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Aviación
Existen básicamente dos métodos para incrementar el empuje de los motores de reacción:
• Inyección de agua y
• Postcombustión.
• Inyección de agua (desmineralizada):
o El empuje de un motor de reacción básicamente es producido por su capacidad para incrementar la cantidad de movimiento del gas que lo atraviesa.
o Es decir, en gran medida, el empuje depende de la masa (de gases) que es capaz de eyectar a mayor velocidad que la de la masa (de aire) que entró en el.
o Por tanto siempre uno de los factores que hacen incrementar el empuje cuando se inyecta agua en el motor es por la masa de agua (que añadimos a las masas de aire y combustible) y por su velocidad de eyección (igual que la del resto de los gases que expulsa el motor).
o Asimismo veremos, al repasar los factores que influyen en el funcionamiento de un motor de reacción, que el empuje disminuye al disminuir la presión (con la altura) del aire que entra al motor y con el aumento de su temperatura.
o El agua se inyecta en el motor en uno de los siguientes puntos:
Entrada del compresor.
Difusor pre‐cámara(s).
Cámara(s) de combustión.
o Cuando se inyecta agua a la entrada del compresor el agua pulverizada se vaporiza robando calor a la masa de aire que entra en el compresor, que se enfría y por tanto aumenta su densidad (aumenta la masa del aire que mueve el compresor y el motor). Es decir se incrementa el empuje porque aumenta la masa eyectada por el motor (y su cantidad de movimiento).
o Si se inyecta agua únicamente a la entrada del compresor, sin variar nada más, se rebaja la temperatura a lo largo de todo el proceso en el motor y por tanto se rebaja también la temperatura de entrada a la turbina (Tt5), que es la que marca el límite de funcionamiento de cualquier motor. Estaremos, pues, perdiendo parte de la capacidad que tiene el motor para generar empuje.
o Por lo dicho en el párrafo anterior, en lugar de inyectar solamente agua, se suele inyectar una mezcla de agua‐metanol (sobre 70% de agua y 30% de metanol), con lo que se consiguen dos efectos importantes:
Se evitan posibles problemas de engelamiento del agua inyectada en el motor porque el metanol añadido rebaja el punto de congelación de la mezcla agua‐ metanol.
Al quemarse el metanol en la(s) cámara(s) de combustión se restablece la temperatura de entrada en turbina (Tt5), o sea, se restaura el nivel inicial de empuje sin necesidad de emplear más combustible.
o Si se inyecta agua en cámara(s) se incrementa la masa que se descarga a través de turbina y tobera y con ello la presión a partir de ahí. Se generará un trabajo adicional por el motor (área rayada en el diagrama del ciclo de funcionamiento en la Fig. “79”).
o Se verá (más adelante) que el área encerrada por el ciclo representado en al Fig. antes mencionada es el trabajo realizado por el motor y este a su vez es proporcional al empuje y, por tanto al incrementar el trabajo se incrementa el empuje proporcionado por el motor (empuje adicional).
o La reducción de la temperatura de entrada en turbina (Tt5) que puede producirse de todas formas por la inyección de agua‐metanol es compensada por el programa del Control de Combustible. Al actuar las bombas de inyección el Control de Combustible recibe la señal de que se ha conectado la inyección y regulará la cantidad de combustible necesaria para compensar y mantener esa temperatura (en la práctica la EGT, que es la que el motor mide).
o Mediante el empleo de la inyección de agua se consigue incrementar el empuje entre un 10% y un 35%, incluso con temperaturas ambiente más elevadas.
o Sin embargo también se incrementa el consumo específico de combustible respecto al empuje seco (sin inyección de agua). Como hemos visto el Control de Combustible compensa con combustible adicional la reducción de la Tt5 que provoca la inyección de agua.
o Por todo ello se reserva la inyección de agua para despegues durante un tiempo limitado (el B747 lo limitaba a 2’5 minutos) y cuando las condiciones del aeropuerto y del avión así lo aconsejan:
Aeropuerto situado a mucha altitud. Temperaturas ambiente elevadas.
Carga total del avión próxima al MTOW.
Etc.
• Postcombustión:
o Es el método de incremento de empuje generalmente empleado para motores que equipen aviones con capacidad para vuelo supersónico y que requiera ser empleado durante cortos periodos de operación.
o Al hablar de la combustión se vio que solamente el 25% del aire que entra en el motor se emplea en quemar el combustible. El resto (un 75%) sale de la tobera del motor mezclado con los gases producto de la combustión.
o Hay, pues, una gran cantidad de aire todavía disponible para poder hacer arder más combustible. Esta es la base de la postcombustión.
o Un postquemador consiste en una enorme cámara de combustión tubular finalizada en una tobera propulsora (de área de salida variable o de doble posición) que se conecta a la salida de la turbina del motor.
o El combustible que se inyecta en el postqemador (normalmente regulado por un Control de Combustible específico que actúa bien al selectar la función de “postcombustión” o al avanzar la palanca de gases en la zona de postcombustión) llega a los anillos inyectores que lo atomizan y mezclan con la corriente de aire‐gases que lo atraviesa. Así se consigue elevar la temperatura de los gases de salida (la de la llama puede exceder los 1.700º C) y aumentar considerablemente su velocidad de salida y el empuje.
o Los anillos inyectores se disponen de forma que la llama y los gases más calientes se concentren en el centro de la cámara, mientras que los gases más fríos, procedentes de la salida de turbina del motor o del flujo secundario si se trata de un motor de doble flujo, se hacen circular por la periferia manteniendo a salvo la temperatura de la pared del postquemador.
o El área del tubo postquemador es sensiblemente mayor que el área de una tobera normal para conseguir reducir la velocidad del flujo de gases y que sea factible mantener la llama estable.
o A la salida de la turbina los gases tienen una velocidad alta (entre 230 y 370 m./seg.) por lo que antes de llegar a la zona de combustión pasan por una zona de difusión que reduce su velocidad e incrementa su presión.
o A pesar la reducción la velocidad en la zona de difusión sigue siendo alta y, como la velocidad de propagación de la llama del combustible es de unos pocos pies por segundo, la llama podría apagarse. Para evitarlo se colocan, aguas abajo de los inyectores, unos perfiles estabilizadores de llama que crean una pequeña turbulencia que reduce más la velocidad del gas en esa zona y donde la llama se estabiliza.
o Al final del tubo del postquemador se sitúa la tobera propulsora, en la que el área de salida permanece en su posición más cerrada mientras no funcione el postquemador.
o Cuando el postquemador funciona el área de salida de la tobera se abre más (a una posición fija si es de posición doble o va regulando su apertura en función de las condiciones del flujo de salida si es de área variable) para dejar pasar una mayor masa de gas a mayor velocidad que cuando no funciona el postquemador.
o El uso del postquemador debe restringirse a periodos muy breves por su alto consumo de combustible (más de tres veces superior al del motor funcionando sin usarlo).
o El empuje que proporciona un motor con su postquemador instalado cuando este no se usa es ligeramente inferior al que daría el mismo motor si no lo tuviera instalado. Ello es debido a las pérdidas por fricción en el interior del postquemador.
o Despreciando pequeñas pérdidas debidas al equipo del postquemador y a cambios en la cantidad de movimiento del gas, el incremento del empuje (estático) por el uso de la postcombustión en un motor depende exclusivamente de la relación de temperaturas absolutas de los gases en la tobera (con postcombustión y sin ella). Eso es debido a que en el motor se transforma energía térmica (proporcional a la temperatura absoluta) en energía cinética (proporcional al cuadrado de la velocidad) y el empuje, como veremos, es una fuerza proporcional a la velocidad del gas.
o Por ejemplo:
Si la temperatura de los gases sin postcombustión es de: 602º C (875º K).
Si la temperatura de los gases con postcombustión es de: 1442º C (1715º K). La relación de temperaturas = 1715 / 875 = 1’96.
La relación de velocidades al cuadrado = relación de temperaturas = 1’96.
La relación de velocidades = 1'96 = 1’4 Es decir, la velocidad de salida del gas y el empuje se incrementan en un 40%.
o Se pueden obtener incrementos de hasta un 70% de empuje (estático) en turborreactores de doble flujo de bajo índice de derivación con postcombustión y varias veces este valor a altas velocidades.
o Puede emplearse la postcombustión tanto como una reserva de empuje para la aceleración transónica (atravesar la “barrera del sonido”), como para mejorar las performances del motor en el despegue.