Antes de adentrarnos en el desarrollo de las cuchillas, tenemos que ver primero dónde y cómo empezó todo.
LA HISTORIA DE LOS MOTORES A REACCIÓN
Antes de adentrarnos en el desarrollo de las palas de los motores a reacción, debemos ver primero dónde y cómo empezó todo.
Para 2021, se proyectaron 22,2 millones de vuelos aéreos globales. Se trata de un fuerte descenso respecto a los 40,3 millones previstos para 2020, debido a la pandemia de COVID-19. Se calcula que estos vuelos transportaron a 2.800 millones de pasajeros. ¿Cuántos de estos pasajeros han pensado alguna vez en la innovación y la tecnología de una pala de turbina de avión y en cómo funciona un motor de avión?
El motor a reacción es la planta motriz de los aviones actuales. No sólo genera el empuje que impulsa el avión, sino también la energía que alimenta muchos de los demás sistemas de la aeronave. Los motores a reacción funcionan según la tercera ley del movimiento de Newton, que establece que cualquier fuerza que actúa sobre un cuerpo produce una fuerza igual y opuesta. El motor a reacción aspira parte del aire por el que se desplaza el avión, lo comprime, lo combina con el combustible, lo calienta y, por último, expulsa el gas resultante con tal fuerza que el avión se propulsa hacia delante y le lleva a su destino de vacaciones favorito o a su viaje de negocios previsto.
VOLVAMOS A LA HISTORIA DE LOS MOTORES A REACCIÓN, DONDE TODO COMENZÓ, Y VEAMOS CÓMO EVOLUCIONARON LOS ÁLABES DE LAS TURBINAS.
Podemos remontarnos hasta los eolipiles egipcios desarrollados por el Héroe de Alejandro en el año 150 a.C. La tecnología china de cohetes de la década de 1230, el asador "deshollinador" de Leonardo Da Vinci, la turbina de impulso del ingeniero italiano Giovanni Branca para un molino de estampas. Por no hablar del principio de Bernoulli, que también se puede derivar directamente de la segunda ley del movimiento de Newton, y aunque todo esto tuvo su repercusión, no fue hasta la Primera Guerra Mundial cuando se pasó al siguiente nivel, y en medio de toda la devastación y el desorden, se aceleró el auge de la aviación y el desarrollo de las turbinas a reacción, que está directamente relacionado con el desarrollo de los álabes de las turbinas.
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El ingeniero suizo Alfred Buchi patentó el turbocompresor en 1910, pero el dispositivo fracasó en las pruebas de vuelo en Francia. General Electric (GE) se dedicaba principalmente a la construcción de turbinas y otros equipos para centrales eléctricas en aquella época, pero en noviembre de 1917 el gobierno estadounidense quiso desarrollar su propia versión de un turbocompresor y pidió a la empresa que le ayudara a desarrollar el dispositivo para el ejército estadounidense.
La tarea de gestionar el proyecto secreto recayó en un ingeniero de turbinas de gas de GE llamado Sanford Moss.
Moss construyó un turbocompresor que utilizaba los gases de escape calientes del motor del avión para hacer girar una turbina radial diseñada por él y comprimir el aire que entraba en el motor.
El avance se produjo en 1930, cuando el teniente de la Real Fuerza Aérea de los Estados Unidos de América se convirtió en el primer ministro. Frank Whittle presentó una patente para una turbina de gas con propulsión a chorro. Su motor, con un compresor centrífugo de una sola etapa acoplado a una turbina de una sola etapa, fue probado con éxito en abril de 1937 y constituyó la base del motor a reacción moderno.
Mientras tanto, en Alemania, Hans von Ohain formuló su teoría de la propulsión a chorro en 1933 mientras completaba su doctorado en la Universidad de Göttingen. Von Ohain y el Dr. Max Hahn patentaron un motor a reacción en 1936, y el 27 de agosto de 1939 se hizo historia en Rostock con el primer vuelo a reacción puro
En 1939, el Ministerio del Aire adjudicó a Power Jets Ltd (una empresa en la que Whittle tenía una participación) un contrato para desarrollar un motor de avión. El 15 de mayo de 1941, el motor W1 de Whittle realizó su vuelo inaugural en el Gloster Modelo E28/39. Este avión alcanzó una velocidad de 370 mph (595 km/h) en vuelo nivelado con 1.000 libras de empuje. Tras el éxito del motor Whittle, los británicos enviaron inmediatamente un prototipo a sus aliados en Estados Unidos, donde General Electric comenzó a producir inmediatamente copias. Durante este tiempo, un grupo de ingenieros de GE llamados Hush-Hush Boys desarrollaron nuevas piezas para el motor, lo modificaron, lo probaron y entregaron un prototipo de trabajo de alto secreto llamado I-A con un empuje de 1.300 libras.
Como muchas innovaciones tecnológicas, el motor a reacción tardó en desarrollarse desde el concepto hasta el diseño y la ejecución, pero dos guerras mundiales eclipsaron la ingeniería aeronáutica. Hacia el final de la Segunda Guerra Mundial, se introdujeron los motores de turbina modernos, incluyendo la refrigeración de las palas, la prevención del hielo y la tobera de escape de sección variable.
En 1930, los prototipos de Sir Frank Whittle eran totalmente de acero. El acero es excelente para la resistencia y la dureza de la superficie, pero si necesita un rendimiento a alta temperatura, debe buscar en otra parte, porque la temperatura máxima del acero es de 450-500 °C.
Uno de los principales factores limitantes de los primeros motores a reacción era el rendimiento de los materiales disponibles para la parte caliente (cámara de combustión y turbina) del motor. La necesidad de mejores materiales impulsó una amplia investigación sobre aleaciones y técnicas de fabricación, y esta investigación dio lugar a una larga lista de nuevos materiales y procesos que hacen posible las modernas turbinas de gas.
Además de mejorar los materiales y las aleaciones, un gran avance ha sido el desarrollo de los procesos de solidificación direccional (DS) y de cristal único (SC) y el desarrollo de revestimientos de barrera térmica. La búsqueda de materiales de alto rendimiento, el diseño innovador y la mejora de los métodos de producción en el desarrollo de los álabes se tratará en profundidad en el blog de la segunda parte de los álabes para turbinas a reacción de la próxima semana. La evolución a lo largo de los años y la mejora continua no son posibles sin las mediciones.
Se tarda unos dos años en construir y ensamblar los componentes de un motor a reacción, tras una fase de desarrollo y pruebas que puede durar hasta cinco años para cada modelo. A lo largo del proceso de construcción de un motor, se inspeccionan los componentes y conjuntos para comprobar la precisión dimensional, la mano de obra responsable y la integridad de los materiales.
Desde 1968, WENZEL se ha esforzado por ofrecer mejores soluciones de medición para la industria manufacturera con sus innovaciones en tecnología de medición. Se ofrecen sistemas de medición de última generación para palas de turbina de distintos tamaños. Las complejas curvas de los álabes de las turbinas tienen dimensiones críticas que deben medirse en numerosos lugares, limitados por el alcance de los sistemas táctiles convencionales. Las mediciones típicas incluyen secciones transversales de las palas en múltiples lugares, y esto también es un reto muy especial. Esto se refiere principalmente a la medición de los radios en el borde de ataque, el borde de salida, la forma de la raíz y la posición y el tamaño de los agujeros de refrigeración. (Conozca más sobre las funcionalidades de las turbinas y las palas en la entrada del blog de la próxima semana).
Limitado por el diámetro del palpador, no se pueden detectar las desviaciones de forma y los defectos en las características pequeñas. Una sonda táctil tiene el efecto de un filtro mecánico en la medición y puede hacer que los resultados parezcan mejores o peores de lo que realmente son.
Como alternativa, se pueden utilizar sistemas de medición óptica. En muchos casos, las superficies reflectantes deben prepararse y recubrirse con un polvo especial. Este procedimiento añade material extra a la pieza y conduce a resultados incorrectos cuando se evalúan características pequeñas. Además, no todos los métodos son capaces de detectar radios pequeños o incluso de medir características de difícil acceso.
WENZEL ha desarrollado el CORE , un sistema óptico de medición que cumple todos estos requisitos. Gracias al innovador sensor, no es necesario preparar las superficies reflectantes y pulidas. Los puntos de medición se capturan con un pequeño punto luminoso de 35 μm de diámetro. Con este sistema de medición, incluso los radios pequeños pueden medirse en detalle con un elevado número de puntos y pueden analizarse las desviaciones de forma y los defectos.
El viaje de los álabes de las turbinas a reacción comenzó con la determinación de ir más rápido y en las próximas dos semanas veremos los aspectos técnicos y el diseño de los álabes de las turbinas a reacción. Sólo hay que ver lo lejos que hemos llegado en las últimas seis décadas. Desde el primer avión a reacción en 1939 con un empuje de 1100 lbf, hasta el empuje de un motor típico de avión de pasajeros de 5.000 lbf (22.000 N) (de Havilland Ghost Turbojet) en los años 50, hasta 115.000 lbf (510.000 N) (General Electric GE90 Turbofan) en los años 90, por no hablar de una fiabilidad mucho mayor en términos de paradas por cada 100.000 horas de vuelo del motor.
Esto, unido a la fuerte reducción del consumo de combustible, hizo posible a principios de siglo los vuelos transatlánticos rutinarios con aviones comerciales bimotores (ETOPS), que antes habrían requerido varias paradas para repostar.
Hoy en día, la tecnología de las turbinas de gas sigue evolucionando con nuevos motores que ofrecen una eficiencia de combustible aún mayor y niveles de ruido significativamente menores. Dos de los mayores motores de turbina de gas jamás construidos entraron en servicio en el Airbus A380: el Rolls-Royce Trent 900 y el GP 7200 de Engine Alliance (una asociación de GE y Pratt & Whitney). Estos enormes motores generan 70.000 libras de empuje cada uno.
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