Comprender los Componentes Principales de un Motor a Reacción y sus Funciones

Un motor a reacción usa aire y combustible para producir potencia para proporcionar empuje fuera del escape o impulsar un eje conectado a una hélice o palas de rotor. Un motor a reacción está compuesto por una sección fría y una caliente. La sección fría incluye la admisión, conductos de bypass, compresor, difusor y eje de transmisión. La sección caliente consiste en cámara de combustión, turbina, tobera, postquemador y escape. El motor a reacción funciona aspirando aire frío, comprimiéndolo, mezclándolo con combustible, combustándolo y luego expulsándolo por el escape. Este artículo discutirá más a fondo los componentes principales del motor a reacción.

¿Cuáles son las Partes de la Sección Caliente de un Motor a Reacción?

La sección caliente de un motor a reacción comienza en la cámara de combustión, también conocida como generador de gas. Aquí es donde se crea gas caliente y se mueve hacia atrás expandiéndose a través de las palas de la turbina, tobera supersónica, postquemador y finalmente a través del escape. La sección caliente se refiere como tal porque contiene el gas caliente producido en la cámara de combustión. Los gases en el escape oscilan entre 550–850 °C, o hasta 1,500 °C con un postquemador.

1. Cámara de Combustión

La cámara de combustión es donde el aire y el combustible se mezclan e inflaman. La cámara de combustión debe reducir el flujo de aire de alrededor de 80–500 pies/seg y crear una zona muerta en el medio donde se enciende la llama. El combustible se arremolina alrededor de la cámara para asegurar una mezcla adecuada con el aire. La temperatura de los gases liberados de la cámara de combustión está en el rango de 1,800–2,000 °C. Para prevenir que la cámara se derrita, dos cosas son necesarias. Primero, algo de aire del flujo previo a la combustión se introduce como una capa límite entre el gas caliente y la cámara. Segundo, la cámara de combustión está hecha de una aleación de titanio recubierta con un recubrimiento cerámico. Estos recubrimientos cerámicos muy delgados reducen la temperatura del material a alrededor de 300 °C. Las cámaras de combustión de titanio se funden y luego se sueldan antes de aplicar el recubrimiento cerámico.

2. Turbina

El gas caliente luego sale de la cámara de combustión y se expande a tasas rápidas. La expansión del gas es absorbida parcialmente por las palas de la turbina para hacerlas girar. Las palas de la turbina están conectadas mediante un eje de transmisión a las palas del compresor para aspirar nuevo aire. Las palas de la turbina se fabrican a partir de un solo cristal de aleación basada en níquel para prevenir fluencia entre capas límite del metal. Las palas de la turbina también están recubiertas con un recubrimiento cerámico para prevenir que se derritan. Además del recubrimiento, las palas tienen canales internos de aire que permiten que una purga de aire frío salga por orificios en la superficie para crear una capa límite de aire frío sobre las palas.

3. Tobera Supersónica

En la mayoría de los motores a reacción, la tobera de escape es un conducto convergente. Acelera el flujo de gas a una velocidad supersónica para su introducción a la velocidad de corriente libre fuera del motor.

4. Postquemador

Los postquemadores son simplemente sistemas de inyección de combustible que añaden combustible extra al gas caliente post-combustión para añadir potencia extra al motor por una duración corta. Para un motor a reacción con postquemador, usualmente hay una pared doble con un espacio de aire entre ellas. El gas caliente existente se mezcla con un flujo de aire frío desde el frente del motor a través del espacio llamado pared interna del motor. Esto también previene que el calor se transfiera a la estructura de la aeronave.

5. Escape

Los gases de escape que salen del escape están en el rango de 550–850 °C. Para soportar estas condiciones, el escape está hecho de una aleación de níquel o aleación de titanio. Una aleación de níquel comúnmente usada es Inconel®.

¿Cuáles son las Partes de la Sección Fría de un Motor a Reacción?

Dentro de la sección fría del motor a reacción, está la admisión de aire, compresor, conductos de bypass, ejes que conectan las palas del compresor y turbina, y una sección de difusor. La sección fría del motor puede ser en realidad bastante caliente debido a la fricción y compresión del aire que experimenta. Sin embargo, la sección fría es fría comparada con la sección caliente del motor, que es la cámara de combustión al escape.

1. Admisión de Aire

Las admisiones de aire parecen simples pero son de hecho bastante complejas. La geometría de una admisión de aire es convergente o divergente. Una admisión convergente se usa para acelerar el aire a aproximadamente 0.5 Mach para motores que tienen velocidades por debajo de 0.5 Mach. Conductos divergentes se usan para reducir la velocidad del aire a 0.5 Mach para motores que operan por encima de 0.5 Mach. Las admisiones de aire también incorporan sistemas de calefacción para prevenir la acumulación de hielo que crea flujo turbulento en el motor y puede detener el motor si se desprende en trozos grandes.

2. Eje

Los ejes de una turbina de gas transmiten potencia desde los discos de la turbina en la parte trasera del motor a las palas del compresor al frente para permitir que el compresor aspire aire. El número de ejes depende del spool del motor. Un motor de un solo spool tiene un disco de compresor, un disco de turbina y un eje. Un motor de doble spool tiene dos discos de compresor y turbina y ejes que se mueven independientemente entre sí. Los ejes de un motor a reacción están hechos de acero tratado térmicamente ya que necesitan soportar temperaturas extremas y torque. Los ejes se mecanizan comúnmente a partir de grandes piezas de acero con el uso de un torno.

3. Compresor

Los compresores se usan para comprimir el flujo de aire entrante aumentando la energía cinética del aire. El difusor luego reduce la velocidad del aire y convierte la energía cinética en energía potencial (presión) lo que aumenta la eficiencia del motor. El compresor puede ser un impulsor de flujo radial que acelera el flujo hacia afuera a un difusor. O el compresor puede ser un compresor de flujo axial que acelera el flujo de aire hacia atrás a un difusor. Ambas palas son tradicionalmente hechas de titanio, aluminio o acero. El titanio es a menudo preferido debido a su bajo peso y su resistencia a la corrosión y fluencia. Las palas de fibra de carbono también están en uso, más notablemente en el motor GEnx. Las palas del compresor de metal se funden con metal fundido, se enfrían y luego se mecanizan a su forma final.

4. Conductos de Bypass

Los conductos de bypass permiten que el aire comprimido por el ventilador de bypass viaje alrededor del exterior del núcleo del motor y sea usado como empuje o para reintroducción al motor para funciones de enfriamiento. Los conductos de bypass son una gran sección del motor, así que usualmente están hechos de aluminio o fibra de carbono para reducir su peso. El aluminio se usa para hacer paneles que se ajustan para crear el conducto. Los conductos de fibra de carbono se hacen colocando fibra de carbono en un molde y curándola con resina. Una vez curada, los paneles de fibra de carbono pueden instalarse en el motor para crear el conducto.

5. Sección de Difusor

La sección de difusor se usa para convertir la energía cinética del aire creada por las palas del compresor en energía potencial (presión) para aumentar la eficiencia de la combustión. Los difusores son usualmente álabes estator que son esencialmente palas de compresor estáticas usadas para reducir la velocidad del flujo de aire en el motor. Los álabes estator se producen de acero o aleaciones basadas en níquel como Inconel®.

¿Qué es un Motor a Reacción?

Un motor a reacción es un motor construido de una admisión de aire, compresor, difusor, cámara de combustión, turbinas y escape. Los motores a reacción proporcionarán empuje fuera del escape o impulsarán un disco de turbina que impulse una hélice o rotor principal de helicóptero. El motor a reacción funciona en un ciclo continuo durante el cual en todo momento una corriente de aire es aspirada, comprimida, combustada y expulsada.

Los motores a reacción son máquinas grandes y complejas que se ensamblan en partes. Una vez que el diseño de un motor es aprobado, los componentes necesitan ser fabricados. Algunos se harán internamente, pero muchos se traerán de otras empresas y luego se ensamblarán. Por ejemplo, el Rolls-Royce Trent se hace en ocho módulos. Componentes principales como la cámara de combustión y compresor se construyen por separado y luego se unen en la producción final. Después del ensamblaje de las partes principales, se añaden accesorios como cableado e hidráulicos. La etapa final de fabricación es la prueba, durante la cual el motor se ejecuta en un banco de pruebas para asegurar que cumple las especificaciones de rendimiento operativo. Para más información, consulte nuestra guía sobre Qué es el Fundición de Aluminio.

¿Cómo Funciona el Motor a Reacción?

Un motor a reacción funciona aspirando aire de la admisión y comprimiéndolo. La compresión se logra acelerando y desacelerando el aire rápidamente para crear energía cinética y transformarla en energía de presión. El aire comprimido se mezcla entonces con combustible e inflama. La mezcla inflamada entonces se expande rápidamente. El gas en expansión logra dos cosas: primero, impulsa las turbinas que impulsan el compresor para aspirar más aire. Segundo, impulsa la aeronave ya sea saliendo rápidamente como empuje a través del escape o impulsando un conjunto diferente de turbinas que impulsan una hélice o rotor principal de un helicóptero.

¿Cómo se Fabrican los Motores a Reacción?

Los motores a reacción son máquinas grandes y complejas que se ensamblan en partes. Una vez que el diseño de un motor es aprobado, los componentes necesitan ser fabricados. Algunos se harán internamente, pero muchos se traerán de otras empresas y luego se ensamblarán. Por ejemplo, el Rolls-Royce Trent se hace en ocho módulos. Componentes principales como la cámara de combustión y compresor se construyen por separado y luego se unen en la producción final. Después del ensamblaje de las partes principales, se añaden accesorios como cableado e hidráulicos. La etapa final de fabricación es la prueba, durante la cual el motor se ejecuta en un banco de pruebas para asegurar que cumple las especificaciones de rendimiento operativo.

¿Cuáles son las Composiciones de Materiales del Motor a Reacción?

Los motores a reacción están hechos de muchos materiales avanzados, fuertes y también ligeros debido a las cargas y entornos extremos que experimentan. Se necesita una cantidad increíble de fuerza para volar, así que mantener el peso al mínimo mientras se maximiza la potencia es una meta clave para los fabricantes de motores a reacción. La mayoría de los materiales son aleaciones metálicas que incluyen:

1. Aleaciones basadas en níquel
2. Aleaciones basadas en cobalto
3. Aleación de titanio

Los motores también usan materiales no metálicos como:

1. Carburo de Silicio
2. Fibra de Carbono

La fabricación de motores a reacción es extremadamente difícil debido a sus condiciones operativas extremas así como los requisitos de seguridad que un motor debe cumplir. Los motores a reacción están sujetos a cargas térmicas, mecánicas y aerodinámicas extremas. También deben tener una tasa de fallo muy baja por razones de seguridad. Estos dos factores combinados son lo que hace la fabricación de motores a reacción tan difícil.

Adicionalmente, algunas partes de los motores a reacción se imprimen en 3D. Aunque es desafiante imprimir piezas de motor debido a las propiedades mecánicas requeridas, la producción de algunas partes ahora incluye este método. El GE9X de General Electric tiene palas de turbina impresas en 3D que usan el material TiAl que es demasiado frágil para ser usado con otras técnicas de fabricación. Para más información, consulte nuestra guía sobre Impresión 3D en la Industria Aeroespacial.

¿Cómo es el Control de Calidad para la Fabricación de Componentes de Motor a Reacción?

Muchos fabricantes se adhieren a AS9100 que es la contraparte aeronáutica del Sistema de Gestión de Calidad (SGC) ISO 9001. AS9100 es un estándar internacionalmente reconocido que establece los requisitos para una gestión de calidad efectiva. Los requisitos incluyen implementar sistemas de trabajo y usar la documentación correcta para asegurar que todas las partes sean de la calidad correcta y trazables.