Fundamentos del Funcionamiento de los Motores de Turbina

021-11-01Pablo Asensio Martínez2026-03-243 min

Un motor de turbina de gas es un motor térmico que usa aire como fluido de trabajo para producir empuje. Opera bajo el Ciclo Brayton.

Principio de Funcionamiento (Ciclo Brayton)

Al igual que un motor de pistón (Ciclo Otto), una turbina de gas tiene cuatro fases: Admisión, Compresión, Combustión y Escape.

  • Proceso Continuo: A diferencia del motor de pistón intermitente, el proceso de la turbina de gas es continuo.
  • Presión Constante: La combustión ocurre a presión constante (el volumen y la temperatura aumentan), mientras que en un motor de pistón, ocurre a volumen constante.

Componentes Principales

El aire fluye axialmente de adelante hacia atrás:

  1. Toma de Admisión: Diseñada para reducir la velocidad del aire (presión dinámica) y aumentar la presión estática y temperatura (conducto divergente) antes del compresor.
  2. Compresor: Aumenta la presión del aire. Puede ser axial o centrífugo.
  3. Cámara de Combustión: Mezcla combustible con aire comprimido y lo quema a presión constante.
  4. Turbina: Extrae energía de los gases calientes en expansión para mover el compresor (y el fan/hélice).
  5. Tobera de Escape: Acelera los gases de escape para producir empuje (conducto convergente aumenta velocidad, disminuye presión).

Tipos de Motor

Turborreactor / Turbofan

  • Eje Simple (Single Spool): Un eje conecta compresor y turbina.
  • Eje Múltiple (Twin Spool):
    • N1 (Baja Presión): Fan + Compresor de Baja (LP) movidos por Turbina de Baja (LP).
    • N2 (Alta Presión): Compresor de Alta (HP) movido por Turbina de Alta (HP).
    • Los ejes rotan mecánicamente independientes.
  • Índice de Derivación (Bypass Ratio): Relación entre el aire que evita el núcleo y el aire que pasa por el núcleo (compresor de alta).
    • Fórmula: Bypass Ratio = (Flujo Total Entrada - Flujo Núcleo HP) / Flujo Núcleo HP
    • Los motores de alto índice de derivación son más eficientes (menor SFC) y silenciosos.

Turbohélice / Turboeje (Turbina Libre)

  • Generador de Gas: El motor núcleo (Compresor + Combustión + Turbina del Compresor) crea gas de alta energía.
  • Turbina Libre: Una turbina separada (mecánicamente independiente del núcleo) extrae energía para mover una hélice o rotor vía una caja reductora.
  • Control:
    • Palanca de Potencia: Controla el flujo de combustible (velocidad del Generador de Gas/N1).
    • Palanca de Hélice / CSU: Ajusta el ángulo de pala para mantener constantes las RPM de la hélice/turbina libre (N2/Np).

Conceptos de Rendimiento

Empuje (Thrust)

  • Empuje Estático: Cuando el avión está estacionario.
    • Produce Fuerza, pero Cero Potencia Mecánica (Potencia = Fuerza x Velocidad; si Velocidad es 0, Potencia es 0).
    • Igual al producto del flujo másico y la velocidad de escape (más el término de presión).

Consumo Específico de Combustible (SFC)

  • Turborreactor/Turbofan: Flujo de combustible por unidad de Empuje. Unidad: kg/hora/Newton (o lb/hr/lbf).
  • Turbohélice/Pistón: Flujo de combustible por unidad de Potencia. Unidad: kg/hora/Watt (o lb/hr/shp).
  • Un menor SFC indica mejor eficiencia.

Secuencia de Arranque

  1. Arranque Seleccionado: El starter rota el compresor de alta (N2).
  2. Ignición ON: Ignitores activados.
  3. Combustible ON: Combustible inyectado en la cámara.
  4. Encendido (Light-up): La mezcla se enciende.
  5. Auto-sustentación: El motor acelera a ralentí (idle); el starter se desconecta.