UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS

ARMADAS ESPE-L

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE ENERGÍA Y

MECÁNICA

“MOTORES DE REACCION”

ARTÍCULO CIENTIFICO

RICARDO SANTIAGO ANALUISA TIPANTUÑA

ricm_15fer@hotmail.com

COLABORADOR: ING. LEONIDAS QUIROZ MSc. laquiroz@espe.edu.ec

Latacunga, Noviembre 2015

MOTORES DE REACCION Ricardo Analuisa

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Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga

Quijano Ordoñez y Marqués de Maenza S/N Latacunga, Ecuador Email: ricm_15fer@hotmail.com

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RESUMEN: Un motor de reacción es un tipo de motor que descarga un chorro de fluido a gran velocidad para generar un empuje de acuerdo a las Leyes de Newton. Estos pueden ser datados desde el siglo I d.C. y sus mejoras han seguido progresando, siendo uno de los mayores avances al desarrollo de los primeros cazas a reacción estadounidenses y soviéticos tras la Segunda Guerra mundial. Existen varios tipos de motores, estos incluyen turborreactores, turbofanes, y estatorreactores, pero, en su uso común es la producción de un chorro de gases para propósitos de propulsión. Sin embargo el desarrollo de motores de reacción presenta problemas técnico-económicos que afectan su producción en masa. PALABRAS CLAVES: Reacción, leyes de newton, técnico-económico, empuje. ABSTRACT: A jet engine is a type of engine at high speed download a fluid jet to generate thrust in accordance with Newton's laws. These can be dated from the I century A.D. and improvements have continued to make progress, one of the greatest advances in the development of the first US fighters and

Soviet reaction after the Second World War. Several types of engines, these include turbojet, turbofan, and ramjet, but in common use is the production of a gas jet for propulsion purposes. However the development of jet engines presents technical and economic problems affecting mass production

KEY WORDS: Reaction Newton's laws, technical-economic thrust. 1. INTRODUCCIÓN Un motor de reacción es un motor termodinámico, en el cual se trasforma la energía química del combustible en energía cinética de la corriente de gas que sale del motor, proporcionando así empuje útil. 1 La idea de usar el empuje de reacción para generar propulsión no es nueva. Hero de Alejandría diseñó un tipo de turbina de vapor hace aproximadamente unos 2000 años. Los chinos han utilizado cohetes de pólvora desde el siglo XII A.D. Desde entonces, se han realizado muchas mejoras y variaciones de los diseños del motor a reacción. Además, motores de propulsión a chorro más eficientes han hecho posible la fabricación de aviones más grandes y más rápidos.2

2. MARCO TEÓRICO 2.1 Principio del motor de reacción. 2

Para comprender mejor esto, vamos a empezar diciendo las leyes físicas que rigen el funcionamiento de un motor de reacción. Éste se basa en la 2ª y 3ª ley de Newton.

2ª Ley: "El aumento en la cantidad de movimiento es igual al impulso de la fuerza aplicada".

3ª Ley: "A toda acción le corresponde una reacción igual y de sentido contrario"

¿Qué quiere decir todo esto? La segunda ley lo que expresa, básicamente, es esto:

Ec. 1

es decir, la fuerza (F) que le aplicas a un cuerpo es igual a su masa m) por la aceleración (a) que desarrolla al aplicarle dicha fuerza. La tercera ley lo que significa es que cuando tu aplicas una fuerza a algo, ese algo te aplica a ti una fuerza igual y de sentido contrario. El ejemplo típico es el de la pared: cuando tú empujas una pared, te vas para atrás. La pared ejerce sobre ti una fuerza igual a la que le aplicas tú, en sentido contrario. Apliquemos estas dos leyes a un motor de un avión, el motor chupa una masa de aire y lo acelera. Cuando el aire sale por detrás del motor, sale acelerado. Mira la ecuación de arriba. Si a una masa de aire la hemos acelerado, esto quiere decir que el motor está aplicando una fuerza al aire. Por lo tanto el aire le aplica al motor una fuerza igual y en sentido contrario. Es decir, el aire sale impulsado hacia atrás y el motor hacia delante. Ahí tenemos el funcionamiento de un motor de reacción.

Figura 1. Tercera ley de Newton

El impulso de movimiento de un motor es igual a la masa de aire multiplicado por la velocidad con la que el motor expulsa esa masa:

Ec. 2

donde m es la masa de aire y c la velocidad de expulsión. Se puede considerar que un avión vuela a mayor velocidad si emite la masa de aire con una velocidad de expulsión mayor o si emite más cantidad de aire por segundo a la misma velocidad. Sin embargo, cuando el avión vuela con cierta velocidad v, el aire se mueve junto a él, creando una resistencia en la entrada de aire. La mayoría de los motores de reacción tienen una entrada de aire, que proporciona la mayor parte del gas que saldrá por la tobera. 2.2 Funcionamiento del Motor de Reacción2

Al aire hay que aplicarle una serie de transformaciones termodinámicas para conseguir que salga acelerado. Con un simple ventilador no basta, hay que incrementar su potencial para desarrollar esa fuerza que a partir de ahora la llamaremos empuje. El motor a reacción le aplica al fluido las mismas transformaciones que se desarrollan en un motor de combustión interna, esto es: admisión, compresión, explosión/expansión y escape. En el cilindro de un motor de combustión interna, lo primero que ocurre es que entra la mezcla aire combustible. Una vez está en el cilindro, el émbolo o pistón sube comprimiendo la mezcla. Cuando el pistón está

arriba, y la mezcla bien comprimida, salta la chispa de la bujía, que hace que la mezcla se queme. Ésta explota, y expande los gases, empujando al émbolo hacia abajo. Después éste sube, por inercia, con la válvula de escape abierta, sacando los gases. La explosión de la mezcla, al hacer bajar el émbolo, es la que hace que se mueva el cigüeñal, y éste hace que se muevan las ruedas (o hélice, en un avión). En el reactor ocurre lo mismo: el aire entra por delante, se comprime en el compresor, se quema en la cámara de combustión y se expulsa a través de la tobera. La diferencia es que se expulsa muy rápido, y eso produce el empuje, es decir se aplica la tercera ley de Newton.

Figura 2. Ciclos de motor térmico

3. COMPONENTES PRINCIPALES3 Los componentes principales de un motor de reacción son similares en los diferentes tipos de motor, aunque no todos los tipos contienen todos los componentes. Las principales partes incluyen: • Entrada o toma de aire: Para aviones subsónicos, la entrada de aire hacia el motor de reacción no presenta dificultades especiales, y consiste esencialmente en una apertura que está diseñada para reducir la resistencia como cualquier otro elemento del avión. Sin embargo, el aire que alcanza al compresor de un reactor normal debe viajar a una velocidad inferior a la del sonido, incluso en aviones supersónicos, para mantener una mecánica fluida en el compresor y los álabes de la turbina. A

velocidades supersónicas, las ondas de choque que se forman en la entrada de aire reduce la presión en el compresor. Algunas entradas de aire supersónicas utilizan sistemas, como un cono o rampa, para incrementar la presión. • Compresor o Ventilador: El compresor está compuesto de varias etapas. Cada etapa consiste en álabes que rotan y estatores que permanecen estacionarios. El aire pasa a través del compresor, incrementando su presión y temperatura. La energía se deriva de la turbina que pasa por el rotor. • Eje: Transporta energía desde la turbina al compresor y funciona a lo largo del motor. Puede haber hasta tres rotores concéntricos, girando a velocidades independientes, funcionando en sendos grupos de turbinas y compresores. • Cámara de combustión: Es el lugar donde se quema continuamente el combustible en el aire comprimido. • Turbina: Actuando como un molino de viento, extrayendo la energía de los gases calientes producidos en la cámara de combustión. Esta energía es utilizada para mover el compresor a través del rotor, ventiladores de derivación, hélices o incluso convertir la energía para utilizarla en otro lugar a través de una caja de accesorios con distintas salidas. El aire relativamente frío puede ser utilizado para refrigerar la cámara de combustión y los alabes de la turbina e impedir que se fundan. • Postcombustor: Utilizado principalmente en aviones militares, produce un empuje adicional quemando combustible en la zona de la tobera, generalmente de forma ineficiente, para aumentar la temperatura de entrada de la tobera. • Tobera o salida: Los gases calientes dejan el

motor hacia la atmósfera a través de una tobera, cuyo objetivo es producir un aumento de la velocidad de estos gases. En la mayoría de los casos, la tobera es convergente o de área de flujo fija. • Tobera supersónica: si la relación de presión de la tobera (la división entre presión de entrada de la tobera y la presión ambiente) es muy alta, para maximizar el empuje puede ser eficaz, a pesar del incremento de peso, utilizar una tobera convergente divergente o de Laval. Este tipo de tobera es inicialmente convergente, pero más allá de la garganta (la zona más estrecha), empieza a incrementar su área en la parte divergente. 4. Tipos de Motores de Reacción4 4.1. TurboFan Nivel de ruido menor, ya que la velocidad media de salida de los gases es menor que en un turborreactor de flujo simple. Posee una elevada relación Empuje/Peso, ya que al no pasar todo el flujo por la zona caliente se pueden emplear materiales más ligeros. Además tiene menor riesgo de ingestión de objetos extraños, ya que el fan expulsa al exterior los objetos que pudieran entrar al motor, evitando así que pasen al 'primario'. Los daños ocasionados por ingestión son mucho menores.

Figura 3. Motor de Reacción TurboFan

4.2. Turbohélice La economía de combustible y la adaptación

de un motor de turbina para generar potencia, no empuje, la relación peso-potencia de un turbohélice es muy superior a la de cualquier motor de pistón. Por ello, alrededor de un 90 % de la energía de los gases expandidos se absorbe en la parte de la turbina que mueve la hélice y el 10 % restante se emplea para acelerar el chorro de gases de escape.

Figura 4. Motor de Reacción Turbohélice

4.3. Estatorreactor Los estatorreactores, a diferencia de los reactores, pulsorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless y que tienen ventajas significativas tales como la carencia de piezas móviles, posee relaciones peso/empuje mayores que los reactores. Por su construcción posee la imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas.

Figura 5. Motor de Reacción Estatorreactor

4.4. Turboreactor Es más eficiente en términos de consumo de combustible. En su construcción es más sencillo y tiene menos partes móviles, por ello requiere menor mantenimiento y la vida útil es más larga. Tiene una mejor relación peso/potencia.

Figura 6. Motor de Reacción Turboreactor

5. Coste y problemas técnico-económicos5 El motor de reacción o turbina de gas de aviación, en su sentido más amplio constituye un producto industrial cuyo desarrollo y producción presentan problemas muy específicos los cuales no se encuentran en conjunto en ningún otro producto industrial de alta tecnología, estos son:

Muy elevado costo del desarrollo en relación con el producto de serie, y largo tiempo para su realización.

Series relativamente reducidas en numero

Utilización de tecnologías avanzadas

Muy elevado costo del producto, sobre todo por unidad de peso.

Todo esto está relacionado con la mejora continua de los motores, específicamente enfocado en 2 variables importantes:

El empuje por unidad de peso

El consumo especifico. Ahora bien, para empezar con la mejora y solucionar todos los problemas se necesita unas instalaciones de ensayo demasiadas costosas debido a sus equipos simuladores, además de laboratorios de ensayo mecánicos, bancos de cámaras de combustión, laboratorios de ruido y contaminación. Finalmente para el desarrollo de un motor puede demorarse 8 años, requiriéndose de 6000 a 10000 horas de costosos ensayos.

6. CONCLUSIONES • El desarrollo d los motores de reacción viene desde hace muchos años atrás, utilizando como combustible el vapor, pero siguiendo el mismo patrón de un motor de combustión. • En la combustión del motor de reacción se trasforma la energía química del combustible en energía cinética de la corriente de gas, el cual le permite impulsarse. • El Impulso del motor de reacción está relacionado específicamente con la segunda y tercera ley de Newton. • Al igual que el motor de combustión interna, este motor funcionas por ciclos similares, pero en diferentes elementos de máquinas. • Para cada tipo de motor de reacción existe su aplicación y sus características específicas, las cuales aplicadas en el medio adecuado pueden convertirse en ventajas. • El costo de producción en serie de estos motores es relativamente costoso, además investigación para su desarrollo solo se realiza en lugar específicos que cuentan con el equipamiento necesario.

El nuevo diseño de motores de reacción está enfocado al consumo especifico de combustible y al empuje que este realiza por unidad de peso.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Wikimedia comons. (2010). Motores de Reacción, recuperado el 16 de noviembre del 2015, de: https://es.scribd.com/ [2] En ocasiones hago clic. (15 de junio del 2009). Como funcionan los motores de reacción, recuperado del 16 de noviembre del

2015, de: http://www.enocasioneshagoclick.com/2009/06/escuadron-click-como-funciona-un-motor.html [3] Guash, Pau. (SN). Sistemas de Propulsión Aereonautica, recuperado del 16 de noviembre del 2015, de: http://html.rincondelvago.com/motores-a-reaccion.html [4] Serrano, N. (SN). Motores a reacción propulsión aérea, recuperado del 16 de noviembre del 2015, de: https://es.scribd.com/ [5] Sánchez, C. (2003). Desarrollo y producción de motores de reacción, recuperado del 16 de noviembre del 2015, de: https://es.scribd.com/

Ricardo Analuisa

Nacido en la ciudad de Quito, Ecuador. Bachiller en ciencias

especialidad Fisicomatemático, Estudiante en la Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Latacunga.