Comprensión de los componentes principales del motor a reacción y sus funciones

Un motor a reacción utiliza aire y combustible para producir energía para proporcionar empuje desde el escape o impulsar un eje conectado a una hélice o a las palas del rotor. Un motor a reacción se compone de una sección fría y una sección caliente. La sección fría incluye la admisión, los conductos de derivación, el compresor, el difusor y el eje de transmisión. La sección caliente consta de una cámara de combustión, turbina, boquilla, postquemador y escape. El motor a reacción funciona aspirando aire frío, comprimiéndolo, mezclándolo con combustible, quemándolo y luego expulsándolo por el escape. Este artículo analizará con más detalle los componentes principales del motor a reacción.

¿Cuáles son las piezas 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 el gas caliente y se mueve hacia atrás expandiéndose a través de las palas de la turbina, la boquilla supersónica, el postquemador y finalmente a través del escape. La sección caliente se denomina así porque contiene el gas caliente producido en la cámara de combustión. Los gases en el escape oscilan entre 550 y 850 °C, o hasta 1500 °C con un postquemador.

1. Cámara de combustión

La cámara de combustión es donde se mezclan y encienden el aire y el combustible. La cámara de combustión debe reducir la velocidad del flujo de aire entre 80 y 500 pies/s y crear una zona muerta en el medio donde se enciende la llama. El combustible se hace girar alrededor de la cámara para asegurar una mezcla adecuada con el aire. La temperatura de los gases liberados de la cámara de combustión oscila entre 1.800 y 2.000 °C. Para evitar que la cámara se derrita, son necesarias dos cosas. En primer lugar, se introduce algo de aire procedente del flujo de aire de precombustión como capa límite entre el gas caliente y la cámara. En segundo lugar, la cámara de combustión está hecha de una aleación de titanio recubierta con un revestimiento cerámico. Estos revestimientos cerámicos muy finos reducen la temperatura del material hasta unos 300 °C. Las cámaras de combustión de titanio se funden y luego se sueldan antes de aplicarles un revestimiento cerámico.

2. turbina

Luego, el gas caliente sale de la cámara de combustión y se expande a un ritmo rápido. La expansión del gas es parcialmente absorbida por las palas de la turbina para hacerlas girar. Las palas de la turbina están conectadas a través de un eje de transmisión a las palas del compresor para aspirar aire nuevo. Las palas de las turbinas se fabrican a partir de un único cristal de aleación a base de níquel para evitar la fluencia entre las capas límite metálicas. Las palas de la turbina también están recubiertas con un revestimiento cerámico para evitar que se derritan. Además del revestimiento, las aspas tienen canales de aire internos que permiten que el aire frío salga por los orificios de la superficie para crear una capa límite de aire frío sobre las aspas.

3. Boquilla supersónica 

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

4. Postquemador

Los postquemadores son simplemente sistemas de inyección de combustible que agregan combustible adicional a la postcombustión de gas caliente para agregar potencia adicional al motor por un corto período de tiempo. En un motor a reacción con posquemador suele haber una pared doble con un espacio de aire en el medio. El gas caliente existente se mezcla con un flujo de aire frío desde la parte delantera del motor a través del espacio llamado pared interna del motor. Esto también evita que el calor se transfiera a la estructura del avión. 

5. Escape

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

¿Cuáles son las piezas de la sección fría de un motor a reacción?

Dentro de la sección fría del motor a reacción, se encuentran la entrada de aire, el compresor, los conductos de derivación, los ejes que conectan el compresor y las palas de la turbina, y una sección de difusor. La sección fría del motor puede estar bastante caliente debido a la fricción y compresión del aire que experimenta.  Sin embargo, la sección fría está fría en comparación con la sección caliente del motor, que es la cámara de combustión hasta el escape.

1. Entrada de aire

Las tomas de aire parecen sencillas pero en realidad son bastante complejas. La geometría de una entrada de aire puede ser convergente o divergente. Se utiliza una entrada convergente para acelerar el aire a aproximadamente 0,5 Mach para motores que tienen velocidades inferiores a 0,5 Mach. Los conductos divergentes se utilizan para reducir la velocidad del aire a 0,5 Mach en motores que funcionan por encima de 0,5 Mach. Las tomas de aire también incorporan sistemas de calefacción para evitar la acumulación de hielo, lo que crea un flujo turbulento en el motor y puede detenerlo si se cae 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 en la parte delantera para permitir que el compresor aspire aire. El número de ejes depende del carrete del motor. Un motor de un solo carrete tiene un disco compresor, un disco de turbina y un eje. Un carrete doble tiene dos discos y ejes de compresor y turbina que se mueven independientemente uno del otro. Los ejes de un motor a reacción están hechos de acero tratado térmicamente, ya que deben soportar temperaturas y pares extremos. Los ejes suelen mecanizarse a partir de grandes piezas de acero con el uso de una máquina de torneado. 

3. Compresor

Los compresores se utilizan para comprimir el flujo de aire entrante aumentando la energía cinética del aire. Luego, el difusor ralentiza el 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 hacia un difusor. O el compresor puede ser un compresor de flujo axial que acelera el flujo de aire hacia atrás hasta un difusor. Ambas hojas se fabrican tradicionalmente de titanio, aluminio o acero. A menudo se prefiere el titanio debido a su peso ligero y su resistencia a la corrosión y a la fluencia. También se utilizan palas de fibra de carbono, sobre todo en el motor GEnx. Las palas metálicas de los compresores se funden con metal fundido, se enfrían y luego se mecanizan hasta obtener su forma final. 

4. Conductos de derivación

Los conductos de derivación permiten que el aire comprimido por el ventilador de derivación viaje por el exterior del núcleo del motor y se utilice como empuje o para reintroducirlo en el motor para funciones de refrigeración. Los conductos de derivación constituyen una gran sección del motor, por lo que suelen estar fabricados en aluminio o fibra de carbono para reducir su peso. El aluminio se utiliza para fabricar paneles que se ajustan para crear el conducto. Los conductos de fibra de carbono se fabrican colocando fibra de carbono en un molde y curándola con una resina. Una vez curados, los paneles de fibra de carbono se pueden instalar en el motor para crear el conducto. 

5. Sección del desactivador

La sección del difusor se utiliza 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 suelen ser paletas de estator, que son esencialmente paletas de compresores estáticos que se utilizan para ralentizar el flujo de aire en el motor. Las paletas del estator se fabrican a partir de acero o aleaciones a base de níquel, como Inconel®. 

¿Qué es un motor a reacción?

Un motor a reacción es un motor construido con una entrada de aire, un compresor, un difusor, una cámara de combustión, turbinas y un escape. Los motores a reacción proporcionarán empuje a partir del escape o impulsarán un disco de turbina que impulsa una hélice o el rotor principal de un helicóptero. El motor a reacción funciona en un ciclo continuo durante el cual en todo momento se aspira, se comprime, se quema y se expulsa una corriente de aire. 

Los motores a reacción son máquinas grandes y complejas que se ensamblan en piezas. Una vez aprobado el diseño de un motor, es necesario fabricar los componentes. Algunos de ellos se fabricarán internamente, pero muchos se traerán de otras empresas y luego se ensamblarán. Por ejemplo, el Rolls-Royce Trent se fabrica en ocho módulos. Los componentes principales, como la cámara de combustión y el compresor, se construyen por separado y luego se unen en la producción final. Después del montaje de las piezas principales, se añaden accesorios como cableado e hidráulica. La etapa final de fabricación es la prueba, durante la cual el motor se hace funcionar en un banco de pruebas para garantizar que cumple con las especificaciones de rendimiento operativo. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre ¿Qué es la fundición de aluminio?

¿Cómo funciona el motor a reacción?

Un motor a reacción funciona aspirando aire de la entrada y comprimiéndolo. La compresión se logra acelerando y desacelerando el aire rápidamente para crear energía cinética y transformarla en energía de presión. Luego, el aire comprimido se mezcla con combustible y se enciende. La mezcla encendida se expande rápidamente. El gas en expansión logra dos cosas:en primer lugar, impulsa las turbinas que impulsan el compresor para aspirar más aire. En segundo lugar, propulsa el avión saliendo rápidamente como empuje a través del escape o impulsando un conjunto diferente de turbinas que impulsan una hélice o la cabeza del 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 piezas. Una vez aprobado el diseño de un motor, es necesario fabricar los componentes. Algunos de ellos se fabricarán internamente, pero muchos se traerán de otras empresas y luego se ensamblarán. Por ejemplo, el Rolls-Royce Trent se fabrica en ocho módulos. Los componentes principales, como la cámara de combustión y el compresor, se construyen por separado y luego se unen en la producción final. Después del montaje de las piezas principales, se añaden accesorios como cableado e hidráulica. La etapa final de fabricación son las pruebas, durante las cuales el motor se hace funcionar en un banco de pruebas para garantizar que cumple con las especificaciones de rendimiento operativo.

¿Cuáles son las composiciones materiales del motor a reacción?

Los motores a reacción están fabricados con muchos materiales avanzados, resistentes y también livianos debido a las cargas y entornos extremos que experimentan. Se necesita una cantidad increíble de fuerza para volar, por lo que mantener el peso al mínimo y maximizar la potencia es un objetivo clave para los fabricantes de motores a reacción. La mayoría de los materiales son aleaciones metálicas que incluyen:

1. Aleaciones a base de níquel 
2. Aleaciones a base de cobalto 
3. Aleación de titanio 

Los motores también utilizan 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 de funcionamiento extremas, así como a los requisitos de seguridad que debe cumplir un motor. Los motores a reacción están sujetos a cargas térmicas, mecánicas y aerodinámicas extremas. También deben tener una tasa de fallos muy baja por razones de seguridad. Estos dos factores combinados son los que hacen que la fabricación de motores a reacción sea tan difícil. 

Además, algunas partes de los motores a reacción se imprimen en 3D. Si bien es un desafío imprimir piezas de motores debido a las propiedades mecánicas requeridas, la producción de algunas piezas ahora incluye este método. El GE9X de General Electric tiene palas de turbina impresas en 3D que utilizan el material TiAl, que es demasiado frágil para usarse con otras técnicas de fabricación. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre impresión 3D en la industria aeroespacial.

¿Cómo es el control de calidad en la fabricación de componentes de motores a reacción?

Muchos fabricantes se adhieren a AS9100, que es la contraparte aeronáutica del Sistema de gestión de calidad (QMS) ISO 9001. AS9100 es un estándar reconocido internacionalmente que establece los requisitos para una gestión de calidad eficaz. Los requisitos incluyen implementar sistemas de trabajo y utilizar la documentación correcta para garantizar que todas las piezas tengan la calidad adecuada y sean rastreables.