Funcionamiento del motor turboshaft: una explicación clara y detallada.

Motor turbo Shaft

Un motor de turbina de gas actúa como la fuente de energía de los helicópteros modernos, también se utiliza para la generación de energía y la propulsión marina.  La función principal de un motor de turbina de gas es generar energía en un eje, esto es contrario a la función de los motores turbofan utilizados en aviones, donde la función del motor es producir fuerza de empuje.

En un helicóptero, la energía generada en el eje por el motor de turbina de gas se utiliza para hacer girar el rotor. Analicemos cómo se produce esta energía en el eje junto con los otros accesorios necesarios para generarla.

Producción de energía del motor de turbina de gas

El eje de potencia que hace girar el rotor recibe energía de un conjunto de turbinas. La turbina absorbe energía del gas caliente y de alta presión que fluye sobre las palas de las aspas.

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La tecnología de las alas aerodinámicas permite que las palas de la turbina giren para guiar adecuadamente el flujo. Se utilizan un conjunto de palas estacionarias para garantizar que se mantenga una velocidad de flujo suficiente en la entrada de la fila de la turbina.

La pregunta ahora es cómo se produce este gas de alta energía. La respuesta es una cámara de combustión. Para una combustión efectiva, se debe mezclar una forma de combustible atomizado con aire a alta presión y temperatura media. Este aire se produce mediante un conjunto de etapas de compresión.

El compresor está conectado a un eje hueco separado del eje de potencia. El compresor requiere energía para su funcionamiento, esta energía se suministra mediante un nuevo conjunto de turbinas que está conectado al mismo eje hueco. El único propósito de esta nueva turbina es suministrar energía al compresor.

Se le llama turbina productora de gas. Se puede observar cómo la unidad de la turbina productora de gas y la unidad de la turbina de potencia giran de manera independiente utilizando un sistema de ejes coaxiales.

De esta manera, se produce una salida de potencia necesaria en el eje de potencia mediante la operación sincronizada del compresor, la cámara de combustión y la turbina.

Innovaciones de ingeniería en el diseño de la turbina

Hay varias innovaciones de ingeniería ocultas en el diseño de esta turbina. Puede haber notado que la turbina de potencia y la turbina productora de gas giran en direcciones opuestas. ¿Por qué es así? Esto se hace para reducir los efectos giroscópicos asociados con objetos en movimiento rápido.

Un objeto en movimiento rápido tiene momento angular, que afecta el movimiento del helicóptero de manera complicada y dificulta su control. Al hacer girar las unidades de generación de energía en direcciones opuestas, casi eliminamos el momento angular del motor, lo que facilita la navegación del helicóptero.

Otra característica de diseño peculiar es que el fuego en la cámara de combustión fluye en dirección opuesta al flujo principal de aire en el sistema. Este tipo de diseño se conoce como cámara de combustión de flujo inverso. También se puede observar que una parte importante del aire comprimido no se utiliza en el proceso de combustión, sino que simplemente entra en la cámara de combustión y se desvía hacia ella.

Todo esto es para limitar la temperatura del material de la cámara de combustión. La combustión produce temperaturas de llama de hasta 1700 grados Celsius, ningún material de cámara de combustión podría soportar temperaturas tan altas. Al admitir aire secundario más frío a través de agujeros y ranuras, se crea un escudo protector y se proporciona un aislamiento adecuado contra las llamas supercalientes.

Casi el 80% del aire se utiliza con fines de enfriamiento. Un intercambiador de calor de flujo contrario es el más eficiente en el intercambio de calor. El flujo de aire más frío en dirección opuesta a la llama garantiza la máxima refrigeración para la cámara de combustión, lo que ayuda a reducir su longitud.

Turboshaft motor: Partes más destacadas

Un motor turboshaft es un tipo de motor de combustión interna que se utiliza principalmente en helicópteros y aviones de ala fija propulsados por turbohélice. A diferencia de otros motores de avión, el turboshaft no impulsa directamente la hélice o el rotor, sino que utiliza la energía generada por la combustión para girar una turbina de alta velocidad. Esta turbina, a su vez, impulsa la hélice o el rotor a una velocidad constante y eficiente.

  • Turbina de gas: el motor turboshaft utiliza una turbina de gas para convertir la energía de la combustión en energía mecánica. La turbina está compuesta por una serie de álabes que canalizan los gases calientes de la combustión a través de una serie de etapas de expansión, produciendo así una fuerza de giro.
  • Compresor: el motor también cuenta con un compresor que se encarga de comprimir el aire antes de la combustión. Este compresor está compuesto por una serie de álabes que aumentan la presión del aire, lo que permite una mejor mezcla con el combustible y una mayor eficiencia en la combustión.
  • Cámara de combustión: en esta cámara, el combustible se mezcla con el aire comprimido y se enciende mediante una chispa. La combustión resultante genera una gran cantidad de energía en forma de gases calientes de alta presión.
  • Turbina de potencia: después de pasar por la cámara de combustión, los gases calientes de alta presión pasan a través de una turbina de potencia. Esta turbina utiliza la energía de los gases para impulsar la turbina de alta velocidad que está conectada al eje de salida del motor.
  • Sistema de escape: finalmente, los gases de escape son expulsados a través de un sistema de escape, que también puede incluir un sistema de reducción de ruido para minimizar el impacto acústico del motor.

Problemas y soluciones

Un problema peculiar y desastroso al que los pilotos de helicópteros y de aviación se enfrentan ocasionalmente es la parada del compresor, que resulta en explosiones incontroladas del motor y la pérdida total de energía en el eje. La parada del compresor se produce básicamente debido a la separación del flujo en las palas del compresor.

Los golpes de aves, la baja velocidad del aire o el desgaste son razones frecuentes de esta separación del flujo. Para explicar la física detallada de la parada del compresor, se necesita un video dedicado, el cual lanzaremos pronto.

La parada del compresor se puede superar eficazmente controlando el acelerador y utilizando palas estator variables. El uso de estas técnicas puede prevenir la separación del flujo.

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Autor

  • Manuel Mascus

    Soy un ingeniero y periodista con una amplia experiencia en ambos campos, y aquí, en mi sitio web, encontrarás una variedad de artículos y análisis rigurosos que buscan fomentar la comprensión y el entusiasmo por estas disciplinas.

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