Turbinas de avión : concepto, operación y mantenimiento

Durante el proceso de diseño de un aerotipo convencional, y en general de cualquier tipo de aeronave, el diseñador se enfrenta con un problema que resulta de vital importancia para el correcto desempeño de la misma: esto es, la selección de la planta motriz que permita que el artefacto logre efectuar las maniobras para las que está siendo diseñado. Así por ejemplo, para cualquier aeronave que desee mantener un vuelo nivelado, y no-acelerado, la planta motriz que se haya seleccionado debe suministrar el empuje necesario para lograr vencer aquella fuerza de arrastre que ofrece un medio fluido a cualquier objeto que intente desplazarse en medio de él, y debe ser tal este empuje que, por medio de algún mecanismo de control, sea igual en magnitud pero de dirección opuesta a la fuerza de arrastre mencionada. Así pues, la selección de la planta motriz responde exclusivamente a la elección de algún motor o máquina térmica que logré suministrar la suficiente energía a la aeronave como para propulsarla, con una razonable relación de costo-consumo energético.

En general, todos los motores e ingenios térmicos utilizados como plantas motrices aeronáuticas, tienen la capacidad de convertir la energía térmica de algún fluido en energía mecánica. Esto lo logran mediante la aplicación de energía al flujo de masa de un fluido que pasa a través del motor, para luego obtener algún tipo de trabajo (de desplazamiento, de rotación, etc.), del flujo mismo. Más aún, en todos los casos la energía del calor o térmica es liberada en algún punto (del ciclo) en donde la presión del fluido es extremadamente alta, en relación con la presión atmosférica o ambiente. Es esta diferencia de presiones la cual permite establecer una fuerza de empuje.

Los motores se pueden clasificar en varios grupos dependiendo de:

Para aeroplanos en particular, la fuerza propulsiva es obtenida mediante el desplazamiento de un fluido de trabajo (que no necesariamente es el mismo utilizado en el motor) en una dirección opuesta a aquella en la cual el aeroplano es propulsado. Este fenómeno es sencillamente una aplicación de la tercera ley de Newton. En cada una de los tipos de plantas motrices utilizados, el principal fluido utilizado para la propulsión es el aire, excepto en los motores cohete en donde únicamente los subproductos de la combustión de la mezcla son utilizados para ser acelerados y desplazados, produciendo el empuje.

Las hélices de una aeronave que sea impulsada por motores reciprocantes o turboprop, aceleran una gran masa de aire mediante un pequeño cambio de velocidad. En estos casos, el fluido utilizado para generar la fuerza propulsiva no es el mismo que el utilizado como fluido de trabajo dentro del motor, sino que este último contribuye apenas en un 10-15% al empuje total del motor. En los motores turbojet, ramjet, y pulsejet, una pequeña cantidad de aire es acelerada mediante un cambio de velocidad "exagerado". En este tipo de motores, en cambio el fluido de trabajo utilizado dentro del motor es el mismo fluido utilizado para producir la totalidad del empuje. Un motor cohete carga su propio elemento oxidante para la combustión, el cual es diferente del aire. En este caso los gases producto de la combustión son descargados a través de un ducto de escape o tobera de descarga, la cual los ha acelerado hasta una velocidad extremadamente alta.

Considerando el medio mediante el cual el motor comprime el fluido de trabajo antes de adicionar calor o energía térmica, se puede tener la siguiente clasificación:

Cada una de las anteriores clasificaciones se muestran de manera abreviada en la tabla 1. En este documento se presentaran de manera rauda, pero concreta, los aspectos de los motores turbojet y turboprop.

Este tipo de motores tiene la ventaja, sobre motores reciprocantes por ejemplo, de tener secciones separadas que cumplen funciones independientes de manera simultánea sin interrupción. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que comparativamente los motores turbojet tienen un mayor consumo de combustible respecto de motores turboprop y reciprocantes que operan a las mismas condiciones. Si el factor más relevante de diseño es la economía, entonces este tipo de motores no serán los más convenientes. Los motores turbojet consisten en ductos propulsivos a través de los cuales se hace pasar una pequeña cantidad de masa de aire, la cual luego es obligada a reaccionar en combustión para ser posteriormente expelida a una altísima velocidad (una vez se haya alcanzado una presión máxima en algún punto del motor). Un motor turbojet, o de turbina de gas, típico consta de: 1. Una entrada de aire; 2. Una sección de compresión; 3. Una sección de combustión; 4. Una sección turbina; 5. Una sección de escape; 6. Un conjunto de accesorios; y 7. Los sistemas necesarios para arranque, lubricación, suministro de combustible y de, más tareas auxiliares del motor (aire acondicionado, sistemas antihielo y presurización de cabinas, entre otras). Una de las principales características de los motores turbojet es el tipo de compresor utilizado, ya que puede ser tanto del tipo del flujo axial como de flujo centrífugo, siendo el primero el más utilizado. Los motores turbojet se dividen a su vez en turbojet (fig. 1) y turbofan (fig. 2), cuya única deferencia radica en la existencia de un flujo secundario de aire en el último. El principio general de los motores turbofan es convertir más energía (producto de la combustión) en presión, con lo cual se genera más presión por unidad de área, que se traduce en un empuje adicional sin necesidad de incremento en el consumo de combustible.

Las secciones de compresión y turbina de estos motores (tanto turbojet como turbofan) están compuestas por discos de álabes rotores y álabes estatores, los cuales se encuentran solidarios a cubos montados sobre los ejes del motor. La cantidad de álabes en cada disco depende de la relación de compresión (o expansión en el caso de la sección de turbina) que se quiere alcanzar. Así el flujo de aire pasa a través de la sección de compresión para ingresar a las cámaras de combustión, para mezclarse con el combustible y reaccionar. Las cámaras de combustión son del tipo cananulares, es decir, varios anillos cónicos montados entre sí en tandem. El gas producto de la combustión, a alta temperatura y presión es expandido luego a través de la sección de turbina para ser expulsado por la tobera o ducto de escape en forma de chorro propulsor. Como nomenclatura, cada uno de los discos corresponde a una etapa de compresión o de turbina, según el disco se encuentre en el compresor o en la turbina. Cuando el fluido pasa a través de la sección de expansión (turbina) permite generar un momemtum sobre el disco, que es transmitido por medio de la flecha o eje a los discos del compresor, razón por la cual se dice que estos motores son de compresor manejado por turbina (turbine-driven compressor). Por último cabe destacar que los motores turbofan son los más utilizados para propulsar aeronaves, ya que presentan una excelente eficiencia operativa, combinando la capacidad de alto empuje de un motor turboprop con la habilidad de operación, a alta velocidad y elevadas altitudes, de un motor turbojet convencional.

Los motores turboprop (turbopropeller), son una combinación de una turbina de gas y una hélice, y son básicamente similares a los motores turbojet en el hecho de tener: compresor, cámaras de combustión, turbina, y una tobera de escape, todos los cuales operan de la misma manera en ambos motores, caracterizándose éste en particular por tener compresores de flujo axial. Adicional a la operación del compresor y los accesorios, la turbina turboprop transmite potencia incrementada, por medio de un conjunto de eje y caja de engranaje (caja de reducción), a la hélice (s), para su operación. De manera similar al motor turbojet, el incremento de potencia se logra mediante el paso de los gases calientes de escape a través de etapas adicionales de la turbina.

En casi todos los tipos de turbinas turboprop, la turbina consiste de un rotor múltiple montado sobre ejes coaxiales, que opera de manera independiente tanto al compresor como al conjunto de hélices. Los gases de escape, que pasan por la turbina y por el ducto de escape, contribuyen en un pequeño porcentaje a la energía de empuje del motor por medio de una reacción a chorro, que sin embargo no es la suficiente para propulsar a la aeronave, ya que la principal cantidad de empuje se logra mediante el aire acelerado por las hélices. Este tipo de motores difieren ligeramente de la forma constructiva de los motores turbojet, sin embargo en general operan en la misma forma, como se discutió anteriormente. Un motor turboprop típico puede ser dividido en los siguientes conjuntos o ensambles mayores (Fig. 3): 1. Sección de Potencia: Compresor, Combustores, Turbina y secciones de escape; 2. La sección de reducción o ensamble de caja de accesorios; 3. El ensamble torquímetro, el cual transmite el torque desde el motor a la caja de accesorios y; 4. El ensamble carcaza de la caja de accesorios y demás aditamentos de control. Los motores turboprop pueden ser utilizados en muchas configuraciones diferentes, siendo su uso más común en aeronaves de transporte, aunque pueden adaptarse para aeronaves monomotores.

Debido al alto nivel de confiabilidad que se requiere en la empresa aeronáutica, se llevan estrictos controles sobre los componentes, partes y demás tipos de ensambles que componen un motor. Estos controles corresponden a un seguimiento del número de ciclos (aterrizajes de la aeronave) y del número de horas de vuelo del motor. De acuerdo a parámetros establecidos por el fabricante se controlan determinados componentes, con frecuencias independientes y con acciones correctivas independientes. Así un disco de una sección de compresor de un motor Turbojet puede estar limitado hasta 20000 Cys (ciclos), para que al alcanzar este limite sea desechado, en tanto que un Módulo de Turbomaquinaria de un Motor Turboprop, puede estar limitado a las 8000 Fhs (horas de vuelo), para ser simplemente llevado a un nivel de reparación, que en la industria aeronáutica es llamado Overhaul, para continuar operando por un intervalo igual hasta el siguiente overhaul. De esta forma, se pueden tener unidades limitadas por:

Los componentes controlados por Hard Time son aquellos a los cuales se les controla estrictamente los ciclos y horas de vuelo de operación, hasta que llegan a un límite preestablecido para ser desechados. Las pruebas de banco consisten en efectuar un determinado grupo de tareas de mantenimiento e inspecciones por condición y operación, en instalaciones autorizadas por alguna autoridad aeronáutica (lo cual implica conocimiento por parte del taller acerca del componente a inspeccionar), que garanticen que el componente puede seguir operando hasta su siguiente inspección excepto se presente alguna falla eventual. Un tipo particular de prueba de banco es la prueba hidrostática, que suele aplicarse a componentes cuya función es la de contener algún medio fluido (gas o líquido) a un nivel de presión determinado.

Un tipo especial de control es el denominado como On-condition, en el cual el componente es inspeccionado regularmente de manera continua, y según las condiciones que se encuentren en estas inspecciones se determina si el componente ha de ser o no llevado a taller. En el control por monitoreo, no se realiza un seguimiento físico del componente, sino que son controlados determinados parámetros (tomados generalmente en la cabina de pilotos y en vuelo), que indican el posible estado del mismo, y la conveniencia o no de su remoción, para de nuevo ser enviado a taller o rechazar (según este establecido por el fabricante).

Llevando estos controles de manera rigurosa, se garantiza que los componentes, y en general los motores pueden operar a un alto nivel de confiabilidad, y por tanto, a un nivel de seguridad requerido. Del perfecto funcionamiento de cada uno de los componentes del motor, depende el adecuado desempeño de la aeronave en general, en tanto que es la planta motriz, uno de los principales componentes para el funcionamiento del Avión.

Dentro de las máquinas para propulsar aeronaves se encuentran diferentes tipos, cada uno de los cuales resulta más adecuado que otros para operar en determinados rangos. Se encuentran ciertos tipos de similitudes dentro de las mismas, compartiendo diseños de constricción, medio o fluido de trabajo, y rendimiento en determinados rangos. Dependiendo de la característica de desempeño que deseemos en la aeronave, esta requerirá un tipo u otro de planta motriz. Es adecuado, cabe señalar, el tipo de control que se ha adoptado en el ramo aeronáutico, dado el nivel de seguridad que se desea obtener en el funcionamiento de este tipo de máquinas. Por último, es de resaltar que sea cual sea la planta motriz que se seleccione, ésta debe estar en capacidad de ofrecer un nivel de confianza de funcionamiento a un razonable costo de mantenimiento y operación.