Motor aeronáutico
Uno de los primeros radiales y uno de los más famosos, el Wright Whirlwind J-5, que equipó entre otros al Spirit of Saint Louis.
Un motor aeronáutico o motor de aviación es aquel que se utiliza para la propulsión de aeronaves mediante la generación de una fuerza de empuje.
Existen distintos tipos de motores de aviación aunque se dividen en dos clases básicas: motores recíprocos (o de pistón) y de reacción (donde se incluyen las turbinas). Recientemente y gracias al desarrollo de la NASA y otras entidades, se ha comenzado también la producción de motores eléctricos para aeronaves que funcionen con energía solar.
] Evolución
Gracias al ciclo Otto se inventó el motor de combustión interna, que sería aplicado a la incipiente aeronáutica de finales del siglo XIX. Estos motores, enfriados por agua, generaban potencia por medio de una hélice. La hélice, debido a sus dos palas alabeadas, propulsaba la masa de aire circundante, arrastrando al aeroplano hacia adelante, produciendo el vuelo. En 1903, los hermanos Wright lograron realizar el sueño casi imposible de hacer volar un artefacto más denso que el aire.
Los motores se perfeccionaron con el tiempo, logrando aprovechar su
potencia para luego ser montados en los primeros aviones de transporte y
militares, como los de la Primera Guerra Mundial. Entre los años 1940 y 1942 se crearon los primeros motores a reacción a ser utilizados en los aviones de combate en la Segunda Guerra Mundial.
De los descubrimientos en la física y la mecánica de fluidos, se tomó el principio de Bernoulli, teorema en el que se fundarían las bases para la invención de los cohetes bélicos y de los motores de reacción, cuyo principio se basa en leyes físicas como el principio de acción y reacción.
Los últimos aviones de transporte comercial de hélices emplearon
cuatro motores radiales de 36 cilindros y de 3.500 caballos de fuerza;
son ejemplos de ello los Douglas DC-7 y los Lockheed Constellation. Más tarde, vendría el gran cambio a los motores a reacción, que en un inicio fueron motores Straight Jet, es decir, de flujo de aire directo, (no poseían fan).
La industria del motor de aviación ha dado un gran salto tecnológico; hoy se emplean los motores turbofán
en aviones comerciales. Para los aviones de combate se ha mejorado su
rendimiento, no emplean el mecanismo del turbofan pero sí el postquemador, que es un quemador posterior que aumenta el empuje real de los motores durante una maniobra forzada.
En la aviación moderna se emplean básicamente dos tipos de motores, los de turbofan y los de turbohélice. Si bien, en la aeronáutica también se emplean motores con combustibles sólidos, los montados en aviones, tanto comerciales como militares, emplean combustibles líquidos.
En los aviones de porte pequeño es usual que se utilicen motores de combustión interna que no se basan en el principio de las turbinas de gas sino en el movimiento alternativo de pistones.
Motores de explosión
Artículo principal: Motor de explosión.
Véase también: Anexo:Codificación de los motores de explosión aeronáuticos
La aviación como la conocemos comenzó gracias a la propulsión de aeronaves mediante motores de cilindros y pistones, también llamados motores alternativos.
A pesar de que existían otros métodos y formas de propulsión, los
motores permitieron una propulsión de trabajo constante, operados
principalmente por gasolina. Debido a la rudimentaria tecnología de finales del Siglo XIX, puede atribuirse en parte al desarrollo de los motores el que a comienzos del Siglo XX el vuelo propulsado fuera posible. Por ejemplo, el motor que usó el Flyer III de los hermanos Wright hecho con la ayuda del mecánico Charles Taylor, fue un gran éxito debido a su excelente relación peso a potencia, ya que era un motor con un peso de 170 libras que producía una potencia de unos 12 CV a 1.025 RPM.
Motor en línea
Ranger L-440, motor en línea invertido de seis cilindros refrigerado por aire, usado en el Fairchild PT-19.
Artículo principal: Motor en línea.
Este tipo de motor tiene los cilindros alineados en una sola fila.
Normalmente tienen un número par de cilindros, pero existen casos de
motores de tres o cinco cilindros. La principal ventaja de un motor en
línea es que permite que el avión puede ser diseñado con un área frontal
reducida que ofrece menor resistencia aerodinámica. Si el cigüeñal del motor está ubicado encima de los cilindros se le llama un motor en línea invertido, esta configuración permite que la hélice sea montada en una posición más alta, a una mayor distancia del suelo, incluso con un tren de aterrizaje corto. Una de las desventajas de un motor en línea es que ofrece una escasa relación potencia a peso, debido a que el cárter
y el cigüeñal son largos y por tanto más pesados. Éstos pueden ser
refrigerados por aire o por líquido, pero lo más común es que sean
refrigerados por líquido porque resulta difícil obtener un flujo de aire
suficiente para refrigerar directamente los cilindros de la parte
trasera. Este tipo de motores eran habituales en los primeros aviones,
incluido el Wright Flyer,
la primera aeronave en realizar un vuelo controlado con motor. Sin
embargo, las desventajas inherentes del diseño pronto se hicieron
evidentes, y el diseño en línea fue abandonado, siendo una rareza en la
aviación moderna.
Motor rotativo
Artículo principal: Motor rotativo.
Motor rotativo Le Rhône 9C.
A principios de la Primera Guerra Mundial,
cuando los aviones estaban siendo utilizados para fines militares por
primera vez, se hizo evidente que los motores en línea existentes eran
demasiado pesados para la cantidad de potencia que ofrecían. Los
diseñadores de aviones necesitaban un motor que fuera ligero, potente,
barato, y fácil de producir en grandes cantidades. El motor rotativo cumplió esos objetivos. Los motores rotativos —no confundir con el motor Wankel— tienen todos los cilindros distribuidos circularmente en torno al cárter como el posterior motor radial, pero con la diferencia de que el cigüeñal
está atornillado a la estructura del avión, y la hélice está
atornillada a la carcasa del motor. De este modo el motor entero gira
junto a la hélice, proporcionando un montón de flujo de aire para la
refrigeración, independientemente de la velocidad de avance de la
aeronave. Algunos de estos motores eran de dos tiempos, con una gran relación potencia a peso. Por desgracia, los severos efectos giroscópicos
de un pesado motor rotando a altas velocidades hacían que el avión
fuera más difícil de pilotar. Estos motores también consumían grandes
cantidades de aceite de ricino,
que se propagaba por todo el fuselaje y creaba humos repugnantes para
los pilotos. Eran motores muy poco fiables, debido a que funcionaban a
máxima potencia todo el tiempo sin que pudiera controlarse el paso de
gasolina (sólo se podían encender o apagar), sus componentes internos no
estaban hechos para resistir varias horas de uso, tendían a
sobrecalentarse por encima de 350 °C, temperatura a la cual varios
componentes comienzan a fundirse y perforarse permitiendo fugas de
aceite que se inflamaba inmediatamente, provocando el incendio del motor
y de la aeronave, un hecho que cobró muchas vidas en la Primera Guerra
Mundial, época en la cual no se contaba con paracaídas o trajes
ignífugos.
Los diseñadores de motores siempre habían sido conscientes de las
muchas limitaciones del motor rotativo. Una vez los motores de estilo
estático se hicieran más fiables y redujeran su peso relativo, los días
del motor rotativo estaban contados.
Motor en V
Rolls-Royce Merlin, un motor en configuración V12 refrigerado por líquido.
Artículo principal: Motor en V.
En este tipo de motores los cilindros están dispuestos en dos bancadas, inclinadas con una diferencia de entre 30 y 60 grados,
es decir, en forma de V. La gran mayoría de motores en V son enfriados
con agua. Estos ofrece una relación potencia a peso mayor que un motor
en línea, mientras que siguen manteniendo una área frontal reducida.
Quizás el más famoso ejemplo de este tipo de motores sea el legendario Rolls Royce Merlin, un motor V12 60º de 27 litros usado, entre otros, en los cazas británicos Supermarine Spitfire y Hawker Hurricane, que jugaron un importante papel en la Batalla de Inglaterra, y en el exitoso bombardero también británico Avro Lancaster. La Serie DB 600 de Daimler-Benz también es un buen ejemplo de motores V12, en este caso que equipaban muchos aviones alemanes de la Segunda Guerra Mundial.
[editar] Motor radial
Artículo principal: Motor radial.
Wright R-2600, un motor radial de 14 cilindros dispuestos en dos filas.
Animación que muestra el funcionamiento de un motor radial simplificado.
El motor radial o en estrella apareció hacia 1925. Este tipo de
motores tienen una o más filas de cilindros distribuidos circularmente
en torno al cárter.
Cada fila tiene un número impar de cilindros para que el motor tenga un
buen funcionamiento. De cuatro tiempos y refrigerados por aire, los
motores radiales sólo tienen una muñequilla en el cigueñal por cada fila de cilindros y por tanto un cárter relativamente pequeño, ofreciendo una buena relación potencia a peso.
Debido a que la disposición de los cilindros expone muy bien las
superficies de irradiación de calor del motor al aire y tiende a
cancelar las fuerzas recíprocas, los radiales suelen enfriar de forma
uniforme y funcionar correctamente.
El gran salto de estos motores fue permitir mayor potencia con menos
peso, mayor confiabilidad que los motores rotativos y a diferencia de
estos tenían un bloque fijo; tienen menor complejidad del conjunto en
comparación a los motores en línea o en V ya que no necesitan del
sistema de refrigeración por líquido y sus componentes.
En los aviones militares, la gran área frontal que caracteriza a este
tipo de motores actúa como una capa extra de blindaje para el piloto.
Sin embargo, esa gran área plana frontal también hace que el avión tenga
un perfil aerodinámico
ineficiente. Otro inconveniente es que los cilindros inferiores, que
están debajo del cárter, pueden llenarse de aceite cuando el motor está
parado durante un largo periodo, y si el aceite no el retirado de los
cilindros antes de arrancar el motor, se pueden producir graves daños en
los componentes por bloqueo hidrostático.
Estos motores se produjeron hasta comienzos de la década de 1960,
cuando fueron desplazados definitivamente por otro tipo de motores.
Motor de cilindros en oposición
ULPower UL260i, un motor de cilindros horizontalmente opuestos refrigerado por aire.
Artículo principal: Motor de cilindros en oposición.
Un motor en oposición tiene dos bancadas de cilindros ubicadas en los
lados del cárter una en contraposición de la otra. Puede ser
refrigerado por aire o por líquido, pero las refrigeradas por aire son
las predominantes. Este tipo de motor es montado con el cárter en
posición horizontal en aeroplanos, pero puede ser montado con el cárter en vertical en helicópteros.
Debido a la disposición de los cilindros, las fuerzas recíprocas
tienden a cancelarse, resultando en un buen funcionamiento del motor. A
diferencia del motor radial, no padece ningún problema de bloqueo hidrostático.
Relativamente pequeños, livianos y económicos, los motores de cuatro o
seis cilindros opuestos refrigerados por aire son de lejos los motores
más comúnmente usados en pequeñas aeronaves de aviación general que requieren una potencia no superior a 400 HP (300 kW) por motor. Las aeronaves que necesitan una potencia superior en cada motor tienden a ser propulsados por motores de turbina.
[editar] Diferencias entre motores con cilindros en oposición
Tanto los motores horizontalmente opuestos, como el sistema Boxer y la V con apertura de 180º, son tres sistemas distintos de motores con cilindros en oposición. Ocasionalmente se confunde el término motores con cilindros en oposición con una de sus variantes, el motor de disposición Boxer usado principalmente en automóviles Porsche.
- En la disposición Boxer, los pistones que están enfrentándose
(dos o tres bancadas de cilindros con pares que se oponen en torno al
cigüeñal) se acercan y se alejan del cigüeñal al mismo tiempo que su
opuesto, ya que las bielas comparten un mismo muñón perpendicular.
- Otra forma de motor con cilindros en oposición es la V de 180º,
en la cual los cilindros confrontados comparten la misma posición en el
muñón del cigüeñal (como ocurre con los motores en V de 45, 60, 75 o
90º de apertura) y la configuración del orden de encendido se distribuye
entre las distintas bancadas. Así en una bancada de cilindros que se
oponen, mientras un piston se acerca al cigüeñal el otro se aleja.
- En los motores con cilindros horizontalmente opuestos (los
que se usan comúnmente en aviación), el orden de encendido se ha
distribuido de forma tal que los pistones en oposición no comparten la
misma posición en el cigüeñal y todos están a destiempo: en el motor
Boxer los pistones se alejan y acercan al tiempo del cigüeñal, y en la V
de 180º los pistones confrontados se alejan a medida que el otro se
acerca al cigüeñal.
Motores de turbina
Este tipo de motores usan una turbina de gas para mover el eje propulsor.
Turbohélice
Artículo principal: Turbohélice.
Vista en corte de un Garrett TPE331, un pequeño motor turbohélice.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turbohélice.
Mientras que los cazas militares requieren velocidades muy altas,
esto no es un requisito en muchos de los aviones civiles. Con todo, los
diseñadores de aeronaves civiles querían beneficiarse de la alta
potencia y bajo mantenimiento que ofrece un motor de turbina de gas.
Así nació la idea de acoplar un motor de turbina a una hélice
tradicional. Estos motores no basan su ciclo operativo en la producción
del empuje
directamente del chorro de gases que circula a través de la turbina,
sino que la potencia que producen se emplea en su totalidad para mover
la hélice, y es esta la genera la tracción para propulsar la aeronave.
Debido a que el óptimo funcionamiento de las turbinas de gas se produce a
altas velocidades de giro —superiores a 10.000 RPM—, los turbohélice
disponen de una caja de engranajes
para reducir la velocidad del eje y que las puntas de la hélice no
alcancen velocidades supersónicas. A menudo la turbina que mueve la
hélice está separada del resto de componentes rotativos para que sean
libres de girar a su óptima velocidad propia (se conocen como motores de
turbina libre). Los turbohélice son muy eficientes cuando operan dentro
del rango de velocidades de crucero para las que fueron diseñados, que
en general va desde los 320 a los 640 km/h. Al igual que en la mayoría
de motores recíprocos, los motores cuentan con controles que mantienen
fija la velocidad de la hélice y regulan el paso de sus palas (hélice de
velocidad constante y paso variable). La potencia de los motores
turbohélice, al igual que los turboeje, se mide por su potencia en eje, en inglés: shaft horsepower (SHP), normalmente en caballos de potencia o kilowatios.
Turboeje
Vista en corte de un Lycoming T-53, un motor turboeje diseñado en los años 1950 utilizado en varios tipos de helicópteros.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turboeje.
Artículo principal: Turboeje.
Un motor turboeje es un motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje. Estos motores son utilizados principalmente en helicópteros y en unidades de energía auxiliar.
El turboeje es muy similar al turbohélice, con una diferencia clave: en
el turbohélice la hélice es soportada directamente por el motor, y el
motor está atornillado a la estructura de la aeronave; en un turboeje el motor no tiene que ofrecer un soporte físico directo a los rotores del helicóptero,
ya que el rotor está conectado a una transmisión fijada a la estructura
y el turboeje simplemente transmite la potencia mediante un eje de transmisión.
Algunos ven esta distinción poco relevante, de hecho, en algunos casos
las compañías fabricantes de motores producen turbohélices y turboejes
basados en el mismo diseño.
Motores de reacción
Artículo principal: Motor de reacción.
El componente fundamental de este tipo de motores es la tobera de escape. Esta es la parte que crea el empuje
mediante un chorro de gas. El flujo de aire caliente del motor es
acelerado al salir de la tobera, creando el empuje que junto con las
presiones que actúan dentro del motor empujan la aeronave hacia
adelante.
Los motores de reacción más habituales son el turborreactor, el turbofán y el cohete. Aunque también se emplearon de forma menos habitual otro tipo de motores de reacción como el pulsorreactor (desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial para impulsar las bombas guiadas V1), el estatorreactor (ramjet), el estatorreactor de combustión supersónica (scramjet) o el motor de detonación por pulsos.
El funcionamiento de estos motores es relativamente más simple que el
de los motores recíprocos, sin embargo las técnicas de fabricación,
componentes y materiales son mucho más complejos ya que están expuestos a
elevadas temperaturas y condiciones de operación muy diferentes en
cuanto a altitud, rendimiento, y velocidad interna de los mecanismos.
Turborreactor
Artículo principal: Turborreactor.
Vista en corte de un de Havilland Goblin, un turborreactor de flujo centrífugo utilizados en los primeros aviones de reacción británicos.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turborreactor de flujo centrífugo.
Vista en corte de un General Electric J85, un turborreactor de flujo axial diseñado en los años 1950 utilizado por el Northrop F-5 y otros aviones militares.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turborreactor de flujo axial.
Un turborreactor es un tipo de motor de turbina de gas desarrollado originalmente para aviones de combate durante la Segunda Guerra Mundial en el que los gases generados por la turbina, al ser expelidos, aportan la mayor parte del empuje del motor.
El turborreactor es el más simple de todos los motores de turbina de
gas para aviación. Generalmente se divide en zonas de componentes
principales que van a lo largo del motor, desde la entrada hasta la
salida del aire: en la zona de admisión (parte delantera) hay un compresor
que toma el aire y lo comprime, una sección de combustión inyecta y
quema el combustible mezclado con el aire comprimido, a continuación una
o más turbinas obtienen potencia de la expansión de los gases de escape
para mover el compresor de admisión, y al final una tobera
de escape acelera los gases de escape por la parte trasera del motor
para crear el empuje. Entre los diseños de turborreactores se distinguen
dos grandes grupos: los de compresor centrífugo y los de compresor
axial.
En el momento que fueron introducidos los turborreactores, la
velocidad máxima de un caza equipado con este tipo de motores era por lo
menos 160 km/h más veloz que uno con motor de pistones. El célebre Messerschmitt Me 262
fue el primer avión no experimental y de producción en ser propulsado
por turborreactores. La relativa simplicidad de diseño de los
turborreactores se prestaban para la producción en tiempo de guerra,
pero el conflicto finalizó antes de que los turborreactores pudieran ser
producidos en masa. El modelo más avanzado desarrollado durante la
guerra fue el Heinkel HeS 011 pero no llegó a tiempo para entrar en servicio.
En los años posteriores a la guerra, gradualmente se fueron
evidenciando los inconvenientes de los turborreactores. Por debajo de
una velocidad en torno al Mach
2, los turborreactores son muy ineficientes en cuanto a consumo de
combustible y producen una enorme cantidad de ruido. Además los primeros
diseños tenían una respuesta muy lenta a los cambios de potencia, un
hecho que provocó la muerte a muchos pilotos experimentados cuando
intentaron la transición a los reactores. Esos inconvenientes finalmente
condujo a la caída del turborreactor puro, quedando solo un puñado de
modelos en producción y dando paso a los turborreactores de doble flujo
conocidos como turbofán o turboventiladores. El último avión comercial
que empleó turborreactores fue el avión supersónico Concorde, que con su velocidad superior a Mach 2 permitía que los motores lograran una alta eficiencia.
Turbofán
General Electric CF6, ejemplo de turbofán de alto índice de derivación, usado en aviones comerciales modernos.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turbofán de doble flujo y alto índice de derivación.
General Electric F110, ejemplo de turbofán de bajo índice de derivación, usado en aviones de combate modernos.
Diagrama que muestra el funcionamiento de un motor turbofán de doble flujo y bajo índice de derivación.
Artículo principal: Turbofán.
En el motor turbofán
(turbosoplante o turboventilador) los gases generados por la turbina
son empleados mayoritariamente en accionar un ventilador (fan) situado
en la parte frontal del sistema que produce la mayor parte del empuje,
dejando para el chorro de gases de escape solo una parte del trabajo
(aproximadamente el 30%).
Estos motores comenzaron a usar el sistema de flujo axial, que
mantiene la corriente de aire comprimido presionada hacia el eje de la
turbina, por lo que el aire sale propulsado con mayor velocidad y con
menos tendencia a disiparse de la corriente de salida. Esto incrementa
notablemente la eficiencia.
Otro gran avance del Turbofan fue la introducción del sistema de
doble flujo en el cual, el ventilador frontal es mucho más grande ya que
permite que una corriente de aire circule a alta velocidad por las
paredes externas del motor, sin ser comprimido o calentado por los
componentes internos. Esto permite que este aire se mantenga frío y
avance a una velocidad relativamente igual al aire caliente del
interior, haciendo que cuando los dos flujos se encuentren en la tobera
de escape, formen un torrente que amplifica la magnitud del flujo de
salida y a la vez lo convierte en un flujo más estrecho, aumentando la
velocidad total del aire de salida. Este tipo de motor tiene una gran
entrega de empuje, permitiendo el desarrollo de aviones con capacidad de
carga y transporte de pasajeros mucho más grande, y al nivel que
conocemos en la actualidad.
Es el motor utilizado por la mayoría de los aviones de reacción
modernos por su elevado rendimiento y relativa economía de combustible
respecto a un Turbojet.
Normalmente son motores de dos ejes, uno para la turbina de gas y otro para el ventilador. Sin embargo Rolls Royce plc produce motores turbofan de tres ejes, que corresponden a los modelos de la serie Trent.
Cohete
Walter HWK 109-509, motor cohete de combustible líquido del Me 163, el único avión cohete en entrar en servicio.
Reaction Motors XLR99, motor cohete del avión experimental estadounidense X-15.
Artículo principal: Motor cohete.
Pocos aviones utilizaron motores cohete como principal medio de propulsión. El único avión cohete puro producido en serie fue el interceptor alemán de la Segunda Guerra Mundial Messerschmitt Me 163, propulsado el Walter HWK 109-509
de combustible líquido bipropelente, que debido a la corta duración de
su combustible tenía que regresar a tierra planeando. Como aviones
cohete experimentales destacan el Bell X-1 (primer avión en superar la barrera del sonido) y el North American X-15.
Los motores cohete ofrecen mucho empuje pero poca autonomía y no son
usados como propulsores de aviones porque su eficiencia es bastante
pobre, excepto a altas velocidades. Se ha probado la propulsión mixta
con otro tipo de motores en los años 1950, especialmente en el ámbito
militar, pero en cuanto mejoró la fiabilidad de los motores de reacción
ya se abandonó la idea. La única implementación operacional de
propulsión mixta fue el despegue asistido por cohetes (RATO), un sistema utilizado en aviones pesados.
