Cuando se sube a un avión, es posible que se haya fijado en ese pequeño remolino, o hachís blanco, en el mismo centro del motor, que gira lentamente como una ilusión óptica. Detrás de ese remolino está probablemente la pieza de ingeniería más compleja jamás diseñada: Uno de los motores a reacción que impulsan su avión.
«No hay contacto de metal con metal. Pueden durar miles de horas -60.000 horas- dependiendo sólo del aire y el combustible. Los componentes son increíblemente duraderos», dijo el Dr. Magdy Attia, profesor de ingeniería aeroespacial en la Universidad Aeronáutica Embry-Riddle.
Hablé con el Dr. Attia y James Speich, Director de Marketing de Pratt & Whitney Commercial Engines, para entender cómo funciona un motor a reacción.
Attia es un experto en ingeniería aeroespacial desde hace mucho tiempo; tiene varias patentes aeroespaciales a su nombre junto con un montón de publicaciones revisadas por pares. También dirige un centro de investigación de turbinas de gas en la universidad. Speich es un ingeniero mecánico que lleva 45 años en Pratt; se curtió trabajando en los primeros modelos informáticos de motores a reacción y en el PW4000, el sucesor del primer motor que Pratt diseñó para el Boeing 747. Más adelante hablaremos de ello.
Creo que estamos en buenas manos.
- Lo primero es lo primero: Mucho aire. Mucho.
- La energía de propulsión es la clave
- Succionar, apretar, estallar y soplar
- 53 camiones de UPS
- Las aspas del ventilador
- Las puntas del ventilador supersónico y la solución del turboventilador con engranajes
- Las ganancias de eficiencia a lo largo del tiempo
- Más cosas que debe saber
Lo primero es lo primero: Mucho aire. Mucho.
Los motores a reacción funcionan fundamentalmente aspirando aire, mucho aire, mezclándolo con combustible y expulsando los gases resultantes por la parte trasera a gran velocidad. Eso hace avanzar al motor por reacción, así como al avión acoplado a él.
Pero no es exactamente así como funcionan los motores a reacción actuales. De hecho, la mayor parte del empuje generado por un motor a reacción moderno proviene simplemente de mover un increíble volumen de aire, todo a la vez, muy rápidamente. El 90% del aire que entra en los motores pasa directamente sin mezclarse con el combustible ni encenderse. Las palas del ventilador de la parte delantera son esclavas del núcleo del motor, y ese núcleo hace que los ventiladores realicen todo el trabajo pesado.
En los albores del motor a reacción, los aviones utilizaban un tipo de motor a reacción que ya no se fabrica para usos comerciales: un turborreactor, en el que todo el aire aspirado en el motor pasa a través de su núcleo. Hoy en día, los aviones utilizan turbofanes, que empujan casi todo el aire que ingieren alrededor del núcleo del motor. Son más silenciosos y mucho más eficientes que los turborreactores.
Los mayores aviones de pasajeros en servicio hoy en día tienen motores con un alto grado de derivación, en los que hay una gran proporción entre el aire acelerado a través del motor -que pasa por el núcleo- y el aire que entra en el núcleo del propio motor. El enorme diámetro de esos motores, como los de los Boeing 777, se debe a la necesidad de tener un ventilador gigante en la parte delantera.
Los turborreactores civiles dejaron de volar con el Concorde, que llegó a utilizar algo que solo se encontraba en los cazas y bombarderos supersónicos: la postcombustión -que literalmente inyectaba combustible en el escape para crear un enorme impulso- para ayudar a acelerar en el despegue y, más adelante en el vuelo, para romper la barrera del sonido.
Hoy en día no se ven llamas saliendo de la parte trasera de los aviones civiles al despegar.
La energía de propulsión es la clave
La teoría llevada a la práctica con los turbofanes es algo que se llama eficiencia propulsiva. Es mucho más eficiente mover un gran volumen de aire a velocidades relativamente bajas que mover un pequeño volumen de aire a velocidades más altas. (Attia me repitió esta máxima de memoria). «Generalmente, en el despegue, entre el 70% y el 80% del empuje lo proporciona la derivación y alrededor del 20% el propio núcleo. A medida que el avión alcanza la altitud de crucero, el empuje tiende a ser del 95% al 100% proporcionado por el bypass», dijo Attia. Los motores turborreactores, como los del Concorde, no tenían ningún tipo de bypass, lo que hacía que su funcionamiento fuera muy caro. Para hacer rugir el chorro, los motores tenían que quemar mucho combustible.
Succionar, apretar, estallar y soplar
«Succionar, apretar, estallar, soplar» es la forma en que los pilotos recuerdan las distintas etapas de un motor.
Succión
El ventilador de la parte delantera aspira aire. El 10 por ciento de este aire va al llamado «núcleo» del motor. El 90 por ciento se acelera y se empuja alrededor del núcleo.
Exprimir
El aire que ha entrado en el núcleo se mueve a través de una serie de pequeñas palas que giran unidas a un eje llamado compresor. El acto de hacer girar el aire provoca un par de torsión, que hace que el aire se acelere y aumente su presión.
Bang
Entonces se inyecta combustible en el aire comprimido y se enciende en una cámara de combustión.
Soplar
A continuación, la mezcla de gases calientes, que se expande rápidamente, pasa por otro conjunto de palas de ventilador llamado turbina. Estos gases son atrapados por las pequeñas palas de la turbina, haciendo que ésta gire.
Lo increíble es esta turbina.
La turbina que gira hace girar un eje que hace girar los compresores y hace girar el ventilador situado en la parte delantera. Una idea clave: el objetivo del núcleo del motor es hacer girar el ventilador de la parte delantera, no proporcionar la mayor parte del empuje.
«La turbina convierte la energía térmica generada por la combustión en energía mecánica. Son las pequeñas palas de la turbina las que giran, y están conectadas a un eje, que está conectado al propio compresor y al ventilador», explicó Attia. El eje de la turbina gira a unas 20.000 RPM, es decir, muy, muy rápido.
Entonces, ¿cuánto aire se necesita para proporcionar el suficiente movimiento de avance para que las alas funcionen y generen sustentación?
53 camiones de UPS
Un motor de avión típico ingiere unos 1.500 kilogramos de aire por segundo. La densidad del aire a nivel del mar es de aproximadamente 1,2 kilogramos por metro cúbico. El Dr. Attia hizo unas rápidas cuentas: un camión típico de UPS tiene 23 metros cúbicos, por lo que un motor a reacción aspira el volumen de aire de unos 53 camiones de UPS por segundo.
«El flujo de masa de aire es la parte más importante de la ecuación de empuje», dijo Attia. Speich coincidió, señalando que Pratt & Whitney se ha centrado durante 20 años en la eficiencia de la propulsión: «bombear mucho aire», como dijo.
Las aspas del ventilador
La energía creada por las aspas del ventilador es impresionante. Y cada fabricante de motores parece tener una forma colorida de explicar la energía capturada en una sola pala. Un fabricante dijo que la energía de un solo aspa en funcionamiento podría lanzar un coche pequeño por encima de un edificio de siete pisos. Otro dice que es suficiente para elevar nueve autobuses de dos pisos (o 13 elefantes).
Las aspas del ventilador de los motores Pratt están fabricadas con una aleación de aluminio de alta resistencia con un borde de ataque de titanio. Otros fabricantes de motores a reacción utilizan palas de titanio huecas o envueltas en fibra de carbono. Dato curioso: las propias aspas del ventilador son mini alas que generan sustentación.
Una cosa que se nota al acercarse al motor es lo cerca que están las puntas del ventilador de la carcasa del motor. De hecho, P&W los construyó con tal precisión que rozan la carcasa interior de goma sólo un poco, milímetros, lo que crea un pequeño surco en la goma. Las tolerancias deben ser increíblemente pequeñas.
Las puntas del ventilador supersónico y la solución del turboventilador con engranajes
En vuelo, las aspas del ventilador giran a unas 3.000 RPM. A más velocidad, las puntas del ventilador empiezan a funcionar de forma supersónica, haciendo un enorme ruido en forma de zumbido penetrante. En cambio, el eje de baja presión gira a 12.000 RPM y el de alta presión a unas 20.000 RPM. Entonces, ¿cómo se ralentiza esta rotación – pasando de un alto RPM en la parte trasera del motor a un menor RPM en la parte delantera?
Volviendo al diseño del motor.
Pasando justo por el medio del núcleo hay un «eje dentro del eje». Un eje hace girar la turbina de baja presión, el compresor de baja presión y el ventilador, que puedes ver en el diagrama de arriba. Otro eje hace girar la turbina de alta presión y el compresor de alta presión. Cada componente tiene que girar a diferentes velocidades para cada etapa.
Para conseguir que el ventilador de la parte delantera vaya más despacio, «necesitamos más etapas de menor presión para que el ventilador funcione a una velocidad más lenta que el eje de alta presión», dijo Speich, refiriéndose al diseño convencional de motor de dos ejes. Estas etapas adicionales añaden peso y afectan negativamente a la eficiencia del combustible.
Y ahí es donde entra el turboventilador de engranajes, o GTF. Es el desarrollo más importante en la tecnología de motores en 20 años.
En primer lugar, con el tiempo P&W descubrió cómo hacer una caja de cambios ligera. La caja de cambios actual pesa alrededor de 250 libras; los primeros intentos se acercaban a las 600 libras. El engranaje reduce la velocidad de rotación tres a uno. Si el eje de baja presión está funcionando a 10.000 RPM, la caja de engranajes actuará para reducir el propio ventilador a 3.000 RPM, pero -lo que es fundamental- sin añadir más etapas de baja presión. Pratt lleva trabajando en ello desde que Speich se incorporó a la empresa, y de forma activa durante 20 años de pruebas.
«Con el engranaje, se puede hacer girar el ventilador más despacio pero dejar que el resto de los componentes giren a la velocidad que les resulte más eficiente», explicó Speich. A su vez, se necesitan menos etapas de baja presión -y menos peso de los componentes- para que el ventilador funcione a esa velocidad más lenta.
«El engranaje se ha introducido en el motor», dijo Speich. «Todos esos aprendizajes… y finalmente hoy la tecnología se ha puesto al día».
Las ganancias de eficiencia a lo largo del tiempo
Speich trabaja en P&W desde mediados de los años 70 y se incorporó justo después de que P&W lanzara el JT9D, que impulsó el primer Boeing 747. «Aquellos primeros motores tenían una relación de derivación de alrededor de 4,5 a 1», dijo Speich. También se fabricaban con carcasas de ventiladores de acero y componentes de acero forjado, lo que resultaba bastante pesado.
Compárelo con el motor GTF, que presume de una relación de derivación de 12 a 1. Se dice que el motor ofrece un 15% más de eficiencia de combustible. «Eso es enorme en este espacio», dijo Attia con rotundidad.
Speich señaló que su empresa está viendo mejoras de eficiencia superiores al 15%. «Recuerdo cuando dar con un aumento del uno o dos por ciento en la eficiencia del combustible era dar con una mina de oro», dijo, recordando su carrera en la compañía. El GTF vuela actualmente en cinco plataformas: la serie Airbus A320Neo, el Airbus A220, los jets E-2 de Embraer, el Irkut MC-21 de fabricación rusa y el Mitsubishi MRJ. (Los dos últimos aún no están en servicio comercial.) Los volarán en EE.UU. con Hawaiian, Delta y Spirit, entre otros.
«En lo que respecta a la aerodinámica, los materiales, las estructuras, la física… todo, todo se lleva a sus límites», dijo Attia. «Creo que son las máquinas más fascinantes jamás creadas por el hombre».
Y por si te lo preguntas, el pequeño remolino en el centro del morro del motor es para que cualquiera sepa -visualmente- si el ventilador está girando o no.
Mike Arnot es el fundador de Boarding Pass NYC, una marca de viajes con sede en Nueva York, y piloto privado.
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