Sistemas funcionales.
Sistema propulsor (motor).
Lo mismo que un automóvil, una bicicleta o un tren, obviamente, es necesario que un aeroplano cuente con una fuerza que lo impulse. En un avión, esta necesidad se hace más imperiosa, pues mientras que en otras máquinas el impulso solo se necesita para vencer la inercia y la resistencia al avance, en un avión este impulso es vital para producir la circulación de aire en las alas, origen de la sustentación.
Esta fuerza, denominada de tracción cuando se ejerce por delante del motor -tira del avión-, o de empuje si es ejercida por detrás del motor -empuja al avión-, es proporcionada por el sistema propulsor, el cual está constituido por uno o más motores, y en muchos modelos además por una o más hélices por cada motor. En este último caso, el elemento que realmente produce la fuerza es la hélice, siendo el motor un mero mecanismo que la hace girar.
La fuerza de tracción o empuje, se obtiene acelerando hacia atrás una masa de aire ambiente a una velocidad superior a la del avión; de acuerdo con la 3ª ley del movimiento de Newton esta acción provoca una reacción de la misma intensidad pero de sentido opuesto, la cual impulsa el avión hacia adelante. La aceleración de la masa de aire, se logra por la rotación de una hélice, movida por un motor convencional de pistón o una turbina de gas, o por la expulsión a muy alta velocidad del chorro de gases generado por una turbina de gas.
Ambos tipos de motor, de pistón o turbina, convierten la energía química contenida en el combustible en energía mecánica capaz de propulsar al avión, quemando dicho combustible, razón por la cual reciben el nombre de motores de combustión interna.
Dada la extensión del tema, se ha dividido en dos capítulos: este dedicado a los motores, y el siguiente a las hélices.
El que un piloto conozca los principios de funcionamiento del motor, puede ayudarle a obtener una mejor eficiencia del mismo, no someterle a desgastes prematuros ampliando así su vida útil, y en muchos casos evitar fallos y averías. Por razones prácticas, se hace especial hincapié en los motores de pistón, habituales en los aviones ligeros.
3.1.1 Motores de pistón.
Los motores de pistón son los más comunes en la aviación ligera. Estos motores son casi idénticos a los de los automóviles, con tres importantes diferencias:
- Los motores de aviación tienen sistemas de encendido doble. Cada cilindro tiene dos bujías y el motor está servido por dos magnetos, una proporciona energía a todas las bujías "pares" de los cilindros y otra a las bujías "impares". Si una bujía o magneto se estropea, la otra bujía o magneto siguen haciendo saltar la chispa que enciende el combustible en el cilindro. Un detalle muy importante es que las magnetos, accionadas por el giro del motor, no dependen de la batería para su funcionamiento.
- La mayoría de los motores aeronáuticos están refrigerados por aire. Esta particularidad evita cargar con el peso de un radiador y del refrigerante, y que una avería del sistema de refrigeración o la pérdida de refrigerante provoquen una avería general del motor.
- Como los motores de aviación funcionan a distintas altitudes, el piloto dispone de un control manual de la mezcla, control que utiliza para ajustar la proporción adecuada de combustible y aire que entra a los cilindros.
Este tipo de motor consta básicamente de cilindros, pistones, bielas y un cigüeñal. En el interior de cada cilindro, un pistón realiza un movimiento de arriba abajo, movimiento que mediante una biela transmite al cigüeñal de forma que el movimiento rectilíneo del pistón se convierte en movimiento giratorio del cigüeñal. En la parte superior del cilindro, se encuentran normalmente las bujías, una o más válvulas de entrada de la mezcla, y una o más válvulas de salida de los gases quemados.
La mayoría de estos motores son de cuatro tiempos, llamados así porque un ciclo completo de trabajo se realiza en cuatro movimientos del pistón:
- Admisión - El pistón, situado en la parte superior del cilindro, realiza un movimiento de bajada con la válvula de admisión abierta succionando así una mezcla de aire y combustible.
- Compresión - Desde la parte inferior del cilindro, el pistón hace el movimiento de subida estando las válvulas cerradas, lo cual comprime la mezcla admitida en la fase anterior.
- Explosión también denominado Ignición - Con el pistón en la parte superior, una chispa procedente de las bujías hace explotar la mezcla comprimida de aire y combustible. Esta explosión lanza violentamente al pistón hacia abajo.
- Escape - Desde la parte inferior, al realizar la carrera hacia arriba con la válvula de escape abierta, el pistón empuja y expulsa los gases del cilindro. Al llegar al punto superior, se cierra la válvula de escape y se abre la de admisión comenzando de nuevo el ciclo: admisión, ...
Si el motor tuviera un solo cilindro, giraría a trompicones, con mucha fuerza en el momento de la explosión pero con menos fuerza en cada tiempo posterior hasta la siguiente explosión. Pero los motores tienen más de un cilindro, y cada uno de ellos se encuentra en una fase distinta de los demás, de forma que las explosiones se suceden a intervalos regulares dando al cigüeñal un giro más constante.
Además el cigüeñal incorpora unos contrapesos que ayudan a hacer el giro más regular. Todos los ciclos de un motor de cuatro tiempos se realizan en dos vueltas del cigüeñal.
El movimiento del cigüeñal se transmite a través de engranajes o correas dentadas al árbol de levas, el cual mediante unos empujadores y balancines o a veces directamente, se encarga de abrir y cerrar las válvulas en el momento adecuado. Este giro también se transmite al sistema de ignición, el cual hace saltar la chispa en las bujías en el instante justo. Si la apertura o cierre de las válvulas o el salto de la chispa en las bujías no se realiza de forma perfectamente sincronizada con el movimiento de los pistones, el motor está "fuera de punto" y gira de forma irregular o incluso no gira.
Lógicamente, para que el motor funcione, es necesario aportarle combustible en la forma adecuada, proporcionarle la corriente que hace saltar la chispa, lubricarle, refrigerarle, etc. Todas estas funciones se detallan en siguientes capítulos de esta sección.
En un motor diésel el ciclo de trabajo es idéntico al del motor de gasolina; las diferencias radican en que el aire que entra a los cilindros no lleva combustible y que en lugar de producirse una chispa que lo inflame se inyecta una pulverización de gasóleo en ese aire altamente comprimido lo cual produce la deflagración que empuja al pistón hacia abajo. Obviamente los sistemas de alimentación de combustible (carburador, etc.) y de ignición (bujías, etc.) son sustituidos por un sistema de inyección de combustible. En el momento de elaborar este manual, el uso de motores diésel en aviación ligera es muy limitado razón por la cual no se entra en mayores detalles.
3.1.2 Tipos de motores de pistón.
Atendiendo a la colocación de los cilindros, los motores pueden ser: horizontales opuestos (boxer), en los cuales 4 o 6 cilindros están colocados horizontalmente, la mitad de ellos opuestos a la otra mitad; en línea, cuando todos los cilindros están colocados uno detrás de otro verticalmente o con una ligera inclinación; en "V", con la mitad de los cilindros en cada rama de la V y radiales o en estrella, cuando los cilindros (entre 5 y 28) están montados en círculo alrededor de un cigüeñal, de forma totalmente distinta a las disposiciones anteriores, formando una estrella (de ahí su nombre), a veces en dos o más bancadas; etc.
Los motores con cilindros horizontales opuestos, tipo boxer, son los más comunes en aviones ligeros con una potencia de hasta 400 C.V. por encima de la cual se suelen utilizar turbinas; los motores en línea cayeron en desuso en favor de los motores en “V” mientras que los motores radiales, ampliamente utilizados hasta la década de los años 60, dejaron de utilizarse a partir de entonces.
3.1.3 Turbinas de gas.
Una turbina de gas es una máquina motriz que convierte la energía derivada de la combustión de un elemento, normalmente queroseno, en energía mecánica en forma de chorro de aire de alta presión y elevada temperatura. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para mover un mecanismo propulsor tal como la hélice de un aeroplano o el rotor de un helicóptero, o para generar el empuje que impulsa a un avión.
Estas máquinas constan básicamente de cuatro partes: compresor, cámaras de combustión, turbina, y tobera de salida, y su funcionamiento es el siguiente: El aire entra por un gran conducto de entrada a la zona de compresores; en esta zona, un primer rotor con alabes comprime el aire, un segundo rotor lo comprime aún más, y así sucesivamente hasta alcanzar de 10 a 40 veces la presión del aire de entrada. Este aire pasa mediante difusores a las cámaras de combustión, donde un flujo constante de combustible en forma de spray, vapor o ambas cosas, es quemado a una presión casi constante.
La combustión provoca la expansión violenta de los gases producidos, en forma de chorro de alta presión, temperatura (hasta 1500º C) y velocidad. En su camino de salida, el chorro mueve una turbina que comparte eje con los compresores, de manera que parte de la energía del chorro hace girar aquellos, en general a más de 10.000 R.P.M. Por último, este chorro de gases se expele a la atmósfera a través de la tobera de salida.
Si se compara este ciclo de trabajo con el de un motor de pistón, vemos que es similar (admisión, compresión, explosión o combustión, y escape). La diferencia es que mientras en un motor de pistón se producen tantos ciclos de trabajo en 2 vueltas del cigüeñal como número de cilindros tiene, en una turbina el ciclo de trabajo es un proceso continuo.
Una versión más moderna de turbina es la denominada turbofán. En esta, un gran rotor delante de la sección de compresores produce un flujo de aire a baja presión que no pasa por las cámaras de combustión, sino que es mezclado con el chorro de salida incrementando la masa de aire acelerado. Este sistema de mover grandes volúmenes de aire a una velocidad más baja, incrementa la eficiencia de la turbina consumiendo menos combustible y produciendo un nivel de ruido más bajo.
Puesto que la turbina tiene por diseño un movimiento giratorio, al contrario que los motores de pistón que tienen que convertir el movimiento rectilíneo en movimiento circular, una turbina de gas es más simple que un motor de pistón de potencia equivalente, tiene menos peso, requiere menos mantenimiento, y tiene mayor capacidad de generar potencia; a cambio, consume combustible en mayor cantidad, y ciertas limitaciones termodinámicas que restringen su eficiencia a un 40% de su valor ideal.
En algunos casos, el chorro de aire que sale de la turbina vuelve a ser quemado (postcombustión) generando una fuerza de aceleración extraordinaria. Debido al excesivo gasto de combustible de este procedimiento, solo se emplea en aviones militares (y en el Concorde, ya fuera de servicio), y en ambos casos en maniobras muy restringidas. En algunos aviones militares la tobera de salida de los gases puede ser orientada en mayor o menor medida para realizar ciertas maniobras.
También, para ayudar en el frenado del avión tras la toma de tierra, las turbinas suelen tener unos dispositivos que se interponen en la tobera de salida, conocidos como inversores de empuje o reversa, cambiando la dirección de salida del chorro de gases hacia adelante.
3.1.4 Propulsión por turbinas.
Existen dos formas generales de convertir la energía del gas de salida de la turbina en fuerza propulsora.
(1) Un rotor colocado en el flujo del chorro extrae la potencia mecánica para mover un propulsor externo, por ejemplo una hélice; en este caso el empuje o tracción es generado por la aceleración de la masa de aire por la hélice. En este tipo de propulsión denominado turbohélice o turbopropulsor, la turbina mueve la hélice a través de un mecanismo reductor.
Los turbohélices son más eficaces que los reactores a velocidades de hasta 300 mph, pero pierden eficacia a mayores velocidades. Si la turbina es de tipo turbofán, se obtiene un altísimo flujo de aire usando hélices de paso muy alto.
(2) El chorro de alta energía producido es dirigido a una tobera que acelera el chorro a muy alta velocidad en su salida a la atmósfera; en este caso el empuje es generado por la propia energía del chorro de salida. Este tipo de propulsión se denomina turbojet.
3.1.5 Cuidados del motor.
De las explicaciones dadas, es fácilmente deducible la extraordinaria importancia que tiene para el vuelo contar con un motor capaz de desarrollar toda su potencia y además exento de averías. Teniendo en cuenta que un motor aeronáutico típico de cuatro cilindros, tiene más de 250 elementos movibles y 70 fijos, podemos hacernos una idea de las posibilidades de que un fallo de cualquiera de estos componentes provoque una pérdida de potencia e incluso una parada de motor.
Afortunadamente, los avances conseguidos en el proceso de diseño y construcción, el alto grado de calidad de los componentes y el exhaustivo control de calidad de los mismos, hacen que los motores aeronáuticos utilizados hoy en día sean altamente eficientes y fiables. El que este alto grado de fiabilidad y eficiencia sea mantenido y duradero, dependerá en gran medida del correcto uso del motor por parte del piloto, ateniéndose a las recomendaciones dada por el constructor de la aeronave en el Manual de Operaciones.
Con independencia de que en posteriores capítulos se especifiquen los detalles concretos relativos al motor, según el tema tratado, veamos unas líneas generales en cuanto a su manejo. Ni que decir tiene que se supone que el motor está utilizando el combustible y aceite adecuados, y que el piloto conoce el manejo de los controles de potencia, mezcla y calefacción al carburador.
Arranque del motor. A la hora de arrancar el motor, el hecho de que este se encuentre frío y que el aceite tardará unos segundos antes de llegar a todos los sitios, aumenta las posibilidades de que un manejo incorrecto le produzca daños, por lo que, sin perjuicio de lo que recomiende el fabricante, es conveniente tener en cuenta que:
- Si el arranque del motor ha de hacerse sobre una superficie de tierra o pedregosa, aunque lo normal es que la calefacción al carburador esté off debemos asegurarnos de ello, pues al pasar el aire directamente al carburador y no a través del filtro de aire podría absorberse piedras, tierra, etc.
- Si al motor le cuesta arrancar, no se debe mantener el motor de arranque girando más allá de 30 segundos en cada intento, dejando pasar 1 o 2 minutos entre cada 2 intentos. De esta forma se evitan calentamientos y daños innecesarios al motor de arranque.
- Una vez arrancado el motor, si existe luz de aviso para el motor de arranque chequear que está apagada, pues en caso contrario es que el motor de arranque sigue activo y resultará dañado. Apagar el motor en caso afirmativo.
- El indicador de presión de aceite del motor debe marcar un valor normal de operación (arco verde) dentro de los 30 segundos siguientes al arranque del motor; en caso contrario debemos apagarlo.
- Tan pronto como el motor ha arrancado, se deben ajustar las r.p.m. a las dictadas por el fabricante del aeroplano, y así calentar el motor en la forma adecuada. Unas r.p.m. demasiado bajas se traducen en una inadecuada distribución del aceite, todavía perezoso; demasiado altas pueden causar un excesivo desgaste de las piezas que debido a sus tolerancias necesitan adquirir temperatura gradualmente.
- En la prueba de motor previa al despegue, antes de poner el régimen de r.p.m. indicado para la prueba, es indispensable chequear que la temperatura del aceite tiene valores normales de operación (arco verde).
Ascensos. En la mayoría de los aviones ligeros, el ascenso se realiza con alta potencia y una velocidad relativamente baja respecto de la de crucero. Puesto que normalmente el motor depende del flujo de aire exterior para su refrigeración, cuanto más baja es la velocidad menos efectivo es el enfriamiento del motor. La velocidad normal de ascenso dada por el fabricante suele tener en cuenta, entre otras cosas, la necesidad de refrigeración del motor; pero hay dos velocidades, específicas para cada aeroplano: velocidad de mejor ángulo de ascenso y velocidad de mejor ascenso, que son habitualmente más bajas que la velocidad normal de ascenso y por tanto provocan una mayor temperatura en el motor. Estas velocidades deben utilizarse en los momentos y durante los periodos que sea necesario (despegue por ejemplo) pero retornando a la velocidad normal de ascenso en cuanto sea posible.
En el caso de motores diseñados para ascender aplicando toda la potencia hasta alcanzar la altitud de crucero, no se gana nada reduciendo la potencia de ascenso con la idea de salvaguardar el motor. El constructor ya tiene en cuenta las necesidades de refrigeración en las velocidades que recomienda. Por otra parte, en un avión equipado con hélice de paso fijo, una velocidad mayor que la especificada puede causar que las r.p.m. del motor excedan las limitaciones para un ascenso sostenido con toda la potencia.
Conviene recordar que con mezcla empobrecida, el motor desarrolla más temperatura que con mezcla rica. Por esta razón, se suele recomendar que durante el ascenso la palanca de mezcla esté en posición "full rich".
Crucero. La velocidad de crucero está determinada por el fabricante para cada aeroplano, atendiendo a razones de seguridad, rendimiento, economía y duración de la vida del motor. Lo normal, es ajustar el motor a las r.p.m. indicadas por el constructor y que el avión desarrolle su velocidad, siempre naturalmente, dentro de sus límites de operación. Por encima de la potencia recomendada se consume más combustible y se calienta el motor más de lo necesario, y por debajo no se obtiene el rendimiento adecuado.
Descensos. Cuando se desciende con baja potencia o en planeo, y más todavía si se hace durante un periodo prolongado, el motor tiende a enfriarse rápidamente, incluso con temperaturas exteriores relativamente altas. Este enfriamiento provoca que la vaporización de combustible en el carburador no sea todo lo completa que se quiere, y que el aceite más frío se haga menos fluido. Si se necesita un súbito incremento de potencia, como en el caso de un motor y al aire, el motor puede no dar toda la respuesta requerida o sufrir daños si se ha enfriado en exceso. Aunque con una operación normal del aeroplano esto no debe producirse, algunos fabricantes recomiendan en caso de temperatura exterior baja, aplicar potencia de cuando en cuando durante un descenso prolongado, para mantener la temperatura del motor dentro de un rango razonable.
De lo expuesto anteriormente, pudiera extraerse la sensación equivocada de que hay que estar continuamente pendiente del motor, su temperatura, presión de aceite, etc. No hay que descuidarse pero tampoco exagerar; si un buen conductor de automóvil debiera echar un vistazo de cuando en cuando al cuadro de instrumentos, con mayor razón un buen piloto debe efectuar un chequeo de los instrumentos de una forma regular. Como en cualquier otra actividad, a medida que se acumula experiencia más se desarrolla un cierto sentido que permite percibir si algo no funciona en la forma habitual (por ejemplo, si el motor suena de forma distinta).
Notas:
La eficiencia de un motor se expresa en términos de potencia, velocidad, y consumo de combustible. En un motor de pistón, parte de la potencia generada en los cilindros se pierde debido a la resistencia por fricción de los elementos mecánicos del motor. Igualmente, hay una gran cantidad de energía contenida en el chorro de gas de una turbina que no es totalmente aprovechada para proporcionar propulsión. La eficiencia mecánica de un motor es la fracción de la energía disponible que es aprovechada para impulsar al aeroplano, comparada con la energía total de la combustión o el chorro de gases.
A la hora de diseñar un motor, dos parámetros importantes a tener en cuenta son su peso y su volumen por el efecto que ambos tienen sobre el rendimiento del aeroplano. Cada motor es diseñado de forma específica para obtener un eficiente consumo de combustible y lograr el más alto rendimiento propulsor, con el menor peso y volumen posible, todo ello en función del rango de velocidades y alturas en que debe operar el avión.
Puede ser recomendable echar un vistazo a estos vídeos sobre motores.
