MOTORES A REACCION y Sus Sistemas Auxiliares PDF

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EL MOTOR DE REACCIÓN y sus sistemas auxiliares Valentín Sáinz Díez Jefe Unidad Instrucción Dirección Técnica de Vuelo Iberia Líneas Aéreas Director de la Escuela de Pilotos American Flyers España EL MOTOR , DEREACCION y sus sistemas auxiliares OCTAVA EDICIÓN THOIVISON PARANINFO Australia • Canadá •...

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EL MOTOR DE REACCIÓN y sus sistemas auxiliares

Valentín Sáinz Díez Jefe Unidad Instrucción Dirección Técnica de Vuelo Iberia Líneas Aéreas Director de la Escuela de Pilotos American Flyers España

EL MOTOR , DEREACCION y sus sistemas auxiliares OCTAVA EDICIÓN

THOIVISON PARANINFO Australia

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España

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THOIVISON PARANINFO

El motor de reacción y sus sistemas auxiliares © Valentín Sáinz Díez

Gerente Editorial Área Técnico-Vocacional: Oiga M" Vicente Crespo

Diseño de cubierta: Ed. Paraninfo, S.A.

Editoras de Producción: Clara M" de la Fuente Rojo Consuelo García Asensio

Impresión: Gráficas Rogar. Políg. lnd. Alparrache Navalcarnero (Madrid)

Producción Industrial: Susana Pavón Sánchez

COPYRIGHT © 2002 lnternational Thomson Editores Spain Paraninfo, S.A. 8" edición, 2" reimpresión, 2004 Magallanes, 25; 28015 Madrid ESPAÑA Teléfono: 91 4463350 Fax: 91 4456218 [email protected] www.paraninfo.es Impreso en España Printed in Spain ISBN: 84-283-2067-5 Depósito Legal: M-4.721-2004 (011/72/68)

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Indice Prólogo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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l. Principios generales del motor de reacción . . . . . . . . . . .

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Antecedentes históricos de la propulsión a reacción.Diferencias entre los motores de reacción y los aeromotores de explosión: cualidades de operación.- Motor de reacción.- Leyes del movimiento de Newton.- Componentes del motor de reacción.- Ciclo Brayton.- Comparación de los ciclos Otto (alternativo) y Brayton (reacción).Empuje.- Potencia.- Factores que afectan al empuje: Efecto de la Presión.- Efecto de la Velocidad.- Efecto Dinámico.- Efecto de la temperatura.- Efecto de la Altitud.- Efecto de las R.P.M.- Resumen de los factores que afectan el empuje. Consumo específico.- Factores que afectan al consumo específico: Efecto de la Velocidad.Efecto de la Altitud.- Efecto de las R.P.M.- Impulso o empuje específico.- Diagrama de calidad.- Rendimiento en los motores de reacción: Rendimiento termodinámico o motor.- Rendimiento propulsivo.- Rendimiento global o motopropulsor.- Designación de las estaciones del motor.Tipos de motores de reacción.- Turbohélices.- Tipos.Reductor. Il. Conductos de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Generalidades.- Conductos de entrada subsónicos.Conductos de entrada supersónicos.- Diagrama P-V-T del difusor. III. Compresores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Generalidades.- Compresores centrífugos.- Compresores axiales.- Diagrama P-V-T.- Tipos de ,compresores axiales.- Motores de doble flujo (turbofan).- Indice de derivación (n).- Inestabilidad y pérdida en el compresor (Compresor Stall): Válvula de descarga del compresor.Estator de incidencia variable (V.S.V.) Materiales empleados en la fabricación del compresor.- Difusor precámaras. © Editorial Paraninfo/5

ÍNDICE

IV. Cámaras de combustión Generalidades.- Tipos de cámaras de combustión: Cámaras individuales.- Cámara anular.- Cámara mixta.- Requisitos · de una cámara de combustión.- Materiales empleados en las cámaras.- Control de combustible (FUEL CONTROL).FADEC.- Inyectores. Inyección de agua: Principios de utilización.- Diagrama P-V-T.

71

V. Thrbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalidades.- Tipos de turbinas.- Turbina centrípeta o radial.- Turbina axial.- Grado de reacción de una turbina.Turbinas de acción o de impulso.- Turbinas de reacción.Turbinas de acción-reacción.- Esfuerzos en los álabes.Turbinas refrigeradas.- Métodos de refrigeración.Diagrama P-V-T.- Materiales de turbina.

87

VI. Toberas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Generalidades.- Tobera convergente o subsónica.- Tobera convergente-divergente o supersónica.- Tobera de área variable.- Diagrama de P-V-T.- Post-combystión. Supresores de ruido.- Contaminación atmosférica.- Indices de medidas: Índices de emisión y de humo.- Contaminación en las diferentes operaciones de motor.- Motor Propfan.Descripción del motor.

97

VII. Instrumentos de motor Tacómetros: Tacómetros eléctricos.- Tacómetros electromagnéticos .. - Tacómetros electrónicos.- Transmisor de EPR.- Indicador de límite de EPR o N .- Termómetro (EGT-Exhaust Gas Temperature).- ｉｮ､ｩ｣｡ｾｯｲ＠ de vibraciones.- Manómetros.- Sistema de presentación de instrumentos de motor.- Flight Management System (F.M.S.).Electronic Flight Instrument System (E.F.I.S.).

117

VIII. Sistema de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

139

Tipos de combustible.- Sistema de combustible.Depósitos.- Repostado y vaciado.- Ventilación.Alimentación a motores.- Indicaciones del sistema de combustible-motor.- Transvase.- Alimentación cruzada.Lanzamiento de combustible (DUMP). 6/© Editorial Paraninfo

ÍNDICE

IX. Sistemas auxiliares del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Sistema de aceite: Tipos y propiedades de los lubricantes.Pour Point (punto de congelación).- Flash Point (punto de inflamación).- Descripción del sistema de aceite.Indicaciones del sistema de aceite.- Sistema de encendido.Esquema general.- Encendido desde una fuente de corriente continua.- Sangrado de aire.- Antihielo de motor.Consideraciones en la operación.- Reversa.- Grado de inversión.- Puesta en marcha.- Esquema generaLOperación de puesta en marcha.- Anormalidades durante la puesta en marcha.- Puesta en marcha con batería.Arranque cruzado.- Regímenes del motor (Engine Ratings): Empuje de go-around.- Empuje de despegue húmedo.Empuje de despegue seco.- Empuje máximo continuo.Empuje máximo crucero.- Ralentí.- Empuje reducido.Causas de deterioro en las actuaciones del motor. X. A.P.U. (Auxiliary Power Unit) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

181

Generalidades.- Utilización.- Controles e indicadores.Panel de control de tierra.- Operación. XI. Sistema contra incendios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Generalidades.- Protección de fuego.- Sistema de detección.- Sistema de sensor gaseoso.- Sistema de rayos infrarrojos.- Sistema de detección de humo. Sistema de extinción de fuego fijos.- Pruebas del sistema. XII. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

199

Limitaciones del Sistema de Combustible.- Limitaciones del motor y sus sistemas auxiliares: Neumático.- R.P.M.E.G.T.- Aceite.- Ignición.- Motor de puesta en marcha.Reversa.- Limitación del A.P.U. XIII. Operación normal: Fases de operación (listas de chequeo), misceláneas y mantenimiento . . . . . . . . . . . . .

203

Prevuelo.- Puesta en marcha.- Rodaje.- Despegue y Subida.- Crucero.- Descenso.- Aterrizaje.- Parada.ETOP'S.- Mantenimiento del motor.- Q.E.C.- Revisiones generales.- Boroscopos. Símbolos. Definiciones. Velocidades. Abreviaturas usuales en Aeronáutica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

215

© Editorial Paraninfo/7

ÍNDICE

APÉNDICE

221

Mecánica ..................................... . Magnitud escalar.- Magnitud vectorial.- Fuerza.Momento de una fuerza con respecto a un eje.- Energía cinética.- Energía potencial.- Potencia.- lmpulso.Cantidad de movimiento.- Impulso y cantidad de movimiento.- Velocidad angular.- Aceleración angular.Relaciones entre las magnitudes lineales y angulares.Aceleración centrípeta.- Fuerzas centrípeta y centrífuga. Fluidos ....................................... .

221

223

Densidad.- Viscosidad.- Peso específico.- Presión.Régimen incomprensible.- Régimen estacionario.Ecuación de continuidad.- Teorema de Bernouilli.Aplicaciones de la ecuación de continuidad y del teorema de Bernouilli a los difusores y toberas.- Difusor.- Tobera.Velocidad del sonido.- Número de Mach.- Condiciones críticas.- Área crítica.- Número de Reynolds.- Leyes de los gases.- Ley de Boyle.- Ley de Charles.- Ley de GayLussac.- Ley general de los gases perfectos.- Escala centígrada o Celsius.- Escala Fahrenheit.- Conversión de escalas.- Escala Termodinámica absoluta o Kelvin.

Parámetros totales de remanso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Termodinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

230 231

Sistema termodinámico.- Sistema abierto.- Sistema cerrado.- Equivalente mecánico del calor.- Primer principio de la Termodinámica.- Calor específico de los gases.Transformación isobárica.- Transformación isócora.Transformación isotérmica.- Transformación adiabática.Segundo principio de la Termodinámica.- Entalpía o calor total.

Conversión de unidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Índice alfabético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8/© Editorial Paraninfo

Prólogo En el breve comentario a la presente obra, debo mencionar en primer lugar, que su autor une a su excelente preparación técnica una amplia de motores y sistemas de aviones a reacción, experiencia en la ･ｾｳ￱｡ｮｺ＠ para Pilotos y Tripulantes Técnicos y personal de Operaciones de la Compañía IBERIA, Líneas Aéreas de España. Seguramente por esta razón, el lector encontrará un trabajo en el que se ha sabido hacer una síntesis clara de los fundamentos y razones de funcionamiento del motor y una buena exposición que va desde los principios elementales a los más modernos adelantos de la tecnología que, como es sabido, ha experimentado en este campo, en los últimos años, un desarrollo casi revolucionario con la incorporación de los nuevos aviones y las siempre crecientes necesidades de la industria del transporte aéreo en cuanto se refiere a economía de funcionamiento, rendimiento, nivel de ruidos, etc. Todo ello está trátado con sencillez y claridad sin sacrificar un buen nivel científico y técnico que hacen del texto, a la vez, un magnífico medio para el estudiante que se inicia en la materia y una buena obra de referencia para aquellos profesionales que deseen refrescar o poner al día sus conocimientos. Desde estas modestas líneas deseo reconocer y agradecer a V. Sáinz el esfuerzo y dedicación que supone un trabajo semejante. J. Reixa Cárdenas Jefe Instrucción en Vuelo en IBERIA, Líneas Aéreas

© Editorial Paraninfo/9

DEDICATORIA:

A mi padre

Nota del autor.-En los capítulos relativos a Sistemas, Limitaciones, etcétera, se ha preferido utilizar como ejemplo de distintos parámetros, los correspondientes a los aviones DC-9 y B-727 por ser en estos aparatos donde empiezan su vida aeronáutica civil una gran mayoría de Pilotos y Oficiales Técnicos a Bordo. © Editorial Paraninfo/11

J Principios generales del motor de reacción CAPITULO

ANTECEDENTES HISTORICOS DE LA PROPULSION AREACCION Las limitaciones impuestas por los motores alternativos o de émbolo, impulsaron al desarrollo del motor de reacción durante las décadas de los años 30 y 40. Es sabido, que a velocidades por encima de unos 700 kmlh, las palas de las hélices alcanzan velocidades sónicas y la potencia decrece rápidamente. Asimismo, la velocidad relativa de dichas palas es la suma de la velocidad de rotación y de vuelo. Por lo tanto, parece pertinente utilizar distintos tipos de motores, dependiendo de la altura y velocidad a las que operan. El 17 de Diciembre de 1903 los hermanos Wright realizaron el primer vuelo con motor, recorriendo 36 metros en 12 segundos. El aparato "Flyer 1", iba propulsado por un motor de 4 cilindros, refrigerado por agua, 12 C.V. de potencia y 81 Kp de peso, con una relación peso/potencia de 6,75 Kp/C.V. En 1927 el avión monomotor Ryan de Charles A. Lindbergh realizaba el vuelo Nueva York - París de 5.809 Km. El motor un "Whirlwind" de 9 cilindros radiales tenía una potencia de 365 C.V. a 2.100 r.p.m. Los últimos grandes aviones propulsados por motores alternativos, como el Loocked "Superconstellation" desarrollaron potencias de hasta 4.000 HP. Basta decir, para hacemos una idea de la evolución de los motores de reacción, que un avión del tipo A-320 necesitarla dos motores de émbolo de unos 35.000 HP. La propulsión por reacción se conoce desde la antigüedad y es atribuido al ftlósofo griego Heros, el diseño de un aparato consistente en una esfera instalada en dos soportes, sobre los que giraba al salir el vapor por dos conductos diametralmente opuestos. Ell6 de enero de 1930, el ｢ｲｩｴ￡ｮ｣ｾ＠ Frank Whittle patentaba el diseño de la primera turbina de gas, que no llegó a construirse hasta 1937. © Editorial Paraninfo/13

PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR DE REACCION

Desde esas fechas hasta nuestros días ha ido evolucionando para propulsar actualmente la mayoría de los aviones comerciales y militares que operan en todo el mundo. En agosto de 1939 vuela el Heinkell78, primer avión impulsado por un motor de reacción y en 1952lo hace el Comet de Havilland, primer avión comercial que incorpora estos motores. Durante la década de los 50, los motores turbohélice comenzaron a sustituir a los motores alternativos, fundamentalmente en aviones de peso reducido. El primer motor turbohélice en Aviación Comercial impulsaba al VICKERS VISCOUNT, operado por la compañía B.E.A. en la ruta Londres - París que realizó su primer vuelo el 29 de julio de 1950. El primer reactor comercial fue el cuatrimotor COMET 1 de B.O.A.C.; realizó su primer vuelo el 2 de Mayo de 1952 entre LondresJohanesburgo. De este avión, ingenieros y diseñadores sacaron importantes consecuencias, en cuanto a sistemas y estructuras (fatiga, termofluencia ... ). Al COMET siguieron el Boeing 707 y el Douglas DC-8, siendo el B-707 el primer reactor comercial que realizó la vuelta al mundo con pasajeros en octubre de 1959. El pionero de los aviones de fuselaje ancho fué el Boeing 747 que realizó su primer vuelo el 9 de enero de 1969 y el primer reactor comercial supersónico ha sido el Concorde que comenzó sus vuelos el 21 de enero de 1976.

DIFERENCIAS ENTRE LOS MOTORES DE REACCION Y LOS AEROMOTORES DE EXPLOSION: CUALIDADES DE OPERACION

La aviación actual se basa en dos grandes parámetros: altitud y velocidad unido en los aviones comerciales a una gran carga útil. Para permitir que los motores alternativos incrementasen su potencia, las plantas de potencia comenzaron a aumentar su peso así como el área frontal, lo que supone una disminución de la relación potencia/superficie frontal. 14/© Editorial Paraninfo

PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR DE REACCION

Existe un término importantísimo en todo tipo de motores que es la relación potencia/peso (en los alternativos) y empuje/peso (en los de reacción). Para los primeros esa relación está en el entorno a 2 CV/K.p, es decir, por cada Kp que pese el motor, dará 2 C.V. de potencia. Haciendo las conversiones correspondientes en los motores de reacción estaría por encima de'lbs de los 10. Es importante insistir que cuanto mayor sea este valor, mayor será la carga que podremos transportar. Otro factor importante a tener en cuenta es que la potencia desarrollada por un motor alternativo es independiente de la velocidad del avión, creando a veces problemas con la adaptación de la hélice a la velocidad de vuelo en cada momento. Por el contrario en el motor de reacción su empuje aumenta al aumentar la velocidad de vuelo en crucero. Debemos tener en cuenta, asimismo, que los motores de émbolo plantean problemas de alimentación con la altura debido a la disminución de densidad. Este efecto negativo se corrige con motores sobrealimentados o sobrecomprimidos, aunque el aumento de peso y la complejidad mecánica que conllevan reducen esa ventaja. Los turbocompresores para estos motores suelen funcionar a distintos regímenes según la altura de vuelo, por lo que difícilmente estos motores superan los 7.000 m. El motor de reacción por el contrario, supera con creces esas alturas, pues uno de los elementos fundamentales que le constituyen es un compresor, encargado de aspirar y comprimir la masa de aire de entrada. Además, así como en el motor alternativo hay una respuesta inmediata sobre el régimen y la potencia del motor en el momento de mover la palanca de gases, en el reactor, al no actuar directamente sobre la admisión de aire (como se verá en el capítulo de Combustión) existe un cierto retardo a dicha aceleración. Finalmente, añadir que los turborreactores no requieren complejos sistemas de refrigeración y presentan innumerables ventajas de tipo mecánico al ser elementos rotatorios la mayoría de sus componentes, lo que elimina válvulas, empujadores ... , así como disminuyen las vibraciones al no existir elementos alternativos. Es conveniente recordar en este punto, que en un motor alternativo, los émbolos son enormemente acelerados para frenarlos, invertir el sentido y volverlos a acelerar varias miles de veces por minuto.

© Editorial Paraninfo/ 15

PRINCIPIOS GENERALES DEL MOTOR DE REACCION

MOTOR DE REACCION Entre las varias clasificaciones que pueden realizarse sobre motores mecánicos, hay una importante que establece dos tipos: endotérmicos y exotérmicos. Los primeros, entre los que cabe citar el motor de reacción y el alternativo, se· caracterizan porque tanto el órgano donde se realiza ...