Sistemas de Aumento de Potencia en Motores de Aviación
En la aviación comercial, las fases de despegue y subida, así como la operación en elevada altitud, alta temperatura y carga máxima, son críticas. Por ello, resulta conveniente disponer de un empuje muy superior al de crucero.
Los aviones militares requieren un empuje máximo superior al de los aviones comerciales, además de capacidades para maniobras de combate y vuelo a un alto número de Mach.
Estos dispositivos solo incrementan el empuje en los momentos en que son necesarios, manteniendo el consumo mínimo durante el vuelo de crucero.
Aumento de empuje en los motores de turbina
1. Sistema de inyección de agua (turbojets y turbohélices)
Se utiliza cuando disminuye la densidad y, consecuentemente, el gasto másico (alta altitud). También se emplea en el despegue para evitar una pérdida de empuje en momentos críticos.
Consta de los siguientes elementos:
- Depósito de agua
- Unidad de control
- Bomba impulsora
- Panel de control
Ubicaciones para la inyección de agua
- A. En la entrada del compresor (típico en turbohélices): El agua se pulveriza y se vaporiza rápidamente, absorbiendo calor del aire de entrada. Esto disminuye la temperatura, aumenta la densidad del aire y, por tanto, el empuje. Se utiliza en algunos motores de compresor centrífugo y motores americanos con compresor axial. Inconvenientes: Mala distribución de agua, cantidad limitada y riesgo de congelación.
- B. En el difusor precámara: El agua se inyecta entre la salida del compresor y la entrada a la cámara de combustión. Al entrar en contacto con la corriente de aire caliente, se produce una evaporación inmediata, absorbiendo calor y bajando la temperatura. Al ser el aire más denso, la cantidad de combustible puede aumentarse, obteniendo mayor empuje.
- C. En la cámara de combustión: El agua inyectada se vaporiza y reduce la temperatura del gas, aumentando la densidad. Así, podemos añadir más combustible y aumentar la temperatura hasta el máximo de diseño. El incremento de empuje llega hasta el 30%, siendo superior entre un 10% y 15% respecto a la inyección en la entrada del compresor. Ventajas: Detonación menos probable, mayor masa de aire (mayor empuje) y el motor trabaja a mayores RPM.
El fluido empleado es agua destilada o desmineralizada mezclada con alcohol metílico o etílico. El alcohol otorga a la mezcla propiedades anticongelantes y combustible adicional. Tiene el inconveniente de que su calor de vaporización es menor que el del agua y, por esto, absorbe menos calor al evaporarse.
2. Inyección de agua-metanol
Inconvenientes: Se debe haber usado toda el agua en el despegue; de lo contrario, en crucero se congela, por eso se añade metanol. El metanol aumenta la temperatura de los gases. Para evitar que la temperatura suba demasiado, existe un controlador de agua/metanol. Se inyecta una proporción de 30% metanol y 70% agua.
3. Postcombustión
La postcombustión nunca se realiza en la cámara de combustión principal. Un posquemador es un estatorreactor adosado a la parte posterior de un turborreactor o motor fan. Utiliza el oxígeno no quemado en la combustión para volverlo a quemar en otra cámara de combustión después de la turbina. Es utilizado principalmente en motores de reacción militares como método de aumento de empuje durante cortos periodos de funcionamiento.
Se pulveriza combustible en los gases de escape extremadamente calientes y se prende, produciendo un aumento de empuje del 60%, aunque triplica el consumo. Ventajas: Mejora la capacidad de despegue, mejor ascenso, buena aceleración a velocidades supersónicas y alto rendimiento en combate.
Aprovechando que el aire aún está caliente, se inyecta combustible en la tobera (jetpipe); no es necesaria una segunda llama. La tobera de salida de los postquemadores es de área variable y se opera hidráulicamente: posición cerrada (normal) y abierta (postcombustión).
Componentes del sistema posquemador
- Difusor de salida de la turbina: Aporta estabilidad a la llama.
- Sistema de inyección de combustible: Colectores y pulverizadores.
- Estabilizador de llama: Ancla la llama y reduce la velocidad.
- Cámara de postcombustión o conducto de descarga: Donde se mezcla el gas y el combustible pulverizado para producir la combustión.
- Sistema de encendido: Puede ser por dardo caliente, chispa o descarga de combustible catalizador.
- Tobera propulsiva: Donde se produce la expansión de los gases; puede ser variable.
- Sistema de control: Regula el flujo de combustible a los quemadores y el área de salida de la tobera.
Aumento del empuje y consumo
El aumento del empuje depende de la relación de las temperaturas absolutas del conducto de descarga antes y después de que el combustible extra se queme. En motores bypass (turbofán) equipados con posquemador, se incrementa el empuje hasta un 70%.
Respecto al consumo de combustible, este es muy alto y se limita a periodos de corta duración. Debido a la elevación de temperatura, el combustible no se quema tan eficazmente como en la cámara de combustión, resultando en un consumo más alto. Inconvenientes: Gasto de combustible elevadísimo, aumento de temperatura en la tobera, incremento de ruido y mayor desgaste en las zonas calientes.