Turbohélice - Turboprop
Un motor turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión .
Un turbohélice consta de una admisión, una caja de cambios de reducción, un compresor , una cámara de combustión , una turbina y una boquilla propulsora . El aire entra en la admisión y el compresor lo comprime. Luego se agrega combustible al aire comprimido en la cámara de combustión, donde luego se quema la mezcla de aire y combustible . Los gases de combustión calientes se expanden a través de la turbina. Parte de la energía generada por la turbina se utiliza para impulsar el compresor. Luego, los gases se expulsan por la parte trasera del motor. A diferencia de un turborreactor , los gases de escape del motor no contienen suficiente energía para crear un empuje significativo, ya que casi toda la potencia del motor se utiliza para impulsar la hélice.
Aspectos tecnológicos
El empuje de escape en un turbohélice se sacrifica en favor de la potencia del eje, que se obtiene extrayendo potencia adicional (más allá de la necesaria para impulsar el compresor) de la expansión de la turbina. Debido a la expansión adicional en el sistema de turbina, la energía residual en el chorro de escape es baja. En consecuencia, el chorro de escape produce aproximadamente el 10% del empuje total. Una mayor proporción del empuje proviene de la hélice a velocidades bajas y menos a velocidades más altas.
Los turbohélices tienen relaciones de derivación de 50-100, aunque el flujo de aire de propulsión está menos definido para las hélices que para los ventiladores.
La hélice está acoplada a la turbina a través de un engranaje reductor que convierte la salida de alto RPM / bajo par en bajas RPM / alto par. La hélice en sí es normalmente un tipo de hélice de velocidad constante (paso variable) similar al que se usa con los motores alternativos de aeronaves más grandes , excepto que los requisitos de control de la hélice son muy diferentes.
A diferencia de los ventiladores de pequeño diámetro utilizados en los motores a reacción turbofan , la hélice tiene un gran diámetro que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una menor velocidad de la corriente de aire para una determinada cantidad de empuje. Como es más eficiente a bajas velocidades acelerar una gran cantidad de aire en un pequeño grado que una pequeña cantidad de aire en un gran grado, una carga de disco baja (empuje por unidad de área del disco) aumenta la eficiencia energética de la aeronave, y esto reduce el uso de combustible.
Las hélices funcionan bien hasta que la velocidad de vuelo de la aeronave es lo suficientemente alta como para que el flujo de aire que pasa por las puntas de las palas alcance la velocidad del sonido. Más allá de esa velocidad, la proporción de la potencia que impulsa la hélice que se convierte en empuje de hélice cae drásticamente. Por esta razón, los motores turbohélice no se utilizan en aviones que vuelan más rápido que 0,6-0,7 Mach . Sin embargo, los motores propfan , que son muy similares a los motores turbohélice, pueden volar a velocidades de vuelo cercanas a 0,75 Mach. Para mantener la eficiencia de la hélice en una amplia gama de velocidades aerodinámicas, los turbohélices utilizan hélices de velocidad constante (paso variable). Las palas de una hélice de velocidad constante aumentan el paso a medida que aumenta la velocidad de la aeronave. Otro beneficio de este tipo de hélice es que también se puede utilizar para generar un empuje inverso para reducir la distancia de frenado en la pista. Además, en el caso de una falla del motor, la hélice puede inclinarse , minimizando así el arrastre de la hélice que no funciona.
Si bien la turbina de potencia puede ser integral con la sección del generador de gas, muchos turbopropulsores en la actualidad cuentan con una turbina de potencia libre en un eje coaxial separado. Esto permite que la hélice gire libremente, independientemente de la velocidad del compresor.
Historia
Alan Arnold Griffith había publicado un artículo sobre el diseño de compresores en 1926. Un trabajo posterior en el Royal Aircraft Establishment investigó diseños basados en compresores axiales que impulsarían una hélice. A partir de 1929, Frank Whittle comenzó a trabajar en diseños basados en compresores centrífugos que utilizarían toda la potencia del gas producida por el motor para el empuje del chorro.
El primer turbohélice del mundo fue diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik . Jendrassik publicó una idea de turbohélice en 1928, y el 12 de marzo de 1929 patentó su invento. En 1938, construyó una turbina de gas experimental a pequeña escala (100 Hp; 74,6 kW). El Jendrassik Cs-1 más grande , con una potencia prevista de 1.000 CV, fue producido y probado en Ganz Works en Budapest entre 1937 y 1941. Tenía un diseño de flujo axial con 15 compresores y 7 etapas de turbina, cámara de combustión anular. Ejecutado por primera vez en 1940, los problemas de combustión limitaron su potencia a 400 CV. En 1941, el motor fue abandonado debido a la guerra y la fábrica pasó a la producción de motores convencionales.
La primera mención de los motores turbohélice en la prensa del público en general fue en la edición de febrero de 1944 de la publicación británica de aviación Flight , que incluía un dibujo en corte detallado de cómo podría ser un posible motor turbohélice en el futuro. El dibujo estaba muy cerca de cómo sería el futuro Rolls-Royce Trent. El primer motor de turbohélice British fue el Rolls-Royce RB.50 Trent , un convertidos Derwent II equipado con engranaje de reducción y un Rotol 7 pies 11 en (2,41 m) de la hélice de cinco palas. Se instalaron dos Trents en el Gloster Meteor EE227 , el único "Trent-Meteor", que se convirtió así en el primer avión propulsado por turbohélice del mundo, aunque un banco de pruebas no destinado a la producción. Voló por primera vez el 20 de septiembre de 1945. A partir de su experiencia con el Trent, Rolls-Royce desarrolló el Rolls-Royce Clyde , el primer motor turbohélice totalmente certificado para uso militar y civil, y el Dart , que se convirtió en uno de los más motores turbohélice fiables jamás construidos. La producción de dardos continuó durante más de cincuenta años. El Vickers Viscount con motor Dart fue el primer avión turbohélice de cualquier tipo que entró en producción y se vendió en grandes cantidades. También fue el primer turbohélice de cuatro motores. Su primer vuelo fue el 16 de julio de 1948. El primer avión turbohélice monomotor del mundo fue el Boulton Paul Balliol , propulsado por Armstrong Siddeley Mamba , que voló por primera vez el 24 de marzo de 1948.
La Unión Soviética se basó en el trabajo de diseño preliminar de turbohélice alemán de la Segunda Guerra Mundial realizado por Junkers Motorenwerke, mientras que BMW, Heinkel-Hirth y Daimler-Benz también trabajaron en los diseños proyectados. Si bien la Unión Soviética tenía la tecnología para crear la estructura del avión para un bombardero estratégico a reacción comparable al B-52 Stratofortress de Boeing , en su lugar produjeron el Tupolev Tu-95 Bear, propulsado con cuatro turbohélices Kuznetsov NK-12 , acoplados a ocho contracorrientes. hélices giratorias (dos por góndola) con velocidades de punta supersónicas para lograr velocidades de crucero máximas superiores a 575 mph, más rápidas que muchas de las primeras aeronaves a reacción y comparables a las velocidades de crucero de la mayoría de las misiones. El Bear serviría como su avión de vigilancia y combate de largo alcance más exitoso y como símbolo de la proyección del poder soviético a lo largo de finales del siglo XX. Estados Unidos utilizó motores turbohélice con hélices contrarrotantes, como el Allison T40 , en algunos aviones experimentales durante la década de 1950. El hidroavión Convair R3Y Tradewind propulsado por T40 fue operado por la Marina de los EE. UU. Durante un breve período de tiempo.
El primer motor turbohélice estadounidense fue el General Electric XT31 , utilizado por primera vez en el experimental Consolidated Vultee XP-81 . El XP-81 voló por primera vez en diciembre de 1945, el primer avión en utilizar una combinación de turbohélice y turborreactor . La tecnología del diseño anterior del T38 de Allison evolucionó hasta convertirse en el Allison T56 , utilizado para impulsar el avión de pasajeros Lockheed Electra , su patrulla marítima militar derivado del P-3 Orion y el avión de transporte militar C-130 Hércules .
El primero, helicóptero eje impulsado con motor de turbina fue el Kaman K-225 , un desarrollo de Charles Kaman K-125 's synchropter , que utilizó un Boeing T50 motor de turboeje para poder que el 11 de diciembre 1.951.
Uso
En comparación con los turbofans , los turbohélices son más eficientes a velocidades de vuelo por debajo de 725 km / h (450 mph; 390 nudos) porque la velocidad del chorro de la hélice (y el escape) es relativamente baja. Los aviones de pasajeros turbohélice modernos operan casi a la misma velocidad que los aviones de pasajeros regionales pequeños, pero consumen dos tercios del combustible por pasajero. Sin embargo, en comparación con un turborreactor (que puede volar a gran altitud para mejorar la velocidad y la eficiencia del combustible ), un avión de hélice tiene un techo más bajo.
En comparación con los motores de pistón, su mayor relación potencia-peso (que permite despegues más cortos) y su confiabilidad pueden compensar su mayor costo inicial, mantenimiento y consumo de combustible. Como el combustible para aviones puede ser más fácil de obtener que el avgas en áreas remotas, los aviones propulsados por turbohélice como el Cessna Caravan y el Quest Kodiak se utilizan como aviones de caza .
Los motores turbohélice se utilizan generalmente en aviones subsónicos pequeños, pero el Tupolev Tu-114 puede alcanzar los 470 kN (870 km / h, 541 mph). Los aviones militares grandes , como el Tupolev Tu-95 , y los aviones civiles , como el Lockheed L-188 Electra , también eran propulsados por turbohélice. El Airbus A400M está propulsado por cuatro motores Europrop TP400 , que son los segundos motores turbohélice más potentes jamás producidos, después del Kuznetsov NK-12 de 11 MW (15.000 CV) .
En 2017, la mayoría de los turbohélice generalizadas aviones en servicio eran el ATR 42 / 72 (950 aviones), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canadá DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Los aviones de pasajeros menos extendidos y más antiguos incluyen BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 y MA700 , Fokker 27 y 50 .
Los aviones comerciales turbohélice incluyen Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air y Super King Air . En abril de 2017, había 14.311 turbopropulsores comerciales en la flota mundial.
Fiabilidad
Entre 2012 y 2016, la ATSB observó 417 eventos con aviones turbohélice, 83 por año, más de 1.4 millones de horas de vuelo: 2.2 por 10,000 horas. Tres eran de "alto riesgo" que implicaban un mal funcionamiento del motor y un aterrizaje no planificado en caravanas Cessna 208 de un solo motor , cuatro de "riesgo medio" y un 96% de "riesgo bajo". Dos incidentes resultaron en heridas leves debido a mal funcionamiento del motor y colisión del terreno en aeronaves agrícolas y cinco accidentes involucraron trabajo aéreo: cuatro en agricultura y uno en una ambulancia aérea .
Motores actuales
El avión de Jane's All the World's . 2005-2006.
Ver también
- Motor a reacción
- Avion a reacción
- Barco de motor
- Propfan
- Ramjet
- Hélice de cimitarra
- Sobrealimentador
- Tiltrotor
- Turbocompresor
- Turbofan
- Turborreactor
- Turboeje
Referencias
Notas
Bibliografía
- Green, W. y Cross, R. El avión a reacción del mundo (1955). Londres: MacDonald
- Gunston, Bill (2006). El desarrollo de motores aeronáuticos a reacción y turbina, 4ª edición . Sparkford, Somerset, Inglaterra, Reino Unido: Patrick Stephens, Haynes Publishing. ISBN 0-7509-4477-3.
- Gunston, Bill (2006). Enciclopedia mundial de motores aeronáuticos, 5ª edición . Phoenix Mill, Gloucestershire, Inglaterra, Reino Unido: Sutton Publishing Limited. ISBN 0-7509-4479-X.
- James, DN Gloster Aircraft desde 1917 (1971). Londres: Putnam & Co. ISBN 0-370-00084-6
Otras lecturas
- Van Sickle, Neil D .; et al. (1999). "Motores turbohélice" . Aviación moderna de Van Sickle . Profesional de McGraw-Hill. pag. 205. ISBN 978-0-07-069633-4.
enlaces externos
- Jet Turbine Planes por LtCol Silsbee USAAF, Popular Science, diciembre de 1945, primer artículo impreso sobre turbopropulsores.
- Wikilibros: propulsión a chorro
- "Desarrollo del turbohélice" un artículo de 1950 Flight sobre motores turbohélice del Reino Unido y EE. UU.