Información básica para aquellos que quieren iniciarse en el conocimiento de los motores que propulsan a los aviones a reacción.

1. Para poder entender una nueva tecnología, primero es necesario familiarizarse con sus
teorías y términos básicos. Los motores de reacción tienen características y vocablos
propios. En algunas leyes físicas se encuentran interpretaciones especiales, y a
palabras de uso común se aplican significados especiales. Aquí se explicarán los
fundamentos más esenciales necesarios para comprender los principios de un motor de
reacción. Luego trataremos con los términos más comúnmente utilizados en el
funcionamiento del motor de reacción.
Correctamente hablando, el nombre motor de reacción, es un vulgarismo cuando se
aplica a motores tipo turbina para avión. Tales motores están más adecuadamente
llamados motores de turbina de gas. Sin embargo, los dos nombres son sinónimos, y se
utilizaran indistintamente. A primera vista, el término motor de turbina de gas, pudiera
inducir a error, porque la palabra gas, se utiliza algunas veces para gasolina; uno podría
pensar que se refiere a un motor de turbina que usa como combustible la gasolina. El
nombre, no obstante significa exactamente lo que dice: un motor tipo turbina que
funciona con un gas mas bien que uno operado, por ejemplo, por vapor o agua. El gas
que hace funcionar la turbina es el producto de la combustión que se lleva a cabo
cuando un combustible adecuado se mezcla y quema con el aire que pasa a través del
motor. En la mayoría de las turbinas de gas, el combustible no es gasolina en absoluto,
sino mas bien, un destilado de bajo grado tal como el militar JP-4 ó una mezcla de
keroseno comercial que satisface requisitos especiales.
EL MOTOR DE TURBINA DE GAS

2. EL MOTOR DE TURBINA DE GAS
A. G. Rivas

3. El desarrollo del motor de turbina de gas como grupo moto propulsor de
aviones ha sido tan rápido que es difícil apreciar que antes de 1950 muy pocos
habían oído hablar de este método de propulsión de aviones. La posibilidad de
usar la reacción de un chorro había interesado durante mucho tiempo a los
diseñadores de aviones, pero inicialmente las bajas velocidades de los
primeros aviones y la falta de adaptación del motor de embolo para producir el
gran flujo de aire a alta velocidad necesario para el chorro propulsor,
presentaron muchos obstáculos.

5. Antes de que los humanos apareciesen sobre la tierra, la naturaleza
había dotado a ciertas criaturas del mar, tal como el calamar y la jibia, de
la capacidad de propulsarse por si mismas por medio de un chorro a
través del agua. Existieron muchos ejemplos del principio de reacción
durante los primeros registros de la historia, pero debido a que no se
había alcanzado un nivel adecuado de desarrollo tecnológico en las áreas
de ingeniería, fabricación, y metalurgia, hubo un espacio de mas de 2000
años antes de que fuese posible una aplicación práctica de este principio

7. El primer motor de reacción conocido que se usó para realizar un trabajo
fue construido por Hero de Alejandría allá por el 250 AC. Esta máquina
consistía esencialmente en una vasija cerrada en forma de esfera en la
cual se introducía vapor de agua a presión. Cuando el vapor escapaba
por dos tubos curvados montados opuestos sobre la superficie de la
esfera, los tubos se convertían en toberas propulsoras que hacían que la
esfera girase en la dirección opuesta a la salida del vapor.
El dispositivo se uso para abrir las puertas de un templo sin la necesidad
de uso de las manos humanas.

9. La mayoría de los historiadores están de acuerdo en que los cohetes fueron
empleados en la guerra por los señores chinos por lo menos en el siglo XIII
para crear terror en las filas de sus enemigos. No mucho antes los chinos
descubrieron la pólvora (probablemente por accidente) aproximadamente por
el año 1000 D.C. alguien aprendió como hacer petardos. La observación de
que un petardo defectuoso con el taco ido de un extremo se lanzaría cruzando
el terreno, probablemente llevó a experimentos con un pequeño cilindro abierto
en un extremo, atado a una flecha. Cuando el cilindro estaba lleno de pólvora y
la pólvora se encendía, la flecha volaría por el aire por sí misma. Aunque nadie
lo supiera entonces, el borde del cilindro actuaba como una tobera de escape,
produciendo el "empuje" que propulsaba a la flecha. Precisamente el mismo
principio permite a los motores de reacción de hoy desarrollar empuje.

11. En 1687, Sir Isaac Newton formuló las leyes del movimiento (las cuales serán
tratadas en detalle mas adelante) sobre las que se basan todos los dispositivos
que usan la teoría de la propulsión a chorro. El vehículo que aquí se muestra,
llamado la carreta de Newton, aplicaba el principio de la propulsión a chorro.
Se cree que un holandés llamado Jacob Gravesand, fue quien realmente
diseñó este “carruaje sin caballo” y que Isaac Newton puede haber
proporcionado solo la idea. El carruaje consistía escencialmente en una gran
caldera montada sobre cuatro ruedas. Al vapor generado por un fuego
construido debajo de la caldera se le permitía escapar a través de una tobera
orientada hacia atrás. La velocidad del vehículo estaba controlada por una
llave de paso del vapor localizada en el conducto de salida.

13. El ingeniero francés René Lorin, patentó un motor de propulsión a chorro en
1913. Este era un conducto aero-termodinámico (athodyd) y en aquella época
imposible de fabricar o usar, ya que entonces no se habían desarrollado
materiales resistentes al calor, y además, la propulsión a chorro habría sido de
poco provecho a las bajas velocidades de los aviones de aquel momento. No
obstante, el moderno estatorreactor actual es muy similar a la concepción de
Lorin.

15. En 1930 a Frank Whittle se le otorgó su primera patente para usar una turbina
de gas que producía propulsión a chorro, pero su motor no realizó el primer
vuelo hasta once años mas tarde. El motor de Whittle sentó las bases del
moderno motor de turbina de gas.

16. Entre 1791 y1930, fueron muchos los que proporcionaron ideas que condujeron al establecimiento
del moderno motor de turbina de gas como lo conocemos hoy día. Cuando en 1930 Frank Whittle
propuso la solicitud de su patente para un motor de reacción para avión, lo hacía gracias a la
contribución de muchos otros antes que él.
Whittle orientó su patente inicial hacia un motor turborreactor con un compresor centrífugo. El
primer motor de Whittle se llamó el Power Sets W.1, después de su fabricación voló en el British
Gloster G-40 el 15 de Mayo de 1941.

17. GLOSTER G40
Motor: 1x Power Jets W.1 Turborreactor centrífugo, 860 lb de empuje.
Envergadura: 29'
Longitud: 25' 3 3/4''
Altura: 9' 3''
Peso: Vacío 2,886 lb / Cargado 3,748 lb
Velocidad Máxima: 466 mph
Techo: 32,000'
Tripulación: 1

18. HeS 3B
Concurrentemente
con Whittle, von
Ohain en
Alemania había
estado trabajando
en el desarrollo de
un motor de
reacción para
avión. Construyó y
rodó su primer
motor de
demostración en
1937. Su primer
motor en vuelo fue
el Hes 3B que voló
en el Heinkel He
178 el 27 de
Agosto de 1939.

19. Heinkel He 178
Apenas una semana antes del inicio de la II guerra mundial , Alemania voló el
primer avión jet del mundo. El jet era el Heinkel He-178 , su desarrollo pudo
haber alterado el curso de la historia. Hans von Ohain comenzó el desarrollo
del motor turborreactor en los años 30 . Antes de 1935 pidió a Ernst Heinkel,
el fabricante de aviónes ayuda,para desarrollar un nuevo tipo de motor Heinkel
vio en él la promesa en la invención de construir el aeroplano más rápido del
mundo. A finales de febrero de 1937, se probó el motor turborreactor S-1 con
combustible de hidrógeno y este produjo un empuje de 250 libras a 10.000
RPM.

20. América entró tarde en el campo de la propulsión a chorro debido a que, en
aquella época, el sentimiento era que la guerra debería ganarse con aviones
que usasen motores alternativos convencionales. En Septiembre de 1941, bajo
los auspicios del National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, ahora la
National Aeronautics and Space Administration, o NASA), el motor W.1X, que
fue el predecesor del W.1 y un juego completo de planos y dibujos de la mas
avanzada turbina de gas W.2B, volaron a los Estados Unidos bajo acuerdos
especiales entre los gobiernos Británico y Estadounidense. También se envío
un grupo de ingenieros en propulsión a chorro. A la General Electric
Corporation se le otorgó el contrato para construir una versión americana de
este motor debido a su experiencia previa con turbosobrealimentadores .

21. W.1X

22. Bell XP-59A
El primer vuelo propulsado a chorro en los Estados Unidos se realizó en
Octubre de 1942, en un Bell XP-59A, con el Jefe de pilotos de prueba de la
Bell a los mandos. Los dos motores General Electric I-A usados en este avión
experimental fueron adaptaciones del diseño de Whittle.

23. El General Electric I-A fue una copia del motor británico “Whittle”
Los motores de Whittle y von Ohain condujeron al éxito del avión de
combate de propulsión a chorro a finales de la Segunda Guerra Mundial,
el más destacado de ellos fue el Messerschmit Me 262 que fue utilizado
por las Fuerzas Aéreas Alemanas. Sería interesante destacar que la
primera producción de motores de reacción ingleses utilizó compresores
centrífugos mientras que la producción de motores en Alemania empleó
el compresor de flujo axial, más avanzado. Los pros y contras de estos
dos diseños de compresores se tratarán mas adelante.

24. General Electric I-A
General Electric I-A

25. Energía es la capacidad para hacer trabajo. Trabajo, en el sentido mecánico de la palabra, es la
realización de una operación productiva por algunos medios mecánicos, y el trabajo se efectúa
cuando se aplica una fuerza a través de una distancia. Cuando un trozo de materia se encuentra
estacionario, a menudo tiene energía debida a su posición en relación con otros trozos de materia.
Esto se llama energía potencial porque el trozo de materia tiene capacidad potencial para hacer
trabajo. Si el trozo de materia se mueve, tiene energía cinética, o energía debida al movimiento.
Las formas de energía son numerosas, tal como la energía química (la energía producida por una
reacción química), la energía calorífica (la energía producida por desprendimiento de calor), la
energía eléctrica (la energía disponible de la electricidad), la energía de presión (la energía de un
gas bajo presión), y la energía mecánica (la energía ejercida por una máquina o un hombre).
Todos los tipos de energía son capaces de hacer trabajo. En la práctica, la energía puede
transformarse de una forma a otra, pero no todas las energías pueden recuperarse cuando la
transformación está hecha. Por ejemplo, cuando se usa la electricidad para girar un motor
eléctrico, una parte de la energía eléctrica se cambiará en calor a causa de la fricción. Puesto que
la energía calorífica así generada se perderá en el aire, solamente la energía mecánica del eje del
motor estará disponible para efectuar trabajo.
Es por la transformación del tipo de energía por lo que es posible la propulsión a chorro.
Esencialmente esto se hace transformando la energía química del combustible en energía
calorífica, y luego en energía mecánica para acelerar el aire a través del motor. Es esta aceleración
la que principalmente es responsable de que el avión se mueva.
Como se ha dicho, existen muchas formas de energía: química, mecánica, eléctrica, calorífica,
lumínica, y nuclear. Pero solamente hay dos clasificaciones básicas en las cuales se ajustan todos
los tipos de energías: la potencial y la cinética. A medida que el aire pasa a través del motor de
turbina de gas y se le añade o extrae energía, hay un cambio continuo entre sus energías potencial
y cinética. La energía total del aire que pasa a través del motor es siempre la suma de sus
energías cinéticas y potencial.

27. Energía
EJEMPLO: Un avión de 20.000 lb [9072 kg] está sujeto a 5 ft [1’52 m) del suelo
por un gato. ¿Cuánta energia potencial posee este sistema?
m]kg[13.830ftlb100.000
520.000
WHPE
⋅⋅=
×=
=
ftobjeto,delalturaH
lbobjeto,delpesoW
ftlbpotencial,energíaPEDonde
=
=
⋅=

28. Energía cinética
g
WV
2
KE
2
=
ftlbencinéticaenergíaKE
]m/s[9'81ft/s32'2gravedadladenaceleracióg
ft/senvelocidadV
lbenpesoWdonde
22
⋅=
==
=
=
Obsérvese que la energía cinética es directamente proporcional al peso y a la
velocidad al cuadrado.

29. EJEMPLO: Calcùlese la energía cinética de un avión que pesa 6.440 lb [2924
kg] y se mueve a una velocidad de 205 mph (300 ft/s) [330 km/h (91,6 m/s)].
g
WV
2
KE
2
=
32'22
3006.440 2
×
×
=
energíadem]kg[1.244.700ftlb9.000.000 ⋅⋅=

30. Todas las versiones de motores de reacción, motores cohete y las hélices de los motores de
émbolo, desarrollan empuje de la misma manera, y se ha dicho que esto se debe a la aplicación de
las leyes de movimiento de Isaac Newton. Dado que casi todo el mundo tiene dificultad al principio
para comprender de donde viene el empuje de un motor de reacción y algunos incluso
erróneamente creen que el empuje se produce por los gases de escape del motor que empujan
contra el aire exterior, este tema será explicado con cierta amplitud. El primer paso es comprender
las leyes de Newton.
PRIMERA LEY DE NEWTON
Un cuerpo en reposo permanecerá en este estado a menos que sea modificado por una fuerza
exterior.
Ejemplo: Una bola colocada en una mesa nivelada, permanecerá estática hasta que se le haga
mover por una fuerza tal como una ráfaga de viento o un empujón por la mano de una persona.
Una segunda parte de la primera ley de Newton dice que un cuerpo en movimiento continuará
moviéndose en línea recta a una velocidad uniforme hasta que sea alterada por una fuerza
exterior. Al funcionamiento del motor de reacción no le concierne esta parte de la ley.

31. SEGUNDA LEY DE NEWTON
Un cambio en el movimiento es proporcional a la fuerza aplicada. Esto se puede decir de otra
forma: Una fuerza proporcional a la relación de cambio de la velocidad se produce cuando quiera
que un cuerpo o masa se acelera.
Ejemplo: Cuando una persona golpea un clavo con un martillo, la fuerza con la que el martillo
golpea al clavo es proporcional a la masa (la cual es proporcional al peso) del martillo, multiplicada
por la cantidad con que la persona acelera la cabeza del martillo, desde cero a la velocidad final.
Sería difícil, por ejemplo, clavar una gran escarpia con un martillo para tachuelas, ya que la cabeza
del martillo tiene muy poca masa. Similarmente, incluso con un gran martillo, sería una tarea larga
y fastidiosa clavar una escarpia solamente con ligeros golpes porque la aceleración aplicada a la
cabeza del martillo es demasiado pequeña.
La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza
neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La
constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación
de la siguiente manera:

32. Segunda Ley de Newton
masa
fuerza
naceleraciódonde
=
=
=
=
M
F
a
M
F
a
“Un desequilibrio de fuerza sobre un cuerpo tiende a producir una aceleración en la
dirección de la fuerza, esta aceleración es directamente proporcional a la fuerza e
inversamente proporcional a la masa del cuerpo”.
Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen,
además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de
Newton debe expresarse como:

33. F = M a
1 N = 1 Kg · 1 m/s2
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa
por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un
kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2.

34. cantidad de movimiento
F = M · v
La expresión de la Segunda ley de Newton
que hemos dado es válida para cuerpos cuya
masa sea constante. Si la masa varia, como
por ejemplo un cohete que va quemando
combustible, no es válida la relación F = m · a.
Vamos a generalizar la Segunda ley de
Newton para que incluya el caso de sistemas
en los que pueda variar la masa.
Para ello primero vamos a definir una
magnitud física nueva. Esta magnitud física es
la cantidad de movimiento y que se define
como el producto de la masa de un cuerpo por
su velocidad.

35. Masa
g
W
M =
DEFINICIÓN DE MASA
Merece la pena detenerse aquí para comprender lo que el término masa (M)
significa. la masa es una propiedad básica de la materia, siendo la cantidad de
material en cualquier cuerpo u objeto. Se le llama peso (W) cuando el cuerpo
está sometido a un campo de gravedad (g), donde no exista un campo de
gravedad apreciable, permanecerán todavía las características de masa. Es
decir, que requerirá todavía la misma fuerza para acelerarlo o desacelerarlo, y
necesitará la misma cantidad de calor para elevar su temperatura un número
determinado de grados. Ya que en el caso de los motores de reacción,
estamos trabajando con masa en el campo gravitatorio de la Tierra,

36. Tercera Ley de Newton
TERCERA LEY DE NEWTON
Para cada acción, hay siempre una reacción igual y contraria.
Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando
queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo
es la que nos hace saltar hacia arriba.
Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos
contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

37. La propulsión a chorro es una aplicación práctica de la Tercera Ley de Movimiento de
Isaac Newton, la cual establece que para cada fuerza que se aplica a un cuerpo existe
una reacción igual y de sentido contrario.
En la propulsión de aviones, el “cuerpo” es el aire atmosférico que es acelerado a
medida que pasa a través del motor. La fuerza requerida para producir esa aceleración
tiene un efecto igual en la dirección opuesta que actúa sobre el avión haciendo que este
se desplace hacia delante.
Un motor de reacción produce empuje de una manera similar a la combinación
motor/hélice. Ambos propulsan al avión empujando un gran peso de aire hacia atrás , la
hélice lo hace desplazando una gran masa de aire a una relativamente baja velocidad y
el reactor aplicando a una más pequeña, relativamente, masa de aire una alta
velocidad.

38. Peso
El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre los
cuerpos que hay sobre ella. En la mayoría de los casos se puede suponer que
tiene un valor constante e igual al producto de la masa, m, del cuerpo por la
aceleración de la gravedad, g, cuyo valor es 9.8 m/s2 [32’2 ft/s2] y está dirigida
siempre hacia el suelo.
En la imagen aparecen dos ejemplos que muestran hacia donde está dirigido el
peso en diferentes situaciones: un cuerpo apoyado sobre el suelo y un cuerpo
que se mueve por un plano inclinado. El peso siempre está dirigido hacia el
suelo.

39. Trabajo
FdW =
= distanciaxfuerzaTrabajo
En mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza en determinada dirección,
se define como el producto de la fuerza por el vector que denota esa dirección.
El concepto de trabajo está ligado muy íntimamente al de energía, y ambas
magnitudes se miden en la misma unidad: el julio. Esta ligazón puede verse en
el hecho de que, del mismo modo que existen distintas definiciones de energía
(para la mecánica, la termodinámica), también existen definiciones distintas de
trabajo, aplicables cada una a cada rama de la física. El trabajo es una
magnitud de gran importancia para establecer nexos entre las distintas ramas
de la física.
Tanto el trabajo como la energía son conceptos que empezaron a utilizarse en
física cuando se abordó el estudio de movimientos en los cuales, la fuerza que
experimentan los cuerpos depende, por ejemplo, de la posición.

40. EJEMPLO
¿Cuánto trabajo está realizando un motor de reacción que está ejerciendo una
fuerza de 1000 lb [44.480 N] en desplazar un avión 10 ft [3 m]?
m]N[13.560ftlb000.10
101000
⋅⋅=
×=
=
W
FdTrabajo

41. Potencia
t
Fd
P =
×
=
tiempo
distanciafuerza
Potencia
vFP ⋅=
En las aplicaciones prácticas, especialmente las de ingeniería y
mecanismos, es importante conocer la rapidez del trabajo efectuado.
Esto es, se define la potencia como el trabajo efectuado por unidad de
tiempo, y así la potencia puede definirse también por el producto de la
fuerza por la velocidad. La potencia P es la transferencia de energía
por unidad de tiempo.
En el sistema CGS la unidad de potencia es un erg. por segundo. En
el sistema MKS la unidad es un joule por segundo, o watt.

42. Como se verá mas adelante, cuando se desarrolla la formula para convertir el
empuje en potencia, la potencia puede expresarse en cualquiera de las
distintas formas, dependiendo de las unidades usadas para la fuerza, la
distancia, y el tiempo. La potencia con frecuencia se expresa en caballos de
potencia (horsepower). Un horsepower es igual a 33.000 lb.ft/min [4.554
kg.m/min] ó 550 lb. ft/s [69 kg.m/s]. Dicho de otra forma, un motor eléctrico de
1 hp puede levantar 33.000 lb a una altura de un pie en un minuto o bien 550
lb a una altura de un pie en un segundo.
James Watt mejoró mucho la máquina de vapor y definió una unidad para
medir su potencia: El caballo de vapor. En aquella época, en las minas se
utilizaban caballos para extraer materiales. Watt midió el trabajo que realizaba
un caballo típico durante un período grande de tiempo y luego calibró sus
máquinas de acuerdo con ello. Así, pudo decir a su clientela que una máquina
de un caballo de vapor reemplazaría a un caballo.
Equivalencia: 1 HP = 746 W (Watt) = 1.014 C.V. (caballo de vapor, sistema
métrico). El caballo de vapor es igual a 736 W.

43. Potencia
( )
000.33
(min)/
33.000
ft /minlbpotencia
hp
tFd
=
⋅
=
ft/hlb1.980.000
sft /lb550
minft /lb33.000hp1
⋅=
⋅=
⋅=
550
)(/
550
ft/s)bpotencia(l
hp
stFd
ó
=
⋅
=

44. EJEMPLO
¿Cuántos caballos de potencia (horsepower) se requieren para levantar un
peso de 5.000 lb [2.250 kg] a una altura de 10 ft [3 m] en 2 min.?
min]/mkg[3.457minft /lb000.25
2
10000.5
⋅⋅=
×
=
=
t
Fd
P
4
3
ó75'0
000.33
000.25
000.33
hp
=
=
=
P

45. VELOCIDAD
Speed & Velocity
tiempo
distancia
(speed)Velocidad =
Velocity
Velocity se puede definir como la velocidad (speed) en una dirección dada. El
símbolo V se usa para representar a la velocidad.
La velocidad (speed) de un cuerpo en movimiento se define como la distancia
recorrida en la unidad de tiempo.
La velocidad (speed) normalmente se expresa en millas por hora o pies por
segundo [kilómetros por hora o metros por segundo].

46. Velocity es un vector cantidad, al ser
un vector, tiene magnitud y dirección.
La magnitud del vector velocidad es
sencillamente la velocidad (speed) del
objeto; la dirección del vector velocidad
es en la cual el objeto se mueve.

47. Aceleración
t
V-V
tiempo
inicialdvelocidamenosfinalvelocidad
tiempodeunidad
movimientodelvariación
nAceleració
12
=
=
=
La aceleración se define como la razón entre el cambio de velocidad y el intervalo
en el cual ésta ocurre.
La aceleración es una magnitud vectorial, es decir, tiene un módulo y una
dirección. El módulo define el "tamaño" que tiene la aceleración, mientras que la
dirección define hacia donde apunta esa aceleración.
Un cuerpo acelera cuando aumenta su velocidad; frena, cuando disminuye su
velocidad. La aceleración es el aumento o la disminución de la velocidad.
Si un cuerpo tiene una aceleración de 1m/s2 quiere decir que en cada segundo su
velocidad aumenta 1m/s
Si un cuerpo tiene una aceleración de -1m/s2 quiere decir que en cada segundo
su velocidad disminuye 1m/s.

48. El estatorreactor es un conducto aerotermodinámico (athodyd) que no tiene piezas principales en
rotación y consiste en un conducto con entrada divergente y salida convergente-divergente.
Cuando se le imparte movimiento hacia delante por medio de una fuente exterior, el aire es forzado
en la admisión donde pierde velocidad o energía cinética y aumenta su energía de presión a
medida que pasa a través del conducto divergente. Luego la energía total aumenta por medio de la
combustión del combustible, y los gases en expansión se aceleran hacia la atmósfera a través del
conducto de salida. Con frecuencia un estatorreactor es el grupo propulsor de misiles, pero es
inadecuado para propulsar aviones dado que requiere que se le imparta movimiento hacia delante
antes de que produzca algún tipo de empuje.

49. El pulso reactor usa el principio de combustión intermitente, y a diferencia del
estatorreactor puede funcionar en condiciones estáticas. El motor está formado
por un conducto aerodinámico similar al estatorreactor, pero debido a las altas
presiones involucradas, es de una construcción más robusta. El conducto de
entrada tiene una serie de válvulas de admisión que están cargadas con
muelle en la posición de abiertas. El aire arrastrado a través de las válvulas
pasa dentro de la cámara de combustión y es calentado al prenderse el
combustible inyectado en la cámara. La expansión resultante origina una
elevación en la presión forzando a las válvulas a cerrarse, y entonces la
expansión de los gases es expulsada hacia atrás. La depresión creada por los
gases de escape permite que las válvulas se abran y el ciclo se repite.

51. Aunque un cohete es un motor de reacción,
tiene la gran diferencia de que no usa el aire
atmosférico como fluido de la corriente
propulsiva. En su lugar, produce su propio
fluido propulsor por la combustión con el
oxigeno de un combustible líquido o
químicamente descompuesto, los cuales lleva
el propio cohete, permitiéndole así operar
fuera de la atmósfera terrestre. Por lo tanto,
es adecuado para cortos períodos de
funcionamiento.

52. La aplicación de la turbina de gas a la propulsión a chorro a superado la carencia
inherente de los cohetes y los conductos aerotermodinámicos. Con la incorporación de
un compresor arrastrado por una turbina se proporciona un medio de producción de
empuje a bajas velocidades. El motor turborreactor funciona en un ciclo operativo similar
al del motor de cuatro tiempos. Toma el aire de la atmósfera y tras comprimirlo y
calentarlo, proceso que ocurre en todos los motores térmicos, la energía e inercia
aportada al aire lo fuerza al exterior a través de la tobera propulsora a una velocidad de
hasta 2000 pies por segundo o aproximadamente 1.400 millas por hora.
En su camino a través del motor, el aire cede parte de su energía e inercia para
arrastrar a la turbina que mueve al compresor.

53. Ciclo de Brayton
Un motor de turbina de gas libera la energía del combustible en un ciclo
termodinámico llamado el ciclo de Brayton. Los mismos pasos .admisión,
compresión, expansión, potencia, y escape .que tienen lugar en el ciclo de
volumen constante de Otto usado para los motores alternativos, ocurren en un
motor de turbina de gas. La diferencia básica entre los dos ciclos es que en un
motor de ciclo de Otto, los pasos ocurren en el mismo sitio, en el cilindro del
motor, pero en diferentes tiempos. En el ciclo de Brayton, los pasos tienen
lugar al mismo tiempo pero en distintos puntos dentro del motor.

55. 1. El aire entra en el conducto de entrada y fluye hacia la entrada del
compresor, punto A, a presión ambiente.
2. El aire pasa a través del compresor, que eleva su presión y disminuye su
volumen al representado por el punto B.
3. Luego, el aire pasa dentro de la cámara de combustión donde el
combustible se inyecta en él y se quema. La presión entre los puntos B y C
permanece relativamente constante a medida que se añade energía calorífica,
pero el volumen y la temperatura aumentan.
4. Los gases calientes dejan la cámara de combustión y pasan a través de la
turbina donde se le extrae energía y la presión cae a casi el ambiente en el
punto D.
Las presiones entre los puntos A y D son casi las mismas, pero en D el
volumen y así la velocidad son mucho mayores. El aire se ha expandido a una
presión relativamente constante.

57. La disposición mecánica del motor de turbina de gas es simple, pues consiste solo en dos piezas
principales en rotación, que son el compresor y la turbina, entre estos está la cámara de
combustión. No obstante, esta simplicidad no es aplicable a todos los aspectos del motor, pues los
problemas aerodinámicos y termodinámicos son complejos. Resultantes estos de las altas
temperaturas operativas de la cámara de combustión y la turbina, los efectos de variaciones de
flujos a través de los alabes del compresor y turbina, y el diseño del sistema de escape, a través
del cual los gases son expulsados para formar el chorro propulsor.
Existen distintos tipos de motores de turbina de gas, pero todos los diseños conservan la
disposición mecánica básica.

58. El motor de turbina de gas más simple para un avión es un turborreactor. Un
contenedor en forma de bote el cual está abierto en ambos extremos es
llamado carter del motor y encierra las partes internas. El carter está
construido en varias secciones para facilitar el montaje y desmontaje del
motor. Enormes cantidades de aire entran en el carter a través del orificio
frontal. Después de que el aire está altamente calentado y acelerado al
haberse quemado con el combustible, el aire que queda después del proceso
de combustión y los gases producidos por la combustión son expulsados a
través del orificio posterior. Un compresor rotativo está situado en la sección
delantera del carter del motor. El compresor está seguido por una cámara de
combustión, sección quemadora o del combustor. A continuación viene un
conjunto de turbinas de arrastre que desarrollan la potencia necesaria para
hacer funcionar al compresor. Finalmente, está la tobera o conducto de salida.
La abertura al aire exterior en la parte posterior de la tobera o conducto de
salida, se le llama tobera de chorro.

60. El compresor eleva la presión del aire que entra antes de pasar a la cámara de
combustión. El combustible es pulverizado a través de inyectores en la parte
frontal de la cámara. La mezcla resultante de combustible y aire es encendida
para producir gases calientes de expansión que se precipitan hacia la sección
de turbina, haciendo girar los rotores de esta. Cuando dejan la sección de
turbina, los gases son expulsados al aire exterior a través del conducto de
escape. La potencia que los rotores de turbina extraen de los gases es
utilizada para arrastrar al compresor. Como los rotores de turbina y el
compresor están ambos montados sobre el mismo eje, estos funcionan como
una unidad. Así, se puede decir que un motor turborreactor de compresor
simple tiene solamente una parte principal en movimiento. Los otros miembros
de la familia del motor de turbina de gas, tales como los motores de doble
compresor, los turbofanes, los turbohélices y los turboejes, son versiones
diferentes o desarrollos del turborreactor básico de compresor simple.

62. Los turborreactores y turbofanes de elevada actuación requieren mayores y
más altas relaciones de rendimiento y compresión que las que puedan
obtenerse solamente con un compresor de flujo axial. Los compresores de flujo
axial tienen además la ventaja de permitir que el motor tenga un área frontal
pequeña, puede usarse, bien con un solo compresor o con compresor doble.
Este último tipo, resulta ser un compresor de muy altos rendimientos, y alta
relación de compresión y empuje.
En los motores de doble compresor, uno o más escalones de turbina arrastran
al compresor de baja presión, mientras que una turbina independiente con uno
o dos escalones arrastra al compresor de alta presión.
Los sistemas de dos rotores funcionan independientemente uno de otro
excepto para el flujo de aire.
El conjunto de turbina para el compresor de baja presión es la unidad de
turbina posterior. Este conjunto de turbinas está conectado al compresor
delantero de baja presión por un eje que pasa a través del orificio central del
eje de arrastre del compresor y turbina de alta presión.

64. Debido a que el rendimiento de un turborreactor se mantiene a gran altura y
velocidad, los motores de este tipo son adecuados para los aviones de vuelo
alto y velocidad elevada que funcionan por encima de una gama suficiente
para que la subida a la altitud de mejor funcionamiento sea eficaz. Pero tan
buenos como son a sus altitudes óptimas, el empuje elevado a baja velocidad
no es una característica del turborreactor. Para estar en sus mejores
condiciones, los turborreactores necesitan la presión de impacto (aire "ram") a
la entrada del conducto de admisión que solamente se consigue con una
velocidad considerable. por lo tanto, los aviones con turborreactor necesitan
pistas largas para el despegue.

65. Cuando los gases de escape en la sección básica de un turborreactor
( frecuentemente llamado generador de gas ) se utilizan para girar una
turbina que arrastra una hélice por medio de un sistema de engranajes
reductor de velocidad, el motor se convierte en un turbohélice.

66. TURBOHÉLICE DE ARRASTRE DIRECTO
En algunos turbohélices se incorpora en el conjunto de turbina que gira al
compresor una etapa extra de turbina. La potencia adicional producida arrastra
los engranajes de reducción de la hélice directamente desde el eje de arrastre
del compresor; los motores de este tipo se denominan como turbohélices de
arrastre directo

67. TURBOHÉLICE CON TURBINA LIBRE
En los turbohélices más modernos se monta una turbina libre. Esta turbina es
independiente de las turbinas de arrastre del compresor y es libre para girar
por si misma en la corriente de gases de escape del motor

68. Igualmente existen turbohélices con compresor centrífugo cuyas etapas tienen una
relación de compresión mayor que las etapas o escalones de compresor axial. En
algunos motores, la turbina gira dos compresores centrífugos de una sola cara activa.
Esta configuración se usa en una conocida serie de motores turbohélices como el
mostrado en la figura. Uno de los principales problemas con este tipo de motor es la
pérdida de presión experimentada por el aire que fluye entre las etapas.

69. motor Dart 7 de RR que propulsa entre otros aviones al Fokker 27.

70. También existen turbohélices cuyo engranaje reductor está diseñado con el
reductor descentrado del eje principal del motor.

72. PT6
Otra configuración del turbohélice de turbina libre tiene una más bien
inconvencional dirección del flujo de gas y aire desde atrás hacia adelante. El
compresor es una combinación de los diseños centrífugo y axial. Un ejemplo
excelente de tal motor es el PT6 fabricado por United Aircraft of Canada
Limited.

73. Aunque el turbohélice para avión es más complicado y pesado que un
turborreactor de equivalente tamaño y potencia, el turbohélice entregará más
empuje a bajas velocidades subsónicas. Sin embargo, la ventaja disminuye a
medida que la velocidad del vuelo aumenta.
La espectacular actuación de un turbohélice durante el despegue y subida es
el resultado de la capacidad de la hélice para acelerar una gran masa de aire
mientras que el avión se está moviendo a una velocidad relativamente baja en
tierra y vuelo.

75. El PT6 es un motor de poco peso de turbina libre que desarrolla de 600 a
1.000 caballos de potencia al eje dependiendo del modelo. Este motor tiene
dos turbinas independientes de giro opuesto. Una turbina arrastra al compresor
mientras la otra arrastra a la hélice por medio de una caja de engranajes de
reducción. El compresor en el motor básico consta de tres escalones de flujo
axial combinado con una sola etapa de compresor centrífugo. Los escalones
axiales y centrífugo están unidos por el mismo eje, y funcionan como una sola
unidad. El aire entra en el motor por una cámara impelente circular cerca de la
parte posterior del motor, y fluye hacia adelante a través de las sucesivas
etapas del compresor. El flujo se dirige hacia afuera por el escalón de
compresor centrífugo a través de difusores radiales antes de entrar en la
cámara de combustión, donde la dirección del flujo es verdaderamente
invertida. Los gases por la combustión son una vez más invertidos para
expansionarse hacia adelante a través de cada escalón de turbina. Después
de dejar la turbina, los gases se recogen en una cámara de escape periférica
de sección decreciente, y luego se descargan a la atmósfera a través de dos
lumbreras de escape cerca de la pare frontal del motor.

76. PT6

77. Si el eje de un motor de varias turbinas se utiliza para arrastrar alguna otra
cosa aparte de la hélice del avión, Tal como el rotor de un helicóptero, el
motor se llama turboeje u ocasionalmente motor eje-turbina. Los motores
turboejes con un sistema de engranajes de reducción se utilizan con
frecuencia para propulsar lanchas, barcos, trenes y automóviles. A menudo
se emplean para bombear gas natural por gasoductos que cruzan el país y
para arrastrar distintos tipos de equipos industriales tales como
compresores de aire y grandes generadores eléctricos.

79. La gran diferencia entre un turborreactor y un motor turboeje es que en un
motor turboeje, la mayor parte de la energía producida por los gases en
expansión se usa para arrastrar la turbina mas que para producir empuje.

80. Muchos helicópteros usan un tipo de turboeje de motor de turbina de gas.
Además, los motores turboejes se usan ampliamente como unidades de
potencia auxiliar (APU).

81. La potencia de salida de un motor turbohélice o turboeje se mide en caballos de
potencia al eje (shaft horsepower).
Los motores turboejes son similares a los motores turbohélices, y en algunos casos,
ambos usan el mismo diseño. La potencia puede tomarse directamente de la turbina del
motor, o el eje puede arrastrarse por su propia turbina libre, como la turbina libre en los
motores turbohélices.

82. En los motores by-pass solo parte del aire va a través del núcleo motor;
el resto pasa rodeando las cámaras de combustión y turbinas, para
unirse al resto de la corriente en la parte posterior. Esto hace que el
motor sea más silencioso y mas rentable.

83. Pratt & Whitney JT3D
La primera generación de diseños del turbofan, tal como la serie de motor Pratt
& Whitney JT3D, tenía una relación de paso de aproximadamente 1:1; es decir,
alrededor del 50 por ciento del aire iba a través del núcleo motor como flujo de
aire primario, y aproximadamente el 50 por ciento iba a través del fan como
flujo de aire secundario.

84. Moviéndonos en el espectro de las velocidades de vuelo a regímenes transónicos de
números de Mach de 0.75 a 0.9, las configuraciones de motor mas comunes son los
motores turbofanes.

85. El núcleo motor o generador de gas actúa como un turborreactor mientras que la gran
masa de aire derivado es acelerado a lo largo del conducto de una forma relativamente
lenta para proporcionar el empuje de la “corriente de aire frió” (cold stream). Las
corrientes de aire frío y caliente se mezclan para dar un mejor rendimiento propulsivo,
niveles de ruidos más bajos, y un consumo de combustible mejorado.

86. La segunda generación de turbofanes como el General Electric CF6, el Pratt & Whitney
JT9D, y el Rolls- Royce RB211 tienen relaciones de paso del orden de 5:1 o 6:1. De
esta forma el fan proporciona un mayor porcentaje del empuje total producido por el
motor.

87. El RR RB211 es un motor de alta relación de paso (5:1), tres ejes (tres conjunto
compresor turbina) similar en concepto al Rolls Royce Trent. El motor de una sola etapa
de fan delantero tiene un flujo de aire de 1096 lb/s [497 kg/s] y una relación de presión
de 1’6 : 1

88. El RR Trent 800 proporciona entre 75.000 lbs y 95.000 lbs de empuje al
despegue para propulsar al B777-200, 777-200ER y 777-300. El Trent 800 es
el grupo motopropulsor mas ligero de su clase, con la mas alta relación
peso/empuje para el B777-300.
Las emisiones de niveles de ruidos está bastante por debajo de las
regulaciones actuales y previsibles.

90. El UDF (Unducted Fan) tiene una relación de paso de 35 : 1, produce 25.000
lbs de empuje y tiene un consumo específico de combustible del 25 % mas
bajo que los modernos motores turbofanes de gran relación de paso. Este
motor tendrá un propfan con un diámetro de 11’7 ft con una velocidad de punta
de pala de 750-800 ft/s. Las palas están hechas de dos mitades de material
compuesto de fibra de carbón y fibra de vidrio con un borde de ataque de
niquel y un larguero de titanio. Un control digital de autoridad total (FADEC)
ajustará las rpm y ángulo de paso de la hélice para responder a las demandas
de potencia del piloto. Dos turbinas contrarrotatorias de baja presión acopladas
directamente a las palas del propfan, están arrastradas por los gases calientes
producidos por el núcleo motor.

92. General Electric GE90
El GE90 es el motor que General Electric ofrece para propulsar al avión Boeing
777. tiene cuatro etapas de fan (con alabes hechos de composite), y diez
etapas de compresor arrastradas por dos turbinas de alta presión y seis
turbinas de baja presión respectivamente.

93. General Electric GE90
Sus 86.000
libras de
empuje y su
0’278 lb/hr/lb Fn
de consumo
específico de
combustible
representan
uno de los mas
altos empujes y
uno de los mas
bajos
consumos
específicos de
combustible,
debido en parte
a su ultra alta
relación de
paso de 8’4:1.

94. General Electric GE90
La relación de
presión a través
del núcleo
compresor es
de 23:1, con
una relación de
presión total del
motor de 39:1.

95. General Electric GE90
Tiene un diámetro de 158 pulgadas con una longitud de 200 pulgadas. Los participantes en el diseño y
fabricación de este motor son SNECMA de Francia, FiatAvio de Italia e Ishikawajima-Harima Heavy Industry (IHI)
de Japón.
Esta imagen muestra un motor GE90 en un primer vuelo de prueba. El Boeing 747 lleva un GE90 bajo su ala
izquierda. Observese lo grande que es el motor en comparación con los motores GE CF6-80 del 747.

96. A velocidades de avión por debajo aproximadamente de las 450 millas por
hora, el motor reactor puro es menos rentable que un motor de hélice, puesto
que su rendimiento propulsivo depende mayormente de su velocidad de
avance; el motor turborreactor puro es, por lo tanto, el más adecuado para
altas velocidades de avance.
Sin embargo, el rendimiento de la hélice disminuye rápidamente por encima de
las 350 millas por hora debido a la distorsión del flujo de aire originada por las
altas velocidades de la punta de las palas.
Estas características han conducido a cierta novedad con el uso de la
propulsión con turborreactor puro donde el avión opera a velocidades medias
por la introducción de una combinación de hélice y motor de turbina de gas.

98. Las ventajas de la combinación hélice turbina se han compensado hasta cierto punto
con la introducción de los motores by-pass, ducted fan, y propfan. Estos motores
manejan flujos de aire mayores y velocidades del chorro mas bajas que el reactor puro
comparativamente. Dando así un rendimiento propulsivo que es comparable al del
turbohélice y que excede al del reactor puro.

99. El turbo/estatorreactor combina al motor turborreactor (que se usa para
velocidades hasta Mach 3) con el motor estatorreactor, el cual tiene buenas
prestaciones a altos números de Mach.
El motor está rodeado por un conducto que tiene en la parte frontal una
admisión variable, y en la parte posterior un tubo de descarga posquemador
con tobera variable. Durante el despegue y la aceleración, el motor funciona
como un turborreactor convencional con el posquemador encendido; en otras
condiciones del vuelo, hasta Mach 3, el posquemador está desconectado. A
medida que el avión acelera a través de Mach 3, el turborreactor se para y el
aire de admisión es desviado del compresor, por alabes guías, y conducido
directamente dentro del tubo de escape posquemador, que se convierte en la
cámara de combustión de un estatorreactor.
El turbo/estatorreactor es adecuado para un avión que requiera alta velocidad
y condiciones de crucero de alto número de Mach sostenido donde el motor
opera en el modo estatorreactor.

101. El motor turbo-cohete podría considerarse como un alternativo para el turbo/estatorreactor; sin
embargo, tiene una gran diferencia, y es que lleva su propio oxigeno para proporcionar la
combustión.
El motor tiene un compresor de baja presión arrastrado por una turbina de múltiples etapas; la
energía para arrastrar a la turbina se extrae de la combustión de keroseno y oxigeno líquido en una
cámara de combustión tipo cohete. Puesto que la temperatura del gas estará en el orden de los
3.500 º C, se pulveriza combustible adicional en la cámara de combustión con propósitos de
refrigeración antes de que el gas entre en la turbina. Esta mezcla de gas rica en combustible, luego
es diluida con aire procedente del compresor, y el combustible en exceso es quemado en un
sistema posquemador convencional.
Aunque el motor turbo-cohete es más pequeño y ligero de peso que el turbo/estatorreactor, tiene
un consumo de combustible mayor. Esto tiende a hacerle más adecuado para un tipo de avión
interceptador o catapulta espacial que requiere gran velocidad, grandes prestaciones en altura y
con un plan de vuelo que es completamente en aceleración y de corta duración.

102. FIN
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