Motor aeronáutico: Introducción (Parte 1)

Motor aeronáutico 
Parte 1

Un motor de avión es el componente del sistema de propulsión de un avión que genera energía mecánica. Los motores de avión son casi siempre o motores de pistones ligeros o turbinas de gas. Este artículo es un resumen de los tipos básicos de motores de aeronaves y los conceptos de diseño empleados en el desarrollo de motores para aviones. 

El proceso de desarrollo de un motor es uno de compromisos. Los atributos ingenieriles de diseño específico de los motores son para alcanzar objetivos específicos. Los aviones son una de las aplicaciones más exigentes para un motor, que presenta múltiples requerimientos de diseño, muchos de los que entran en conflicto entre sí. Un motor de aeronave debe ser: 
-fiable, como la pérdida de poder en un avión es un problema mucho mayor que en un automóvil. Los motores de aeronaves operan a temperatura, presión y velocidad extremas, y por lo tanto necesidad de realizar de forma fiable y segura en todas las condiciones razonables. 
-peso ligero, como un motor pesado aumenta el peso en vacío de la aeronave y reduce su carga útil. 
-poderosos, para superar el peso y la resistencia de la aeronave. 
motores grandes con una superficie considerable, cuando se instala, crea arrastrar demasiado, pequeñas y racionalizado con facilidad. 
-reparable en el campo, para mantener el costo de reemplazo de abajo. reparaciones menores deben estar fuera relativamente barato y posible de tiendas especializadas. 
-bajo consumo de combustible para dar la aeronave de la gama el diseño requiere. 
-capaz de operar a una altitud suficiente para que la aeronave 

A diferencia de los motores de automóviles, motores de aeronaves se han operado en configuración de alta potencia durante periodos prolongados de tiempo. En general, el motor funciona a máxima potencia durante unos minutos durante el despegue, entonces el poder se reduce ligeramente para el ascenso, y luego pasa la mayor parte de su tiempo en un crucero de creación típicamente 65 por ciento a 75 por ciento de la potencia máxima. Por el contrario, un motor de automóvil podría pasar del 20 por ciento de su tiempo a la potencia del 65 por ciento mientras se acelera, seguido por el 80 por ciento de su tiempo en el poder el 20 por ciento durante la navegación. 
El poder de uno de combustión interna alternativo y motores de las aeronaves de la turbina se mide en unidades de energía entregada a la hélice (por lo general caballos de fuerza), que es el par multiplicado por las revoluciones del cigüeñal por minuto (RPM). La hélice convierte la potencia del motor a la potencia de empuje o de THP en el que el impulso es una función de la inclinación de las aspas de la hélice en relación con la velocidad de la aeronave. Los motores a reacción se clasifican en términos de empuje, por lo general la cantidad máxima alcanzada durante el despegue. 
El diseño de motores de avión tiende a favorecer la fiabilidad en el rendimiento. Largos tiempos de operación del motor y la configuración de alta potencia, combinado con la necesidad de medios de alta fiabilidad que los motores deben ser construidos para soportar este tipo de operación con facilidad. motores de aeronaves tienden a utilizar las partes más simples posible e incluir dos conjuntos de todo lo necesario para la confiabilidad. Independencia de la función disminuye la probabilidad de causar un mal funcionamiento de un motor único error en todo. Por ejemplo, los motores alternativos con dos sistemas independientes de ignición del magneto, y el motor de la bomba mecánica de combustible accionada por el motor siempre está respaldado por una bomba eléctrica. 
Aeronaves pasan la mayor parte de su tiempo viajando a alta velocidad. Esto permite que un motor de avión que se refrigerado por aire, en contraposición a la exigencia de un radiador. Con la ausencia de un radiador, motores de aeronaves puede presumir de menor peso y menor complejidad. La cantidad de flujo de aire de un motor recibe por lo general es cuidadosamente diseñado de acuerdo a la velocidad esperada y la altitud de la aeronave a fin de mantener el motor a la temperatura óptima. 
Las aeronaves operan a mayor altitud donde el aire es menos denso que a nivel del suelo. Como los motores necesitan oxígeno para quemar el combustible, un sistema de inducción forzada, como turbo o supercargador es especialmente apropiado para el uso de aeronaves. Esto trae a lo largo de los inconvenientes habituales de los costes adicionales de peso y complejidad. 


 Motor Wright de 4 cilindros verticales

 
Historia de los motores de aeronaves 
1633: Lagari Hasan Çelebi despegó con lo que se describió como un cohete en forma de cono y luego se deslizó con las alas en un aterrizaje exitoso (aunque esta cuenta se considera leyenda) 
1848: John Stringfellow construyó un motor de vapor capaz de hacer funcionar un modelo, aunque con carga insignificante 
1903: Karl Él Jatho probó su avión el 18 de agosto de 1903 y logró hacer saltos de hasta 3 metros (10 pies) de altura para una distancia de 60 m (200 pies). 
1903: Los hermanos Wright comisionaron a Charlie Taylor para construir un aeromotor en línea (12 caballos de fuerza) para el Wright Flyer 
1906: Traian Vuia voló su primer avión "Vuia I" en Montesson el 18 de marzo. Él hizo un salto de 20 metros a una altura de 1 metro con ácido carbónico comprimido como scource poder. 
1908: René Lorin patenta un diseño para el motor ramjet 
1909: El motor rotativo Gnome de Roger Ravaud en aviones Henry Farman ganó el Gran Premio de los más grandes sin parar distancia recorrida - 180 kilómetros (110 millas) - y ha creado un récord mundial de vuelo de la resistencia 
1910: Henri Coanda conduce una aeronave accionada por hélice con éxito [1] [2] [3] [4] [5] 
1911: Motores rotativos Adams Farwell potencian a aeronaves de ala fija en los EE.UU. 
1916: Auguste Rateau sugiere el uso de compresores de gases de escape que mejoran la potencia y el rendimiento a gran altura, el primer ejemplo del turbocompresor. 
1930: Frank Whittle presentó su primera patente 
1938: El turborreactor alemán Heinkel HeS 3 impulsa el Heinkel He 178 en el aire 
1939-1942: primeras turbohélices del mundo - el Jendrassik C-1 - han sido diseñados por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik 
1944: Messerschmitt Me 163 Komet, primer aeronave cohete del mundo es desplegada 
1947: La aeronave cohete Bell X-1 supera la velocidad del sonido 
1948: el primero motor turboeje , el 100 shp 782. En 1950 esta obra fue utilizada para desarrollar el más grande 280 shp (210 kW) Artouste 
1949: El Leduc 010, primer avión del mundo alimentados por ramjet vuela por primeras vez 
1950 (finales): Rolls-Royce Conway, el primer turboventilador de producción en el mundo, entra en servicio 
1960: El turbofan TF39 de derivación de alta entra en servicio la entrega de mayor empuje y la eficiencia mucho mejor 
1960: X-15, avión cohete vuela a más de 50 millas (80 kilómetros) de altitud en más de 3.000 millas (4.800 km / h). 
2002: HyShot vuelo en picada de un scramjet 
2004: Hyper-X primer scramjet en mantener la altitud 

Combustible 
Todo el combustible de aviación se produce a los estándares de calidad más exigentes para evitar fallos de motor relacionados con el combustible. Las normas de la aviación son mucho más estrictas que las que el carburante del vehículo debido a un motor de aeronave debe cumplir con un nivel estrictamente definidos de rendimiento bajo condiciones conocidas. Estos estándares altos significan que el combustible de aviación cuesta mucho más que el combustible utilizado para los vehículos de carretera. Los motores de intercambio de aeronaves (pistón) normalmente están diseñados para funcionar con gasolina de aviación. El combustible de aviación tiene un índice de octano más altos, en comparación con la gasolina del automóvil, lo que permite la utilización de las relaciones de compresión más altas, aumentando la potencia y la eficiencia en altitudes más altas. Actualmente, el combustible de aviación más común es 100LL, que se refiere a la octanaje (100 octanos) y el contenido de plomo (LL = bajo plomo). 
El combustible de aviación se mezcla con tetraetilo de plomo (TEL) para alcanzar estos índices de octano alto, una práctica ya no se permite el uso de gasolina de vehículos de carretera. La fuente de la reducción de TEL, y la posibilidad de la legislación ambiental que prohíbe su uso, ha hecho una búsqueda de combustibles de sustitución para las aeronaves de aviación general, una prioridad para las organizaciones piloto. [6] 
Los motores de turbina y motores de aeronaves diesel queman diferentes calidades de combustible para aviones. El combustible de avión es un derivado del petróleo relativamente pesada y menos volátil sobre la base de queroseno, pero certificadas con las normas estrictas de la aviación, con aditivos adicionales. 

Motores a hélices 

Motor en línea 
Este tipo de motor tiene cilindros alineados en una fila. Por lo general tiene un número par de cilindros, pero hay casos de tres y motores de cinco cilindros. La mayor ventaja de un motor en línea es que permite a la aeronave a ser diseñado con una pequeña área frontal de baja resistencia. Si el cigüeñal del motor se encuentra por encima de los cilindros, se llama un motor en línea invertida, que permite a la hélice para ser montado en lo alto de la distancia al suelo, incluso con el tren de aterrizaje corto. Las desventajas de un motor en línea incluyen una mala relación potencia-peso, ya que el cárter y cigüeñal son largos y por lo tanto pesado. Un motor en línea pueden ser refrigerados por aire o refrigerado por agua, pero de refrigeración líquida es más común porque es difícil obtener suficiente flujo de aire para enfriar los cilindros traseros directamente. Los motores en línea eran comunes en los primeros aviones, incluyendo el Wright Flyer, el avión que hizo el primer vuelo a motor controlado. Sin embargo, las desventajas inherentes del diseño de pronto se hizo evidente, y el diseño en línea fue abandonada, convirtiéndose en una rareza en la aviación moderna. 

 
Motor lineal Ranger L-440 enfriado por aire, de seis cilindros, invertido usado en el Fairchild PT-19

 
Motor rotativo 
A principios de la Primera Guerra Mundial, cuando los aviones fueron los primeros en ser utilizados con fines militares, se hizo evidente que los actuales motores en línea eran demasiado pesados ​​para la cantidad de energía necesaria para hacer volar un aparato. Los diseñadores de aviones necesitan un motor que fuese ligero, potente, barato y fácil de fabricar en grandes cantidades. El motor rotativo alcanzó estos objetivos. Los motores rotativos tienen todos los cilindros en un círculo alrededor del cárter del motor como un motor radial (ver más abajo), pero la diferencia es que el cigüeñal está atornillado a la estructura del avión, y la hélice se atornilla a la caja del motor. Todo el motor gira con 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 fueron un diseño de dos tiempos, dándoles una alta potencia específica y la relación potencia-peso. Por desgracia, los graves efectos giroscópicos de la pesada rotación del motor hizo que el avión muy difíciles de volar. Los motores también consumían grandes cantidades de aceite de ricino, extendiéndola por todo el fuselaje y la creación de los vapores que eran nauseabundos para los pilotos. Los diseñadores de motores siempre había sido consciente de las muchas limitaciones del motor rotativo. Cuando los motores de estilo estático se hicieron más confiables, se obtuvieron mejores pesos específicos y el consumo de combustible, los días del motor rotativo estaban contados. 

 
Motor de avión rotativo Le Rhone 9C

 
Motor tipo V 
Los cilindros de este motor están dispuestos en dos bancos en línea, inclinado 30-60 grados el uno del otro. La gran mayoría de los motores en V son refrigerados por agua. El diseño V proporciona una mayor potencia-peso de un motor en línea, sin dejar de ofrecer una pequeña área frontal. Tal vez el ejemplo más famoso de este diseño es el legendario motor Rolls-Royce Merlin, un motor V12 de 27 litros (1649 in3) a 60° utilizados, entre otros, por los Spitfires que jugaron un papel importante en la Batalla de Inglaterra. 

 
Un motor aeronáutico de tipo V refrigerado por líquido Allison V-1710

 
Motor radial 
Este tipo de motor tiene una o más filas de cilindros dispuestos en círculo alrededor de un cárter de ubicación céntrica. Cada fila debe tener un número impar de cilindros con el fin de producir un funcionamiento suave. Un motor radial tiene una sola manivela de tiraje por fila y un cárter relativamente pequeño, resultando en un poder favorable en relación al peso. Debido a que la disposición de los cilindros expone una gran cantidad de calor del motor, que irradia la superficie al aire y tiende a anular las fuerzas de vaivén, los radiales tienden a enfriar de manera uniforme y sin problemas. 
Los cilindros inferiores, que están bajo el cárter del motor, puede recoger el aceite cuando el motor se ha detenido por un período prolongado. Si este aceite no se borra de los cilindros antes de arrancar el motor, pueden ocurrir daños graves debido al cierre hidrostático. 
En los diseños de aviones militares, la gran superficie frontal del motor actuaron como una capa extra de armadura para el piloto. Sin embargo, el área frontal de gran tamaño también resultó en un avión con un perfil contundente y aerodinámicamente ineficaz. 

 
Motor radial de un biplano

 
Motores horizontalmente opuestos 
Un motor horizontalmente opuesto, también llamado motor plano o boxer, tiene dos bancadas de cilindros en los lados opuestos de un cárter situados en el centro. El motor es refrigerado por aire o bien enfriado o líquido, pero predominan las versiones de refrigeración por aire. Los motores opuestos están montados con la horizontal del cigüeñal en los aviones, pero se puede montar con el cigüeñal vertical en helicópteros. Debido a la disposición de cilindros, las fuerzas alternativos tienden a anularse, dando como resultado un funcionamiento suave del motor. A diferencia de un motor radial, un motor de oposición no tiene problemas con el cierre hidrostático. 
Los motores de émbolo opuestos, refrigerado por aire, de cuatro y seis son con mucho los motores más utilizados en pequeñas aeronaves de aviación general que requieren hasta 400 caballos de fuerza (300 kW) por motor. Las aeronaves que requieren más de 400 caballos de fuerza (300 kW) por motor tienden a ser impulsados ​​por motores de turbina. 

 
Un motor de aviación UL260i ULPower horizontalmente opuestos refrigerado por aire

 
Turbohélice 
Mientras que los cazas militares requieren velocidades muy altas, muchos aviones civiles no lo hacen. Sin embargo, los diseñadores de aeronaves civiles querían beneficiarse de la elevada potencia y bajo mantenimiento que un motor de turbina de gas ofrecía. Así nació la idea de su compañero un motor de turbina a una hélice tradicional. Debido a que las turbinas de gas giran de manera óptima a alta velocidad, un turbohélice cuenta con una caja de cambios para reducir la velocidad del eje de manera que las puntas de la hélice no llegan a velocidades supersónicas. A menudo, las turbinas que accionan la hélice están separados del resto de los componentes rotatorios de manera que son libres para girar a su velocidad más propia (en adelante, un motor a turbina libre). Un turbohélice es muy eficiente cuando se opera en el reino de la velocidad de crucero que fue diseñado, que es típicamente 200 a 400 km/h (320 a 640 km/h). 

 
Ilustración de un motor de turbohélice Garrett TPE-331. Note la caja de cambios en la parte delantera del motor.

 

Turboeje 
Los motores de turboeje se utilizan principalmente para helicópteros y unidades de potencia auxiliar. Un motor turboeje es muy similar a un avión turbohélice, con una diferencia clave: en un avión turbohélice la hélice es compatible con el motor y el motor está atornillado a la estructura del avión. En un turboeje, el motor no proporciona ningún tipo de apoyo físico directo a los rotores del helicóptero. El rotor está conectado a una transmisión, que a su vez se atornilla a la estructura del avión, y el motor turboeje simplemente alimenta la transmisión a través de un eje de rotación. La distinción es vista por algunos como una muy delgada, ya que en algunos casos, las empresas de aviones que los dos motores turbohélice y turboeje basado en el diseño mismo. 

 
Un turboeje Rolls-Royce Model 250 común a muchos tipos de motor de helicópteros.




Referencias 
1. Ian McNeil, ed (1990). Encyclopedia of the History of Technology.. London: Routledge. pp. 315-321. ISBN 0203192117.
2. Cassier's Magazine (1911) Volume 39, page 199.
3. Popular Mechanics March 1911 page 350.
4. Technical world Magazine (1911) Volume 15 page 615.
5. Aircraft (1910) Volume 1 page 367.
6. British Patent #GB19112740 (A)
7. Guttman, Jon (2009). SPAD XIII vs. Fokker D VII : Western Front 1918 (1. publ. ed.). Oxford: Osprey. pp. 24-25. ISBN 1846034329.
8. Powell, Hickman (Jun 1941). "He Harnessed a Tornado...". Popular Science.
9. Anderson, John D. (2002). The airplane : A history of its technology.. Reston,VA: American Institute of Aeronautics and Astronautics. pp. 252-253. ISBN 1563475251.
10. "EAA'S Earl Lawrence Elected Secretary of International Aviation Fuel Committee". Press release.


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