Motores de Reaccion-termodinamica

8/17/2019 Motores de Reaccion-termodinamica

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Introducción

En el movimiento de una aeronave es necesario un sistema que proporcione una fuerza de avance

llamada empuje.

En esta presentación se mostrara el funcionamiento de los motores de reacción que proporciona

ese empuje.

En este trabajo se analizara y estudiara como son los motores de reacciones actuales utilizados

por turbinas de gas, su estructura, la clasificación, análisis termodinámico y las leyes de newton

aplicadas a los motores de reacción. Las cuales han sido la base para grandes descubrimientos y

avances a lo largo de la historia. es la tercera ley, de acción y reacción, la que permitió un

desarrollo en la planta motriz de las aeronaves.

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Capítulo I

Concepto de motores de reacción

"n motor de reacción, es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran

velocidad para generar un empuje de acuerdo a la tercera ley de newton #acción$reacción%

&iempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto

ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero.'. ( diferencia

de los motores de combustión, el motor de reacción, realiza los ) tiempos a trav*s de un

eje que transporta energ+a desde la turbina al compresor y funciona a lo largo del motor.

Figura I. motor turbofán ratt - hitney /!00 para un caza /$!1 Eagle

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https://es.wikipedia.org/wiki/Turbof%C3%A1nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_F100https://es.wikipedia.org/wiki/F-15_Eaglehttps://es.wikipedia.org/wiki/F-15_Eaglehttps://es.wikipedia.org/wiki/Pratt_%26_Whitney_F100https://es.wikipedia.org/wiki/F-15_Eaglehttps://es.wikipedia.org/wiki/Turbof%C3%A1n


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Partes de un reactor

Comprensor.

El compresor es el elemento utilizado para la compresión del aire. La comprensión del aire se

realiza mediante fases de rotor y estator. El rotor comprime introduciendo trabajo en el fluido

mientras que el estator comprime disminuyendo la velocidad de la corriente

Figura II. 3omprensor

Cámara de combustión.

Es en donde se lleva a cabo la combustión de la mezcla estequiometria.uede ser de tipo anular o can$anular

Figura III. 3ámara de 3ombustión tipo anular

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Figura IV. 3ámara de 3ombustión tipo can$anular

Turbina.

La turbina nos proporciona el trabajo para mover el compresor, e5pandiendo la masa de aire.

Está compuesto por una serie de cascadas estator rotor. "na parte cr+tica de un motor es el primer

escalón de la turbina donde se recibe el flujo de aire a una gran temperatura.

Figura V. 6urbina

)


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Tobera.

La tobera de escape es el 7ltimo de los componentes, podr+amos comparar las toberas con los

tubos de escape de un motor alternativo. &u función, principalmente, es la de evacuar los gases

de salida lo más veloz posible. (unque no lo parezca, la forma de estas es realmente importante

para el funcionamiento global del equipo, siendo las toberas que e5pulsan los gases a mayor

velocidad las más eficientes.

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CAPÍTULO 2. CLASIICACI!" #$ LOS %OTO&$S #$ &$ACCI!"

2.! 8969:E& ;E :9"L& ("6=>98(% &on aquellos en los que su

funcionamiento no depende del medio que los rodea porque además de tener depósitos para el combustible, tambi*n tienen depósitos de aire. &on denominados

sencillamente ?cohetes@. &e usan para naves espaciales, puesto que al no necesitar de

una atmósfera, pueden funcionar en el espacio.2.!.! 8otor cohete% En este caso, no e5iste toma de aire para producir la

combustión. 6anto el combustible como el comburente #el o5idante' van

almacenados y se suministran al motor. La no dependencia del o5+geno del

aire para producir la combustión, les convierten en 7nicos para los viajes

espaciales. Es un motor relativamente simple, contando en principio solo

con la cámara de combustión y la salida de gases. Los motores cohete

ofrecen mucho empuje pero poca autonom+a y no son usados como

propulsores de aviones porque su eficiencia es bastante pobre, e5cepto a

altas velocidades.

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2.2 8969:E& ;E :9"L& >9

("6=>98(% &on en los

que el aire necesario para la

combustión y propulsión se toma del

e5terior. &on los motores normales y

corrientes. &e dividen en%2.2.! &in grupo compresor B turbina% Los motores sin grupo compresor B

turbina utilizan la elevada velocidad de vuelo para comprimir el aire a

trav*s de un conducto de una forma determinada.2.2.!.! Estatorreactor% Los estatorreactores son motores de reacción

au5iliares que carecen de compresores y turbinas, pues la elevada

velocidad de vuelo va a comprimir el aire a la entrada del motor en

el difusor de admisión. ;espu*s este se mezclará con el

combustible y se quemará en la cámara de combustión, y luego se

e5pandirá en la tobera de escape. &e ha de tener en cuenta que esta

forma de trabajo es continua. (l no llevar compresor, no se

necesita de ninguna turbina #ya que la turbina para lo 7nico que

sirve es para obtener un trabajo con el cual mover el compresor y

elementos au5iliares'.

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3omo ventajas podemos seDalar su simplicidad. 3omo

inconvenientes, su bajo rendimiento a velocidades bajas, la elevada

temperatura que se alcanza, el consumo de combustible y la

necesidad de una velocidad inicial. &i no hay velocidad inicial, el

aire no se comprime. or eso este sistema se puede usar, por

ejemplo, en aviones lanzados desde otros aviones o bien en los

misiles de las aeronaves militares. Este motor no tiene utilidad

fuera del mercado militar o aviones de investigación como el

e5perimental 5$)4 de la >(&(.

2.2.!.2 ulsorreactor% Los pulsorreactores son los otros motores sin grupo

compresor B turbina. /uncionan de manera similar a los

estatorreactores, solo que a la entrada de la cámara de combustión

hay unas válvulas que se abren, permitiendo la entrada del aire,


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hasta que en la cámara hay presión suficiente, momento en el que

las válvulas se cierran. Estas válvulas permiten ejecutar la

combustión de manera intermitente a impulsos de alta frecuencia.

6ras la inflamación de la mezcla y la e5pansión en la tobera, las

válvulas se abren, permitiendo de nuevo la entrada de aire. Es

decir, es un motor que genera un empuje discontinuo.

8uchos son los que creen que este sistema de intermitencia

aumenta la potencia y el rendimiento del motor gracias a su

incremento de presiones en el interior, s+ es cierto, aunque tambi*n

lo es que ese aumento es m+nimo y que aparte de esto, estamos

hablando de un motor con más componentes mecánicos móviles

que los estatorreactores, por lo tanto el riesgo de aver+as mecánicas

tambi*n aumenta. &u elevado consumo y la limitación en la

velocidad del vuelo a causa del abrir y cerrar de las válvulas hace

que en la actualidad carezca de inter*s aeronáutico, pero es usado

en aeromodelismo. /ue bastante 7til al final de la &egunda Fuerra

8undial. 3omo an*cdota, el famoso $1! 8ustang llevaba

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e5perimentalmente dos pulsorreactores en las alas. 3uando la

velocidad de vuelo era suficientemente alta, el motor de pistón se

paraba y empezaban a funcionar los pulsorreactores. La velocidad

inicial que necesita es menor que la del estatorreactor.2.2.2 3on grupo compresor B turbina% Los motores con grupo compresor B

turbina utilizan el compresor para comprimir el aire y la turbina para

obtener trabajo con el que mover el compresor. 6ambi*n, se podr+a hacer

un motor cuyo compresor se moviese a trav*s de un motor el*ctrico y as+

ahorrarnos la turbina, que es muy cara, pero entonces se requerir+a unas

bater+as muy grandes para generar electricidad. 3on la turbina, sin

embargo, el avión es autosuficiente #la turbina tambi*n mueve un

alternador para producir electricidad'.2.2.2.! 6urborreactor% El turborreactor es el motor de reacción básico de la

actualidad #esto no quiere decir que sea el más usado'. 3onsta de

un compresor, que comprime el aire, una o varias cámaras de

combustión, en las cuales se inyecta combustible y se quema la

mezcla, una turbina, de la cual se obtiene trabajo para mover el

compresor al pasar el aire por *l, y una tobera, en la cual se

e5panden los gases y se aumenta su velocidad, obteniendo empuje.

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Las ventajas de *ste tipo de motor son su elevada relación de

potencia$peso, y un rendimiento aceptable a velocidades

comprendidas entre 8H0,C y 8H0,G, que son a las que vuelan los

aviones comerciales.

Los turborreactores son pues unas máquinas de incre+ble

rendimiento aunque tambi*n tienen sus pequeDos defectos, por

ejemplo la deficiencia más notable de estos consiste en la

insuficiente potencia en el despegue.

Los primeros aviones en usar el turborreactor #con cierto *5ito',

fueron, en (lemania el 8esserschmitt 8e2A2 y en


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sufre las transformaciones termodinámicas del turborreactor

normal y corriente, es decir, atraviesa el compresor, la cámara de

combustión, la turbina y la tobera. El otro simplemente se

comprime y luego pasa directamente a la tobera aumentando el

empuje del motor.

Fracias al fan o ventilador, el área frontal es mayor, con lo que el

gasto de aire #la cantidad de aire que entra al motor' es mayor,

aumentando el empuje. ero, hacer todos los componentes tan

grandes es un problema de peso serio. or eso, se divide el flujo en

dos #as+, el resto del motor es de tamaDo más reducido'. ( la salida,

el flujo que ha pasado por el motor completo se mezcla con el que

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ha pasado solo por el fan. 9bviamente, tienen velocidades

diferentes y al mezclarse, la velocidad global disminuye. ;e esta

forma, hemos conseguido aumentar el rendimiento y el empuje.

En el fondo, un fan es más como una h*lice. 3asi no se obtiene

empuje del chorro de gases que pasa por el compresor J cámara J

turbina, sino que el empuje se obtiene prácticamente del fan. El

resto del aire sirve, en su mayor+a, para mover la turbina y obtener

un trabajo con el cual mover el fan y el compresor.3omo nota adicional, al mezclar los flujos de aire, el impacto

sónico con el medio ambiente es menor.El turbofan es el motor de reacción que más rendimiento da #lo que

implica un bajo consumo y eso significa que es más barato' y

unido a su menor ruido de funcionamiento, le hace el motor que se

está usando en todos los aviones de l+nea.El motor turbofan obtiene su m+nimo consumo a grandes altitudes

de vuelo, por lo que no ser+a un buen motor para hacer vuelos muy

cortos, ya que no nos dar+a tiempo a alcanzar la altitud óptima.2.4 8otores mi5tos% Los motores mi5tos, como su propio nombre indica, mezclan

diferentes sistemas en uno sólo. Estos sistemas mezclados en un solo motor

pueden funcionar a la vez o separadamente seg7n las condiciones de vuelo. En

este tipo de motores, los gases de escape producen el movimiento de una turbina

conectada a una h*lice propulsora, siendo aprovechada la energ+a sobrante de los

gases para producir reacción en la forma usual.2.4.! 6urboestatorreactor% El 6urboestatorreactor es un sistema mi5to entre

estatorreactor y turborreactor.( bajas velocidades, este sistema propulsivo funciona como un

turborreactor convencional% tiene su compresor, su cámara de

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combustión, su turbina y su tobera. &in embargo, a altas velocidades

los elementos propios del turborreactor quedan encerrados por

compuertas y el flujo pasa directamente a una cámara de combustión

grande, que está en la zona trasera. El conducto hasta llegar all+ adopta

la forma necesaria para que el aire se comprima antes de quemarse. Es

decir, funciona como un estatorreactor. (demás, mientras el motor

funciona como turborreactor, la cámara de combustión trasera puede

usarse para postcombustión.El sistema tiene las ventajas del turborreactor a bajas velocidades y las

del estatorreactor a altas.2.2 6urboh*lice%

El funcionamiento es id*ntico a los anteriores. La diferencia es que en vez de

usarse los gases para propulsar a chorro el aparato, se usan para mover una h*lice

#los gases que mueven la turbina del compresor mueven tambi*n una turbina que

mueve la h*lice'. Los gases proporcionan algo de empuje e5tra, en algunos casos,

siendo la tracción proporcionada por la h*lice. En el motor turboh*lice tambi*n

tenemos una caja de engranajes que sirve para disminuir la velocidad de la h*lice

ya que, perder+a rendimiento al alcanzar velocidades de giro s7per sónicas.2.2.2 3aracter+sticas%

o El motor es capaz de desarrollar alto empuje a bajas velocidades.

or lo que los aviones turboh*lice son buenos para despegar con

gran carga en pistas cortas.

o 8enor consumo espec+fico de combustible. Kuiere decir que

necesitamos menos combustible para obtener la misma potencia

que el turbofan.o 8enor velocidad de vuelo.o ;iseDo más complicado y más pesado que el turbofan.

!)


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Los aviones de vuelos regionales suelen ser turboh*lices ya que tienen un mejor

consumo a altitudes menores.

Capítulo '

Análisis

termodinámico del motor de reacción

Ciclo (ra)ton

Es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, es una etapa de

compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una e5pansión adiabática de unfluido termodinámico compresible.

or ejemplo en un motor de reacción impulsado por una turbina de gas es un ciclo de

rayton. "n ciclo de rayton ideal modela el comportamiento de un motor de turbina de gas.

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$ntrada de aire

E5isten diferentes tipos de motores de reacción pero todos ellos tienen una entrada de aire

que lleva aire a la cámara de combustión. ;ebido a que la entrada de aire no hace un trabajo

termodinámico sobre el fluido, la temperatura total a trav*s de ella puede considerarse constante,

igualmente su entalp+a total.

>o obstante, la presión total a trav*s de la entrada de aire cambia, principalmente por

diversos efectos en el fluido.

ara conocer el rendimiento de la entrada de aire se utiliza la recuperación total de presión, la cual mide la cantidad del flujo de aire en condiciones iniciales que son ?recuperados@.

La relación de presión inicial y final depende de la forma de la entrada de aire. Msta puede

definirse con el factor de eficiencia de entrada de aire.

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Compresor

(l igual que la entrada de aire, esta parte es fundamental en todos los motores de

reacción. 3omo su nombre indica, la función del compresor es incrementar la presión del aire

antes de ser enviado a la cámara de combustión. E5isten principalmente dos tipos diferentes de

compresores, los a5iales y los radiales. Los compresores a5iales reciben su nombre a que el flujo

que viaja a trav*s de ellos se mueve paralelamente al eje de rotaciónN e igualmente, en los

compresores radiales el flujo llega a5ialmente al compresor pero sale perpendicular al eje de

rotación.

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&ea el compresor radial o a5ial, el análisis termodinámico es equivalente, ya que la

principal función del compresor es incrementar la presión total final del aire respecto a la presión

inicial del aire, es decir, la relación de compresión.

&uponiendo que se trabaja con un gas perfecto y el coeficiente de dilatación adiabática se

mantiene constante.

ara obtener el trabajo espec+fico del compresor se usa la siguiente formula%

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Cámara de combustión

La cámara de combustión se encuentra entre el compresor y la turbina. (qu+ el

combustible es combinado con el aire a presión y quemado. El resultado son gases de

combustión a alta temperatura que servirán para mover la turbina y producir empuje una vez

pasado por la tobera de escape. La relación de compresión en la cámara de combustión es%

!G


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En el proceso de combustión, el calor es liberado y para conocer el cambio de la

temperatura total se usa la siguiente formula%

Turbina

La función de la turbina en un motor de reacción es e5traer el calor e5pulsado por la

cámara de combustión, abasteciendo de energ+a al compresor y a los sistemas el*ctricos de la

aeronave. 8ientras el fluido pasa a trav*s de la turbina, su presión y temperatura total van

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disminuyendo. ;e manera similar al compresor, en la turbina se define la relación de

compresión en la turbina como%

Esta relación es siempre menor de uno, debido a que la presión disminuye a medida que

el fluido avanza por la turbina hacia la tobera de propulsión. 3omo en la turbina no se aDade

calor ni se pierde al e5terior, se supone que es un proceso isentrópico. El trabajo espec+fico hecho

por la turbina es%

2!


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Tobera de propulsión

6odos los motores de reacción tienen una tobera para producir el empuje, para conducir

los gases de combustión hacia la atmósfera y para establecer la relación de caudal másico a

trav*s del motor. La tobera es un dispositivo relativamente simple en comparación a otras partes

del motor, un tubo con forma especial por donde pasan los gases calientes.

3omo la tobera de propulsión no hace trabajo termodinámico sobre el fluido, la

temperatura total a trav*s de esta es mantiene constante. ;e la misma manera la entalp+a total

entre la entrada y la salida se mantiene constante, al igual que la presión total.

La relación entre la presión total de la tobera y la presión estática se conoce como relación de

compresión en la tobera de propulsión.

&iendo la relación entre la presión y la temperatura%

;ebido al principio de conservación de energ+a en la tobera, la entalp+a total espec+fica al

final de la tobera es%

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3on estas ecuaciones y sabiendo que la velocidad de salida es necesaria para conocer

el empuje creado por el motor de reacción, se obtiene

*ariación de la presión+ temperatura ) ,elocidad en un motor de reacción

2)


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Le)es de "e-ton aplicadas a los motores de reacción

Primera Le) de "e-ton

?6odo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectil+neo a no

ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas en *l.@ or ejemplo, para

modificar la trayectoria de una aeronave basta con aumentar o disminuir cada una de las 20

fuerzas que act7an en función de lo deseado. &i la suma de todas las fuerzas es cero, la aeronave

seguirá en movimiento uniforme con velocidad constante o en reposo.

Seunda Le) de "e-ton

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?El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa, y se hace en la

dirección de la l+nea recta en la que se imprime esa fuerza.@ Los cambios e5perimentados en el

momento lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la

dirección de estaN esto es, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos. El

empuje total creado por el motor de reacción es la diferencia entre la cantidad del aire e5pulsado

y aire entrante.

Tercera Le) de "e-ton

?3on toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria% o sea, las acciones

mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto@. Esta ley es

fundamental y es la que crea el empuje en la dirección deseada. "na vez creada la fuerza seg7n

se e5plicó con la segunda ley de >ewton, *sta provocará una fuerza de la misma magnitud pero

de sentido contrario que impulsará una aeronave con motor de reacción, el aire entra por delante,

se comprime en el compresor, se quema en la cámara de combustión y se e5pulsa a trav*s de la

tobera. La diferencia es que se e5pulsa muy rápido, y eso produce el empuje.

Capítulo/

Aplicaciones0

• (eronáutica% Los motores de reacción más habituales son los motores de turbina y

el cohete. (unque tambi*n se emplearon de forma menos habitual otro tipo de motores dereacción como el pulsorreactor #desarrollado en (lemania durante la &egunda Fuerra8undial para impulsar las bombas guiadas O!', el estatorreactor #ramjet',el estatorreactor de combustión supersónica #scramjet' o el motor de detonación por pulsos.

2A

https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_cohetehttps://es.wikipedia.org/wiki/Pulsorreactorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttps://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_V1https://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_V1https://es.wikipedia.org/wiki/Estatorreactorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Estatorreactor_de_combusti%C3%B3n_supers%C3%B3nicahttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_detonaci%C3%B3n_por_pulsoshttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_detonaci%C3%B3n_por_pulsoshttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_detonaci%C3%B3n_por_pulsoshttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_cohetehttps://es.wikipedia.org/wiki/Pulsorreactorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttps://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_Guerra_Mundialhttps://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_V1https://es.wikipedia.org/wiki/Estatorreactorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Estatorreactor_de_combusti%C3%B3n_supers%C3%B3nicahttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_detonaci%C3%B3n_por_pulsoshttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_detonaci%C3%B3n_por_pulsos


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• ropulsión espacial% Este es el fundamento de los motores a reacción, tambi*n

llamados de Ppropulsión a chorroQ% en ellos, parte de la masa de la nave #el combustible'

es e5pulsada a gran velocidad en una dirección, ocasionando que el resto de la nave se

desplace en el sentido opuesto.

El motor más empleado para la propulsión de naves espaciales es el motor cohete , pues

es capaz de generar una enorme potencia y, a diferencia de otros tipos de motores, no

necesita de o5+geno atmosf*rico para funcionar.

• Oeh+culos terrestres% En los veh+culos terrestres es preciso recurrir a la reacción cuando la

fuerza de propulsión que se desea obtener es mayor que la adherencia disponible. Esto

sucede a velocidades muy elevadas, en que la resistencia del aire alcanza valores

superiores al producto del peso por el coeficiente de adherencia e, incluso recurriendo a

la propulsión total, ser+a imposible obtener un esfuerzo motor suficiente para vencer laresistencia. or este motivo, el motor de reacción se ha empleado preferentemente en

automóviles de r*cord.

CO"CLUSI!"$S0$ podemos decir que los motores han sido un invento que revoluciono la forma

de vida del humano, sin embargo han surgido recientemente nuevas

necesidades, en las cuales sea más eficiente pero menos contaminante, lo cual

nos con lleva a ver que desventajas en el motor persistirá y se seguirá viendo y

se irá mejorando con el pasar del tiempo.$ (l pasar de los aDos, los motores de reacción han ido evolucionando gracias a

la investigación y estudio realizados por ingenieros especializados, as+ como

tambi*n a la tecnolog+a desenvuelta por los pa+ses industriales. Fracias a los

motores de reacción podemos desplazarnos a un lugar muy lejano en muy

poco tiempo. &iempre que observemos en el cielo una marca rasgada, no solo

veremos el paso del avión, sino tambi*n el paso desde la propulsión a la

reacción.

2C

https://es.wikipedia.org/wiki/Motor_a_reacci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Motorhttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor_a_reacci%C3%B3nhttps://es.wikipedia.org/wiki/Motor


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$ odemos concluir que la función de la termodinámica y la f+sica en los

procesos que realizan los motores de reacción son muy importantes pues con

ellos, y mediante el uso de las fórmulas, podemos determinar las magnitudes

esenciales que participan en el funcionamiento de estos y de esta manera

poder hacer la mejora y optimización de los procesos en el uso de estos

motores.

&e1erencias0 (ibliorá1icas0

%artín Cuesta 3l,are4 56 %otores de reacciónAntonio "78e4 rodríue4 56 motores de reacción ) turbinas de as

9emerorá1icas0• 3arlos &anchez 6arifa #!GG' :evista de aeronáutica. 8otores de reacción.

Páinas :eb0• http%JJwww.taringa.netJpostsJapuntes$y$monografiasJ!!GG12CJ3omo$/unciona$

un$8otor$a$:eaccion.html• https%JJandresR.wiRispaces.comJfileJviewJ8otoresSdeS:eacciT34T4nS

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