Motores Turboprop y Turboeje: Principios y Aplicaciones
Motores Turbohélice
Un motor turbohélice es un sistema propulsivo formado por un turborreactor y una hélice. La hélice es arrastrada por una turbina.
La turbina puede ser la misma que mueve al compresor (turbina fija) o independiente (turbina libre), la cual es movida por los gases de expansión.
Componentes Principales del Motor Turbohélice
- Compresor
- Cámara de combustión
- Turbinas
- Caja de accesorios
- Caja de reducción
Principios de Propulsión
La propulsión se obtiene principalmente de la tracción de la hélice y, en menor medida, del empuje de los gases de escape. La velocidad de los gases es pequeña, por lo que su empuje es reducido en comparación con la tracción de la hélice. Un pequeño porcentaje del empuje total (aproximadamente el 10%) proviene de los gases de escape de la tobera.
Rendimiento y Consumo
- El rendimiento propulsivo de la hélice es mayor que el de un turborreactor puro, siendo superior a bajas velocidades de propulsión.
- Presenta un bajo consumo de combustible. El grupo de turbinas absorbe casi toda la energía del gas para mover el compresor, la hélice y la caja de accesorios.
- Buen comportamiento en alturas superiores a los 30.000 pies.
Características de los Turbohélices en sus Prestaciones
- Consumo de combustible más bajo que el turborreactor.
- Alto rendimiento propulsivo a baja velocidad.
- Carreras cortas de despegue.
- Más pesado que un turborreactor y con un diseño más complicado.
- Motor y hélice más grandes, lo que requiere un tren de aterrizaje mayor.
- Empuje inverso eficaz.
- Los turbohélices están limitados a aproximadamente 500 mph (805 km/h).
- El rendimiento de la hélice cae rápidamente con velocidades mayores debido a las ondas de choque.
- Con el aumento de la altura de vuelo, disminuye la potencia, el consumo y el empuje.
Tipos de Conexión entre Hélice y Turbina
Existen dos tipos principales de conexión mecánica entre la hélice y la turbina:
1. Turbohélice de Turbina Libre
Son motores con turbina independiente: una mueve el compresor y la otra la hélice. A veces se disponen de forma concéntrica, con ejes coaxiales, de modo que uno gira dentro del otro a distinta velocidad y sentido de giro.
El grupo motor consta de dos bloques giratorios:
- El generador de gas (conjunto compresor-turbina) o N1.
- La turbina de potencia N2, que acciona la caja reductora de engranajes. La velocidad de giro de la turbina de potencia es constante.
Ventajas de la Turbina Libre
- Mayor facilidad de utilización.
- Arranque más fácil.
- Posibilidad de almacenar energía.
- Supresión del embrague.
Inconvenientes de la Turbina Libre
- Mayor complejidad mecánica.
- Respuesta más lenta a las órdenes del piloto.
2. Turbohélice de Turbina Fija
Tiene un solo eje, donde el árbol compresor-turbina está unido. Requiere un reductor mayor que en la turbina libre.
La velocidad de giro de la turbina y las hélices es muy constante, aunque menor que en la turbina libre, oscilando entre el 97% y el 100%. Se emplea en motores de pequeño tamaño y de poca potencia.
Ventajas de la Turbina Fija
- Tiempo de respuesta del mando de gases más rápido que la turbina libre.
- Mecánica robusta y simple.
Inconvenientes de la Turbina Fija
- Necesidad de embrague para la puesta en marcha.
- Mayor facilidad de entrada en pérdida del compresor.
Componentes y Sistemas Adicionales del Motor Turbohélice
Conjuntos Típicos del Motor Turbohélice
El motor turbohélice típico puede descomponerse en los siguientes conjuntos:
- Sección de turbina.
- Arrastre de accesorios.
- Caja de engranajes reductores.
- Medidor de torque.
- Torque del motor o momento de torsión.
Engranajes Reductores
La turbina gira a tan alta velocidad que se usan engranajes de reducción planetarios. La relación de reducción suele ser de 1:15 a 1:15 (Nota del profesor: esta relación suele ser un rango, por ejemplo, de 1:10 a 1:20, pero se mantiene el valor original).
Un sistema planetario está formado por:
- Corona fija.
- Planeta.
- Satélite.
El instrumento torquímetro se utiliza para conocer la potencia, pudiendo ser eléctrico o hidráulico.
Controles Integrados del Motor y la Hélice
Controles del Turbohélice de Turbina Libre
El control se efectúa mediante tres mandos:
- Palanca de potencia: Actúa sobre el flujo de combustible, el par motor y la EGT (temperatura de los gases de escape).
- Palanca de la hélice: Conectada al regulador de la hélice, controla el paso de la misma.
- Palanca de condición o de combustible: Actúa sobre las RPM, el despegue, el ralentí alto, el ralentí bajo y el corte de combustible.
La capacidad de propulsión depende de la velocidad de rotación de la hélice y del paso de la misma. El control de la potencia y las RPM es más complejo.
El ajuste de paso de la hélice puede ser:
- Mecánico.
- Hidráulico.
- Eléctrico.
Controles del Turbohélice de Turbina Fija
El motor en vuelo gira en una banda de velocidad muy estrecha, del orden del 97% al 100% de RPM constante. El motor cuenta con dos palancas de mando:
- Palanca de potencia.
- Palanca de condición.
La capacidad de propulsión está relacionada con la velocidad de giro de la hélice. El paso no se puede cambiar. El tacómetro es el instrumento más importante.
Dispositivos de Seguridad contra Sobrevelocidad
- Regulador de hélice o governor (control de RPM), que aumenta el paso de las palas para disminuir su velocidad.
- Regulador de turbina de potencia.
- NTS (Negative Torque System).
- Acoplamiento de seguridad.
- Sistema de freno.
Disposición de Componentes
- Los componentes arrastrados por N1 son: bomba de aceite, bomba de combustible, control de combustible, sistema de generador de señales de N1.
- Los componentes que arrastra N2 son: el governor, sistema generador de señales de N2, sistema torquímetro.
Acoplamientos: Turboejes de Turbina Libre
Cuentan con dos ejes independientes: el que acciona el compresor y el eje de potencia. La velocidad de giro del generador de gas depende del caudal de combustible, mientras que la velocidad de giro de la turbina de potencia es constante.
Reductor
Reduce las revoluciones y suele ser de tipo planetario.
Sistema de Transmisión en los Helicópteros
El sistema de transmisión en helicópteros transfiere potencia desde el rotor principal al rotor de cola y reduce la velocidad de rotación. Sus principales componentes son:
- La transmisión del rotor principal.
- El sistema de arrastre del rotor de cola.
- Sistema de embrague.
Tiene su propio sistema de suministro de aceite.
Transmisión del Rotor Principal
Reduce las RPM de salida del eje del motor a las RPM nominales del rotor. Cambia el movimiento horizontal del eje del motor en movimiento vertical del rotor principal. Tiene detector de partículas. El tacómetro de 2 agujas (RPM motor y rotor) es crucial, siendo el indicador del rotor el más importante.
Embrague
En los motores de turbina libre, no se requiere embrague.
Unidad de Autorrotación o Rueda Libre
Desacopla el motor del rotor principal cuando las RPM del motor son menores que las RPM del rotor principal. Está ubicado entre el motor y la transmisión del rotor principal (dentro de la transmisión principal).