Ragadast

A día de hoy y salvo los Mazda que mantienen vivo el motor Wankel todos los motores que conocemos en automoción son del tipo pistón/biela/cigueñal; sin embargo hay un sector donde estos motores han sido arrinconados a pequeños usos, la aviación.
Antes de la segunda guerra mundial se comenzó a experimentar con este tipo de propulsión, fue Inglaterra donde el aviador Frank Whittle puso gran empeño desde el año 1930, aunque los primeros resultados prácticos llegaron en 1944 por parte de Alemania.
Durante estos primeros años la mayoría de los esfuerzos se centraron en conseguir aleaciones y materiales capaces de aguantar la enorme fatiga térmica que se da en ciertas zonas de este tipo de motores, como en la turbina, que puede llegar a operar a unos 900º, ciertamente en los motores de combustión interna se pueden alcanzar temperaturas del orden de los 2000º, pero de forma discontinua, no como en las turbinas que están sometidas a un chorro continuo.

Los primeros trabajos se centraron en crear turbo reactores, estaba naciendo la propulsión a chorro.
En este caso lo que se trata es aprovechar la expansión de los gases de combustión saliendo por un orificio de la cámara de combustión, para impulsar la aeronave gracias al principio acción-reacción.




En la imagen superior se puede ver el esquema básico de un turbo reactor o turbo jet:

• Inlet, que es la admisión, el compresor, que en este caso es del tipo axial (pues dirige el aire comprimido en el sentido del eje como un ventilador) que fuerza la entrada de aire a la cámara de combustión a presiones que varían entre 3 y 6 kgr/cm2 y en una cantidad muy superior a la que es necesaria para quemar el combustible inyectado.
• Los inyectores que se hayan dentro del quemador donde también hay una bujía que se encarga del encendido de la mezcla.
• La turbina, que se encarga de recoger aproximadamente un 70% de la energía de los gases para hacer girar el compresor.
• Y la tobera de escape, por la cual salen los gases aun en expansión para mover el avión.

A continuación se muestra una comparativa entre el motor de pistones y la turbina, se puede observar como en la turbina se dan los mismos procesos que en cualquier motor de pistones, salvo que en este caso de forma continua.



Pero señores, estamos en un foro de coches, así que me voy a traer el invento al suelo. Y es que a partir de 1948 se comenzó a buscar la forma de aplicar lo que entonces era un novedoso y prometedor motor en la automoción, pues tenía una serie de virtudes que podían compensar los esfuerzos necesarios para salvar las dificultades.

Las principales ventajas de las turbinas sobre los clásicos motores de pistón son:

1. Posibilidad de usar gran cantidad de combustibles sin modificar nada. Se puede usar gas, gasóleo, cualquier tipo de aceite y gasolina sin importar su octanaje, por lo que se puede elegir el mas económico o disponible en el momento.
2. No hay elementos de movimiento alternativo, lo que redunda en la practica ausencia de vibraciones.
3. Precisamente por carecer de piezas con dicho movimiento las velocidades de rotación pueden ser mayores, y aunque el espacio ocupado es mayor el peso del conjunto es netamente inferior.
4. Al no producirse explosiones su naturaleza es mas silenciosa por lo que apenas requiere silencioso.
5. El sistema de lubricación es mas sencillo (a pesar de ser mas critico) pues solo hay que engrasar el eje de la turbina, no como en el caso de los motores de pistón que hay que ocuparse del cigueñal, pistones y distribución. Siendo el primero el mas importante al recibir golpes de varias toneladas en cada ciclo de trabajo.
6. No necesita sistema de refrigeración, pues el exceso de aire que es introducido al interior por el compresor (unas seis veces el necesario para quemar el combustible) se encarga de refrigerar la turbina.
7. El sistema de encendido se reduce a chispas aleatorias, sin complicados sistemas de sincronizado y avance.
8. No es necesario esperar a que el motor este caliente para exigirle el máximo esfuerzo.
9. Menos operaciones de mantenimiento; por ejemplo, el motor Merlín que montaban los cazas Spitfire requería una revisión total cada 1500 horas de funcionamiento; sin embargo una turbina Conway también de la Rolls-Royce requiere dicha operación cada 5300 horas.
10. Su nivel de emisiones contaminantes es mínimo, sobre todo en hidrocarburos sin quemar y partículas, en cuanto a los óxidos de nitrógeno obtuvo unos buenos resultados.

Pero conseguir un motor operativo y realmente funcional para automoción no era tan fácil como reducir el tamaño de los componentes, de hecho eso era uno de sus mayores obstáculos.
La razón la impone la física, pues la turbina no es mas que una maquina de fluido, y sus alabes se encuentran dentro de dicho fluido por lo que sufren las mismas leyes que cualquier plano aerodinámico, el caso que nos ocupa es el efecto Reynolds, que indica que las perdidas de energía son mayores cuanto menor es el plano, en este caso el alabe; y dado que se trata de reducir el tamaño del conjunto también se perderá eficacia respecto a las grandes turbinas de aviación. Dicha perdida se cifra en aproximadamente un 6%.

Otro inconveniente viene dado por el hecho de que a medida que desciende la potencia las revoluciones tienden a aumentar debido a que el rendimiento impone que los alabes han de tener una determinada velocidad lineal respecto al fluido, y como hemos disminuido el perímetro de la turbina, y esta debe mantener la misma velocidad lineal sus revoluciones aumentaran.
En este punto voy a citar literalmente el Arias Paz (pag. 742): "Como las dimensiones lineales de la turbina varían con la raíz cuadrada de la potencia, en la misma proporción aumentara la velocidad de giro. Si una turbina de 4000 CV gira a 8000 rpm una de 170 CV lo hará a unas 40000 rpm".

Los siguientes problemas llegan a raíz de ese aumento de revoluciones, que obliga a fabricar el tanto el eje como el compresor y la/s turbinas con unas tolerancias mínimas. Y los engranajes de salida han de ser también de gran calidad pues es necesario reducir como mínimo a una décima parte el régimen de giro del eje de salida para que sea aprovechable.
El resultado es que una maquina ciertamente sencilla en cuanto a estructura tiene unos procesos de fabricación ciertamente costosos.

También era necesario encontrar la forma de sacar el giro, pues no era posible hacerlo como en los motores de los aviones del tipo turbo hélice en los que el movimiento se extrae directamente del eje de la turbina, pues en esta disposición nos encontramos con el punto débil de la turbina: su escaso par a bajas revoluciones, lo que aumenta el riesgo de calado


A la Izquierda esquema de un motor turbo hélice; a la derecha un turbo propulsor con doble turbina.

La solución fue poner una segunda turbina para recoger la energía remanente de los gases que no había sido empleada en mover el compresor del mismo modo que ocurre en los embragues hidráulicos (Foro Citroen C4 # Foro C4 Picasso # Club C4). La idea nació en Alemania para proveer de un motor potente y compacto a los carros de combate.
Gracias al sistema de doble turbina dicho inconveniente no solo fue resuelto, si no que se logro el efecto contrario, a medida que descendían las revoluciones del eje de salida aumentaba el par disponible por ser independiente del giro del rotor.

Aun así el rendimiento era menor que sus hermanas mayores, y el consumo en las primeras pruebas así lo indicaba, situándose entre los 30 y los 50 litros a los 100 km. Por lo tanto se comenzó a trabajar en la optimización, aparecieron los alabes orientables (como en los turbos actuales) y los sistemas de recuperación.
La finalidad de estos sistemas es doble, por un lado recuperar parte de la energía que se perdería en forma de calor por el escape (con lo que mejora el rendimiento en un 5 ó 6 %), y por otra reducir la temperatura de dichos gases, que de otra forma podrían ser abrasadores.


A la izquierda sistema con recuperador giratorio, esquema de la turbina Chrysler; a la derecha recuperadores estacionarios.

Los sistemas regeneradores aun a pesar de complicar las turbinas dieron tan buenos resultados que fueron adoptados por todos los fabricantes implicados; los principales sistemas eran:
El estacionario, que no era mas que un intercambiador de calor, los gases de escape pasaban por una sección que estaba en contacto con el aire proveniente del compresor.
Y el giratorio, en este caso los tubos no se cruzaban, sino que eran paralelos y eran atravesados por un disco giratorio(marcado como regenerador), con celdas en forma de panal, que se caldeaba al estar en contacto con los gases calientes, y posteriormente cedía ese calor al pasar por la zona fría. La sección reservada a los gases de escape era de aproximadamente 1/3 del disco, y el ajuste debía ser muy preciso para evitar fugas de compresión.

Después de dar un pequeño repaso a la historia de las turbinas y a su funcionamiento vayamos a los prototipos.
Hubo intentos de lograr un producto comercializable a ambos lados del atlántico, y aunque donde mas interés había fue en Estados Unidos en Europa la cosa no se quedó atrás
Los intentos Europeos corrieron a cargo de Fiat, Mercedes-Benz, Renault junto al fabricante de turbinas francés Turbomeca, y sobre todos ellos Rover.
La cronología de sus creaciones fue la siguiente:

• En 1950 el prototipo Jet1, un roadster con motor trasero de unos 100CV y 135 km/h de máxima.
• En el '52 carrozo el Jet1 como coupé y monto un propulsor de 230 CV que alcanzó 240 km/h.
• Ese mismo año presentó el T2A, con motor "fuera borda".
• En 1956 sacó el T3, diseñado completamente para ese motor que rendía unos 110 CV y tenia tracción total.
• En 1961 presentó el T4, con tracción y motor delantero de 140 CV.
• En 1963 llevo a Le Mans un prototipo junto a BRM, fue pilotado por Graham Hill y Richie Ginther, se le permitió correr, pero sus tiempos no contaros, de haberlo hecho habrían logrado el 8º puesto general.
• El prototipo de 1964 no pudo participar tras sufrir un accidente durante el transporte al circuito.
• En 1965 volvió a Le mans con depósitos de mayor capacidad y un juego extra de alumbrado; al volante estaban Graham Hill y Jackie Stewart, acabó décimo.

Al otro lado del charco todos los grandes fabricantes se pusieron a desarrollar activamente estos motores, como por ejemplo GM, que los presento en sus prototipos Firebird (del 1 al 3), aunque no fueron mas que simples concept car.


De izquierda a derecha Firebird I, II y III.

Ford por su parte aparte de ideas de carrocería desarrollo turbinas con dos compresores, tres rotores, dos quemadores y refrigeración de los gases comprimidos; resultaban mas complejas, pero a su vez eran mas ligeras y de menor consumo que otras mas simples.

Otros desarrollos curiosos fueron un camión Kenworth con turbina de Boeing. Ford creó un par de tractores, los Typhoon I y II y un camión a parte de varios concept cars.
Y desde luego también hubo maquinas de competición, en esta pagina del festival de Goodwood se pueden admirar un par de ellos: Goodwood FoS 2003



Fuentes:
Arias Paz edición 50º paginas 784 a 804.
Varias web:
BRM at LeMans
The Rover Turbine Cars
The Rover JET1
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Turbine Car User

Mas información en este mismo foro:
Foro Citroen C4 # Foro C4 Picasso # Club C4
En la wikipedia: Número de Reynolds - Wikipedia, la enciclopedia libre , Turbina - Wikipedia, la enciclopedia libre Turbohélice - Wikipedia, la enciclopedia libre
Información varia: Ciclo de Brayton: El ciclo ideal para las máquinas de turbina de gas

Foro C4

 

Fesarrari

Muy buena info , pero te la muevo a mecanica que es donde mejor esta, besiness !!

Ragadast

Me lo pilláis no a medias, casi ni empezado, que ese ordenador a cogido la manía de reiniciarse cuando le viene en gana y prefiero ir guardando cambios poco a poco fuera de su disco duro.

Spect

raga hecha mail para reportero

Ragadast

Prefiero ir a mi aire Spect, que cuando la musas huyen me puedo tirar semanas sin saber que escribir.

Fri

Pienso igual que Spect, Raga eres de los mejores en el foro a la hora de hacer reportajes,como este que aunque seguro que te falta por acabar,nos muestras como funciona un motor a reaccion,y curiosamente parece mas sencillo de lo que pensaba.

C4 HDI VTR+ gris fer, sensores,llantas sparco 6 en 225/45/17, equipo audio personalizado, lunas tintadas, pinzas verdes, muelles vogtland -40 -30, xenon h7 6000º, y lo que le falta.

Fesarrari

La verdad es que es un reportaje muy bueno, gracias por compartirlo con nosotros Raga ;)

Ragadast

Fesa, aun no lo he terminado, he comido con escopeta para añadir unas frases y poco mas, el objetivo era mostrar unos prototipos propulsados por esos motores, pero me he perdido un poco por el camino ...

Fri

Venga venga quiero mas Raga

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Spect

guarrete guarrete....

Fri

Envidiosón:a04:

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miguelc4wrc

lo mismo que spect reportero ya¡¡¡

Tas

Muy buén reportaje Raga, interesante, estoy aprendiendo muchísimo del mundo del motor. +10. Yo también quiero más reportaje. Gracias. Salu2. :a05: :a05: :a05: .

Ragadast

Informo a quienes leyerais el post antes del sábado que hay cosas nuevas.

Siguiente capitulo fotos de prototipos.

Fri

Esta muy chulo el reportaje,me imagino que el Batmovil llevaria un motor de este tipo no?