Cuestión de eficiencia

Sin considerar otros gastos, el consumo de combustible de un E-Jet 195 de la familia Embraer (pongamos con 120 asientos) está en el orden de unos 1,8 toneladas de combustible por hora. En un Airbus A320 los motores suelen consumir unas dos toneladas por hora (pongamos con 150 pasajeros). Por su parte el novísimo CSeries 100 con 130 asientos puede llegar a consumir 1,5 toneladas por hora. Si nuestra compañía paga, pongamos por caso, 40 céntimos de Euro por cada kg de combustible, un viaje de MAD a FRA (unas dos horas) nos saldría por 1.440 Euros con el E-Jet, 1.600 Euros con un A320 y 1.200 Euros con el CSeries. Si se tienen en cuenta las cifras anuales, la diferencia es muy abultada. Con la misma cantidad de combustible un CSeries llega más lejos. ¿A que se debe esta diferencia? El motor es una de las claves.

Un motor a reacción es una máquina térmica.

El rendimiento térmico o eficiencia es un coeficiente o ratio adimensional calculado como el cociente de la energía producida (en un ciclo de funcionamiento) y la energía suministrada a la máquina (para que logre completar el ciclo termodinámico).

La transferencia de estas energías se realizará en forma de trabajo, W. La eficiencia o rendimiento total en un motor a reacción es la suma de:

• La eficiencia interna, también llamada eficiencia térmica o rendimiento (ƞi).
• La eficiencia propulsiva (ƞprop )

La eficiencia térmica o interna expresa lo bueno que es un motor de reacción como máquina térmica, ya que deja claro que tanto por cierto de la energía contenida en el combustible se puede transformar en energía cinética o chorro de aire a la salida. La eficiencia interna depende principalmente del ratio de compresión (p2/p1) en el compresor de entrada y del ratio de temperaturas entre la temperatura de entrada (T2) y la de salida (T3) de la cámara de combustión: (T3/T2).

El rendimiento térmico se incrementa con:

• Un incremento de la relación de compresión. Esto se puede alcanzar perfeccionando el diseño del motor, pero hay que tener en cuenta que esto también conlleva un incremento de la temperatura de entrada a la cámara de combustión T2.
• Un incremento de la temperatura de entrada en la turbina, que también se puede obtener por medio del diseño.
• El vuelo a gran altura, lo cual dará lugar a muy bajas temperaturas exteriores (OAT) y ello logrará menores temperaturas de entrada en la cámara de combustión.
• Mayores RPM. Logrando por diseño soportar mayores fuerzas centrípetas.

Los modernos motores de aviación comercial suelen estar en torno al 40%.

La eficiencia propulsiva por su parte es el coeficiente expresado por la siguiente ecuación:

Siendo Vsalida la velocidad de los gases en la tobera y TAS la velocidad verdadera del avión.

Si la velocidad (TAS) del avión fuera tan alta como la velocidad de salida de los gases en la tobera del motor, entonces TAS = Vsalida y por lo tanto el coeficiente de la eficiencia nos daría 1, lo cual es un valor teórico imposible de alcanzar en la vida real.

En tierra, cuando el avión no se mueve todavía, los motores están en marcha y se aplica potencia de despegue, la TAS es muy baja y Vsalida muy alta. La eficiencia propulsiva en este caso es casi cero. Como resultado de ello, si tenemos en cuenta la velocidad TAS a la que vuela un avión, la Vsalida debe de ser algo mayor que la TAS. Esto es lo que explica el por qué un aeroplano lento debe de estar equipado con motores propulsados a turbohélice y no por turborreactores o turboventiladores. En un tipo de avión lento, con un turbohélice, se consigue una Vsalida bastante baja. El empuje en realidad se consigue por medio de la hélice que mueve hacia atrás una gran masa de aire a relativamente baja velocidad.

Para un avión que vuele a una velocidad de M=0,8 (aproximadamente 480 Kts), el concepto de turboventilador (TFE o Turbofan Engine) con una Vsalida algo mayor es el sistema de propulsión que mejor le va, consiguiéndose una eficiencia de 0,8 e incluso mayor. El diagrama que sigue explica muy gráficamente la comparativa sobre las distintas eficiencias y velocidades.

La fórmula para calcular la eficiencia de un turbo-ventilador y un turbohélice es muy complicada y cae fuera de las pretensiones de este blog. La fórmula que acabamos de ver más arriba es la más sencilla y se aplica solo a motores turborreactores puros. Lo que si se puede ver en el gráfico superior es el efecto de esta fórmula, que nos da las curvas en relación a la del turborreactor.