TIPOS DE MOTORES
Motor
aeronáutico
Uno de los primeros radiales y uno de los más famosos, el Wright Whirlwind
J-5, que equipó entre otros al Spirit of Saint
Louis.
Un motor aeronáutico o motor de aviación es aquel que se
utiliza para la propulsión de aeronaves mediante la generación de una fuerza de empuje.
Existen distintos tipos de motores de aviación aunque se dividen en dos
clases básicas: motores recíprocos (o de pistón) y de reacción (donde se incluyen las turbinas). Recientemente y gracias al desarrollo
de la NASA y otras entidades, se ha
comenzado también la producción de motores eléctricos para aeronaves que
funcionen con energía solar.
Evolución
Gracias al ciclo Otto se inventó
el motor de combustión interna, que sería aplicado a la incipiente aeronáutica de finales
del siglo XIX. Estos motores, enfriados por
agua, generaban potencia por medio de una hélice. La hélice, debido a sus dos palas alabeadas, propulsaba la masa de
aire circundante, arrastrando al aeroplano hacia adelante, produciendo el vuelo. En 1903, los hermanos Wright lograron
realizar el sueño casi imposible de hacer volar un artefacto más denso que el
aire.
Los motores se perfeccionaron con el tiempo, logrando aprovechar su
potencia para luego ser montados en los primeros aviones de transporte y
militares, como los de la Primera Guerra
Mundial. Entre los años 1940 y 1942 se crearon los primeros motores a reacción
a ser utilizados en los aviones de combate en la Segunda Guerra
Mundial.
De los descubrimientos en la física y la mecánica de fluidos, se tomó el
principio de
Bernoulli, teorema en el que se fundarían las bases para la invención de los cohetes
bélicos y de los motores de reacción, cuyo principio se basa en leyes físicas
como el principio de acción
y reacción.
Los últimos aviones de transporte comercial de hélices emplearon cuatro
motores radiales de 36 cilindros y de 3.500 caballos de fuerza; son ejemplos de
ello los Douglas DC-7 y los Lockheed
Constellation. Más tarde, vendría el gran cambio a los motores a reacción, que en un
inicio fueron motores Straight Jet, es decir, de flujo de aire directo,
(no poseían fan).
La industria del motor de aviación ha dado un gran salto tecnológico;
hoy se emplean los motores turbofán en aviones comerciales. Para los aviones de combate se ha mejorado su
rendimiento, no emplean el mecanismo del turbofan pero sí el postquemador, que es un
quemador posterior que aumenta el empuje real de los motores durante una
maniobra forzada.
En la aviación moderna se emplean
básicamente dos tipos de motores, los de turbofan y los
de turbohélice. Si bien, en la aeronáutica también se
emplean motores con combustibles sólidos, los
montados en aviones, tanto comerciales como militares, emplean combustibles
líquidos.
En los aviones de porte pequeño es usual que se utilicen motores de
combustión interna que no se basan en el principio de las turbinas de gas sino en el
movimiento alternativo de pistones.
== Motores de eje :)
==
Motores de explosión
La aviación como la conocemos comenzó gracias a la propulsión de
aeronaves mediante motores de cilindros y pistones, también llamados motores alternativos. A pesar de
que existían otros métodos y formas de propulsión, los motores permitieron una
propulsión de trabajo constante, operados principalmente por gasolina. Debido a la rudimentaria tecnología de finales del Siglo
XIX, puede atribuirse en parte al desarrollo de los motores el que a
comienzos del Siglo XX el vuelo propulsado fuera
posible. Por ejemplo, el motor que usó el Flyer III de los hermanos Wright hecho con
la ayuda del mecánico Charles Taylor, fue un gran éxito debido a su excelente relación peso a
potencia, ya que era un motor con un peso de 170 libras que producía una potencia de unos 12 CV a 1.025 RPM.
Motor en línea
Este tipo de motor tiene los cilindros alineados en una sola fila.
Normalmente tienen un número par de cilindros, pero existen casos de motores de
tres o cinco cilindros. La principal ventaja de un motor en línea es que
permite que el avión puede ser diseñado con un área frontal reducida que ofrece
menor resistencia
aerodinámica. Si el cigüeñal del motor está ubicado encima
de los cilindros se le llama un motor en línea invertido, esta configuración
permite que la hélice sea montada en una posición más alta, a una mayor distancia del suelo,
incluso con un tren de aterrizaje corto. Una de las desventajas de un motor en línea es que ofrece una
escasa relación potencia a
peso, debido a que el cárter y el cigüeñal son largos y por tanto más pesados. Éstos pueden ser
refrigerados por aire o por líquido, pero lo más común es que sean refrigerados
por líquido porque resulta difícil obtener un flujo de aire suficiente para
refrigerar directamente los cilindros de la parte trasera. Este tipo de motores
eran habituales en los primeros aviones, incluido el Wright Flyer, la primera
aeronave en realizar un vuelo controlado con motor. Sin embargo, las
desventajas inherentes del diseño pronto se hicieron evidentes, y el diseño en
línea fue abandonado, siendo una rareza en la aviación moderna.
Motor rotativo
A principios de la Primera Guerra
Mundial, cuando los aviones estaban siendo utilizados para fines militares por
primera vez, se hizo evidente que los motores en línea existentes eran
demasiado pesados para la cantidad de potencia que ofrecían. Los diseñadores de
aviones necesitaban un motor que fuera ligero, potente, barato, y fácil de
producir en grandes cantidades. El motor rotativo cumplió
esos objetivos. Los motores rotativos —no confundir con el motor Wankel— tienen
todos los cilindros distribuidos circularmente en torno al cárter como el posterior motor radial, pero con
la diferencia de que el cigüeñal está atornillado a la
estructura del avión, y la hélice está atornillada a la carcasa del motor. De
este modo el motor entero gira junto a la hélice, proporcionando un montón de
flujo de aire para la refrigeración, independientemente de la velocidad de
avance de la aeronave. Algunos de estos motores eran de dos tiempos, con una gran relación potencia a peso. Por desgracia, los severos efectos giroscópicos de un
pesado motor rotando a altas velocidades hacían que el avión fuera más difícil
de pilotar. Estos motores también consumían grandes cantidades de aceite de ricino, que se
propagaba por todo el fuselaje y creaba humos repugnantes para los pilotos.
Eran motores muy poco fiables, debido a que funcionaban a máxima potencia todo
el tiempo sin que pudiera controlarse el paso de gasolina (sólo se podían
encender o apagar), sus componentes internos no estaban hechos para resistir
varias horas de uso, tendían a sobrecalentarse por encima de 350 °C,
temperatura a la cual varios componentes comienzan a fundirse y perforarse
permitiendo fugas de aceite que se inflamaba inmediatamente, provocando el
incendio del motor y de la aeronave, un hecho que cobró muchas vidas en la
Primera Guerra Mundial, época en la cual no se contaba con paracaídas o trajes
ignífugos.
Los diseñadores de motores siempre habían sido conscientes de las muchas
limitaciones del motor rotativo. Una vez los motores de estilo estático se
hicieran más fiables y redujeran su peso relativo, los días del motor rotativo
estaban contados.
Motor en V
En este tipo de motores los cilindros están dispuestos en dos bancadas,
inclinadas con una diferencia de entre 30 y 60 grados, es decir, en forma de V. La
gran mayoría de motores en V son enfriados con agua. Estos ofrece una relación
potencia a peso mayor que un motor en línea, mientras que siguen manteniendo
una área frontal reducida. Quizás el más famoso ejemplo de este tipo de motores
sea el legendario Rolls Royce Merlin, un motor V12 60º de 27 litros usado, entre
otros, en los cazas británicos Supermarine Spitfire y Hawker Hurricane, que jugaron un importante papel en la Batalla de Inglaterra, y en el exitoso bombardero también británico Avro Lancaster. La Serie DB 600 de
Daimler-Benz también es un buen ejemplo de motores V12, en este caso que equipaban
muchos aviones
alemanes de la Segunda Guerra Mundial.
Motor radial
El motor radial o en estrella apareció hacia 1925. Este tipo de motores
tienen una o más filas de cilindros distribuidos circularmente en torno al cárter. Cada fila tiene un número impar de cilindros para que el motor tenga
un buen funcionamiento. De cuatro tiempos y refrigerados por aire, los motores
radiales sólo tienen una muñequilla en el cigueñal por cada
fila de cilindros y por tanto un cárter relativamente pequeño, ofreciendo una
buena relación potencia a
peso. Debido a que la disposición de los cilindros expone muy bien las
superficies de irradiación de calor del motor al aire y tiende a cancelar las
fuerzas recíprocas, los radiales suelen enfriar de forma uniforme y funcionar
correctamente.
El gran salto de estos motores fue permitir mayor potencia con menos
peso, mayor confiabilidad que los motores rotativos y a diferencia de estos
tenían un bloque fijo; tienen menor complejidad del conjunto en comparación a
los motores en línea o en V ya que no necesitan del sistema de refrigeración
por líquido y sus componentes.
En los aviones militares, la gran área frontal que caracteriza a este
tipo de motores actúa como una capa extra de blindaje para el piloto. Sin
embargo, esa gran área plana frontal también hace que el avión tenga un perfil aerodinámico
ineficiente. Otro inconveniente es que los cilindros inferiores, que están
debajo del cárter, pueden llenarse de aceite cuando el motor está parado
durante un largo periodo, y si el aceite no el retirado de los cilindros antes
de arrancar el motor, se pueden producir graves daños en los componentes por bloqueo
hidrostático.
Estos motores se produjeron hasta comienzos de la década de 1960, cuando
fueron desplazados definitivamente por otro tipo de motores.
Motor de cilindros en
oposición
Un motor en oposición tiene dos bancadas de cilindros ubicadas en los
lados del cárter una en contraposición de la otra. Puede ser refrigerado por
aire o por líquido, pero las refrigeradas por aire son las predominantes. Este
tipo de motor es montado con el cárter en posición horizontal en aeroplanos, pero puede ser montado con el cárter en vertical en helicópteros. Debido a
la disposición de los cilindros, las fuerzas recíprocas tienden a cancelarse,
resultando en un buen funcionamiento del motor. A diferencia del motor radial, no padece
ningún problema de bloqueo
hidrostático.
Relativamente pequeños, livianos y económicos, los motores de cuatro o
seis cilindros opuestos refrigerados por aire son de lejos los motores más
comúnmente usados en pequeñas aeronaves de aviación general que requieren una potencia no superior a 400 HP (300 kW) por motor. Las aeronaves que necesitan una potencia superior en cada
motor tienden a ser propulsados por motores de turbina.
Tanto los motores horizontalmente opuestos, como el sistema Boxer
y la V con apertura de 180º, son tres sistemas distintos de motores
con cilindros en oposición. Ocasionalmente se confunde el término motores
con cilindros en oposición con una de sus variantes, el motor de disposición
Boxer usado principalmente en automóviles Porsche.
- En la disposición Boxer, los pistones que están
enfrentándose (dos o tres bancadas de cilindros con pares que se oponen en
torno al cigüeñal) se acercan y se alejan del cigüeñal al mismo tiempo que
su opuesto, ya que las bielas comparten un mismo muñón perpendicular.
- Otra forma de motor con cilindros en oposición es la V de 180º,
en la cual los cilindros confrontados comparten la misma posición en el
muñón del cigüeñal (como ocurre con los motores en V de 45, 60, 75 o 90º
de apertura) y la configuración del orden de encendido se distribuye entre
las distintas bancadas. Así en una bancada de cilindros que se oponen,
mientras un piston se acerca al cigüeñal el otro se aleja.
- En los motores con cilindros horizontalmente opuestos (los
que se usan comúnmente en aviación), el orden de encendido se ha
distribuido de forma tal que los pistones en oposición no comparten la
misma posición en el cigüeñal y todos están a destiempo: en el motor Boxer
los pistones se alejan y acercan al tiempo del cigüeñal, y en la V de 180º
los pistones confrontados se alejan a medida que el otro se acerca al cigüeñal.
Motores de turbina
Turbohélice
Mientras que los cazas militares requieren velocidades muy altas, esto
no es un requisito en muchos de los aviones civiles. Con todo, los diseñadores
de aeronaves civiles querían beneficiarse de la alta potencia y bajo
mantenimiento que ofrece un motor de turbina de gas. Así nació
la idea de acoplar un motor de turbina a una hélice tradicional. Estos motores
no basan su ciclo operativo en la producción del empuje directamente del chorro de gases que circula a través de la turbina,
sino que la potencia que producen se emplea en su totalidad para mover la
hélice, y es esta la genera la tracción para propulsar la aeronave. Debido a
que el óptimo funcionamiento de las turbinas de gas se produce a altas
velocidades de giro —superiores a 10.000 RPM—, los turbohélice disponen de una caja de engranajes para reducir la velocidad del eje y que las puntas de la hélice no
alcancen velocidades supersónicas. A menudo la turbina que mueve la hélice está
separada del resto de componentes rotativos para que sean libres de girar a su
óptima velocidad propia (se conocen como motores de turbina libre). Los
turbohélice son muy eficientes cuando operan dentro del rango de velocidades de
crucero para las que fueron diseñados, que en general va desde los 320 a los
640 km/h. Al igual que en la mayoría de motores recíprocos, los motores cuentan
con controles que mantienen fija la velocidad de la hélice y regulan el paso de
sus palas (hélice de velocidad constante y paso variable). La potencia de los
motores turbohélice, al igual que los turboeje, se mide por su potencia en
eje, en inglés: shaft horsepower
(SHP), normalmente en caballos de potencia o kilowatios.
Turboeje
Un motor turboeje es un motor de turbina de gas que entrega
su potencia a través de un eje. Estos motores son utilizados principalmente en helicópteros y en unidades de energía
auxiliar. El turboeje es muy similar al turbohélice, con una diferencia clave:
en el turbohélice la hélice es soportada directamente por el motor, y el motor
está atornillado a la estructura de la
aeronave; en un turboeje el motor no tiene que ofrecer un soporte físico directo
a los rotores del helicóptero, ya que el rotor está conectado a una transmisión fijada a la
estructura y el turboeje simplemente transmite la potencia mediante un eje de transmisión. Algunos ven esta distinción poco relevante, de hecho, en algunos casos
las compañías fabricantes de motores producen turbohélices y turboejes basados
en el mismo diseño.
Motores de reacción
El componente fundamental de este tipo de motores es la tobera de escape. Esta es la parte que crea el empuje mediante un chorro de gas. El flujo de aire caliente del motor es
acelerado al salir de la tobera, creando el empuje que junto con las presiones
que actúan dentro del motor empujan la aeronave hacia adelante.
Los motores de reacción más habituales son el turborreactor, el turbofán y el cohete. Aunque
también se emplearon de forma menos habitual otro tipo de motores de reacción
como el pulsorreactor
(desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra
Mundial para impulsar las bombas guiadas V1), el estatorreactor (ramjet),
el estatorreactor
de combustión supersónica (scramjet) o el motor de detonación
por pulsos.
El funcionamiento de estos motores es relativamente más simple que el de
los motores recíprocos, sin embargo las técnicas de fabricación, componentes y
materiales son mucho más complejos ya que están expuestos a elevadas
temperaturas y condiciones de operación muy diferentes en cuanto a altitud,
rendimiento, y velocidad interna de los mecanismos.
Turborreactor
Un turborreactor es un tipo de motor de turbina de gas
desarrollado originalmente para aviones de combate durante la Segunda Guerra
Mundial en el que los gases generados por la turbina, al ser expelidos, aportan
la mayor parte del empuje del motor.
El turborreactor es el más simple de todos los motores de turbina de gas
para aviación. Generalmente se divide en zonas de componentes principales que
van a lo largo del motor, desde la entrada hasta la salida del aire: en la zona
de admisión (parte delantera) hay un compresor que toma el aire y lo comprime, una sección de combustión inyecta y
quema el combustible mezclado con el aire comprimido, a continuación una o más
turbinas obtienen potencia de la expansión de los gases de escape para mover el
compresor de admisión, y al final una tobera de escape acelera los gases de escape por la parte trasera del motor
para crear el empuje. Entre los diseños de turborreactores se distinguen dos
grandes grupos: los de compresor centrífugo y los de compresor axial.
En el momento que fueron introducidos los turborreactores, la velocidad
máxima de un caza equipado con este tipo de motores era por lo menos 160 km/h más veloz que uno con motor de pistones. El célebre Messerschmitt Me 262 fue el primer avión no experimental y de producción en ser propulsado
por turborreactores. La relativa simplicidad de diseño de los turborreactores
se prestaban para la producción en tiempo de guerra, pero el conflicto finalizó
antes de que los turborreactores pudieran ser producidos en masa. El modelo más
avanzado desarrollado durante la guerra fue el Heinkel HeS 011 pero no
llegó a tiempo para entrar en servicio.
En los años posteriores a la guerra, gradualmente se fueron evidenciando
los inconvenientes de los turborreactores. Por debajo de una velocidad en torno
al Mach 2, los turborreactores son
muy ineficientes en cuanto a consumo de combustible y producen una enorme
cantidad de ruido. Además los primeros diseños tenían una respuesta muy lenta a
los cambios de potencia, un hecho que provocó la muerte a muchos pilotos
experimentados cuando intentaron la transición a los reactores. Esos
inconvenientes finalmente condujo a la caída del turborreactor puro, quedando
solo un puñado de modelos en producción y dando paso a los turborreactores de
doble flujo conocidos como turbofán o turboventiladores. El último avión
comercial que empleó turborreactores fue el avión supersónico Concorde, que con su velocidad superior a Mach 2 permitía que los motores
lograran una alta eficiencia.
Turbofán
En el motor turbofán (turbosoplante o
turboventilador) los gases generados por la turbina son empleados
mayoritariamente en accionar un ventilador (fan) situado en la parte frontal
del sistema que produce la mayor parte del empuje, dejando para el chorro de
gases de escape solo una parte del trabajo (aproximadamente el 30%).
Estos motores comenzaron a usar el sistema de flujo axial, que mantiene
la corriente de aire comprimido presionada hacia el eje de la turbina, por lo
que el aire sale propulsado con mayor velocidad y con menos tendencia a
disiparse de la corriente de salida. Esto incrementa notablemente la
eficiencia.
Otro gran avance del Turbofan fue la introducción del sistema de doble
flujo en el cual, el ventilador frontal es mucho más grande ya que permite que
una corriente de aire circule a alta velocidad por las paredes externas del
motor, sin ser comprimido o calentado por los componentes internos. Esto
permite que este aire se mantenga frío y avance a una velocidad relativamente
igual al aire caliente del interior, haciendo que cuando los dos flujos se
encuentren en la tobera de escape, formen un torrente que amplifica la magnitud
del flujo de salida y a la vez lo convierte en un flujo más estrecho,
aumentando la velocidad total del aire de salida. Este tipo de motor tiene una
gran entrega de empuje, permitiendo el desarrollo de aviones con capacidad de
carga y transporte de pasajeros mucho más grande, y al nivel que conocemos en
la actualidad.
Es el motor utilizado por la mayoría de los aviones de reacción modernos
por su elevado rendimiento y relativa economía de combustible respecto a un
Turbojet.
Normalmente son motores de dos ejes, uno para la turbina de gas y otro
para el ventilador. Sin embargo Rolls Royce plc produce
motores turbofan de tres ejes, que corresponden a los modelos de la serie Trent.
Cohete
Pocos aviones utilizaron motores cohete como
principal medio de propulsión. El único avión cohete puro producido en serie
fue el interceptor alemán de
la Segunda Guerra Mundial Messerschmitt Me 163, propulsado el Walter HWK 109-509 de combustible líquido bipropelente, que debido a la corta duración de
su combustible tenía que regresar a tierra planeando. Como aviones cohete
experimentales destacan el Bell
X-1 (primer avión en superar la barrera del sonido) y el North American X-15.
Los motores cohete ofrecen mucho empuje pero poca autonomía y no son
usados como propulsores de aviones porque su eficiencia es bastante pobre,
excepto a altas velocidades. Se ha probado la propulsión mixta con otro tipo de
motores en los años 1950, especialmente en el ámbito militar, pero en cuanto
mejoró la fiabilidad de los motores de reacción ya se abandonó la idea. La
única implementación operacional de propulsión mixta fue el despegue asistido
por cohetes (RATO), un sistema utilizado en aviones pesados.
Otros motores alternativos
Recientemente se han desarrollado algunos motores alternativos de ciclo Diésel realizados en materiales ligeros, a partir del campo en el que se
ubican los motores de cilindros horizontalmente opuestos. El motor Diésel
ofrece un mayor par motor relativo en bajas revoluciones de operación,
dificultad que los motores de gasolina usados en aviación confrontan ya que
deben entregar máxima potencia a revoluciones más bajas que en motores de
automoción con el fin de incrementar la durabilidad y rentabilidad.
Las compañías que trabajan en su desarrollo se empeñan por producir
motores que tengan el económico consumo de combustible del Diésel, con la
refrigeración por aire de los motores actuales. También se hace énfasis en
reducir las emisiones ya que la tecnología actual de los motores Diésel permite
ofrecer motores más amables al medio ambiente que los motores que usan gasolina
de 100 octanos, ya que para alcanzar este octanaje tan elevado no puede
prescindirse del uso del plomo como se hace en los automóviles. Además el motor
Diésel ha probado tener un sistema de reparación que involucra menos
componentes (en algunos casos sólo se cambian pasadores de pistón, anillos, y
bomba de inyección) y su durabilidad es mucho mayor. Esto ampliaría
notablemente las horas TBO (time between overhauls) haciendo que operar aviones
con motores recíprocos se convierta en una actividad menos costosa para los
propietarios y operadores.
La NASA ha desarrollado motores
eléctricos para algunos desarrollos aeroespaciales que incluyen la alimentación
energética por medio de energía solar.
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