Esta semana, junto con Tomás Unger analizaremos de forma resumida la historia y las características de las turbinas que proporcionan potencia a las aeronaves.
Tomás Unger nos sigue contando la historia de los motores. Esta semana nos trae información sobre la notable turbina de gas. (Ilustración: Raúl Rodríguez)
La semana pasada hicimos una breve explicación sobre los motores de combustión interna y externa. Mencionamos que además del conocido motor de pistones del automóvil, hay otros de combustión interna. Uno de ellos es la notable turbina de gas.
–Turbina de gas–
La turbina de gas tiene más de 200 años. Fue patentada en 1791 por el inglés John Barber. Esta patente incluye la mayoría de los elementos de la turbina moderna, pero nunca fue construida.
La primera turbina de cuya aplicación y uso hay memoria fue la patentada en 1884 por el anglo-irlandés Charles Parsons, quien demostró su superioridad al usarla para equipar el barco Turbinia (1894). Esta embarcación alcanzó velocidades de 34 nudos –los navíos más rápidos de la Marina inglesa alcanzaban 27 nudos– y revolucionó la industria naviera. Al año siguiente, una turbina de Parsons de 100 kilovatios (kW) fue instalada en la central eléctrica de Cambridge, en Inglaterra.
En 1912, Parsons perfeccionó la turbina de engranaje, una mejora revolucionaria que aceleró su adopción. Hasta los años 30, la única aplicación de la turbina para el transporte fue en los barcos, pero ya en la década de 1920 se tenía la idea de usarla para la propulsión de aviones.
“Hoy, todos los aviones comerciales grandes son turbofán”.
–El jet–
La propuesta consistía en emplear gas a alta temperatura y presión: gas expulsado como un chorro por una tobera (dispositivo por donde se expulsan los gases) que permitiría el movimiento de un avión por retropropulsión. Se trata de una aplicación de la tercera ley de Newton (reacción en sentido opuesto a la fuerza).
En 1928 el Ente, del ingeniero Alexander Lippisch, fue el primer avión de reacción o propulsión a chorro en volar. El inglés Frank Whittle patentó y construyó el primer turborreactor, pero fue el alemán Hans von Ohain el primero en utilizarlo para propulsar un avión de producción en serie: el turborreactor de combate alemán Heinkel He 178 (1939). Esto no se supo entonces por ser secreto militar.
En cambio, el italiano Caproni N1, que voló en 1940, fue reconocido como el primer turborreactor (jet) por la Federación Aeronáutica Internacional. Al Caproni N1 lo siguieron varios jets ingleses, pero el primer avión de combate operativo fue el caza alemán Messerschmitt Me 262 (1944). Hoy el jet militar más veloz es el Lockheed SR-71,que alcanza 3.661 km/h.
–El jet civil–
Jetliner es un avión de pasajeros propulsado por turbinas de gas. Usualmente tiene 2 o 4 motores. El primer jet de pasajeros fue el De Havilland Comet (1952). Era más rápido, silencioso y estaba menos sujeto a turbulencia que los aviones de hélice. Desgraciadamente tuvo que ser retirado.
Estos aviones tuvieron varios accidentes debido al uso de aleaciones de aluminio que sufrían fatiga de material y causaban la rotura catastrófica de las alas. Mientras tanto, Boeing desarrolló el 707, un cuatrimotor que dominó la aviación civil.
Los grandes jets generalmente vuelan a una altura de más de 10.000 m a Mach 0,8 (Mach 1 es igual a 1.235 km/h, la velocidad del sonido). Los aviones de hélice alcanzan su máxima eficiencia a altitudes y velocidades menores. El problema de los jets es que, tanto en el despegue como en el aterrizaje, tienen que volar a menos de 10.000 m, donde su eficiencia es muy baja. Por esta razón, en los años 50 el turbofán reemplazó al turborreactor.
El turbofán o turborreactor de doble flujo tiene una hélice interna delante de la turbina y en el mismo eje. Tiene la misma configuración que su antecesor: turbocompresor, cámara de combustión, turbina y tobera, pero el tubo es más ancho. Esto deja un espacio libre entre la turbina y el tubo externo del motor; de este modo, el aire que sopla la hélice también sirve para empujar al avión por reacción. Los motores turbofán contaminan mucho menos que los turborreactores, ya que solamente 30% del aire que expulsan ha sido mezclado con combustible.
Hoy, todos los aviones comerciales grandes son turbofán. Para los recorridos más cortos existe el turboprop, que tiene una turbina y una hélice. A diferencia del motor de pistón, en el turboprop la hélice no va en el mismo eje de la turbina.
“Los aviones de hélice alcanzan su máxima eficiencia a altitudes y velocidades menores”.
Para evitar que las puntas de una hélice alcancen la velocidad del sonido, hay que acortarlas. El motor de turboprop tiene hélice de más de cuatro palas, pero más cortas y anchas. Esa hélice, aunque pase de 3.000 revoluciones por minuto, está muy lejos de la velocidad de la turbina. Mientras el motor a hélice generalmente se mantiene alrededor de 2.500 revoluciones por minuto, una turbina llega fácilmente a 30.000. Por esa razón hay un mecanismo de engranajes, como una caja de cambios, que reduce la velocidad del eje de la hélice.
Este mecanismo de reducción con engranajes permite poner la hélice más alto que la turbina, lo cual la aleja del suelo y permite un tren de aterrizaje más corto y liviano. El ahorro es sustancial.
–La aviación civil–
Tanto el turbofán como el turboprop están desplazando al motor de pistón. La excepción son los ultraligeros, que tienen un pequeño motor de dos tiempos (la Federación Internacional del Automóvil no los considera aviones). Todos los fabricantes de aviones civiles están utilizando turboprop. Los fabricantes de aviones privados como Beechcraft y Piper tienen bimotores turbofán y turboprop.
–El futuro–
Hace más de un año que se ha agudizado la campaña por evitar gases de efecto invernadero, de los cuales la aviación es uno de los grandes productores. Hay una campaña por reducir los vuelos e invertir en mejorar la eficiencia de los aviones. Sin embargo, por la pandemia del COVID-19 todo ha cambiado. El transporte aéreo, que contribuyó a propagar el coronavirus, es uno de los sectores más afectados. La mayoría de los aviones civiles están parados y los vuelos comerciales se han reducido al 10% del tráfico del 2019.
La situación de las compañías aéreas y fabricantes de aviones se ha vuelto dramática. Ciertas aerolíneas ya se han declarado bancarrota y algunos fabricantes han parado la producción. Luego de la pandemia, la aviación comenzará una nueva era.
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