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Revisión del 19:42 22 nov 2014

Los motores de aviación tipo turbofan (a veces turbofán) son una generación de motores a reacción que ha reemplazado a los turborreactores o turbojet. También se suelen llamar turborreactores de doble flujo (denominándose los anteriores como turborreactores de flujo único).

Caracterizados por disponer de un ventilador o fan en la parte frontal del motor, el aire entrante se divide en dos caminos: flujo de aire primario y flujo secundario o flujo derivado (bypass). El flujo primario penetra al núcleo del motor (compresores y turbinas) y el flujo secundario se deriva a un conducto anular exterior y concéntrico con el núcleo. Los turbofan tienen varias ventajas respecto a los turborreactores: consumen menos combustible,^[1] lo que los hace más económicos, producen menor contaminación y reducen el ruido ambiental.

El índice de derivación es el cociente de la masa del flujo secundario entre la del primario y es igual al cociente entre las secciones transversales de la entrada a sus respectivos conductos.

En aviones civiles suele interesar mantener índices de derivación altos ya que disminuyen el ruido, la contaminación, el consumo específico de combustible y aumentan el rendimiento. Sin embargo, aumentar el flujo secundario reduce el empuje específico a velocidades cercanas o superiores a las del sonido, por lo que para aeronaves militares supersónicas se utilizan motores turbofan de bajo índice de derivación.

El turbofan más potente actualmente es el General Electric GE90-115B con 512 kN de empuje.

Clasificación

Turbofan de bajo índice de derivación

General Electric F110, ejemplo de turbofan de bajo índice de derivación, usado en aviones de combate.

General Electric CF6, ejemplo de turbofan de alto índice de derivación, usado en aviones comerciales.

Posee entre uno y tres ventiladores en la parte frontal que producen parte del empuje de la aeronave. Su porcentaje de derivación tiene un valor entre el 10% y el 65% del flujo primario (es decir, un índice de derivación de entre 0,1 y 0,65), que es igual al cociente entre las áreas de paso. Es normal que exista un carenado a lo largo de todo el conducto del flujo secundario hasta la tobera del motor. En la actualidad se utilizan mucho en aviación militar y algunas aeronaves comerciales siguen utilizando motores de bajo bypass como el MD-83 que usa el Pratt & Whitney JT8D, y el Fokker 100 con el Rolls-Royce Tay.

Turbofan de alto índice de derivación

Estos motores representan una generación más moderna; la mayor parte del empuje motor proviene de un único ventilador situado en la parte delantera del motor y movido por un eje conectado a la última etapa de la turbina del motor. Al utilizarse sólo un gran ventilador para producir empuje se origina un menor consumo específico de combustible y un menor ruido,^[2] lo que lo hace muy útil para velocidades de crucero entre 600 y 900 km/h. Los más recientes tienen un índice de derivación en torno a 10. Los usan las aeronaves modernas como el Boeing 787 ó el Airbus 380.

Propfan

También llamado unducted fan o turbofan de ultra-alto índice de derivación (UHB, del inglés ultra-high-bypass turbofan), es una mezcla entre un turbofan y un turbohélice. Consiste en un turbofan con una hélice descubierta acoplada a la turbina. Este diseño pretende ofrecer la velocidad de un turbofan junto con la eficiencia de un turbohélice.

Pese a que fue planteado durante la Crisis del petróleo de 1979 como una alternativa económica a los motores de la época, no terminó de convencer entre los fabricantes debido al ruido que emitían, las fuertes vibraciones que producen fatiga del fuselaje y el peligro que conlleva el uso de hélices al descubierto, especialmente en caso de desprendimiento.^[3]

En los últimos años está volviendo a recuperar cierto interés; General Electric se está planteando equipar al Cessna Citation con estos motores e incluso se baraja la posibilidad de probarlos con prototipos posteriores al Boeing 787 y al Airbus A350.^[3]

Componentes

Diagrama de funcionamiento de un turbofan

Alto índice de derivación. Sistema de baja presión en verde y sistema de alta presión en púrpura.

Bajo índice de derivación. Sistema de baja presión en verde y sistema de alta presión en púrpura.

Ventilador: situado al frente del motor.^[4] Es dónde se inicia la propulsión. Es atravesado por un flujo de aire que se divide en dos corrientes: la primaria y la secundaria o bypass air.^[5] La corriente primaria^[6] entra a través de los compresores a la cámara de combustión.^[7]

Compresores: el flujo de aire primario pasa a través de diversas etapas de compresores que giran en el mismo sentido que el ventilador. Se suelen utilizar compresores de alta y de baja presión en distintos ejes. La función de estos compresores es aumentar de modo significativo la presión y la temperatura del aire.

Cámara de combustión: una vez realizada la etapa de compresión, el aire sale con una presión treinta veces superior de la que tenía en la entrada y a una temperatura próxima a los 600 °C. Se hace pasar este aire a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se quema la mezcla, alcanzándose una temperatura superior a los 1100 °C.

Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara, pasa a través de los álabes de varias turbinas, haciendo girar diversos ejes. En los motores de bajo bypass el compresor de baja presión y el fan se mueven mediante un mismo eje; mientras que en los de alto bypass se dispone de un eje para cada componente: fan, compresor de baja presión y compresor de alta presión.

Escape: una vez el aire caliente ha pasado a través de las turbinas, sale por una tobera por la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse. El peso del aire combinado con esta aceleración es lo que produce parte del empuje total.^[8] En general, un aumento en el bypass trae como consecuencia una menor participación de la tobera de escape en el empuje total del motor.

Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario.

Sistemas

Sistema antihielo

Cuando el avión vuela en una atmósfera húmeda y a una temperatura próxima al punto de congelación del agua, esta humidad se deposita en las superficies del avión en forma de hielo. Esto perturba el flujo de aire debido a la generación de vórtices, desequilibra la aeronave, produce vibraciones y facilita la entrada en pérdida.^[9]

Los turbofan están equipados con un sistema que elimina el hielo acumulado (deshielo) e impide su formación (antihielo). Ambas funciones se realizan mediante el sangrado de aire caliente del compresor, es decir, se desvía a otras partes del motor o del resto del avión. Los componentes situados detrás del ventilador se van calentando durante la operación normal del motor, de modo que el hielo solo se acumula a velocidades de rotación bajas y no es necesario deshelarlo. Por ello, el aire del sangrado se conduce hasta la entrada de aire y otros puntos susceptibles de sufrir engelamiento, generalmente el ventilador.^[10]

Consideraciones ecológicas

La incorporación de los turbofan en los aviones modernos es un gran avance para el equilibrio ecológico de los mismos, debido que utilizan como combustible JET A 1, un desarrollo mucho más ecológico al JP 1 utilizado en los turborreactores. La capacidad de los motores turbofan es mucho mayor utilizando un menor porcentaje de combustible. El compresor toma un 100% de aire para comprimir dividido en dos partes: una de ellas pasa directamente al sector de carburación y turbinas y un 30% que será comprimido, combinado con el combustible para generar la carburación necesaria eliminando en el escape un 100% de aire caliente que impulsará al avión. Por lo tanto, del aire caliente que se expulsa sólo el 30% ha sido mezclado con combustible.

Véase también

Referencias

↑ El combustible que consumen es aero-keroseno o JPA1.
↑ El ruido es consecuencia del efecto envolvente que produce el aire frío del flujo secundario sobre el aire caliente del flujo primario
↑ ^a ^b «El motor propfan». Consultado el 21 de noviembre de 2014.
↑ Aunque en ocasiones también puede colocarse en la parte trasera
↑ En los motores turbofan de alto bypass es mayor que un 65% del total. Para los motores turbofan de bajo bypass se sitúa entre el 10% y 65%
↑ El porcentaje restante de aire
↑ Normalmente se consideran los motores turbofan más eficientes a medida que poseen un mayor grado de bypass, llegando este de ser hasta del 95% en algunos motores de última generación
↑ La parte del empuje motor producido depende del tipo de turbofan
↑ «Engine anti-ice system» (en inglés). Consultado el 22 de noviembre de 2014.
↑ «Airplane Turbofan Engine Operation and Malfunctions Basic Familiarization for Flight Crews» (en inglés). Consultado el 22 de noviembre de 2014.

Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Turbofán.
Página de la NASA sobre motores turbofan

[1] El combustible que consumen es aero-keroseno o JPA1.

[2] El ruido es consecuencia del efecto envolvente que produce el aire frío del flujo secundario sobre el aire caliente del flujo primario

[:0-3] «El motor propfan». Consultado el 21 de noviembre de 2014.

[4] Aunque en ocasiones también puede colocarse en la parte trasera

[5] En los motores turbofan de alto bypass es mayor que un 65% del total. Para los motores turbofan de bajo bypass se sitúa entre el 10% y 65%

[6] El porcentaje restante de aire

[7] Normalmente se consideran los motores turbofan más eficientes a medida que poseen un mayor grado de bypass, llegando este de ser hasta del 95% en algunos motores de última generación

[8] La parte del empuje motor producido depende del tipo de turbofan

[9] «Engine anti-ice system» (en inglés). Consultado el 22 de noviembre de 2014.

[10] «Airplane Turbofan Engine Operation and Malfunctions Basic Familiarization for Flight Crews» (en inglés). Consultado el 22 de noviembre de 2014.

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[4]

[5]

[6]

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[8]

[9]

[10]

@@ Línea 56: / Línea 56: @@
 * '''Conducto del flujo secundario:''' rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la [[Pérdida de carga|pérdida de energía]] del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario.
-== Sistema ecológico ==
+== Sistemas ==
+=== Sistema antihielo ===
+Cuando el avión vuela en una atmósfera húmeda y a una temperatura próxima al [[punto de congelación]] del agua, esta humidad se deposita en las superficies del avión en forma de hielo. Esto perturba el flujo de aire debido a la generación de [[Vórtice|vórtices]], desequilibra la aeronave, produce vibraciones y facilita la [[entrada en pérdida]].<ref>{{Cita web|url = http://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-540-73619-6_9#page-2|título = Engine anti-ice system|autor = |enlaceautor = |fecha = |idioma = Inglés|editorial = |fechaacceso = 22-11-2014}}</ref>
+Los turbofan están equipados con un sistema que elimina el hielo acumulado (deshielo) e impide su formación (antihielo). Ambas funciones se realizan mediante el sangrado de aire caliente del compresor, es decir, se desvía a otras partes del motor o del resto del avión. Los componentes situados detrás del ventilador se van calentando durante la operación normal del motor, de modo que el hielo solo se acumula a velocidades de rotación bajas y no es necesario deshelarlo. Por ello, el aire del sangrado se conduce hasta la entrada de aire y otros puntos susceptibles de sufrir [[Congelación atmosférica|engelamiento]], generalmente el ventilador.<ref>{{Cita web|url = http://www.cast-safety.org/pdf/engine_operation_text.pdf|título = Airplane Turbofan Engine Operation and Malfunctions
+Basic Familiarization for Flight Crews|autor = |enlaceautor = |fecha = |idioma = Inglés|editorial = |fechaacceso = 22-11-2014}}</ref>
+== Consideraciones ecológicas ==
 La incorporación de los turbofan en los aviones modernos es un gran avance para el equilibrio ecológico de los mismos, debido que utilizan como combustible [[JET A 1]], un desarrollo mucho más ecológico al [[JP 1]] utilizado en los turborreactores. La capacidad de los motores turbofan es mucho mayor utilizando un menor porcentaje de [[combustible]]. El compresor toma un 100% de aire para comprimir dividido en dos partes: una de ellas pasa directamente al sector de carburación y [[turbina]]s y un 30% que será comprimido, combinado con el combustible para generar la carburación necesaria eliminando en el escape un 100% de aire caliente que impulsará al avión. Por lo tanto, del aire caliente que se expulsa sólo el 30% ha sido mezclado con combustible.