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Ruta
Turbinas
El desarrollo de la turbina para avión fue llevada a cabo en forma independiente en Alemania y Gran Bretaña en los años ‘30. En Alemania Hans Von Ohian desarrolló el motor para el primer vuelo jet en 1939. Alemania, ya en la postrimería de la Segunda Guerra Mundial, desarrolló el Messerschmitt 262.
En Gran Bretaña, Frank Whittle obtuvo la patente para el propulsor a turbina por los años ‘30 y en el 41 fue desarrollada la aeronave. El primer avión jet inglés, el Gloster Meteor, voló al final de la Segunda Guerra Mundial.
Principios de operación
El principio de operación de la turbina es conceptualmente simple. Convierte la energía cinética de un fluido en movimiento en energía mecánica mediante el movimiento del fluido hacia el rotor. El rotor está conectado a un dispositivo que realiza un trabajo útil. El fluido en movimiento puede ser agua, vapor, aire, o gases calientes. Las turbinas movidas por vapor son ampliamente usadas para la generación de electricidad.
La turbina de avión genera calor y gas presurizado por la combustión de un combustible en un espacio confinado.
El gas, en el proceso de escape desde el motor, hace que la turbina, en cambio, haga trabajar al compresor para comprimir el aire que entra al motor. Los gases calientes comprimidos salen del motor a alta velocidad, generando la fuerza o empuje que mueve al avión hacia adelante.
La turbina de aeronave es, a veces, denominada motor a reacción porque ejemplifica la tercera ley de Newton:
Para cada acción hay una igual pero de sentido opuesto. En este caso, la acción es la expulsión del gas de escape caliente de la parte trasera de la turbina. La reacción es el empuje impartido al motor, fuerza que el motor transmite al resto de la aeronave.
La turbina consiste de tres secciones, cada cual con una función diferente: sección de compresión, sección de combustión y sección de la turbina.
La sección de compresión introduce y comprime aire del ambiente y entrega aire comprimido a la sección de combustión.
En la sección de combustión, el combustible es continuamente inyectado en el aire comprimido por medio de un conjunto de inyectores. El combustible es evaporado a medida que se mezcla con el aire caliente y combustiona. Los gases calientes de combustión son entonces forzados dentro de la sección de la turbina por la alta presión a la salida del compresor.
La sección de la turbina contiene una serie de álabes en el estator y otra en el rotor. Los álabes del estator son estacionarios y aceleran el flujo de gas para empujarlo sobre los álabes del rotor.
Los rotores están conectados al compresor por un eje. El empuje de los gases de combustión en movimiento contra los álabes del rotor mueve la turbina, y por consiguiente, el compresor.
Finalmente, la mezcla caliente de los gases de combustión y el aire es acelerado a través de una tobera a la parte trasera de la turbina. Es este flujo de escape el que produce el empuje que mueve al avión.
La combinación de una turbina, el compresor que acciona y el eje de conexión se llama spool.
Tipos de turbinas
Turbojet. Las primeras turbinas tenían un spool único y se llamaron turbojet. Tiene mejor performance a elevadas altitudes y mayores velocidades.
Turbohélice. Una turbohélice utiliza un turbojet como corazón pero tiene montado una rueda de álabes muy grande en la parte frontal de la sección del compresor. Estos álabes o paletas son visibles en los aviones comerciales. La rueda de álabes, la cual, como en los compresores, es conducida por una turbina, actúa como un propulsor; empuja el aire para crear el empuje. Este difiere del convencional propulsor en que tiene muchas paletas distribuidas próximas entre sí y es rodeado por una ajustada cubierta de protección.
Parte del aire llevado por las hélices va directo al corazón de la turbina mientras que el resto pasa externamente rodeando la turbina. Este by pass de aire, en caso de un motor turbohélice, provee la mayoría del empuje, aproximadamente el 85 %, mientras que los gases calientes de escape proveen sólo un 15 % de empuje.
Combustión en el motor
La turbina posee un encendedor que permite iniciar la combustión. Después de esto, la combustión se mantiene por una inyección continua de combustible dentro de la llama.
Para que la combustión sea continua se requiere una llama estable, y a su vez ésta necesita la adecuación de la relación entre el combustible y el flujo de aire a la velocidad de propagación de la llama.
Esta velocidad es ligeramente lenta, varía en el rango de aproximadamente 0,5 m/segundo para una mezcla estática, hasta alrededor de 10 a 30 m/segundo bajo condiciones de flujo turbulento. La llama en la zona de combustión es estable sólo si su velocidad de propagación es mayor que la velocidad del aire primario. De otra manera la llama se apagaría.
