La cámara de combustión de un reactor (I)

En la ilustración a lápiz (de una de mis notas de clase de hace años) se muestran las etapas de un motor a reacción genérico. La combustión es una reacción química que se efectúa para poder liberar energía calorífica. Siempre se ha dicho que un motor de reacción es simplemente un quemador. Efectivamente, esta máquina térmica podría quemar casi de todo, desde alcohol hasta colonia (pasando por whisky), aunque la forma más efectiva de conseguir empuje es, por supuesto, quemando queroseno. Es un quemador tan bueno que ni siquiera las grandes cantidades de agua que se ingieren durante un vuelo en una tormenta con lluvia pueden apagar el proceso. La cámara de combustión se encuentra (tal como se puede ver en el dibujo) entre el compresor y la la turbina de alta presión. La cámara de combustión tiene encomendada la difícil tarea de quemar grandes cantidades de mezcla aire-combustible con la mayor eficiencia posible.


Además de esto debe de entregar a a turbina los gases resultantes a una temperatura adecuada. Después de pasar por el compresor, el aire se encuentra muy comprimido y a una mayor temperatura. De esta manera el aire pasa hacia el difusor de la precámara por medio de unos álabes guía. Debajo se puede ver lo que ocurre con la presión, la temperatura y la velocidad del aire a través de las diferentes etapas.

Las tres variable esenciales se ven afectadas por el paso a través de los difusores o conductos. Debajo se puede ver la diferencia entre los conductos divergentes y convergentes.

Como se puede apreciar, el conducto anterior a la entra da a la cámara de combustión es del tipo divergente.

Gracias a este tipo de difusor, el aire reduce su velocidad hasta unos niveles lo suficientemente bajos como para poder ser mezclado con combustible dentro de la cámara. Si el aire no pudiera ser decelerado hasta unas velocidades aceptables, podría apagar la llama. Velocidades de entrada de 120 m/seg. podrían llegar a decelerarse hasta los 20 m/seg. En estos difusores que anteceden la cámara de combustión es posible encontrar en muchos motores unos conductos que que extraen el aire para otros servicios (ilustración a lápiz). Nos referimos al aire de sangrado del motor. Este aire se extrae de este punto precisamente porque aquí la temperatura y la presión de la masa de aire es la apropiada para sistemas como el neumático. Para que una cámara de combustión pueda ser apropiada en aviación, debe de tener unas pérdidas de presión mínimas y no tener tendencia al apagado (flame-out).

El combustible se suministra a través de unas boquillas de pulverización de forma que se pueda mezclar con los grandes volúmenes de aire suministrados por el compresor. Una vez hecha la mezcla se aplica la ignición para empezar el quemado. Cuando este se inicia se sostiene la llama a base de ir suministrando más mezcla aire/combustible. Dentro de la cámara se libera el calor de tal forma que el aire se expande y se acelera saliendo de la cámara una corriente uniforme de gas que se redirecciona hacia las turbinas por medio de unos álabes especiales que cambian la geometría de la dirección de este para que pueda impactar con el mejor ángulo en la primera etapa de la turbina y de esta manera se pueda extraer la mayor parte de la energía. Estos álabes especializados se denominan en inglés NGV's o Nozzle guidance vanes. Son el punto teórico donde se acumula más temperatura. 

Esta tarea de quemado (la reacción química) debe lograrse con la pérdida mínima en presión y con la máxima liberación de calor para el espacio limitado disponible. De lo que se trata es de que el rendimiento sea máximo en la mayoría de los regímenes del motor. Debajo se puede ver una gráfica con el rendimiento de un motor genérico.

El rendimiento de la combustión oscila alrededor de 0,95 y se define como el cociente entre la temperatura absoluta que se alcanza en la cámara de combustión y la que se alcanzaría en condiciones ideales. Dicho rendimiento se puede expresar en términos:

Los reactores se ven limitados en vuelos a gran altura por la disminución de ƞc, ya que a gran altura las temperaturas y presiones de la atmósfera disminuyen mucho. Al disminuir el valor del numerador en la fórmula también lo hace el resultado (son directamente proporcionales). De la misma manera, si sufrimos un apagado durante el vuelo, las probabilidades de volver a encender el motor aumentan cuando el numerador los hace. Es decir, la P y la T son mayores a bajas alturas y altas velocidades. Los aviones comerciales tienen unos procedimientos donde se detallan cuales son las alturas y velocidades óptimas, dependiendo de si el reencendido se efectúa con el APU o se hace a través de un arranque cruzado o por aire de impacto (molinillo o windmilling). Debajo se puede ver el procedimiento de reencendido del motor izquierdo en pleno vuelo en el nuevo CSeries de Bombardier.

Las pérdidas de presión en las cámaras de combustión suelen ser proporcionales a la relación de presión del compresor. A mayor relación de compresión mayores pérdidas en la cámara de combustión. Lo que se pretende en los diseños es que estas pérdidas sean mínimas. El motor de reacción clásico suele tomar 60 partes de aire por cada parte de combustible que se inyecta en la cámara. De estas 60 partes solamente unas 15 partes son las que realmente se queman en la cámara de combustión. Esto es así porque la relación ideal o estequiométrica (jopé que "palabro") es precisamente esa cantidad 15:1. Esto quiere decir que realmente solo el 25% de aire que entra en la cámara es el que se quema. El otro 75% sale de la cámara sin quemarse, pero eso no quiere decir que se desaproveche, en realidad es esencial su utilización para otros fines, como por ejemplo para la refrigeración de la superficie de la cámara de combustión. Debajo se puede ver una representación del aire que circula por la cámara. En rojo (en este caso un 20% total, del que 12% pasa a través de unos álabes generadores de vórtices o "swirl vanes") es el aire que se quema. El resto se recircula entre las dos áreas o zonas, la primaria y la llamada de dilución. 

El uso del aire recirculado en la zona de dilución es esencial para que se mezcle con los gases de la combustión y se enfríen hasta niveles de temperatura aceptables para los NGV's y la primera etapa de la turbina que recibe estos gases. Estas 60 partes de los motores tradicionales de un solo eje pueden llegar a ser mucho más de 300 por cada parte de combustible como en los modernos motores de última generación.



En el próximo post hablaremos más del tema.