CEFAAL-DOC-M15 Página 241 de 375

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.

241

CEFAAL-DOC-M15 Página 242 de 375

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.

242

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.

141

.- 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.

142

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.

143

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.

144

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.

146

.- 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.

147

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.

148

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.

149

150

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.

151

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

154

.- 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.

156

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.

157

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.

159

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.

210

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.

213

CEFAAL-DOC-M15 Página 215 de 375

SECCIÓN II

215

CEFAAL-DOC-M15 Página 216 de 375

216

CEFAAL-DOC-M15 Página 217 de 375

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.

217

CEFAAL-DOC-M15 Página 218 de 375

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.

218

CEFAAL-DOC-M15 Página 219 de 375

- 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.

219

CEFAAL-DOC-M15 Página 220 de 375

- 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

CEFAAL-DOC-M15 Página 221 de 375

- 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.

221

CEFAAL-DOC-M15 Página 222 de 375

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

CEFAAL-DOC-M15 Página 223 de 375

- 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.

223

CEFAAL-DOC-M15 Página 224 de 375

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.

224

CEFAAL-DOC-M15 Página 225 de 375

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

CEFAAL-DOC-M15 Página 226 de 375

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.

226

CEFAAL-DOC-M15 Página 227 de 375

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.

227

CEFAAL-DOC-M15 Página 228 de 375

228

CEFAAL-DOC-M15 Página 229 de 375

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.

229

CEFAAL-DOC-M15 Página 230 de 375

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.

230

CEFAAL-DOC-M15 Página 231 de 375

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.

231

CEFAAL-DOC-M15 Página 232 de 375

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.

232

CEFAAL-DOC-M15 Página 233 de 375

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.

233

CEFAAL-DOC-M15 Página 234 de 375

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.

234

CEFAAL-DOC-M15 Página 235 de 375

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.

235

CEFAAL-DOC-M15 Página 236 de 375

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.

236

CEFAAL-DOC-M15 Página 237 de 375

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.

237

CEFAAL-DOC-M15 Página 238 de 375

238

CEFAAL-DOC-M15 Página 239 de 375

239

CEFAAL-DOC-M15 Página 240 de 375

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.

240

CEFAAL-DOC-M15 Página 241 de 375

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.

241

CEFAAL-DOC-M15 Página 242 de 375

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.

242