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Tipos de Turbinas

Hay cuatro tipos básicos de motores de reacción (turbinas): el turborreactor, el turbopropulsor, el turboventilador, y el ramjet. Cada uno tiene sus ventajas y desventajas para velocidades específicas de crucero. Los ingenieros enfocan su atención en dos cosas al diseñar un motor de propulsión a chorro: la relación que hay entre el empuje y el peso, y el consumo de combustible. La mayoría de los aviones están diseñados para que su consumo de combustible sea bajo, aunque esto signifique que su habilidad para generar empuje es menor. Algunos aviones, tales como los aviones de caza, necesitan mucho empuje y no importa la cantidd de combustible que usen, si la misión la requiere. Los ingenieros recomiendan cuál es el mejor motor para determinada misión.

Turboreactor

El motor de reacción original, descrito en la sección de Historia, llegó a ser conocido con el nombre de turborreactor. Este motor cambión por completo el transporte aéreo. Redujo considerablemente el costo de los viajes aéreos y mejoró seguridad de los aviones. El turborreactor también permitió que la velocidad de los vuelos aumentara, incluso permitiendo alcanzar velocidades supersónicas. Obtuvo una fuerza de empuje por unidad de peso mucho más alta que los motores accionados por pistones, Esto condujo directamente a un mayor alcance (distancia recorrida) y a cargas más pesadas (más pasajeros y equipaje). Al mismo tiempo, también redujo los gastos de mantenimiento.
Un turborreactor típico consta de los 5 componentes descritos en la sección anterior: la entrada de aire, el compresor, el combustor, la turbina, y la tobera de eyección. La siguiente figura muestra un diagrama esquemático de un turborreactor básico con estos 5 componentes claramente identificados.

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Para obtener más empuje, se le puede agregar al turborreactor un dispositivo de poscombustión o afterburner. La figura de abajo muestra un turborreactor con un afterburner. La mayoría de los aviones no utiliza afterburners porque estos dispositivos usan mucho combustible. Los avión de combate con afterburners los utilizan solamente cuando es absolutamente necesario. Si un piloto vuela demasiado tiempo con el afterburner encendido, él o ella corre el riesgo de agotar el combustible antes completar la misión.
Recuerda, la temperatura es un factor muy importante al momento de diseñar la turbina. Los gases de escape no pueden ser demasiado calientes o, de lo contrario, podrín causar que algunas partes de la turbina (como las palas) se derritan. Sin embargo, entre más caliente sean los gases de escape, mayor será el empuje. Los ingenieros utilizan una técnica llamada "refrigeración de las palas de la turbina". Esto permite que gases más calientes de lo normal salgan del combustor y entren a la turbina. Aire fresco proveniente del compresor se desvía hacia palas huecas de la turbina para que no se sobrecalienten y no se doblen ni se rompan. La refrigeración se debe controlar muy cuidadosamente para obtener el mayor empuje posible.
El turborreactor es el motor más popular de la mayoría de los aviones de alta velocidad, a pesar de un consumo de combustible más elevado. Cuando las altas velocidades y un excelente funcionamiento son los factores principales, el costo del combustible es menos importante y pasa a un segundo término. Los aviones militares de combate y los veloces jets de negocios (business jets, en inglés) utilizan turborreactores.

Turbopropulsor

Poco tiempo después de que los primeros aviones con turborreactores comenzaron a volar por el aire, el turbopropulsor fue desarrollado. Este motor produce dos tipos de empuje, uno con la hélice propulsora y el otro a través del escape. Una caja grande de engranajes permite que la turbina haga girar una gran hélice a altas velocidades, produciendo iasí el primer tipo de empuje. La caja de engranajes tiene muchas piezas movibles (que podrían romperse) y puede obstruir el paso del aire al motor.
Conforme la velocidad de la hélice aumenta, las puntas de las palas pueden acercarse a velocidades supersónicas. Si sucede esto, el flujo podría separarse y se podrían formar ondas de choque, disminuyendo el flujo de aire al motor. Por estas razones, el uso de este tipo de motor todavía está restringido a velocidades reducidas debido al gran tamaño de la hélice y a la caja de transmisión.

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La figura muestra los componentes básicos de un turbopropulsor. La hélice precede a la entrada de aire y al compresor, pero tiene el mismo propósito. Proporciona un gran volumen de aire de alta presión al escape del motor. La entrada de aire y el compresor se utilizan para enviar una parte del flujo de aire al combustor. Se utiliza una turbina para accionar la hélice y el compresor, y los calientes gases de escape aceleran conforme abandonan el motor a través de la tobera de eyección. (Éste es el segundo tipo de empuje, después del empuje producido por la hélice). Como, en realidad, sólo una pequeña cantidad del flujo de aire se quema dentro del motor, el turbopropulsor puede generar una fuerza de empuje bastante grande con un consumo de combustible que es bajo en comparación al de un turborreactor. Cuando un avión está diseña para volar a velocidades no muy altas, el turbopropulsor es generalmente el motor que se elige.

Turboventilador

Al mismo tiempo que los ingenieros se esforzaban por superar las limitaciones que le impedían al turbopropulsor ser utilizado en aviones que viajaran a velocidades más altas, surgió un nuevo diseño: el turboventilador. Este motor puede ser descrito como un punto intermedio entre el turbopropulsor y el turborreactor. El turboventilador incluye una gran hélice interna (a veces llamado "ventilador canalizado") y dos corrientes de aire que fluyen a través del motor. La corriente principal viaja a través de todos los componentes como sucede en un turborreactor, mientras que la corriente secundaria generalmente es impulsada a través de una tobera de eyección para mezclarse después con la principal corriente de escape. La siguiente figura ilustra el diseño de un motor turboventilador.

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El turboventilador tiene varias ventajas en comparación con los otros dos tipos de motores. El ventilador no es tan grande como la hélice de un turbopropulsor, por lo que la velocidad alcanzada por la punta de las paletas del ventilador no es tan alta. Además, el ventilador se encuentra dentro de de la cubierta del motor, lo cual permite que la aerodinámica se pueda controlar mejor. A velocidades más altas, la separación del flujo es menor, y la formación de ondas de choque es menos problemática.
Un turboventilador puede ser utilizado para volar a velocidades transónicas que alcancen Mach 0.9. El ventilador es más pequeño que la hélice de un turbopropulsor, pero es capaz de aspirar mucho más aire que un turborreactor, por lo que genera más empuje. Al igual que el turbopropulsor, el turboventilador consume menos combustible que un turborreactor. El turboventilador es el motor preferido de los aviones comerciales que vuelan a velocidades subsónicas altas.

Aunque es posible usar dispositivos de poscombustión (afterburners) en una o en ambas corrientes de aire, una pequeña cantidad de empuje adicional viene acompañada de un enorme aumento en el consumo de combustible. El costo es tan alto, de hecho, que es muy raro que un turboventilador tenga afterburners.

Ramjets

Cuando se trata de velocidades menores a Mach 1.0, el compresor es un componente de los motores de reacción muy necesario. Conforme un avión aumenta su velocidad y sobrepasa Mach 1.0, la presión del aire que se obtiene como resultado de la velocidad de la corriente aérea disminuye la necesidad de utilizar un compresor. Incluive, cuando la velocidad se acerca a Mach 3.5 - 4.0, el compresor ya ni siquiera es necesario. El ramjet es el motor más eficiente porque tiene menos componentes. El ramjet no tiene compresor ni turbina, y es mucho más tolerante a las altas temperaturas. El siguiente diagrama muestra los componentes de un ramjet. Consta de una entrada de aire, un combustor, y una tobera de eyección.

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Sin embargo, el ramjet también tiene limitaciones. La primera limitación es que no funciona a velocidades subónicas; por lo tanto, otro motor debe primero hacer que el avión alcance velocidades supersónicas. Otra limitación se encuentra en la combustión de la mezcla de combustible y aire en el combustor. La entrada del ramjet debe retardar el flujo de aire de velocidades supersónicas a velocidades subsónicas para que la mezcla de combustible y aire encienda en el combustor. Cuando la velocidad se aproxima a Mach 6.0, el aire que entra en el combustor llega a estar tan caliente ¡que no puede quemarse! Esto se debe a la fricción que se genera cuando el aire supersónico disminuye su velocidad en la entrada hasta lograr niveles subsónicos. A esta velocidad (Mach 6) ya no es posible generar la fuerza de empuje necesaria para continuar volando.
Se ha propuesto una solución al problema que enfrenta el ramjet cuando se alcanza la velocidad límite (Mach 6.0). A esta propuesta se le conoce como ramjet de combustión supersónica (SCRAMJET). En vez de retardar el flujo de aire hasta lograr velocidades subsónicas para llevar a cabo la combustión, el SCRAMJET podría hacer que el aire encendiera siendo aún supersónico (así se evitaría generar fricción en la entrada). El combustible todavía inyectaría a la corriente aérea para ser encendido. Desafortunadamente, los combustibles de hoy aún no encienden lo suficientemente rápido. El desarrollo de un sistema realizable (práctico) de inyección de combustible para el SCRAMJET se encuentra todavía en sus etapas de infancia.

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