a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. a.4 TIPOS DE MOTOR DE LAS AERONAVES.
a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. AVISO ESTA PRESENTACIÓN HA SIDO PREPARADA COMO APOYO AL ENTRENAMIENTO DE MANTENIMIENTO AERONÁUTICO. NO ENMIENDA NI SUSTITUYE A LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN LAS PUBLICACIONESOFICIALES OFICIALES DE LOS AVIONES (MANUAL DE VUELO, MANUAL DE MANTENIMIENTO, DIAGRAMAS DE CABLEADO, MANUALES DE MANTENIMIENTO DE COMPONENTES, BOLETINES DE SERVICIO, ETC). PARA EL FUNCIONAMIENTO Y EL MANTENIMIENTO DE UN AVIÓN, SE UTILIZARÁ EXCLUSIVAMENTE LA INFORMACIÓN CONTENIDA EN LAS PUBLICACIONES OFICIALES. 2
a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. Índice dl del MP11 Constitución ió y navegación de las aeronaves. a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. b) AERODINÁMICA DE LAS AERONAVES DE ALA FIJA Y DE ALA ROTATORIA. c) CONCEPTOS GENERALES DE ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS. d) LA AERONAVE COMO INTEGRACIÓN DE SISTEMAS. e) DOCUMENTACIÓN Y CONTROL DE CONFIGURACIÓN 3
a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. Índice General del dl MP11 Constitución ió y navegación de las aeronaves. a) a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. a.1 Introducción. a.2 Tipos de Aeronaves. Clasificación de las Aeronaves Formas geométricas diferentes: del fuselaje del ala del empenaje de cola El helicóptero, fuselaje, rotor principal y de cola. a.3 Denominación de los elementos de las Aeronaves a.4tipos de motor 4
a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. a.4) Tipos de Motor. INTRODUCCIÓN MOTORES DE EJE Motores de explosión Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición Motores de turbina Turbohélice Turboeje Motores eléctricos MOTORES DE REACCIÓN Turborreactor Turbofán Cohete Otros 5
INTRODUCCIÓN. Los motores pueden emplearse en una aeronave para dos fines: Ir en contra de la resistencia, produciendo tracción, directamente o a través de una hélice. Favorecer la sustentación, igualmente ya sea de modo directo o a través de unas palas (hélice o rotor). La división es pues entre los que necesitan un eje para transmitir la potencia a una hélice o rotor y los que emplean el chorro de gases de escape para dar esa potencia Se pensó en utilizarlos en aeronáutica a finales del siglo XIX y el primer vuelo, el de los hermanos Wright, fue en 1.903. Utilizaron un motor de explosión alternativo con un peso de 170 libras que producía una potencia de unos 12 CV a 1.025 RPM. El proceso termodinámico, de combustión interna, que utilizan estos motores se llama ciclo Otto. Más tarde (1.940) aparecen los motores a reacción y se emplean en la Segunda Guerra Mundial. Los motores cohete se utilizan en los mismos años, aunque los cohetes se conocían y empleaban desde muchos siglos antes. 6
MOTORES DE EJE. Llamamos así a aquellos que van a utilizar un eje para mover un tipo de hélice. Podemos agruparlos de esta forma: Motores de explosión Veamos éstos primero. Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición Motores de turbina Turbohélice Turboeje Motores eléctricos 7
MOTORES DE EJE. Motores de explosión. También llamados alternativos,tienencilindros que se mueven dentro de pistones con un movimiento de vaivén, de ahí este nombre. Y el de explosión porque dentro se producen explosiones que son las que mueven los pistones. En estos motores el eje primario es el cigüeñal del motor. Si el cigüeñal está en la parte superior, se le llama invertido. La refrigeración puede ser por aire o por líquido. Se clasifican por la disposición de los cilindros: Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición 8
MOTORES de eje, de explosión y EN LÍNEA. Tiene los cilindros alineados en una sola fila. VOLVER Cualidades el avión puede ser diseñado con un área frontal reducida que ofrece menor resistencia aerodinámica. Inconvenientes Escasa relación potencia a peso, debido a que el cárter y el cigüeñal son largos y por tanto más pesados. Si, además, es refrigerado por agua, ya que los últimos cilindros refrigeran peor, el peso aumenta. Ranger L 440, motor en línea invertido de seis cilindros refrigerado por aire, usado en el Fairchild PT 19 9
MOTOR de eje, de explosión y ROTATIVO. Tiene 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. Dejaron de fabricarse. No confundir con el motor Wankel. Cualidades Gran flujo de aire para la refrigeración, no ligado a la velocidad de avance de la aeronave. Algunosdeestosmotoreseran de dos tiempos, con una gran relación potencia a peso. Inconvenientes Severos efectos giroscópicos de un pesado motor rotando a altas velocidades hacían que el avión fuera más difícil de pilotar. Consumían grandes cantidades de aceite de ricino, que se propagaba por todo el fuselaje y creaba humos repugnantes para los pilotos. Muy poco fiables Motor rotativo Le Rhône 9C 10
Motor Wankel kl Es un tipo de motor de combustión interna, inventado por Félix Wankel en 1924, que utiliza rotores en vez de los pistones de los motores alternativos. Se desarrollan los mismos 4 tiempos pero en lugares distintos de la carcasa o bloque; con el pistón moviéndose continuamente de uno a otro. Más concretamente, el cilindro, "estator" o "epitrocoide", es una cavidad con forma de 8, dentro de la cual se encuentra un rotor triangular o triángulo lobular que realiza un girodecentrovariabledelimitandoasítrescompartimentos separados. Este pistón comunica su movimiento rotatorio a un cigüeñal que se encuentra en su interior, y que gira ya con un centro único. A medida que el rotor gira dentro de la cámara, cada uno de los 3 volúmenes se expande y contrae alternativamente; es esta expansión contracción la que succiona el aire y el combustible hacia el motor, comprime la mezcla, extrae su energía expansiva y la expele hacia el escape. Cualidades Funcionamiento suave. Funcionamiento silencioso. Fiable. Menos piezas móviles Menor velocidad de rotación Menores vibraciones Menor peso Inconvenientes Emisiones, como un 2 tiempos. Mantenimiento, es desconocido. Consumo, forma de las cámaras Difícil estanqueidad. Sincronización encendido crítica. Temperatura alta la misma zona Elección de materiales. 11
Ejempos de vehículosw con Motor Wankel kl Mazda RX 7 y 8 producidos por Mazda desde el año 1978 y 2003. NSU Spider fue el primer coche de producción en el mundo propulsado por un motor rotativo Wankel. El motor Wankel en aviación Curtiss Wright ha fabricado diversos prototipos de motor para automoción y aviación general. La línea de rotativos para aviones ligeros desarrollados a partir de los modelos de Norton, fabricados con la marca Mid West Aeroengines, pasó luego a la austriaca Diamond engines. Diamond DA20 con Diamond Engines Wankel 12
MOTOR de eje, de explosión y EN V. Los cilindros están dispuestos en dos bancadas, inclinadas con una diferencia de entre 30 y 60 grados. Rolls Royce Merlin, un motor en configuración V12 refrigerado por líquido del Supermarine Spitfire Cualidades Relación potencia a peso mayor que un motor en línea Inconvenientes Refrigerado por líquido, sigue siendo algo pesado. Mantiene una área frontal reducida. 13
MOTOR de eje, de explosión y 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. Dejaron de producirse en los 60. Wright R 2600, un motor radial de 14 cilindros dispuestos en dos filas Cualidades d Inconvenientes La disposición de los cilindros da una buena refrigeración. El avión tiene un perfil aerodinámico ineficiente. Refrigerado por aire, poco peso. Carter y cigüeñal pequeños, poco peso. Al parar, los cilindros inferiores se llenan de aceite a vaciar. 14
MOTOR de eje, de explosión y DE CILINDROS EN OPOSICIÓN. Tiene dos bancadas de cilindros ubicadas en los lados del cárter una en contraposición de la otra. 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. Cualidades d Inconvenientes ULPower UL260i, un motor de El avión tiene un perfil cilindros horizontalmente opuestos aerodinámico ineficiente. refrigerado por aire. Relativamente pequeños, livianos y económicos Refrigerado por aire, poco peso. Carter y cigüeñal pequeños, poco peso. 15
MOTOR de eje, de explosión y DE CILINDROS EN OPOSICIÓN. DIFERENCIAS Diferencias entre motores con cilindros en oposición 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. Es el tipo Porsche Otra forma de motor con cilindros en oposición es la Vde 180º, enlacuallos 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 pistón 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. 16
Motores de eje. TURBINAS. MOTORES DE EJE. Motores de explosión Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición Motores de turbina. Veamos ahora como son Turbohélice Turboeje Motores eléctricos 17
Motores de eje. Turbina. TURBOHÉLICE Es una turbina de gas acoplada a una hélice tradicional. Estos motores no producen 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 ésta la que genera la tracción para propulsar la aeronave. Si la turbina que mueve la hélice está separada del resto se conocen como motores de turbina libre. Cualidades Inconvenientes Alta Potencia El avión tiene un perfil aerodinámico. Mantenimiento bajo. relativamente 18
Motores de eje. Turbina. TURBOEJE Es una turbina de gas que entrega la potencia a través de un eje que sale del motor. La diferencia con el motor turbohélice es pequeña. Es el tipo utilizado en los helicópteros. Vista en corte de un Lycoming T 53, un motor turboeje diseñado d en los años 1950 utilizado en varios tipos de helicópteros. 19
Motores de eje. ELÉCTRICOS. MOTORES DE EJE. Motores de explosión Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición Motores de turbina Turbohélice Turboeje Motores eléctricos Vamos a hablar ahora sobre ellos. 20
MOTORES DE EJE. Motores eléctricos.. Los motores eléctricos, al igual que en automoción, se están intentando introducir en el campo de la aviación. El progreso en el campo de las baterías ha sido uno de los factores que ha propiciado su aplicación en este campo. Las pilas de combustible (la de hidrógeno oxígeno es la más usada) son otra de las formas de suministrar energíaeléctrica. Últimamente, la asociación con las células solares ha hecho todavía más interesante su desarrollo, al permitir el reabastecimiento en vuelo. El apoyo de entidades como la NASA y las grandes compañías aeronáuticas, así como la presión medioambiental, ayudan a conseguir los fondos para la experimentación. Parece que el futuro es prometedor. Cualidades d Inconvenientes Poco tamaño y peso del motor. Posible carga con células solares. Limpio, no contaminante. Fácil regulación. Par motor elevado desde el arranque. Baterías pesadas. Poca autonomía. 21
MOTORES DE EJE. Motores eléctricos.. EXPERIMENTALES El Solar Impulse los une a la energía solar. Cri cri tetramotor EADS Elektra One de PC Aero. Flight of the Century para 2014. 22
a) CONSTITUCIÓN DE LA AERONAVE. a.4) Tipos de Motor: MOTORES DE REACCIÓN. INTRODUCCIÓN MOTORES DE EJE Motores de explosión Motor en línea Motor rotativo Motor en V Motor radial Motor de cilindros en oposición Diferencias entre motores con cilindros en oposición Motores de turbina Turbohélice Turboeje Motores eléctricos MOTORES DE REACCIÓN Vamos a verlos ahora. Turborreactor Turbofán Cohete Otros 23
MOTORES DE REACCIÓN En estos motores, el flujo de aire, que se calienta en la cámara de combustión, es acelerado al salir por la tobera, creando el empuje que, junto con las presiones que actúan dentro del motor, empujan la aeronave hacia adelante. Empecemos con el Turborreactor Turbofán Cohete 24
El turborreactor es el más simple de todos los motores de turbina de gas para aviación. ió Generalmente se divide en zonas de componentes principales que van a lo largo delmotor, desde la entrada hastalasalidadelaire:enlazonade admisión (parte delantera) hay un compresor que toma el aire y lo comprime, una sección, la cámara de combustión, donde se 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 accesorios, y al final una tobera de escape acelera los gases de escape por la parte trasera del motor para crear el empuje. MP11 Constitución y navegación de las aeronaves. Motores de reacción: TURBORREACTOR Un de Havilland Goblin, de flujo centrífugo utilizado en los primeros aviones de reacción británicos. General Electric J85, un turborreactor de flujo axial diseñado en los años 1950 utilizado por el Northrop F 5 y otros aviones militares 25
En el también llamado 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%). MP11 Constitución y navegación de las aeronaves. Motores de reacción: TURBOFAN General Electric CF6, turbofán de alto índice de derivación, usado enaviones comerciales modernos. Cualidades La salida es menos turbulenta y entrega más potencia. Inconvenientes Mayor frontal. General Electric F110, ejemplo de turbofán de bajo índice de derivación, usado en aviones de combate modernos 26
Es un motor de combustión interna que genera empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen al arder, en la cámara de combustión, el combustible, que suele ser queroseno o hidrógeno líquido, con el comburente, generalmente oxígeno líquido. También hay cohetes de combustible sólido. MP11 Constitución y navegación de las aeronaves. Motores de reacción: COHETE. Walter HWK 109 509, motor cohete de combustible líquido del Me 163, el único avión cohete en entrar en servicio Reaction Motors XLR99, motor cohete del avión experimental X 15. Cualidades Bell X 1 primer avión en superar la Máximo empuje. velocidad del sonido en un vuelo horizontal. Inconvenientes Poca autonomía. 27
Motor cohete de combustible sólido Influencia la forma del núcleo en la curva empuje tiempo 28
MOTORES DE REACCIÓN Aunque de forma menos habitual, también se emplearon otro tipo de motores de reacción como el: Pulsorreactor (desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial para impulsar las bombas guiadas V1) Estatorreactor (ramjet) Estatorreactor de combustión supersónica (scramjet) Motor de detonación por pulsos. Empecemos con el Pulsorreactor del que hay dos tipos: Con válvulas Sin válvulas 29
Motores de reacción: PULSORREACTOR CON VÁLVULAS Su estructura consta de tres partes fundamentales: 1.sistema de válvulas 2.cámara de combustión 3.tubo de salida de gases, Su funcionamiento depende de un flujo de aire que entra a través de las válvulas situadas en la parte frontal del reactor donde se mezcla con el combustible (A) que sale de un conjunto de inyectores situados en el sistema de válvulas. Una bujía hace explotar la mezcla (B), haciendo que la fuerza de la explosión acelere los gases en ambas direcciones lo cual provoca que las válvulas de admisión de aire se cierren haciendo que el gas se vea forzosamente obligado a salir por el tubo de salida de gases (C), produciendo el empuje, y luego crea un vacío haciendo que las válvulas de admisión vuelvan a abrirse para posteriormenterepetir repetir laoperación operación. 30
Motores de reacción: PULSORREACTOR CON VÁLVULAS Una vez iniciada la ignición parte de la energía de la explosión se transforma en calor que calienta el cuerpo del reactor, lo cual facilita después la tarea de la ignición pulsátil haciendo innecesario después tener que utilizar la bujía como fuente de ignición, lo cual hace que el reactor tenga un funcionamiento autosostenido sin la intervención de ningún mecanismo de ignición externa tras el encendido. El mayor inconveniente de este sistema es principalmente la vida útil de las válvulas de admisión,. Un pulsorreactor en una V1 alemana Al ser simples tiras de acero flexible aguantan durante poco tiempo las tensiones y las temperaturas a las que el reactor las somete, haciendo que en muy pocos minutos empiecen a sufrir fatiga estructural, y empiecen a desintegrarse o a fundirse, haciendo de este sistema algo muy delicado y de vida efímera, aunque muy barato de construir en comparación a otros tipos de reactor. 31
Motores de reacción: PULSORREACTOR SIN VÁLVULAS Las válvulas han sido sustituidas por un método de retorno de gases calientes. La explicación es la siguiente: El pulsoreactor Lockwood Hiller es en realidad una tubería doblada con forma de U en la parte central de uno de los dos lados hay un abultamiento visible que es donde se encuentra la cámara de combustión, donde se alojan el inyector de combustible y la bujía de encendido. El proceso de encendido empieza cuando desde la tobera del lado de la U donde esta situada la cámara de combustión se inyecta una corriente de aire que ha de iniciar el correcto ciclo de combustión. Acto seguido se inicia la inyección del combustible y se procede a quemarlo mediante la bujía de encendido. En ese momento se produce una explosión que hace que el aire dentro del reactor empiece a expandirse rápidamente por toda la U produciendo así el empuje del reactor, pero el recorrido del aire en las dos direcciones es desigual en distancias lo que provoca que en el momentoenelcuallaexplosióndalugaralvacíopartedelosgasescalientes que han tenido que atravesar el camino más largo por el arco de la U retornen a la cámara de combustión mientras el lado de la cámara de combustión absorbe airefresco del exterior, obteniendo asíel retorno de una parte del gas caliente de la explosión inicial, lo cual provoca la siguiente explosiónenlacámaradecombustión,yfinalmentedeestamanerala combustión se convierte en autosostenida sin falta alguna de válvulas, ni de continuos chispazos de la bujía. 32
Motores de reacción: ESTATORREACTOR Un estatorreactor es un tipo de motor de reacción que carece de compresores y turbinas, pues la compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de funcionar. Elaireya comprimido se somete a un proceso de combustión en la cámara de combustión y una expansión en la tobera de escape. El régimen de trabajo de este motor es continuo. Tecnológicamente, el estatorreactor es el más sencillo de los motores de reacción, ya que no contiene ninguna pieza móvil, a excepción de la bomba de combustible. Está abierto por ambos extremos y sólo tieneinyectoresdecombustibleenlapartecentral.los componentes principales de los estatorreactores desde la entrada hasta el escape son: El difusor de entrada La cámara de combustión La tobera de escape. La tobera de escape puede tener dos formas: convergente o divergente. La principal diferencia está en su utilización: las convergentes son utilizadas para la propulsión subsónica y las divergentes para velocidades supersónicas. 33
Motores de reacción: POR PULSOS Un motor de detonación por pulsos, o "PDE" (del inglés, Pulse Detonation Engine), es un tipo de sistema de propulsión aérea que utiliza ondas de detonación para producir la combustión de una mezcla de fuel y oxidantes. El motor se dice que funciona por pulsos debido a que dicha mezcla debe renovarse dentro de la cámara de combustión antes de que se genere cada onda de detonación por una fuente de ignición. Teóricamente, un PDE puede operar desde velocidades subsónicas hasta hipersónicas, incluso alrededor de Mach 5. Un diseño ideal de un PDE tendría una eficiencia termodinámica mayor que otros tipos de motores, como turbojets o turbofans, debido a que cada onda de detonación comprime rápidamente la mezcla y aporta calor manteniendo un volumen constante. Por lo tanto, las partes móviles presentes en otro tipo de motores, como los compresores axiales, no son necesarios en un PDE, lo cual puede reducir significativamente tanto el peso como el coste. Un prototipo de motor de detonación por pulsos operando a una frecuencia de 35 Hz Los PDEs se llevan estudiando como propulsores desde hace unos 70 años.[3] Los principales retos a los que se enfrenta su desarrollo consisten en lograr una mezcla eficiente y rápida del fuel y los oxidantes, la prevención de la autoignición, la refrigeración y la integración adecuada con el resto del sistema. Hasta la fecha, ningún PDE ha sido puesto en producción, aunque algunos motores de este tipo han sido construidos, y uno de ellos se integró de forma satisfactoria en un prototipo de aeronave de baja velocidad, la cual voló gracias únicamente a un PDE en 2008. 34
FIN del tema El próximo día un tema nuevo. 35