Hola frikináuticos. Tras un tiempo sin escribir nada, hoy os voy a hablar de los motores de reacción. En esta primera entrada, un poco de morralla matemática y luego explico la partes de un motor típico, ¿ok? ¡Paciencia!En la segunda entrada, hablaré de los tipos de motores de reacción, pondré ejemplos de aviones que los montan e imágenes y tal.
1 - ¿Qué es un motor a reacción?
Un motor a reacción es una máquina que produce un empuje, realizando una serie de transformaciones termodinámicas a un fluído (aire). Para comprender mejor esto, vamos a empezar diciendo las leyes físicas que rigen el funcionamiento de un motor de reacción. Éste se basa en la 2ª y 3ª ley de Newton.
- 2ª Ley: "El aumento en la cantidad de movimiento es igual al impulso de la fuerza aplicada".
- 3ª Ley: "A toda acción le corresponde una reacción igual y de sentido contrario"
m·dV = F·dt esto se puede reordenar así: m·dV/dt=F, que es la clásica ecuación de m·a=F, es decir, la fuerza que le aplicas a un cuerpo es igual a su masa por la aceleración que desarrolla al aplicarle dicha fuerza.
La tercera ley lo que significa es que cuando tu aplicas una fuerza a algo, ese algo te aplica a ti una fuerza igual y de sentido contrario. El ejemplo típico es el de la pared: cuando tu empujas una pared, te vas para atrás. La pared ejerce sobre ti una fuerza igual a la que le aplicas tu, en sentido contrario.Pero, ¿qué me estás contando? ¿qué es esto?. Apliquemos estas dos leyes a un motor de un avión y entenderéis lo que quiero decir. El motor chupa una masa de aire y lo acelera. Cuando el aire sale por detrás del motor, sale acelerado, ¿no?. Mirad la ecuación de arriba. Si a una masa de aire la hemos acelerado, esto quiere decir que el motor está aplicando una fuerza al aire. ¿Y qué pasa según la tercera ley? Que el aire le aplica al motor una fuerza igual y en sentido contrario. Es decir, el aire sale impulsado hacia atrás y el motor hacia delante. Ahí tenemos el funcionamiento de un motor de reacción.
2 - ¿Cómo hacemos para que el motor acelere el aire de la forma descrita?Al aire hay que aplicarle una serie de transformaciones termodinámicas para conseguir que salga acelerado. Con un simple ventilador no basta, hay que "meterle chicha" para desarrollar esa fuerza de la que os he hablado (a partir de ahora la llamaré "empuje").
El motor a reacción le aplica al fluido las mismas transformaciones que se desarrollan en un motor de explosión (el de los coches, normal y corriente), esto es: compresión, explosión/expansión.
En el cilindro de un motor de explosión, lo primero que ocurre es que entra la mezcla aire combustible (bueno, ahora la verdad es que entra el aire y el combustible se inyecta durante la compresión, pero para entender el funcionamiento nos importa un pepino). Una vez está en el cilindro, el émbolo o pistón sube comprimiendo la mezcla. Cuando el pistón está arriba, y la mezcla bien comprimida, salta la chispa de la bujía, que hace que la mezcla se queme. Ésta explota, y expande los gases, empujando al émbolo hacia abajo. Después éste sube, por inercia, con la válvula de escape abierta, sacando los gases. La explosión de la mezcla, al hacer bajar el émbolo, es la que hace que se mueva el cigüeñal, y éste hace que se muevan las ruedas (o hélice, en un avión). Si se representa en un gráfico presión-volumen, las condiciones del fluído describen una línea cerrada, y el área encerrada en la misma es el trabajo que hemos aportado al fluido.
En el reactor ocurre lo mismo: el aire entra por delante, se comprime en el compresor, se quema en la cámara de combustión y se expulsa a través de la tobera. La diferencia es que se expulsa muy rápido, y eso produce el empuje (3ª ley de Newton).
Pensad en lo siguiente: ¿se podría hacer un motor de explosión en el cual el cigüeñal no estuviese conectado a las ruedas, y el movimiento del coche se obtuviese con los gases de escape? Quiero decir, que los gases de escape del coche saliesen suficientemente rápidos como para producir un empuje, según la tercera ley de Newton. Sería un motor de explosión funcionando como un reactor. Mola, ¿eh?3 - ¿De qué partes consta un reactor? ¿Qué hace cada una?
Un reactor clásico, del tipo "turboreactor", consta de las siguientes partes (a muy grandes rasgos):
- Compresor
- Cámara de combustión
- Turbina
- Tobera
El compresor más habitual en estos tiempos es el axial (ya explicaré esto mejor en la segunda entrada). Su función es chupar aire y comprimirlo. Tiene una pinta tal que así:
Como véis, está formado por unos discos con álabes que dan vueltas, y otros que están quietos. Los que giran se llaman "ROTOR", y los que están quietos se llaman "ESTÁTOR". Huelga decir que los álabes son aerodinámicos, como los perfiles de las alas (recordad aquella entrada). La misión del rotor es aportar una energía cinética al fluído, una velocidad, vaya. Después, ese incremento de energía cinética se convierte en un incremento de presión en el estator, ya que sus álabes forman conductos divergentes (recordad que si el aire atraviesa un conducto divergente, su velocidad disminuye y su presión aumenta, y si es convergente, alrevés. Ved esta otra entrada)
3.2 - Cámara de combustión
Una vez el fluído ha pasado el compresor, su presión es elevada. Ahora es el momento de inyectarle combustible y quemarlo (estaríamos a punto de pasar a la tercera carrera de pistón en un motor de explosión). Suelen distinguirse tres tipos, pero como esta entrada es una explicación genérica, vamos a una cualquiera:
Es muy sencillo, el aire llega comprimido, y se divide en dos flujos. El flujo primario se introduce en el "tubo de llama", se inyecta combustible con un vaporizador y a través de una bujía, se inflama la mezcla. La temperatura alcanza 1700-2000ºC. El flujo secundario va entre el tubo de llama y la carcasa (cárter) refrigerando el material del tubo a base de crear una película de aire. Al final de la cámara, el flujo secundario se mezcla con el primario para bajar la temperatura hasta unos 200-500ºC. Si no se hiciese esto, la turbina (que es el elemento que viene después de la cámara de combustión) se fundiría.
3.3 - TurbinaAquí es donde la mayoría de la gente falla. La gente se piensa que "turbina" hace referencia al motor entero, o que la "turbina" es la parte del motor que se ve por delante, dando vueltas. Eso es un fan, que ya explicaré cuando hable de los turbofans, en la segunda entrada.
Habéis oído hablar de las centrales hidroeléctricas? El agua cae sobre una turbina, y la hace girar produciendo un trabajo (mover un generador y conseguir electricidad). O los generadores eólicos. El aire mueve una hélice (turbina) que genera un trabajo.
Vamos, os estoy intentando decir que una turbina es un elemento rotativo, al que un agente exterior hace girar para producir un trabajo. Podríamos decir que una turbina primitiva es esto:
Bueno, ¿entonces para qué sirve una turbina en un avión? De hecho,fijáos que en el paso anterior (combustión) ya hemos aportado energía al fluído, y si ahora saliese por la tobera, ya tendríamos empuje. ¿Entonces para qué queremos una turbina?Cuando el aire atraviesa la turbina, la mueve como si fuese un molino. Y la turbina está conectada mediante un eje al compresor. También está conectada a un generador eléctrico. Vamos, que la turbina cuando gira, mueve al compresor y además genera electricidad. Es exactamente lo mismo que un generador eólico, o que una central hidroeléctrica. Eso es una turbina.
La turbina, al igual que el compresor, está formada por discos con álabes que giran (Rotor) y otros que están quietos (Estátor). La diferencia con respecto al compresor es que el estátor va antes del rotor, y sirve para exactamente lo contrario que en el compresor: en este estátor se transforma la presión en energía cinética, y el rotor es movido por el aire, desarrollando trabajo.
En torno a 1/3 de la potencia de los gases se usa para mover la turbina y con ella el compresor. Los otros 2/3 son los que se encargan de obtener empuje a la salida.3.4 - Tobera
En la tobera los gases se expanden, adquiriendo velocidad. Después, salen a la atmósfera. Y recordad que el empuje es función de la diferencia de velocidades entre la salida y la entrada del motor.
De esta forma tan bonita, haciendo uso de los componentes descritos, conseguimos que el aire que atraviese el motor se acelere lo suficiente como para generar un empuje suficiente para que el avión se mueva. ¡¡Ahora entendéis el funcionamiento!! Ale, el próximo día hablaremos de los tipos de motor que hay, porque... ¡hay muchos!UPDATE: Segunda parte del artículo
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