Turbina tipo Turbofan


Funcionamiento de una turbina tipo turbofan

Los motores de aviación tipo turbofan, son una generación de motores a reacción que reemplazó a los motores turbojet. Caracterizados por disponer un ventilador o fan en la parte frontal del motor, el aire entrante se divide en dos caminos: aire de bypass o secundario y aire primario.

Tienen varias ventajas: consumen menos combustible, lo que los hace más económicos, producen menor contaminación y reducen el ruido ambiental.
Suele interesar mantener grados de bypass altos ya que disminuyen el ruido, la contaminación, el consumo especifico de combustible y aumenta el rendimiento. Sin embargo, un aumento en el bypass reduce el empuje específico a velocidades cercanas o superiores a las del sonido, por lo que para aeronaves militares supersónicas se utilizan motores turbofan de bajo bypass.

Clasificación

Turbofan de bajo índice de derivación: Posee entre uno y tres ventiladores en la parte frontal que producen parte del empuje de la aeronave. Su índice de bypass (desviación del flujo secundario de fluido) tiene un valor entre el diez y sesenta y cinco por ciento del flujo primario, que es igual al cociente entre las áreas de paso. Es normal que exista un carenado a lo largo de todo el conducto del flujo secundario hasta la tobera del motor. En la actualidad se utilizan mucho en aviación militar y en algunas aeronaves comerciales como el A340, el MD 83 y el Fokker 100.

Turbofan de alto índice de derivación: Estos motores representan una generación más moderna; la mayor parte del empuje motor proviene de un único ventilador situado en la parte delantera del motor y movido por un eje conectado a la última etapa de la turbina del motor. Al utilizarse sólo un gran ventilador para producir empuje se origina un menor consumo específico de combustible y un menor ruido. Lo que le hace muy útil para velocidades de crucero entre 600 y 900 km/h. Algunas aeronaves comerciales siguen utilizando motores de bajo bypass (como el JT8D).

Propfan, unducted fan y turbofan de índice de ultra-elevado de derivación (ultra high bypass turbofan): Son la generación de motores turbofan que se está experimentando. El Propfan resulta básicamente una mezcla entre un turbofan y un turbohélice, siendo muy parecido al unducted fan que es un turbofan sin el carenado externo y con mayor índice de derivación. El turbofan con índice de derivación ultra-elevado es un proyecto similar con índices de derivación mayores de 20 lo que permitirá menor consumo específico de combustible y gran reducción de gases contaminantes.

Componentes :

Diagrama de funcionamiento del turbofan.

Turbofan engine diagram

Turbofan engine diagram

Fan: situado al frente del motor. Es dónde se inicia la propulsión. Le atraviesa un flujo de aire que se divide en dos corrientes: la primaria y la secundaria o bypass air. La corriente primaria entra a través de los compresores a la cámara de combustión.

Compresores: el flujo de aire secundario pasa a través de diversas etapas de compresores que giran en el mismo sentido del fan. Se suelen utilizar compresores de alta y de baja presión en distintos ejes. La función de estos compresores es aumentar de modo significativo la presión y la temperatura del aire.

Animación del compresor

Cámara de combustión: una vez realizada la etapa de compresión, el aire sale con una presión 30 veces superior de la que tenía en la entrada y a una temperatura próxima a los 600 ºC. Se hace pasar éste aire a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se quema la mezcla, alcanzándose una temperatura superior a los 1100 ºC.

Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara, pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar diversos ejes. En los motores de bajo bypass el compresor de baja presión y el fan se mueven mediante un mismo eje; mientras que en los de alto bypass se dispone de un eje para cada componente: fan, compresor de baja presión y compresor de alta presión.

Animación de la turbina

Escape: una vez el aire caliente ha pasado a través de las turbinas, sale por una tobera por la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse. El peso del aire, combinado con esta aceleración produce parte del empuje total. En general, un aumento en el bypass trae como consecuencia una menor participación de la tobera de escape en el empuje total del motor.

Animación del flujo de aire

Excelente animación 3D del funcionamiento de un turbofan

El Trent 500 es utilizado en los Airbus A340-500 y A340-600

El Pratt & Whitney JT8D utilizado en Boeing 727, 737-100, DC-9 y MD-80

El JT8D es un turbofan de baja derivación (low-bypass)

Spinner de un turbofan CFM56-3 y se aprecia el pequeño sensor de temperatura del aire de entrada para que las computadoras ajusten correctamente la mezcla de aire y combustible en los combustores

La APU suministra el aire comprimido necesario para activar el motor de arranque que es neumático, y el cual hace girar a éste turbofan CFM56 en el arranque

El programa de los motores turbofan LEAP-X de CFM International incluye avances tecnológicos como aspas de fibra de carbono y mejores cámaras de combustión para una mayor duración, menor consumo de combustible y menores emisiones contaminantes.
Este turbofan será utilizado por el COMAC C919, que es el primer avión de pasajeros diseñado y construido en China, que comenzará sus pruebas de vuelo en el 2014.

El LEAP-X1C de CFM International será utilizado en el C919 en China

Cómo Rolls Royce fabrica las aspas de la turbina

Motores Rolls Royce Trent 1000 usados en el Boeing 787 Dreamliner

El motor turbofan GENX-1B es utilizado en el Boeing 787 Dreamliner y el GENX-2B es utilizado en el Boeing 747-8, ambos motores de alta tecnología, bajas emisiones y menor consumo de combustible.
Las aspas del turbofan son de fibra de carbono y la orilla es de titanio para mayor resistencia, bajo peso, mayor durabilidad y menor ruido.

GE NX JET ENGINE 3D
3D model of a jet engine – 3 Spool gas turbine engine
Documentary Rolls Royce – How To Build A Jumbo Jet Engine

Rolls Royce Trent XWB Engine Installation on First Airbus A350 XWB

trent xwb

Trent Xwb Test

Trent XWB 22 fan blades, Trent 1000 20 fan blades

Turbofan GENX-2B utilizado en el nuevo Boeing 747-8

Se pueden apreciar todos los sistemas de control del GENX-2B utilizado en el Boeing 747-8

Las características del GEnx

Rolls Royce Trent 892 que es utilizado en el Boeing 777

Las diferentes tipos de compuertas para lograr poner el empuje del motor en reversa y frenar a la aeronave cuando aterriza

Compuertas tipo bucket en un Boeing 737

Reversa tipo bucket en un Fokker70

Reversa de aire frío en un Boeing 747

Motores en reversa de un Airbus A319

Cómo se cierran las compuertas de aire frio en un motor Trent de un Boeing 777

Turbofan Pratt & Whitney PW4090 usado en el Boeing 777 tiene un costo de US$10 a US$12 millones

Pratt & Whitney GP7200 usado en el Airbus A380

Pratt & Whitney ha desarrollado un nuevo motor turbofan el PurePower 1000G el cual lleva una caja de engranes que reduce la velocidad del ventilador, teniendo así una turbina pequeña y rápida y un ventilador grande y más lento. Este motor es del tipo ultra-high bypass.

PW1000G ENGINE

Los resultados de éste nuevo motor geared turbofan son:

Consumo del 16% al 20% menos combustible que otro motor de la misma potencia.

Reducción de las emisiones contaminantes ya que es más eficiente y consume menos combustible.

Reducción de 20dB en ruido haciéndolo el motor más silencioso en su clase.

Caja de engranes reduce a un tercio la velocidad del ventilador

Se aprecia la pequeña turbina detrás de las grandes aspas

1.Ventilador o fan 2. Caja de engranes reductora

Pratt & Whitney PW1000G PurePower Engine How It Works

En muchos aviones se utilizan motores turbofan fabricados por General Electric Aviation

En éste video se muestra la secuencia de ensamble de un turbofan GENX-2B utilizado en el Boeing 747-8

Cómo se reemplaza un turbofan de un Boeing 777

Encendiendo un motor CFM56 manualmente actuando la válvula de alivio manual

El lavado de un turbofan tiene el beneficio de ahorrar combustible y reducir las emisiones contaminantes, ya que el polvo y restos de partículas se adhieren a las aspas, partes del compresor y la turbina, lo que añade peso y altera un poco el balance del motor y da como resultado menor duración y mayor consumo de combustible.

Fuente: Wikipedia.org, NASA, Pratt & Whitney, GE, CFM56

Autor: Daremen

  

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