Los difusores de entrada II

Una entrada de aire es considerada tradicionalmente como parte estructural del avión y no parte del motor. Sin embargo estas entradas o difusores son fundamentales para el buen rendimiento de la planta motriz. Como comentábamos en la parte I de este post, lo que deben de hacer los difusores es intentar captar toda la masa posible de aire con la mayor presión. 

Para ello estas entradas se construyen siguiendo un diseño interior divergente. Las características de estos difusores se vuelven tanto mas importantes cuanto mas rápido avanza la aeronave, ya que el empuje puede ser máximo solo si el difusor de entrada cumple su función de forma eficiente.

El rango de operación de los difusores de entrada va desde el funcionamiento del motor en rampa con el avión parado, hasta el vuelo a gran altitud a una velocidad cercana a la del sonido.

Hoy en día que la eficiencia y la ecología están tan en boga, los diseñadores de motores tratan de hacer estos menos contaminantes. Para ello deben de colaborar con el fabricante del avión, que es el encargado de diseñar estas tomas de aire. Con ello el ciclo del motor y su flujo de aire pasa de ser una compresión isentrópica en la entrada a una expansión isentrópica en la salida con la máxima eficiencia.

Las características básicas de todo difusor de entrada deben ser capaz de:

• realizar el proceso de difusión cercano a la compresión isentrópica ideal.
• decelarar la corriente de aire libre a Mach 0,5 en la entrada del compresor
• proveer cantidad de aire suficiente en todos los regímenes del motor
• provocar grados altos de compresión a la entrada del compresor
• no distorsionar la corriente de aire y mantenerla en regímenes no turbulentos

Las características que se han comentado son validas tanto para difusores de aviones subsónicos como para difusores de aviones supersónicos. Aunque pueda parecer mentira, una de las caracteristicas mas deseadas es la de no distorsionar el flujo de entrada. En los ensayos con estas estructuras se ha comprobado que incluso las más pequeñas variaciones de un flujo uniforme pueden dar lugar a lo que se ha llamado "surge" o "compressor stall", que es la pérdida que sufren los álabes del motor y a la que vamos a dedicar una entrada.

Consideraciones de diseño

Los difusores de entrada, así como las toberas de salida, integran el grupo propulsor con el fuselaje. Por ello mismo, los difusores afectan tanto al rendimiento del motor como a las características del avión. Un difusor de entrada bien diseñado debe tratar de ingerir la mayor parte del flujo de aire libre enfrente del motor, pero además debe de ser capaz de:

• No distorsionar el aire y mantenerlo uniforme
• Proveer tanto aire como sea el motor capaz de ingerir
• Poseer un alto grado de recuperación del aire de impacto (RAM recovery)
• Decelerar la velocidad del aire desde casi supersónico a menos de Mach 0,5
• Ser poco costoso en términos de construcción
• Tener una larga vida operativa y ser fiable.

Si estas características básicas no se tienen en cuenta, una ineficiencia del 1% en el flujo de entrada podrían ser responsables del 5% o más de la pérdida de potencia del motor y alrededor de un 1% en la reducción de la velocidad máxima de la aeronave.

Tipos de entradas o difusores

Generalmente se suelen dividir los difusores entre los que se consideran de geometría fija o geometría variable. Dentro de estas dos grandes categorías se encuentran muchas otras. Las más importantes de las consideradas de geometría fija son:

Tipo pitot: Así llamado porque se asemeja a los tubos pitot de toma de presión total que llevan los aviones para medir los datos del aire. se trata de un tubo con su parte interior divergente para recibir el impacto del aire (RAM air) y tratar de aumentar al máximo la presión del flujo antes del compresor. Este tipo de entradas se suelen ver en los aviones comerciales modernos montados en pilones bajo las alas o a los lados en la parte trasera del fuselaje.

Si se mira con atención el interior de alguna de estas entradas de aire o difusores, se verán una serie de pequeños orificios que llenan la pared interior. Algunos fabricantes (Airbus lo emplea mucho) lo utilizan para que el aire sea succionado y el flujo que entre sea más estable pegándose lo más posible a las paredes de entrada sin aumentar de manera considerable la fricción.

Para una buena difusión del aire existe una relación matemática bien estudiada por los ingenieros, entre el diámetro u área de la entrada del disfusor (A1), la salida de este (A2) y la distancia entre ambas. La diferencia entre una tobera de salida y un difusor es justamente función de estas distancias y áreas. La tobera es un dispositivo diseñado para transformar entalpía en energía cinética. El difusor transforma energía cinética en entalpía. En la ilustración superior se pueden ver 3 situaciones diferentes. En 1 el avión no se mueve y el motor solo succiona el aire. En 2 el avión avanza rápido y el área A1 puede ser utilizada en su totalidad. En 3 la velocidades tan alta que el disfusor de entrada solo recoge parte del área A1, el resto se pierde.

Posiciones típicas de los motores tipo pitot en los aviones comerciales. Dependiendo del diseño de la aeronave existen varios sitios donde se pueden colocar los difusores sin grandes interferencias aerodinámicas. las posiciones más usuales para los aviones comerciales modernos son las que se ven aquí.

Side Scoop intake: Esta es la típica instalación dividida a uno y otro lado del fuselaje.  Normalmente esta entrada de aire suele tomar el aire procedente del morro del avión y lo guía hasta el motor una vez que ambos conductos se unen para formar un único conducto. Se suelen usar normalmente en los aviones militares que tienen el motor dentro del fuselaje. 

Ejemplos de entradas para aviones militares que tienen la planta motriz dentro del fuselaje. Ala izquierda un tipo pitot como el que equipaba a los F-100. A la derecha un tipo Side Scoop como el que montaban los T-33 Shooting star

Wing root inlet: Este tipo de entrada es muy similar a la side scoop intake, pero los difusores de entrada en esta variante se encuentran localizados en la raíz del ala con el fuselaje. 

Wing leading edge inlet: Son las entradas de borde de ataque del ala que están integradas en ella. Suelen tener forma de ovalo y están encastradas en la propia estructura del ala. El ejemplo más famoso es el del Comet.

Bellmouth intake: Son entradas a modo de embudo que facilitan la ingestión de aire típicamente en los bancos  de pruebas para motores. suelen estar recubiertas con una malla para evitar la ingestión de FOD.

Tomas de aire con geometría variable

Hasta ahora hemos visto los típicos difusores subsónicos. Las tomas de geometría variable son típicas de los aviones de altas prestaciones supersónicos. Con este tipo de difusores la entrada de aire se puede acomodar a todos los regímenes de vuelo posibles: subsónico-transónico-supersónico. Simplemente se varía la forma de la entrada para acomodar el flujo con respecto a la velocidad del avión. De lo que se trata es en definitiva de que este tipo de entradas puedan decelerar la velocidad del aire a un régimen subsónico antes de entrar en el motor.  Para ello se pueden usar varios métodos.

Los motores convencionales son subsónicos y no pueden ingerir aire a velocidad supersónica. Los difusores de entrada con geometría variable se encargan de decelarar el aire hasta un régimen en el que puedan operar los motores.

Los famoso "Souris" (ratones) que equipan a la familia Mirage. Estos dispositivos se movían manualmente en los primeros prototipos. El piloto avanzaba la posición de los souris cuando el avión aceleraba para poder evitar reducir las turbulencias en la entrada. Gracias a este sistema el primer Mirage III alcanzó el Mach 1.8 en 1957. 

detalle de los souris de la familia Mirage. Posición retrasada en vuelo lento y posición adelantada en vuelo supersónico.

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Hablaremos más en detalle de estas tomas en un post dedicado a ellas.

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Algunos aviones montan una placa separadora (Splitter plate), que se usa para controlar el flujo de aire hacia el motor. Cuando la entrada de aire del motor está montada parcialmente a lo largo del fuselaje o debajo del ala, la placa desvía la capa límite de la entrada del motor. Es una forma de control de capa límite.