EMPUJE DEL MOTOR EN VUELO

Teniendo en cuenta que se hará referencia al empuje bruto, resistencia al avance por momentodel aire de entrada y empuje neto, puede ser útil en este momento definir estos términos. Elempuje bruto total es la reacción de la variación de cantidad de movimiento de la velocidad delchorro expresado como:

?

( p* -  Po ) A +    Wvj

«

g

La resistencia ai avance por momento del aire de entrada es la resistencia debido a la variaciónde cantidad de movimiento del aire que ingresa al motor con relación a la velocidad del avión,expre­sado como

WV

g

El empuje neto o fuerza resultante que actúa en el avión en vuelo es la diferencia entre elempuje bruto y la resistencia al avance por momento del aire de entrada.

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Se ha establecido que el empuje de un motor estático es principalmente el producto de la masade

aire que pasa por el motor y la velocidad del chorro en la tobera propulsora.

i Esto se expresa algebraicamente como (p — Po ). A +   Wvj  , es decir empuje bruto total.

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Bajo condiciones de vuelo, la resistencia al avance por momento del aire de entrada debe serte- nida en cuenta y sustraerse del peso bruto. Por consiguiente, simplificando, el empuje netopue- de expresarse como ( p — Po ) A + W(vj — V) . La figura 49 da una explicación diagra- mática.                                  .                g

a) Efecto de la Postcombustión en el Empuje del Motor: En condiciones de despegue, laresis­tencia por momento del aire de entrada que fluye por el motor es insignificante, demanera que el empuje bruto puede considerarse igual al empuje neto. Si se seleccionapostcombustión, es posi­ble un aumento en el empuje de despegue del orden del 30 % con elmotor de reacción puro y considerablemente más con el motor de derivación. Este aumento delempuje básico es de mayor importancia para ciertos requerimientos específicos de operación. No obstante, bajo condiciones de vuelo esta ventaja es aún mayor, pues la resistencia de lacanti­dad de movimiento es igual con o sin postcombustión y, debido al efecto de impacto, sehace me­jor uso de cada libra de aire bombeada a través del motor. El ejemplo siguiente,¡lustran porqué el empuje del postquemado mejora bajo condiciones de vuelo. Suponiendo unavelocidad del avión de 600 MPH (880 pies/seg.) entonces: Resistencia al avance por momentodel aire de entrada. 880      = 27,5 Ibs. (aprox.) 32,2 Esto significa que cada libra de aire bombeado, por segundo, a través del motor y aceleradohasta la velocidad del avión produce una resistencia de aproximadamente 27,5 Ibs.Suponiendo que cada libra de aire bombeado por el motor da un empuje bruto de 77,5 libras.Entonces el empuje neto dado por el motor por libra de aire por segundo es 77,5 — 27,5 = 50Ibs. Cuando se selecciona postcombustión el empuje bruto será 1,3 x 77,5 = 107,5 Ibs. Así,bajo esta condición, el empuje neto por libra de aire por segundo será 107,5 — 27,5 = 80 Ibs.Por consiguiente, la relación de empuje neto debido a la postcombustión es 80 =  1,60 50 En otras palabras, el 30 % de aumento en el empuje bajo condiciones estáticas implica un 60% de aumento en el empuje a 600 MPH. Este mayor incremento en el empuje es muy valioso para obtener velocidades mayores enaltitu­des más elevadas. Los consumos de combustible específico y total son altos, pero noexcesivos para dicho incremento en la perfomance. El límite del empuje obtenido es determinado por la temperatura de postcombustión y eloxíge­no existente en la corriente de gas de escape. Siendo que no tiene lugar ningúncalentamiento previo por combustión en el conducto de un motor de derivación, estos motorescon su gran ex­cedente de oxígeno residual son particularmente aptos para la postcombustiónpermitiendo ob­tener incrementos de empuje estático de hasta el 70 %. A elevadas velocidadesde avance se logra varias veces dicha cantidad. b) Efecto de la Velocidad de Avance: Dado que se mencionarán los términos "relación deimpac­to" y número Mach puede ser utilidad definir en este párrafo estos factores. Relación deimpacto es la relación existente entre la presión de aire total en la entrada del com­presor delmotor y la presión de aire estática en la entrada de la toma de aire. El número Mach es unmedio adicional para medir la velocidad y se define como la relación entre la velocidad de uncuerpo y la velocidad local del sonido. Por consiguiente, Mach 1.0 representa una velocidadigual a la velocidad local del sonido. Por la evacuación de empuje, es evid Por la evacuación de empuje, es evidente que si la velocidad del chorro permanece constante,in­dependiente de la velocidad del avión, entonces cuando la velocidad del avión aumenta, elempuje podría disminuir en proporción directa. No obstante, debido al efecto de la "relación deimpac­to" producida por la velocidad de avance del avión, el motor toma aire extra, de maneraque la masa de circulación de aire y también la velocidad del chorro aumentan con la velocidaddel avión. Esto tiende a compensar la resistencia por la variación de cantidad de movimiento de entradaex­tra debido a la velocidad de avance de manera que el empuje neto resultante esparcialmente re­cuperado cuando la velocidad del avión aumenta. En la Figura 50 se ilustrauna curva de tenden­cia típica mostrando este punto.

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Evidentemente, el efecto de la "relación de impacto", o el retorno obtenido en términos deele­vación de presión en la entrada al compresor a cambio de la resistencia de entradainevitable, es de considerable importancia para el turbo-reactor, especialmente en altasvelocidades. Por sobre las velocidades de Mach 1.0, y como resultado de la foemación deondas de choque en la entrada de aire, esta relación de elevación de presión disminuyerápidamente a menos que se coloque una toma de aire adecuadamente diseñada; con unaentrada de aire eficiente, el efecto de la relación de impacto en velocidades supersónicaspuede aumentar significativamente. Cuando la velocidad del avión aumenta en la regiónspersónica, la temperatura del aire de impacto se eleva rápidamen­te de acuerdo a las leyesbásicas del gas. Esta elevación de temperatura afecta proporcionalmente a la temperatura deaire de descarga del compresor y, en consecuencia, para mantener el empuje requerido, e¡motor debe someterse a mayores temeraturas de entrada de turbina. Dado que la máxima temperatura de entrada de turbina permisible es determinada por laslimi­taciones de temperatura del conjunto de la turbina, están involucrados cada vez másciertos fac­tores de diseño relacionados con los materiales de la turbina y las técnicas derefrigeración de las alabes y estatores. Con el aumento de la velocidad de avance, la masa de flujo de aire incrementada debido alefecto de la "relación de impacto" debe ser acompañada por un igual incremento en el flujo decombus­tible siendo el resultado un aumento en el consumo. Debido a que el empuje netotiende a dismi­nuir con la velocidad de avance, el resultado final es un incremento en elconsumo específico de combustible, como se ilustra en las curvas de tendencia para unturbo-reactor típico en la Figura 51.

Con altas velocidades de avance y baja altura el efecto de relación de "impacto" producetensio­nes muy elevadas en el motor y, para evitar las sobretensiones, el flujo de combustiblese reduce automáticamente para limitar la velocidad del motor y flujo de aire. El método decontrol de combustible se reduce automáticamente para limitar la velocidad del motor y flujo deaire. El efecto de la velocidad de avance en un turbo-hélice típico se ilustra mediante las curvas deten­dencia de la Figura 52. Aunque el empuje neto del chorro disminuye, la SHP aumentadebido al efecto de la "relación de impacto" del flujo de masa aumentado e igualado el flujo decombusti­ble. Siendo que es práctica normal expresare! C.E.C. del motor turbo-hélice conrelación al SHP, se presentó un c.e.c. mejorado. No obstante, este no proporciona unacomparación real con las curvas ilustradas en la Figura 52, para un motor turbo-hélice típico,como la SHP es absorbida por la hélice y convertida en empuje y sin considerar un incrementoen la SHP, la eficiencia de la hélice y por consiguiente el empuje neto se deteriora. Avelocidades de avance subsónicas. En consecuencia, el c.e.c. del motor turbo-hélice conrelación al empuje neto podría, en compara­ción general con el turbo-reactor, mostrar unamejora a velocidades de avance bajas pero un rá­pido deterioro en velocidades altas.   

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c) Efecto de Altitud: Con el incremento de altitud la presión de aire ambiente y temperatura sereducen. Esto afecta al motor de dos formas ¡nter-relacionadas: La caída de presión reduce la densidad del aire y en consecuencia la masa de flujo de airedentro del motor durante una velocidad del motor determinada. Esto hace que el empuje o SHPdisminu­ya. El sistema de control de combustible, como se describió, regula la salida de labomba para igualar la masa de flujo de aire reducida, manteniendo así una velocidad constantedel motor. La disminución de la temperatura de aire aumenta la densidad del mismo, demanera que la masa de aire que entra al compresor durante una velocidad determinada delmotor es mayor. Esto hace reducir la masa de flujo de aire a un valor inferior y así compensade alguna manera por la pérdida de empuje debido a la caída de la presión atmosférica. Enaltitudes por encima de 36.089 pies y hasta 65.617 pies, sin embarho, la temperaturapermanece constante, y el empuje o SHP es afec­tado solamente por la presión. Los gráficos que muestran el efecto de tendencia de altitud típico en el empuje, SHP yconsumo de combustible se ilustran en la Figura 53 y 54. 

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d) Efecto del Clima: En un día frío la densidad del aire aumenta de manera que la masa de aireque entra al compresor durante una velocidad determinada del motor es mayor, enconsecuencia el empuje o SHP también es mayor. No obstante, el aire más denso incrementala potencia reque­rida para accionar el compresor o compresores; de esta manera el motorrequerirá más combusti­ble para mantener la misma velocidad del motor o funcionará a unavelocidad reducida del mo­tor si no se dispone de aumento en el combustible. No obstante, el sistema de control de combustible controla el flujo de combustible de maneraque mantenga flujo máximo prácticamente constante en condiciones de baja temperatura deaire, con lo cual la velocidad del motor obtenible disminuye pero, debido a que la masa de flujode aire fue incrementada como resultado del aumento de la densidad del aire, el empujepermanece igual. Por ejemplo, el sistema de control de combustible combinado con laaceleración y velocidad programa el flujo de combustible para mantener las RPM del motorconstante, por consiguiente el empuje aumenta, cuando la temperatura de aire disminuye hastaque, a una presión de descar­ga del compresor predeterminada, el flujo de combustible esautomáticamente controlado para mantener una presión de descarga del compresor constantey, por lo tanto, el empuje. La Figura 55 ilustra esta función con relación a un motor de dosrotores donde las RPM controladas del mo­tor son la velocidad del compresor de alta presión yla presión de descarga del compresor se ex­presa como P3. También será evidente mediante este gráfico que la velocidad del compresor de baja presiónes siempre menor que la del compresor de A.P. y que la diferencia es reducida por unadisminución en la temperatura del aire ambiente. Para evitar la sobrevelocidad del compresor de B.P., el flujo de combustible también escontro­lado por un gobernador de B.P.  

El sistema de control de combustible de proporción de presión programa el flujo de combustiblepara mantener una proporción constante de presión del motor y, por consiguiente, el empujepor debajo de una temperatura de aire ambiente predeterminada. Por sobre esta temperaturael flujo de combustible es controlado automáticamente para evitar que exceda de los límites detempera­tura de gas de la turbina, dando así por resultado un empuje reducido y, siendo engeneral, las ca­racterísticas de las curvas similares a las ilustradas en la Figura 55. En el casode un motor de tres rotores, la proporción de presión se expresa como P4/P1, es decir, presiónde entrega del compre­sor de A. P./presión de entrada del motor. En un día caluroso la densidad del aire disminuye, reduciendo así la masa del aire que entra alcompresor, y consecuentemente, el empuje del motor para las RPM determinadas. Siendo quese requerirá menos potencia para accionar el compresor, el sistema de control de combustibleredu­ce el flujo de combustible para mantener una velocidad constante del motor o temperaturade gas de la turbina, según se consigne; no obstante, debido a la disminución de la densidaddel aire, el empuje será inferior. Con una temperatura de 45°C, dependiendo del tipo de motor,puede ex­perimentarse una pérdida de empuje de hasta 20%. Esto significa que puedenecesitarse alguna clase de sistema de aumento de empuje tal como la inyección de agua.   

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