Turbina de Avión: Turboventilador
El turboventilador, también conocido como turbofan, es un tipo de turbina usada principalmente en aviones comerciales de gran tamaño y altas velocidades.
Es importante recordar que una turbina, también llamada turbomáquina motora o motor a reacción, es un dispositivo que utiliza la energía producto del flujo de un fluido para generar trabajo mecánico mediante el uso de componentes conocidos como álabes y rotor.
Al igual que en un turborreactor, el principio de funcionamiento se basa en 4 fases que están presentes luego de la entrada de aire y en el siguiente orden:
- Admisión (toma de aire)
- Compresión (compresor de flujo axial)
- Combustión (cámara de combustión)
- Expansión y empuje (turbina de gas y tobera)
Sin embargo, en el caso del turboventilador, existe una diferencia importante. En la toma de aire se sitúa un ventilador que permite dividir el aire que entra en dos flujos, uno que pasa a través de los compresores de flujo axial (de baja y alta presión) conocido como flujo primario y otro flujo que se deriva a través de un anillo concéntrico al núcleo de la turbina, llamado flujo secundario.
Dicho esto, veamos con mas detalle cada uno de los componentes de un turboventilador para entender mejor su funcionamiento.
Componentes de un turboventilador
Toma de aire y ventilador.
Como se dijo anteriormente es la primera fase del funcionamiento del turboventilador. Aquí se encuentra el ventilador, el cual se encarga de producir la mayor parte del empuje generado. El aire del medio exterior es tomado para pasar a través del ventilador hacia las siguientes fases del turboventilador. Sin embargo, la mayor parte del aire es derivado para que viaje alrededor del núcleo por el anillo secundario, acelerado únicamente por el ventilador. Existen dos compresores dentro de un turbo ventilador, el compresor de baja presión y el compresor de alta presión (en ese orden). En cuanto a diseño, son similares al ventilador, pero tienen un menor tamaño. Son utilizados para preparar el aire antes de entrar a la cámara de combustión al agregarle energía (presión y calor). Suelen usar ejes concéntricos para permitir el ajuste de la velocidad en cada etapa con el fin de aumentar la eficiencia. La compresión del aire se logra al hacerlo moverse de una etapa a otra reduciendo el diámetro de la sección transversal.
Cámara de combustión.
Justo en la ultima etapa del compresor de alta presión se encuentra la entrada a la cámara de combustión. Allí, el combustible entra por inyección para mezclarse con el aire comprimido. Luego, la mezcla es quemada aumentando bruscamente la temperatura del flujo y aumentando así su energía. Como sucede en la fase de compresión, en la fase de expansión se encuentran dos turbinas. Una turbina de alta presión y una de baja presión (en ese orden). El flujo caliente y energizado, proveniente de la cámara de combustión pasa a través de los álabes de la turbina de alta presión y luego a través de los álabes de la turbina de baja presión, haciendo girar a los ejes conectados a los compresores y al ventilador, con la finalidad de mantener el proceso continuo, lo que mantiene a su vez el empuje continuo. La sección transversal va aumentando de diámetro lo que permite la expansión del flujo y por ende la entrega de energía a las turbinas para lograr el movimiento de los ejes antes mencionados. El flujo de los gases de combustión pierde velocidad al expandirse en las turbinas de alta y baja presión, por lo que es necesario el uso de una tobera en la boca de salida de dichos gases. Así, al salir de la turbina de baja presión, el flujo es acelerado por la brusca reducción de sección en la tobera, lo que genera el empuje deseado.Conducto de flujo secundario.
Como se mencionó anteriormente, la mayor parte del aire empujado por el ventilador viaja a través del conducto de flujo secundario que se encuentra concéntrico alrededor del núcleo de la turbina. El diseño de este conducto se realiza de manera cuidadosa para garantizar una óptima mezcla a la salida con el flujo primario y minimizar así las pérdidas de energía y empuje.
Justo en la ultima etapa del compresor de alta presión se encuentra la entrada a la cámara de combustión. Allí, el combustible entra por inyección para mezclarse con el aire comprimido. Luego, la mezcla es quemada aumentando bruscamente la temperatura del flujo y aumentando así su energía. Como sucede en la fase de compresión, en la fase de expansión se encuentran dos turbinas. Una turbina de alta presión y una de baja presión (en ese orden). El flujo caliente y energizado, proveniente de la cámara de combustión pasa a través de los álabes de la turbina de alta presión y luego a través de los álabes de la turbina de baja presión, haciendo girar a los ejes conectados a los compresores y al ventilador, con la finalidad de mantener el proceso continuo, lo que mantiene a su vez el empuje continuo. La sección transversal va aumentando de diámetro lo que permite la expansión del flujo y por ende la entrega de energía a las turbinas para lograr el movimiento de los ejes antes mencionados. El flujo de los gases de combustión pierde velocidad al expandirse en las turbinas de alta y baja presión, por lo que es necesario el uso de una tobera en la boca de salida de dichos gases. Así, al salir de la turbina de baja presión, el flujo es acelerado por la brusca reducción de sección en la tobera, lo que genera el empuje deseado.¿Cuáles son los beneficios del ventilador a la entrada del aire y de la derivación del flujo?
Uno de los mayores problemas presentes en las turbinas del tipo turborreactor son el alto nivel de ruido que producen y que su eficiencia es alta sólo a velocidades supersónicas, por lo cual generalmente se usan en aplicaciones militares. Así, entre los beneficios que encontramos al utilizar turboventiladores tenemos:
- Disminución de ruido.
- Disminución de contaminación.
- Disminución del consumo específico de combustible (aumento de eficiencia).
- Aumento de rendimiento.
Todos estos beneficios dependen del índice de derivación, el cual representa la relación entre el flujo de masa (aire) secundario con respecto al primario. A mayor índice de derivación, mayor será la disminución del ruido, de la contaminación y del consumo. No obstante, esta mejora tiene su precio, pues al aumentar el índice de derivación, el empuje generado por la aceleración del aire a la salida de la tobera se ve reducido. Debido a esto, los turboventiladores de alto índice son utilizados para aviones comerciales donde existe un mayor interés en la reducción del ruido, mientras que los de bajo índice de derivación son preferidos para aplicaciones militares donde no se desea dicha pérdida de empuje.
Queda claro que las turbinas del tipo turboventilador son una versión mejorada de los turborreactores, por lo cual son las que se consiguen con mayor frecuencia en los modelos más modernos de aviones, tanto comerciales como los usados a nivel militar. Como se explicó, basta ajustar el índice de derivación de acuerdo con la aplicación para obtener los resultados deseados.