción • Las turbinas de gas pueden ser utilizadas para generar empuje o para entregar potencia a través de un eje (o ambas). Se pueden clasificar en: • Motores de reacción para proporcionar empuje • Motor cohete (Rocket) • Pulsorreactor (Pulsejet) • Estatorreactor (Scramjet & Ramjet) • Turborreactor (Turbojet) • Turboventilador (Turbofan) • Turbinas de gas para proporcionar potencia • Turbohélice (turboprop) • Turboeje (turboshaft) TI3436 Boschetti

9. Motor cohete (Rocket) • El motor cohete genera empuje al liberar un chorro continuo de gas producto de la combustión de un propelente • Los cohetes inicialmente fueron fabricados con materiales rudimentario como caña de bambú seco rellena con pólvora • Los cohetes de combustible solidó constan de una cámara de combustión que al mismo tiempo es el deposito del propelente • El propelente puede variar desde materiales rudimentarios como la pólvora que necesitan del oxigeno del aire para quemarse, hasta mezclas químicas que se hacen inestables y en ciertas condiciones y reaccionan liberando energía sin necesidad del oxigeno atmosférico • Se emplean en fuegos artificiales, misiles de corto y mediano alcance, naves espaciales, asientos eyectables y sistema de despegue auxiliar en algunas aeronaves TI3436 Boschetti

10. Motor cohete (Rocket) • Los motores cohete de combustible liquido utilizan propelente y oxidante almacenado en estado liquido • Esto ofrece la ventaja de bombear a ambos hasta la cámara de combustión • Aunque son sistemas bastantes simples con pocas partes móviles, se requiere que el propelente y el oxidante lleguen en las cantidades apropiadas a la cámara de combustión para realizar una reacción química estable y completa • Se utilizan en naves espaciales, y misiles de largo alcance TI3436 Boschetti

11. Pulsorreactor (pulsejet) • El aire es comprimido y quemado de forma intermitente lo cual produce su ruido característico de pulso • Es simple de fabricar, pero ruidoso, ineficiente (baja relación de compresión), y sus pocas partes móviles (válvulas) se desgastan rápidamente • Aunque en el pasado se utilizó como medio de propulsión del primer misil crucero, en la actualidad se limita su uso al aeromodelismo TI3436 Boschetti

12. Estatorreactor (Scramjet & Ramjet) • Este carece de partes móviles como compresor o turbina • La compresión se efectúa en un difusor (compresor) y logra una elevada relación de compresión debido a la alta velocidad a la que funciona • El aire ya comprimido, se somete a un proceso de combustión en la cámara de combustión y una expansión en la tobera de escape, en un régimen de trabajo continuo • Si la combustión se realiza a velocidades por debajo de la velocidad del sonido reciben el nombre de Ramjet, y si esta se lleva a cabo a velocidades supersónicas se le conoce como Scramjet TI3436 Boschetti

13. Estatorreactor (Scramjet & Ramjet) TI3436 Boschetti

14. Turborreactor (Turbojet) • Este motor genera empuje al acelerar un flujo de aire y expulsarlo a la atmósfera • Consta de componentes básicos como nácela, compresor, cámara de combustión, turbina y tobera • Inicialmente eran utilizados en aeroplanos de diversos tipos, pero hoy en día están limitados a aviones pequeños, incluyendo misiles y aeromodelismo General Electric J85 TI3436 Boschetti

15. Turborreactor (Turbojet) TI3436 Boschetti

16. Turboventilador o Turbofán (Turbofan) • Los turbofáns son una versión mejorada de los turborreactores • Se basan en el principio de generar mas empuje, al mover una mayor cantidad de aire • Para esto, los turbofáns dividen el flujo de aire entrante en dos parte, y solo una parte para por el núcleo para producir la combustión, mientras que la otra simplemente es acelerada • Dependiendo de la relación entre el flujo másico del fan y el flujo másico del núcleo (llamada relación de by-pass) se clasifican en • De bajo by-pass (low by-pass ratio) • De alto by-pass (high by-pass ratio) JT8D TI3436 Boschetti

17. Turboventilador o Turbofán (Turbofan) • Los turbofán de bajo by-pass (low by-pass ratio) tiene una relación de BPR menor a 1,5 • Pratt & Whitney JT8D, 1964, 96,5kN (21,700 lbf)   • Volvo RM8, 1964, 72,2kN (16,200 lbf) • Los turbofán de alto By-pass (high by-pass ratio) tiene una relación de BPR mayor a 1,5 hasta 6 o mas • Pratt & Whitney JT9D, 1966, 250 kN (56000 lbf) • General Electric CF6, 1971, 226.9 - 240 kN (51,000 - 54,000 lbf) JT9D TI3436 Boschetti

18. Turbohélice (turboprop) • Estos motores utilizan la potencia entregada por una turbina de gas para mover una hélice • Su construcción es básicamente la misma de un turborreactor, salvo que es necesario una caja de engranajes o reductora para llevar la elevada velocidad de giro del eje de la turbina, a una velocidad mucha mas baja que puede ser aprovechada por una hélice • Existen diversas variedades de turbohélices dependiendo el fabricante • Son utilizados en aviones de velocidad media que requieren gran potencia Garrett TPE331 TI3436 Boschetti

19. Turboeje (turboshaft) • Estos motores son utilizados como plantas de poder y tienen diversas aplicaciones • Utilizan la potencia de la turbina para mover un eje el cual entrega potencia • En ocasiones, los turboejes son versiones de los turbohélices con alteraciones para tales fines • Son utilizados generalmente como: • Unidades de potencia auxiliar (APU) • Plantas motrices en helicópteros • Plantas motrices de plantas eléctricas en tierra • Plantas motrices de vehículos terrestres con elevada potencia Turbomeca Artouste IIIB TI3436 Boschetti

20. Empuje en motores de reacción TI3436 Boschetti

21. Empuje en motores de reacción TI3436 Boschetti

22. Actuaciones y operación del turborreactor • Los motores de reacción pueden ver afectada su operación por diversas circunstancia • Temperatura • Altitud • Velocidad TI3436 Boschetti

23. Actuaciones y operación del turborreactor • Velocidad • Influye en la velocidad de entrada de aire al motor, V1, y la cantidad de flujo másico TI3436 Boschetti

24. Actuaciones y operación del turborreactor • Temperatura • Los cambios de temperatura conducen a cambios en la densidad del aire, por lo tanto del flujo masivo de entrada TI3436 Boschetti

25. Actuaciones y operación del turborreactor • Altitud • El incremento de altitud produce cambios en la temperatura • A 32.000 ft (11 km) se alcanza la estratosfera y la densidad del aire disminuye a una taza mas elevada que en la troposfera TI3436 Boschetti

26. Ciclo de trabajo básicoRelación entre fenómenos termo-fluido-dinámicos TI3436 Boschetti

27. Ciclo de trabajo básicoCiclo termodinámico real de turbinas de gas TI3436 Boschetti