Repsol YPF

Turbines

El desenvolupament de la turbina per a avió es va portar a terme de forma independent a Alemanya i la Gran Bretanya els anys trenta. A Alemanya, Hans Von Ohian va desenvolupar el motor per al primer vol jet el 1939. Alemanya, ja a les acaballes de la Segona Guerra Mundial, va desenvolupar el Messerschmitt 262.

A la Gran Bretanya, Frank Whittle va obtenir la patent per al propulsor de turbina cap als anys trenta i el 41 es va desenvolupar l'aeronau. El primer avió jet anglès, el Gloster Meteor, va volar al final de la Segona Guerra Mundial.

Principis d'operació

El principi d'operació de la turbina és conceptualment simple. Converteix l'energia cinètica d'un fluid en moviment en energia mecànica mitjançant el moviment del fluid cap al rotor. El rotor està connectat a un dispositiu que realitza un treball útil. El fluid en moviment pot ser aigua, vapor, aire o gasos calents. Les turbines mogudes per vapor són àmpliament usades per a la generació d'electricitat.

La turbina d'avió genera calor i gas pressuritzat per la combustió d'un combustible en un espai confinat.

El gas, en el procés d'escapament des del motor, fa que la turbina, en canvi, faci treballar el compressor per comprimir l'aire que entra al motor. Els gasos calents comprimits surten del motor a alta velocitat i generen la força o impuls que mou a l'avió cap endavant.

La turbina d'aeronau és, a vegades, denominada motor de reacció perquè exemplifica la tercera llei de Newton:

Per a cada acció n'hi ha una d'igual però de sentit oposat. En aquest cas, l'acció és l'expulsió del gas d'escapament calent de la part posterior de la turbina. La reacció és l'impuls donat al motor, força que el motor transmet a la resta de l'aeronau.

La turbina consisteix en tres seccions, cada una amb una funció diferent: secció de compressió, secció de combustió i secció de la turbina.

La secció de compressió introdueix i comprimeix aire de l'ambient i deixa anar aire comprimit a la secció de combustió.

A la secció de combustió, el combustible és contínuament injectat en l'aire comprimit per mitjà d'un conjunt d'injectors. El combustible és evaporat a mesura que es barreja amb l'aire calent i combustiona. Els gasos calents de combustió són llavors forçats dins de la secció de la turbina per l'alta pressió a la sortida del compressor.

La secció de la turbina conté una sèrie d'àleps a l'estator i una altra al rotor. Els àleps de l'estator són estacionaris i acceleren el flux de gas per empènyer-lo sobre els àleps del rotor.

Els rotors estan connectats al compressor per un eix. L'impuls dels gasos de combustió en moviment contra els àleps del rotor mou la turbina i, per tant, el compressor. 

Finalment, la barreja escalfa els gasos de combustió i l'aire és accelerat a través d'una tovera a la part posterior de la turbina. És aquest flux d'escapament el que produeix l'impuls que mou l'avió.

La combinació d'una turbina, el compressor que acciona i l'eix de connexió s'anomena gestió de cues.

Tipus de turbines

Turbojet. Les primeres turbines tenien una gestió de cues única, es van anomenar turbojet. Té millor performance a elevades altituds i majors velocitats.

Turbohèlice. Una turbohèlice utilitza un turbojet com a cor però té muntat una roda d'àleps molt gran a la part frontal de la secció del compressor. Aquests àleps o paletes són visibles als avions comercials. La roda d'àleps, la qual, com en els compressors, és conduïda per una turbina, actua com un propulsor; empeny l'aire per crear l'impuls. Aquest difereix del propulsor convencional en el qual té moltes paletes distribuïdes pròximes entre si i és envoltat per una coberta de protecció ajustada.

Part de l'aire portat per les hèlices va directe al cor de la turbina mentre que la resta passa externament envoltant la turbina. Aquest by pass d'aire, en cas d'un motor turbohèlice, proveeix la majoria de l'impuls, aproximadament el 85%, mentre que els gasos calents d'escapament proveeixen només un 15% d'impuls.

Combustió al motor

La turbina té un encenedor que permet iniciar la combustió. Després d'això, la combustió es manté per una injecció contínua de combustible dins la flama.

Perquè la combustió sigui contínua es requereix una flama estable, i al seu torn aquesta necessita l'adequació de la relació entre el combustible i el flux d'aire a la velocitat de propagació de la flama.

Aquesta velocitat és lleugerament lenta, varia en el rang d'aproximadament 0,5 m/segon per a una mescla estàtica, fins a al voltant de 10 a 30 m/s sota condicions de flux turbulent. La flama a la zona de combustió és estable només si la seva velocitat de propagació és més gran que la velocitat de l'aire primari. D'una altra manera la flama s'apagaria.