Los problemas del PW1000G: bowed rotor (eje combado)

Cuando terminé el curso del CSeries de Bombardier, una de las cosas que más me llamaron la atención fue el hecho de que los novísimos motores PW1000G fueran tan lentos a la hora de arrancar. Normalmente un arranque puede llevar alrededor de un minuto, pero en este avión cada arranque se dilataba hasta los tres o más minutos por motor. Esto es algo que retrasa la operación de vuelo enormemente. Lo que uno suele pensar es que un motor a reacción es muy parecido en casi todos los aviones comerciales y en principio todos deben de operar de forma similar. Es cierto, pero a veces (con el afán de innovar) ocurren pequeños problemas que no se han tenido en cuenta en la fase de diseño.

En los del CSeries ocurre algo que en realidad no es nuevo en aviación. Se trata de la expansión térmica del eje rotor. "Bowed rotor" es el término anglosajón que se emplea para este problema. La expresión podríamos traducirla como eje combado en español.  Los motores a reacción alcanzan temperaturas muy elevadas cuando operan en sus regímenes normales de vuelo. Las temperaturas pueden llegar a alcanzar en algunas ocasiones cifras cercanas a los 1.000° C. El punto más caliente de un motor a reacción se encuentra justo a la salida de la cámara de combustión. Por otra parte, para que un motor sea lo más eficiente posible, debe de tener muy poca holgura entre los álabes del compresor/turbina y la carcasa exterior. De lo que se trata es de que el aire no escape por las puntas, sino que pase a través de los álabes. 

Cuando se apaga un motor de turbina de gas, todo este calor tiene que disiparse de alguna forma. El motor, por lo general desarrollará un gradiente térmico que se desplaza verticalmente a través del eje compresor/turbina debido a que el aire caliente, al perder temperatura, se eleva desde los componentes metálicos y se acumula en la parte superior. Este enfriamiento progresivo del rotor hacen que la temperatura en la parte superior sea mayor que en la inferior, tal como se muestra en la figura que sigue.

El rotor caliente se enfría y la parte baja se contrae por culpa de este gradiente térmico. Al hacerlo de manera no uniforme, el eje tenderá a doblarse levemente. Esto es lo que se conoce como combado o arqueado de rotor (bowed rotor). Como se puede ver en la ilustración superior, el arqueado se ha exagerado mucho gráficamente, pero en realidad se trata de muy poca magnitud, estamos hablando del orden de centésimas de milímetro. A pesar de todo, esto puede dañar el motor. Arrancar un motor en estas condiciones puede provocar que los álabes de la turbina toquen la carcasa externa del motor produciendo daños. Esto representa un riesgo tanto para la aeronavegabilidad como para la capacidad operativa.

El impacto de este efecto propio de los motores de turbina en las operaciones de las aeronaves es algo que se lleva estudiando desde hace tiempo. Todos los motores a reacción sufren en mayor o menor medida de este efecto. En los PW1100G, este problema ha llevado a Pratt a imponer un tiempo de arranque más conservador. Cuando se adelanta el interruptor de encendido, el FADEC del motor acelera suavemente hasta un 12% de N2 y se queda en esta velocidad unos 30 segundos para garantizar que las puntas de los  álabes del rotor no rocen contra las paredes. El motor se ventila disipándose el calor residual y además se endereza el eje gracias a la fuerza centrífuga. Una vez pasado el tiempo preestablecido, N2 aumenta y se continúa con el proceso normal de encendido.

Para paliar el retraso en el arranque, la casa Pratt está mejorando el software en el FADEC y nuestra compañía SWISS además está pidiendo autorización a las autoridades de aviación civil (FOCA) para cambiar los procedimientos operacionales y poder arrancar los dos motores a la vez. Esto es algo que en principio es técnicamente posibles si el carrillo externo de aire o el APU pueden proporcionar la presión necesaria. 

Para el que esté interesado en el tema, existe (en inglés mucha documentación y alguna tesis doctoral en Internet sobre esto:

https://www.researchgate.net/project/Gas-Turbine-Compressor-Rotor-Bow