Mucho se ha hablado sobre el sobrecoste del proyecto, sobre las pérdidas que está produciendo en la matriz de la compañía. En foros se habla sobretodo del coste para los ciudadanos europeos que este avión nos acarreará en un futuro, de lo caro que es el avión en comparación con un C-17 Globemaster que puede cargar mucho más tonelaje que el A400M, sin tener en cuenta el coste del primero en su “concepción”, de si realmente el A400M nació para sustituir al C-130 Hércules, de por qué es un turbohélice…

Para todas estas preguntas encontraréis respuestas de primera mano en un artículo escrito por los compañeros de Aergenium realizado para la revista de ingeniería “Ingenio”. Recomiendo encarecidamente su lectura, a mi me despejó muchas dudas sobre el proyecto, y el hueco que cubrirá si todos los impedimentos que ha tenido el proyecto hasta ahora se solucionan.

Aquí podeís encontrar el link para bajarlo en formato .PDF o poder leerlo en Slideshare.

Que lo disfrutéis.

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.

En general, para velocidades de vuelo bajas, el turbohélice no tiene rival en cuanto a eficiencia y consumo, mucho menor que los turbofanes corrientes. Es un hecho sin embargo que la “gente” de a pie considera un avión propulsado por hélice como un avión “antiguo”, aunque su diseño tenga sólo un puñado de años y cuente con los últimos avances tecnológicos. Penosamente, mercados dónde un turbohélice es la opción sin duda alguna imbatible en cuanto a costos y consumo como es el de los viajes regionales están siendo ocupados cada vez más con aviones turbofanes que no son los más adecuados por el simple peso de la mentalidad arcaica de los viajeros. Pero en fin, ese es otro tema.

A mediados de los años 80, la crísis del petróleo obligó a los principales fabricantes de motores a buscar alternativas para “romper” la barrera de los consumos y conseguir disminuciones importantes sin empeorar las prestaciones. Ya que el turbohélice era la variante del generador de gas que mejores rendimientos ofrecía, se comenzó a trabajar en su rediseño para adecuarlo a las altas velocidades.

Los problemas

El problema básico que tiene un turbohélice a altas velocidades subsónicas es que las puntas de la hélice pueden alcanzar velocidades supersónicas y formarse ondas de choque, con lo que la ventaja en cuanto a rendimiento se pierde completamente.

Las soluciones a este problema son simples conceptualmente: La primera, construir hélices más cortas, ya que cuanto menor es el brazo, menores velocidades se alcanzan en las puntas. La segunda es adecuar el diseño para intentar evitar el bloqueo sónico, en concreto introducir una cierta “flecha” a las hélices, igual que se hizo con las alas de los aviones. Ya los alemanes en la IIGM probaron configuraciones interesantes de hélices preparadas para alta velocidad introduciendo cierta flecha.

Los problemas no acaban ahí. El eje interno de un turborreactores puede alcanzar sin problemas velocidades de hasta 15.000 rpm. Sin embargo, una hélice habitual suele rondar los 2000-4000 rpm. Los turbohélices llevan consigo una pesada “gearbox” o reductora para adecuar las revoluciones, pero esto trae pérdidas mecánicas por rozamiento y un peso y complejidad bastante indeseables. En proyectos futuristas de propfans se propuso intentar conectar directamente las hélices con el eje y evitar así el uso de reductoras

Los primeros diseños

La NASA comenzó a trabajar en hélices adecuadas para alta velocidades en los años 70. Ya los rusos contaban sin embargo con aviones de hélices capaces de volar a velocidades muy superiores a las que volaba cualquier turbohélice de la época:

El Tupolev Tu-95, por ejemplo, era capaz de igualar la velocidad de los bombarderos americanos de su época con el uso de dos hélices contrarrotativas de pequeño diámetro. Es una solución que se adoptó para los propfan, puesto que poner varias hélices de pequeño diámetro para la misma potencia que proporciona una hélice de gran tamaño es mucho más eficiente, ya que las velocidades que se alcanzan en la punta de la hélice son menores.

Sin embargo, el Tupolev seguía siendo un turbohélice tradicional, donde la potencia proporcionada por el generador de gas iba prácticamente a parar a mover la hélice, y poca se dejaba para generar empuje.

Las conclusiones de la NASA se aplicaron en un motor de nuevo diseño que fabricó General Electric. Se trataba de un motor experimental, el UDF, tomando como base el turbofan militar F-404. El motor en sí puede considerarse el primer propfan, ya que tiene todos los rasgos característicos de esta clase de motores. Primero, una buena parte de la potencia se usaba en mover las hélices, pero no toda. Se dejaba otra parte para generar empuje, lo cual concuerda con el reparto óptimo de energías predichos por las ecuaciones termodinámicas para el vuelo altamente subsónco. Por otro lado, las pequeñas hélices iban directamente acopladas a una turbina libre de baja presión. Con esto evitaba conectarse al eje principal, con un giro mucho más rápido, y se evitaba poner una reductora. Por esto mismo también las hélices están situadas en la parte trasera, en configuración propulsora en vez de tractora.

Aunque los turbohélices también suelen ir conectados a una turbina de baja libre, sin embargo el diseño de la turbina en sí es bastante diferente. En el UDF la turbina de baja está compuesta por 14 etapas de diseño especial para que la velocidad de giro final sea lo menos posible, aportando la mayor potencia y las menores pérdidas. Lo normal es que la turbina de baja tenga 2 o 3 etapas como mucho. Cabe notar sin embargo que el régimen de giro de las hélices de un propfan sin reductora son mayores sin embargo que el de un turbohélice normal, y sus hélices estan expresamente diseñadas para funcionar a altas velocidades de giro como ya habiamos indicado antes.

Se probó a bordo de un MD-80 y los resultados fueron bastante prometedores: un 30% menos de consumo frente a los JT8D que montaban la serie 80 de MDD. Todo un logro para un primer prototipo con aún muchas cosas que pulir.

Sin embargo, se reportaron fuertes vibraciones y un ruido bastante superior al de un turbofan típico. Rediseños de la hélice y del sistema mecánico consiguieron que cumpliese las normativas Stage III y reducir la vibración a valores admisibles, con modelos capaces de cumplir la normativa Stage IV en el tablero de diseño.

Boeing y McD comenzaron a sacar diseños de aviones que usaban Propfan, el Boeing 7J7 y el MD-94X. Era el motor del futuro, iba a dejar desfasados todos los demás motores, comenzaron a aparecer diseños cada vez más avanzadas en los tableros de los mayores fabricantes de motores…

Y de repente, todo se paró, se acabó. Los fabricantes abandonaron todos sus proyectos y volvieron a sus antiguos turbofanes. Rusia sin embargo contínuo su desarrollo, pero versiones más convencionales y parecidas a un turbohélice que a un propfan realmente. El Progress D-27 es el propfan montado en el An-70:

Y probablemente vaya a ser el primer propfan en servicio. Sin embargo, su configuración es mucho más convencional; tiene hélices impulsoras y una reductora como en los turbohélices para disminuir la velocidad de giro. Lo único que lo hace especial realmente es que, efectivamente, una gran parte del empuje se realiza más en la tobera que en las hélices realmente.

Actualidad

Y sin embargo, actualmente de nuevo vuelven a sonar las campanas que llaman a desenpolvar los viejos diseños de propfan desarrollados por General Electric y Pratt&Whitney. Las sucesivas crisis petroleras y la escalada del precio de los combustibles obligan a los fabricantes de motores a investigar nuevas formas para obtener reducciones importantes en el consumo, y ésta parece la más prometedora. ¿Veremos algún día propfans como los substitutos de los turbofans? Bueno, no sé. Todo depende desde luego de lo que nos quieran vender los fabricantes de motores. Lo que está claro es que cuando uno se atreva a dar el paso y tirarse a la piscina, su éxito está asegurado y conseguirá tener una importante ventaja frente a sus competidores. Quizás se repita la historia de Rolls-Royce y su Rb-211, motor que lo hizo quebrar pero que posteriormente lo ha convertido en líderes en el mercado (gracias a su sistema de tres ejes único).

amalahama