Turbinas, TI-3436
Material preparado para Turbinas, TI-3436
Universidad Simón Bolívar
Prof. Pedro J. Boschetti
Motores a reacción
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Principios de la propulsión a reacción
 Segunda ley de Newton
o Ley de fuerza

“El cambio de
movimiento es
proporcional a la
fuerza motriz impresa
y ocurre según la línea
recta a lo largo de la
cual aquella fuerza se
imprime”


F  ma

F 

 mV

F 
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
t

 m V

Historia


La primera referencia del uso de la
propulsión a reacción viene del la
Eolípila, inventada en el siglo I por
el ingeniero griego Herón de
Alejandría. No tenia ninguna utilidad
practica mas que como curiosidad
El segundo ingenio registrado fue el
cohete. No se tiene una fuente
fiable de cuando se creo el primer
cohete, pero se sabe que los chinos
los utilizaron como arma contra las
hordas invasoras mogolas en 1232.
Este artefacto elaborado con un
combustible solidó (pólvora) fue
utilizado por diversos ejércitos y
armadas a lo largo de la historia con
pocas mejoras significativas
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Historia
 En 1926, Robert Goddard hizo el primer
lanzamiento de un cohete de
combustible liquido en Auburn,
Massachusetts, EE.UU. Sus logros
fueron replicados mas tarde por Fritz
von Opel en Alemania, lo que condujo a
un amplio desarrollo de esta tecnología
 En 1906, el ingeniero ruso V.V.
Karavodin patento el primer
pulsorreactor, completando su trabajo
en 1907. En 1908, el inventor francés
Georges Marconnet patentó su
pulsorreactor sin válvulas. Con base en
estas ideas, Georg Madelung y Paul
Schmidt propusieron en 1934 al
Ministerio del Aire de Alemania la
creación de una bomba voladora
propulsada con un pulsorreactor. Diez
años mas tarde, estas serian utilizadas
como armas durante la Segunda Guerra
Mundial
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Historia




En 1929, el ingeniero aeronáutico y
militar británico Frank Whittle envió
formalmente sus ideas para un
turborreactor a sus superiores en la
RAF. Whittle tuvo su primer motor listo
en abril de 1937.
En 1935, el ingeniero alemán Hans
von Ohain comenzó a trabajar en un
diseño similar en Alemania. Su primer
motor, HeS-1, comenzó a funcionar en
septiembre de 1937
El 27 de agosto de 1939, el He 178
voló exitosamente utilizando el
turborreactor alimentado por
gasolina HeS-3 de 5 kN de empuje, en
el aeródromo de Marienehe, Alemania
El avión Gloster E28/39 realizó su
primer vuelo el 15 de mayo de 1941
con un turborreactor W.1 (Whittle-1)
de 4 kN de empuje, en la base RAF
Cranwell, cerca de Sleaford en
Lincolnshire, Reino Unido
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He 178
Gloster E28/39
Historia
 En 1944, entra en servicio
con la Luftwaffe el
Messerschmitt Me 262,
apodado Schwalbe
(versiones de caza) y
Sturmvogel (versiones de
ataque), fue el primer avión
de producción en serie
completamente operacional.
Se fabricaron 1.443
unidades hasta la rendición
de Alemania el 8 de mayo
de 1945
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Tipos de motores a reacción
 Las turbinas de gas pueden ser utilizadas para
generar empuje o para entregar potencia a través de
un eje (o ambas). Se pueden clasificar en:


Motores de reacción para proporcionar empuje
 Motor cohete (Rocket)
 Pulsorreactor (Pulsejet)
 Estatorreactor (Scramjet & Ramjet)
 Turborreactor (Turbojet)
 Turboventilador (Turbofan)
Turbinas de gas para proporcionar potencia
 Turbohélice (turboprop)
 Turboeje (turboshaft)
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Motor cohete (Rocket)
 El motor cohete genera empuje al liberar




un chorro continuo de gas producto de la
combustión de un propelente
Los cohetes inicialmente fueron fabricados
con materiales rudimentario como caña de
bambú seco rellena con pólvora
Los cohetes de combustible solidó
constan de una cámara de combustión
que al mismo tiempo es el deposito del
propelente
El propelente puede variar desde
materiales rudimentarios como la pólvora
que necesitan del oxigeno del aire para
quemarse, hasta mezclas químicas que se
hacen inestables y en ciertas condiciones
y reaccionan liberando energía sin
necesidad del oxigeno atmosférico
Se emplean en fuegos artificiales, misiles
de corto y mediano alcance, naves
espaciales, asientos eyectables y sistema
de despegue auxiliar en algunas
aeronaves
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Motor cohete (Rocket)
 Los motores cohete de
combustible liquido utilizan
propelente y oxidante
almacenado en estado liquido
 Esto ofrece la ventaja de
bombear a ambos hasta la
cámara de combustión
 Aunque son sistemas bastantes
simples con pocas partes
móviles, se requiere que el
propelente y el oxidante lleguen
en las cantidades apropiadas a
la cámara de combustión para
realizar una reacción química
estable y completa
 Se utilizan en naves espaciales,
y misiles de largo alcance
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Pulsorreactor (pulsejet)
 El aire es comprimido y
quemado de forma
intermitente lo cual produce
su ruido característico de
pulso
 Es simple de fabricar, pero
ruidoso, ineficiente (baja
relación de compresión), y
sus pocas partes móviles
(válvulas) se desgastan
rápidamente
 Aunque en el pasado se
utilizó como medio de
propulsión del primer misil
crucero, en la actualidad se
limita su uso al
aeromodelismo
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Estatorreactor (Scramjet & Ramjet)




Este carece de partes móviles como
compresor o turbina
La compresión se efectúa en un
difusor (compresor) y logra una
elevada relación de compresión
debido a la alta velocidad a la que
funciona
El aire ya comprimido, se somete a
un proceso de combustión en la
cámara de combustión y una
expansión en la tobera de escape,
en un régimen de trabajo continuo
Si la combustión se realiza a
velocidades por debajo de la
velocidad del sonido reciben el
nombre de Ramjet, y si esta se lleva
a cabo a velocidades supersónicas
se le conoce como Scramjet
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Estatorreactor (Scramjet & Ramjet)
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Turborreactor (Turbojet)
 Este motor genera empuje al
General Electric J85
acelerar un flujo de aire y
expulsarlo a la atmósfera
 Consta de componentes
básicos como nácela,
compresor, cámara de
combustión, turbina y tobera
 Inicialmente eran utilizados
en aeroplanos de diversos
tipos, pero hoy en día están
limitados a aviones
pequeños, incluyendo
misiles y aeromodelismo
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Turborreactor (Turbojet)
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Turboventilador o Turbofán
(Turbofan)




Los turbofáns son una versión
mejorada de los turborreactores
Se basan en el principio de generar
mas empuje, al mover una mayor
cantidad de aire
Para esto, los turbofáns dividen el
flujo de aire entrante en dos parte, y
solo una parte para por el núcleo
para producir la combustión,
mientras que la otra simplemente es
acelerada
Dependiendo de la relación entre el
flujo másico del fan y el flujo másico
del núcleo (llamada relación de bypass) se clasifican en


De bajo by-pass (low by-pass
ratio)
De alto by-pass (high by-pass
ratio)
JT8D
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Turboventilador o Turbofán
(Turbofan)
 Los turbofán de bajo by-pass
(low by-pass ratio) tiene una
relación de BPR menor a 1,5
 Pratt & Whitney JT8D,
1964, 96,5kN (21,700 lbf)
 Volvo RM8, 1964, 72,2kN
(16,200 lbf)
 Los turbofán de alto By-pass
(high by-pass ratio) tiene una
relación de BPR mayor a 1,5
hasta 6 o mas
 Pratt & Whitney JT9D,
1966, 250 kN (56000 lbf)
 General Electric CF6, 1971,
226.9 - 240 kN (51,000 54,000 lbf)
JT9D
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Turbohélice (turboprop)




Estos motores utilizan la potencia
entregada por una turbina de gas
para mover una hélice
Su construcción es básicamente la
misma de un turborreactor, salvo
que es necesario una caja de
engranajes o reductora para llevar
la elevada velocidad de giro del eje
de la turbina, a una velocidad
mucha mas baja que puede ser
aprovechada por una hélice
Existen diversas variedades de
turbohélices dependiendo el
fabricante
Son utilizados en aviones de
velocidad media que requieren gran
potencia
Garrett TPE331
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Turboeje (turboshaft)




Estos motores son utilizados como
plantas de poder y tienen diversas
aplicaciones
Utilizan la potencia de la turbina
para mover un eje el cual entrega
potencia
En ocasiones, los turboejes son
versiones de los turbohélices con
alteraciones para tales fines
Son utilizados generalmente como:




Unidades de potencia auxiliar
(APU)
Plantas motrices en helicópteros
Plantas motrices de plantas
eléctricas en tierra
Plantas motrices de vehículos
terrestres con elevada potencia
Turbomeca Artouste IIIB
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Empuje en motores de reacción
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Empuje en motores de reacción
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Actuaciones y operación del
turborreactor
 Los motores de reacción pueden ver
afectada su operación por diversas
circunstancia



Temperatura
Altitud
Velocidad
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Actuaciones y operación del
turborreactor
 Velocidad
 Influye en la velocidad
de entrada de aire al
motor, V1, y la cantidad
de flujo másico
T   P  Po  A  m V 3  V1 
m    A  V1
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Actuaciones y operación del
turborreactor
 Temperatura
 Los cambios de
temperatura conducen
a cambios en la
densidad del aire, por
lo tanto del flujo
masivo de entrada
T   P  Po  A  m V 3  V1 
m    A  V1
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Actuaciones y operación del
turborreactor
 Altitud
 El incremento de
altitud produce
cambios en la
temperatura
 A 32.000 ft (11 km) se
alcanza la estratosfera
y la densidad del aire
disminuye a una taza
mas elevada que en la
troposfera
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Ciclo de trabajo básico
Relación entre fenómenos termo-fluido-dinámicos
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Ciclo de trabajo básico
Ciclo termodinámico real de turbinas de gas
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