Vamos a explicar con algo de detalle como funciona un turborreactor, de una forma más o menos entendible, pero entrando un poco en esos detalles que nunca se explican.

Bueno vamos allá:

El Ciclo Brayton

Existe una ciencia, llamada termodinámica, que se encarga de estudiar y definir los intercambios energéticos que se producen entre diferentes cuerpos, reacciones etc. Uno de los campos de estudio de la termodinámica se centra en los llamados ciclos termodinámicos. Por qué existen estos ciclos termodinámicos y qué son realmente??

Bueno la termodinámica tiene una serie de leyes (2 para ser exactos, 3 si se incluye el principio cero como ley ). La 2ª ley de la termodinámica nos dice que “es imposible transformar de forma integra calor en trabajo”

Esta ley ya nos explica muchas cosas. La primera, por qué los motores térmicos son tan pésimos. La segunda, por qué todo tiende a motores eléctricos y en general motores donde no intervenga ningún proceso de combustión de cualquier tipo. Por eso, aun pudiéndose usar el metano directamente en los motores de pistón de los coches, con algunas modificaciones, sin embargo se usa para generar energía eléctrica mediante una pila de hidrógeno (sí, de hidrógeno, hay pilas de hidrógeno que funcionan con metano, de hecho es la que tiene más posibilidades de salir al mercado) que mueve un motor eléctrico. Pero bueno ese es otro tema.

Como iba diciendo, es imposible transformar de forma integra calor en trabajo, pero aún así hay maneras mejores y peores de hacer esa transformación. Y ahí entra en juego los ciclos termodinámicos. Un ciclo termodinámico es el conjunto de procesos necesarios para poder extraer trabajo mecánico (o de otro tipo) a partir de otra forma de energía, generalmente calor.

El mejor ciclo termodinámico, el que matemáticamente da el mayor rendimiento, se llama ciclo de Carnott. Por qué no se usa? Pues porque lo que matemáticamente es ideal no tiene por qué ser lo más facil o sencillo de construir. Y aún así los rendimientos son muy bajos (30-40%).

Como el ciclo de Carnott en la práctica equivaldría a usar máquinas gigantescas por sus características, se fueron desarrollando otros ciclos que posibilitasen la extracción de trabajo a partir de calor. Actualmente hay muchos, los más famosos son el ciclo de Otto (motores de pistón) y el ciclo Brayton (motores a reacción). No sólo existen esos, hay muchos más aunque no se usan mucho; uno que también se usa es el ciclo Stirling, sobre todo para extraer energía a partir de paneles solares reflectantes.

El Cilco Brayton, que es el que usa los motores a reacción, está formado por varios procesos:

1.- Admisión: El aire pasa de un estado estacionario lejos del motor, a acelerarse hasta llegar justo en la entrada; es un proceso que aumenta la presión y es ISENTRÓPICO (es decir, que su entropía permanece constante, o en cristiano, que se produce sin pérdidas jaja).

2.- Compresor. El aire pasa a través de una serie de etapas de compresión, donde se calienta y se aumenta su presión. A pesar de lo que la gente suele pensar, la velocidad se mantiene constante a través de las etapas de compresión; de hecho el aumento de presión se consigue acelerando el aire y luego frenándolo isentrópicamente en rotor y estátor respectivamente (en un compresor axial). Hablaremos de esto más adelante.

3.- Cámara de combustión. El aire, a alta presión, se le inyecta combustible y pasa por un quemador que hace combustionar la mezcla. En este ciclo, la combustión se realiza a presión constante; por esto mismo al ciclo Brayton a veces se le llama “ciclo de presión cte”, frente al Otto, llamado “ciclo a volumen cte”.

4.- Turbina. Su misión es extraer energía del fluido, disminuyendo su presión de forma que esa energía sea la misma que la que le tiene que aportar al compresor. La presión a la salida de la turbina dependerá de la demanda del compresor en ese momento; estudiando las ecuaciones se puede ver como varia esta demanda en funcion de la velocidad de vuelo, de la altitud, etc…

5.- Tobera. La tobera tiene la importante misión de convertir la presión de salida de la turbina en velocidad de salida del flujo. Se comporta como una tobera de Laval, con lo que a menudo, sobre todo en turborreactores puros, puede producirse bloqueo sónico a la salida (se forma una onda de choque); para eso existen las toberas de geometría variable que eliminan este problema.

Aquí está el diagrama del ciclo Brayton:

Clickear en la imagen para verla en su tamaño correcto.

Una de las características de los ciclos es que, efectivamente, son ciclos xD y por tanto no tienen ni principio ni fin en realidad, son una línea cerrada. El gráfico mostrado es el que se usa en este tipo de ciclo, Temperatura frente a Entropía; en otros ciclos, como el ciclo Otto, se suele representar Presion frente a Densidad (o Volumen, segun como se vea), con lo que el trabajo extraído es justamente el area interior del ciclo.

En el esquema corresponde al ciclo ideal, suponiendo que no existe pérdidas en ningún lado. Es decir, es el ciclo suponiendo que no hay resistencia aerodinámica, ni rozamiento entre piezas ni nada de nada; todo ideal. Pues bien, aún así, el rendimiento del turborreactor sale por debajo del 40%.

Las líneas p3 y p0 son lineas llamadas “isobáricas” porque son a presión constante; coincide con el proceso de combustión (p3) y la salida (p0, que es la presión del aire tranquilo, suficientemente lejos del avión). Hablar aquí del significado de “Entropía” y de su implicación en esta gráfica es demasiado pro :xd: y no aportaria gran cosa, así que lo dejamos así.

Los compresores y turbinas. Como funcionan

Una de las partes más críticas, aerodinámicamente hablando son los compresores. Tienen que ir comprimiendo el aire evitando desprendimiento en los álabes, lo que realmente es complicado al ser el gradiente adverso. Las turbinas sin embargo, el diseño aerodinámico es muy simple, ya que las pérdidas son muy pequeñas, la única cosa que tienen que tener cuidado es que el aire no se acelere a velocidades supersónicas, que eso sí que sería un problema, pero vamos. El problema de las turbinas es de carácter mecánico; tienen que aguantar un giro a 20.000 rpm, que genera unas fuerzas centrífugas tremendas, soportando un chorro a más de 1000ºC que choca a alta velocidad con las palas. Los materiales y los sistemas de contrucción de los álabes de turbina son cosa fina, se usan unos procedimientos que son la ostia y se usan de todo para que los álabes resistan. Es un tema muy interesante la verdad.

Más de uno se habrá preguntado cómo consigue un compresor axial comprimir el aire. Voy a intentarlo explicar de la forma más resumida posible.

En este esquema se muestra la evolución de algunas magnitudes a lo largo del compresor. Fíjemonos en la velocidad.

Antes dije que la velocidad a lo largo del compresor se mantiene constante. Eso es parcialmente cierto. Como se puede ver la velocidad al principio y al final del compresor es la misma, pero fluctua a lo largo de cada etapa.

Efectivamente, el movimiento rotatorio del rotor le introduce una componente rotatoria a la velocidad que, sumada a su velocidad longitudinal, hace que el módulo (el total) de la velocidad aumente. A parte de esto, se aumenta la velocidad longitudinal haciendo que el borde de salida de los álabes sean convergentes, y por tanto se disminuya el área de salida frente al área de entrada.

Una vez acelerado el fluido pasamos a desacelerarlo en el estátor. El estator sirve para eliminar la componente rotacional; esa “velocidad” no la eliminamos en realidad, la energía ni se crea ni se destruye; por lo que pasa, por un lado, a calentar el fluido (cosa que nos da igual, más o menos), y por otro, a aumentar la presión, que es lo que nos interesa. Una pequeña parte de la energía se pierde calentando el álabe, generando turbulencias, etc; por eso no es un proceso perfecto y hay que tener en cuenta las pérdidas.

Como se puede ver en el gráfico, efectivamente conforme vamos pasando las etapas la presión es cada vez más y más grande. ¿Os habeis preguntado alguna vez por qué los primeros álabes son mucho más grandes que los últimos? No os preocupeis, os lo cuento xD . Como tiene que salir el mismo que entra, si comprimimos el aire (más que lo que lo calentamos) su densidad aumenta. Si su densidad aumenta, y la velocidad se mantiene constante… ¿como hacemos que salga la misma cantidad de aire de la que entra?. Muy facil, disminuyendo el área. Si esto no fuera así, el compresor no comprimiría, ya que ni la velocidad sería constante, ni la densidad aumentaria.

Las turbinas funcionan exactamente igual solo que a la inversa (Aquí primero está el estátor, y luego el rotor); sin embargo, como antes dije, funcionan con un gradiente favorable de presiones, con lo que se pueden colocar grandes álabes con mucha curvatura, que extraen mucha energía del aire sin apenas pérdidas, y por eso mismo es por lo que existen 15 etapas del compresor o más, frente a 2 o 3 de turbinas.