En el post de hoy, explicaremos cómo funciona un motor turbo hélice, los tipos que hay, rendimientos…
Un post para todos aquellos que quieren hacer la transición del motor de pistón a turbohélice, ya sea de manera teórica, en simulador etc..
Antes de meternos con esto os recomiendo que veáis el post de ¿Cómo funciona un motor a reacción? para que tengáis claros los conceptos, ya que el turbohélice va a tener muchas cosas en común con el turbofan.
¿Qué es un turbohélice?
Podemos decir que el turbohélice es un motor a reacción al cual se le ha añadido una hélice en lugar de tener el fan.
En el turbofan conseguíamos el empuje acelerando la masa de aire que salía por la tobera, pero en el turbohélice el empuje, o en este caso la tracción, nos la va a dar la hélice.
La hélice proporciona el 90% del empuje y la corriente que sale por la tobera tan solo el 10%
¿Por qué en un turbohélice proporciona tan poco empuje la masa de aire que sale por la tobera?
Pues sencillamente, porque estamos utilizando la energía generada por el motor para hacer girar la hélice, en lugar de aprovecharla para acelerar la masa de aire a través de la tobera.
En el dibujo que tenemos debajo podemos ver como funciona.
El aire del exterior entra en el motor y pasa por una serie de etapas de compresión donde el aire va adquiriendo presión, luego este aire se introduce en la cámara de combustión y se mezcla con el combustible, para una vez quemado mover las diferentes fases de la turbina. Esta al estar unido a las etapas compresoras y a la hélice, mueve todo lo anterior.
Pero nos hemos dejado algo y es la caja de engranajes o reductora planetaria.
¿Qué función tiene la caja reductora planetaria?
La función de esta es disminuir las RPM provenientes del eje, para mover la hélice a una velocidad menor.
El motivo de esto es que la hélice suele trabajar entre 900 rpm y 1900 rpm ya que velocidades superiores podrían hacer que las puntas de hélice girasen a una velocidad cercana a la del sonido, para lo cual no están diseñadas.
Aquí podemos ver una imagen de una caja reductora planetaria.
Tipos de turbohélice.
Dentro de los turbohélice tenemos los de eje fijo (fixed shaft) que es el que acabamos de ver y los de eje partido o también conocidos como de turbina libre (split shaft / free turbine)
Turbohélice de eje partido o turbina libre y de eje fijo o turbina fija.
En el caso del turbohélice de turbina libre ya no tenemos un eje continuo que une todo, si no, que la turbina va a girar independientemente.
Como veremos esto va a tener varias ventajas, como por ejemplo poder poner en bandera el motor sin pararlo.
Vamos a tomar como modelo un turbohélice por excelencia, el Pratt & Whitney PT6A.
En el dibujo que tenemos debajo podemos ver como el eje está partido.
En este tipo de motores el flujo del aire va de atrás a delante.
Se ve como entra el aire por la parte de atrás del motor, se comprime y se mueve hacia delante del motor para mezclarse con el combustible y entrar en las cámaras de combustión, los gases de la combustión en este caso pasan por 2 turbinas, una de ellas unida al compresor y que es la encargada de moverlo y la otra la turbina «libre» unida a la hélice y encargada de su movimiento.
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Este tipo de motores donde el flujo va hacia delante se diferencian exteriormente por tener los escapes próximos a la hélice.
En esta foto tenemos una bonita Beechcraft en el que podemos ver perfectamente la salida de gases por la parte delantera y por debajo la entrada del aire del motor.
¿Qué ventajas tiene el turbohélice de eje partido o turbina libre?
- Durante el encendido del motor, solo la sección del compresor tiene que ser movida por el starter, cuando en otros motores tendría que mover todos los componentes incluyendo la reductora. Esto permite utilizar un starter más pequeño ahorrando peso.
- Se puede reducir o poner en bandera la hélice sin parar el motor. Esto facilita la subida de pasajeros y una operación en tierra más silenciosa.
¿Cómo se controla el turbohélice?
En la cabina podemos encontrar 3 palancas de mando por cada motor.
De izquierda a derecha tenemos la palanca de potencia (power lever) la del paso de la hélice (propeller lever) y la del combustible (condition lever.) Esta última no es como en los motores de pistón, con la que podemos ir regulando la mezcla.
Normalmente es una válvula que abre o cierra el combustible y en algunos aviones tiene 3 posiciones.
Fuel cutoff (corta combustible), Low idle (ralentí bajo) y High idle (ralentí alto).
Power lever: Ajusta la potencia del motor desde ralentí hasta la potencia máxima. Variando las RPM de Ng (Turbina) y por lo tanto aumentando o disminuyendo la potencia del motor.
Propeller lever: Controla las hélices de velocidad constante a través del governor. El rango normal de RPM suele estar entre 1.500 y 1.900.
Condition Lever: A diferencia de los motores a pistón, aquí el ajuste del combustible se realiza mediante una válvula de 3 posiciones OFF/ Low idle / High idle.
Estos valores dependen del motor, pero en Low idle el rango de N1 suele estar entre 62% a 104% y en Hihg idle entre 70 y 104%
En los motores turbohélice no es necesario recortar la mezcla ya que la FCU (Fuel Control Unit) se encarga de gestionar el combustible que se introduce en el motor.
Instrumentos.
En los motores turbohélices nos podemos encontrar diferentes instrumentos de motor.
Normalmente vamos a tener los indicadores duplicados, uno por cada motor, en lugar de tener 2 agujas dentro del mismo indicador. De esta manera tenemos una indicación más clara de lo que pasa en cada uno de los motores.
Temperatura ITT (Interstage Turbine Temperature): Nos da la temperatura entre la turbina compresora y la turbina «libre» o de potencia.
Es un dato bastante importante, ya que hay que mantener vigilada la temperatura para que no exceda de los límites marcados por el fabricante.
Igualmente en el arranque hay que verificar el pico de ITT y que no excede del valor indicado, si no habría que detener el arranque.
Torque: La indicación de torque se da en pies por libra (ft/lb) y nos muestra el torque que se está aplicando al eje de la hélice.
RPM de la hélice: El tacómetro indica las revoluciones por minuto de la hélice.
N1 o Ng: Esta indicación viene en tanto por ciento e indica el % de las revoluciones de la turbina.
Como referencia en el motor PT6 el 100% equivale a 37.000 RPM. Y las RPM máximas continuas están limitadas a 101.5% Ng que equivalen a 38.100 RPM.
En el despegue tendremos que ajustar por la ITT y el torquímetro para no sobre pasar los límites fijados en ninguno de los 2 parámetros.
Este tipo de motores se van a volar sobre todo ajustando el torquímetro y las RPM de la hélice, si bien siempre se tendrá en cuenta todas las demás indicaciones y limitaciones de cada una.
Fuel Flow: Indicación del uso de combustible en libras por hora (PPH).
Por último temperatura y presión del aceite, importante también su chequeo durante la operación del motor.
¿Tienen reversa los aviones turbohélice?
Si, tienen reversa.
Esta se consigue cambiando el paso de la hélice y poniendo un paso negativo, de manera que nos daría un empuje inverso la hélice.
Vamos a ver cómo funciona el paso de la hélice con los siguientes gráficos.
El paso se va a controlar con las palancas centrales (una por motor) que aumentan o disminuyen el ángulo o paso de las hélices.
Paso normal o de crucero.
Feather o bandera: En esta posición la hélice ofrece la menor resistencia al avance, pero la máxima a la rotación.
Esta posición es la utilizada en caso de fallo de motor, ya que la hélice ofrecería la mínima resistencia.
La palanca de paso tendríamos que ponerla en la posición más retrasada o posición de «feather».
Paso corto: En este caso la hélice ofrecería poca resistencia ala rotación y bastante resistencia al avance.
Reversa: En este caso el paso de la hélice para ponerla en reversa no se controla con la palanca central del paso, si no que va unida a la palanca de potencia, ya que no solo cambia el paso, si no que también aumenta la potencia para que el frenado sea efectivo.
En este caso la hélice crea un empuje negativo, en lugar de dar tracción hacia delante, la da hacia detrás y de esta manera se ayuda a frenar el avión.
En ningún caso el motor gira en sentido contrario. Siempre gira hacia el mismo sentido, lo único que cambia es el paso.
¿Que sucede en el arranque del turbohélice?
Lo primero que vamos a necesitar en el arranque es darle un giro inicial al motor (Compresor, turbina..)
¿Para que?
Pues porque el motor funciona gracias al flujo de aire que lo atraviesa y que luego se mezcla con el combustible. Por ello necesitamos esa velocidad inicial de N1 (Compresor) para generar ese flujo de aire.
En el caso de la B200 que veremos en el vídeo el fabricante establece una velocidad de N1 mayor del 12%, es decir si por lo que sea no alcanzamos esa velocidad no podremos continuar el arranque.
Una vez tenemos más de 12% de N1 ya podemos meter combustible, en este caso poniendo la palanca de «condition lever» en Low idle, para no meter demasiado combustible.
Ahora habrá que estar atento a todos los parámetros de motor y ver como va cogiendo vueltas y sobre todo fijándonos en la ITT para que la temperatura no sobre pase los límites, en este caso 1.000ºC de pico al arranque.
¿Por qué tiene este pico de temperatura?
Pues resulta que la temperatura de la turbina varia de forma inversamente proporcional al rendimiento combinado del compresor/turbina, este rendimiento es muy bajo a bajas revoluciones y estamos perdiendo la energía en forma de calor.
Al introducir combustible con pocas RPM la temperatura va subiendo hasta alcanzar un máximo, posteriormente a medida que las RPM están subiendo, la temperatura desciende de nuevo y se estabiliza.
¿Qué es un arranque caliente «Hot star» y un arranque colgado «Hung start»?
Arranque caliente o «hot start»: Puede ocurrir por un fallo en la unidad de combustible «FCU» que envía más combustible del necesario a la cámara de combustión, produciéndose una sobre temperatura en el motor.
Algunos motores también tienen tendencia a acumular un poco de combustible en la cámara de combustión una vez apagados, con lo que puede llevar a un arranque en caliente.
Arranque colgado «Hung start»: Puede deberse como en el caso anterior a un mal funcionamiento de la FCU que no envía la suficiente cantidad de combustible para que el motor alcance el régimen de funcionamiento autónomo.
Otra de las causas es que el motor esté sometido a gran carga, ya sea eléctrica, aire acondicionado etc, no pudiendo alcanzar el régimen de funcionamiento autónomo.
Si el motor de arranque, ya sea eléctrico, por aire etc, no tiene la suficiente fuerza para mover la turbina a unas mínimas RPM también se producirá el arranque colgado.
Como vemos siempre por uno u otro motivo en el arranque colgado el motor no alcanza su mínimo régimen de RPM para poder tener un funcionamiento autónomo.
¿Qué es el «Dry cranking»?
Cuando tenemos un arranque en caliente o colgado, hay que hacer un «dry cranking» o lo que es lo mismo, hay que hacer girar el motor sin inyectar combustible.
El objetivo de esto es limpiar las cámaras de combustión y el motor internamente de vapores de combustible antes de intentar un nuevo arranque.
Os dejamos un vídeo que ha grabado nuestro amigo Carlos Ramajo, del arranque de una Beechcraft B200, así como el procedimiento de arranque de este magnífico turbohélice.
Debajo del vídeo tenéis un enlace para descargaros en PDF las listas de chequeo de la B200, así como sus velocidades.
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En este enlace tenéis todas las listas de chequeo de la B200, así como las velocidades.
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