Empuje del motor en crucero
El empuje del motor en fase de crucero es solo un porcentaje del empuje que un avión emplea en el despegue. En la práctica, el empuje de crucero variará según el tipo de avión y las condiciones atmosféricas.
Por poner un ejemplo, en el motor CFM56-7B (en la imagen), utilizado en los aviones Boeing 737 Next Gen, el empuje de crucero máximo oscila entre un 20% y un 30% del empuje de despegue máximo. El ejemplo típico es el del Boeing 737-800. Su motor CFM56-7B26 genera un empuje máximo de 121,4 kN en despegue y 24,38 kN en crucero (justo el 20%).
El empuje en fase de crucero no varía mucho de un modelo de avión a otro, ya que el empuje en crucero solo necesita ser igual a la resistencia (recuérdese que en crucero el empuje es igual a la resistencia; T = D). Sin embargo, el empuje al despegue varía bastante dependiendo del avión que se trate. Se necesita un empuje mayor para los aviones más grandes y pesados, mientras que aviones más ligeros necesitan menos empuje. Es curioso ver también que hay muchas personas, algunas muy instruidas, que no entienden bien que el empuje en el despegue no necesite igualar el peso del avión.
El despegue es una de las situaciones en las que se necesita que el motor desarrollo gran empuje, pero por el contrario, el empuje máximo en fase de ascenso (una vez termiando el despegue) es solo un poco más alto que el empuje de crucero máximo disponible que normalmente oscila entre el 21% y el 32% del empuje de despegue máximo.
Pero sigamos con nuestro Boeing 737-800. Imaginemos ahora que nuestros dos motores entregan un empuje de 24,38 kN cada uno en nuestro vuelo de crucero. Las especificaciones de empuje al despegue del 737 dicen que necesita 121,4 kN de empuje, entonces, ¿dónde están los otros 97,02 kN que faltan? Para discutir esto debemos ver un poco cómo se genera el empuje de un turboventilador y cómo la atmósfera y la velocidad de la aeronave afectan el empuje.
Un turboventilador funciona exactamente de la misma manera que un motor de pistón con hélice en un avión ligero, esto es, lanza el aire hacia atrás. El aire tiene masa; pesa 1,2 kg por metro cúbico a nivel del mar en condiciones estándar. El empuje generado depende entonces de cuánto aire se fuerza hacia atrás y a qué velocidad. La velocidad de la que hablamos aquí es siempre la sobrevelocidad relativa a la aeronave (la aeronave tiene una velocidad siempre menor que el aire impulsado hacia atrás), por lo tanto:
Empuje del motor = masa de aire movida x sobrevelocidad de masa de aire
Ambos factores se ven afectados por el vuelo de nuestro avión con M 0.8 o 450kts a una altitud de crucero muy alta. Comenzamos con el primer término, la masa de aire desplazada. Como dijimos, el aire pesa 1,2 kg por m3 a nivel del suelo. Sin embargo, este mismo aire pesa menos de un tercio de kilo a nuestra altitud de crucero de digamos FL 390 (39.000 pies), ver figura a continuación.
En la figura vemos la atmósfera estándar (ISA) y en verde los niveles de vuelo en los que solemos volar en fase de crucero.
Esto significa que, con los motores a las mismas rpm (N1) que en el despegue, nuestro motor solo ingiere alrededor de 1/3 de la masa de aire en crucero. Pero la cosa no queda aquí; El empuje se genera a partir del aire que sale por la parte trasera del motor que es mucho más rápido que el aire circundante.
Si suponemos que nuestro empuje de 124,5 kN al despegue fue generado por 400 kg de aire ingeridos y acelerados a 300 m/seg (590 kts), entonces cuando soltamos los frenos, tenemos una sobrevelocidad de 590kts con respecto al aire circundante. A Mach 0.8 a 39.000 pies, el avión vuela a 450 kts, por lo que solo tendremos una velocidad de 140 kts mayor que el aire (si no se toman otras medidas). Esto solo nos da 9.786 kN cuando combinamos la pérdida de masa de aire y el exceso de velocidad de gases.
Pero necesitamos un mínimo de 17,6 kN. Para lograrlo, en la práctica los motores usan un área de salida más estrecha. El difusor o tobera de salida puede acelerar el aire al nivel necesario, en este caso a una velocidad con exceso de alrededor de 240 kts para que podamos obtener nuestros 17,6 kN de empuje.
La pérdida de empuje con la velocidad se llama "lapso de empuje" y tiene una influencia significativa en el rendimiento de la aeronave no solo en crucero o ascenso, sino también en el despegue. Ya hablaremos de esto más adelante.
El consumo de combustible
Desde el punto de vista de la eficiencia, el 737-800 ya es un avión que se puede considerar antiguo. Hoy en día existen modelos con motores de nueva generación como la serie 1000 de P&W o el LEAP mucho más eficaces. Los motores turboventiladores se clasifican según la eficiencia con respecto a la cantidad de combustible que consumen por empuje generado. En el caso de un avión MAX 8 con un motor LEAP-1B de última generación, tenemos un consumo de alrededor de 0.53 lb de combustible por lbf de empuje generado.
Si voláramos este avión, con estos números se puede tener una idea estimada de nuestro consumo de combustible en fase de crucero: tenemos 7.900 lbf x 0.53 lb/lbf/hr, lo que equivale a 4.200 lb de combustible por hora, una muy buena cifra, que es aproximadamente un 15% menos que el 737-800.
El bajo consumo de combustible de los turboventiladores modernos proviene de una alta eficiencia. Esta eficiencia total se puede dividir en varias. La que se logra para generar la potencia del eje que impulsa el ventilador extrayendo la energía almacenada en el combustible, la eficiencia térmica y la eficiencia para transferir esa potencia al empuje efectivo que impulsa el avión hacia adelante, la eficiencia propulsora.
La eficiencia térmica proviene de quemar el combustible a una presión muy alta y turbinas que son super eficientes a la hora de convertir la energía del gas en energía al eje. La eficiencia propulsiva proviene de mover una gran masa de aire con baja velocidad, cuanto menor sea la velocidad, mejor. Es por ese motivo, que las relaciones de derivación altas son buenas, crean una masa de aire más grande que viaja a una velocidad más baja para una cantidad de empuje dada. La parte negativa de lograr altas relaciones de derivación son motores más grandes y pesados. Además, sus góndolas y pilones también tienen áreas expuestas al aire (wet) más grandes.
Diseño moderno del motor
Ver posts dedicados al PW1100G
Debajo se puede ver el Motor CFM LEAP-1 tomado del folleto de CFM.
En este corte esquemático se pueden ver las tripas del LEAP.
El número 1 muestra el ventilador y la carcasa del fan desarrollados con materiales plásticos compuestos y reforzado con fibra de carbono (CFRP) de SAFRAN. Con esta tecnología se consigue un fan de gran tamaño, pero liviano, que ajusta los ángulos de los álabes dependiendo de la carga del fan (en virtud de las capacidades de resistencia direccional que permiten los álabes del fan CFRP elaborado con técnicas 3D).
2 es la parte del motor detrás del fan y del compresor diseñada para prevenir en lo posible FODs en la parte interna del motor.
3 muestra la caja de engranajes y accesorios montada en la carcasa del fan que hace que el servicio y mantenimiento de los accesorios del motor sea más accesible y, por lo tanto, más fácil.
4 marca el inicio del núcleo desarrollado por General Electric (GE) que es responsable de la eficiencia térmica.
5 es el avanzado compresor de alta presión de diez etapas, genera una relación de presión de 50 a 1 lo que proporciona una combustión eficiente en
6 es la cámara de combustión GE TAPSII que combina tecnología especial para generar bajas emisiones a altas presiones de combustión.
7 es una turbina doble de alta presión que utiliza estatores de matriz cerámica de refrigeración regulada y sin refrigeración (en la carcasasexterior de la turbina) para aumentar la eficiencia. Las técnicas avanzadas de refrigeración y recubrimiento de metal utilizadas mantienen las temperaturas del metal en los mismos niveles que los motores CFM 56 de hoy en día a pesar de tener temperaturas de gas considerablemente más altas según CFM, sentando así las bases para una fiabilidad similar.
8 es la turbina de baja presión de gran área, donde se genera toda la energía para impulsar el fan.
Altitud óptima de crucero
En el ejemplo de hoy hemos visto más arriba, existe una pérdida de empuje debida a la altura. Entonces, ¿por qué queremos volar tan alto? La razón principal es la reducción en la resistencia que logramos, ya que la fricción del fuselaje y góndolas del motor se reduce mucho debido a la baja densidad del aire. Al mismo tiempo, las alas contrarrestan el peso de la aeronave deflectando aire hacia abajo que también es menos denso, generando así menos resistencia. Esto tiene por supuesto un límite, no podemos volar todo lo alto que queramos. También existe un límite debido al aire que tiene que acelerar sobre el ala para crear una corriente descendente más alta. Esto provoca un buffeting transónico (vibración previa a la pérdida) si subimos mucho. La pérdida de empuje de los motores también nos impone un límite de altura, necesitamos llegar a nuestro nivel de vuelo con un rendimiento de ascenso aceptable.
Todo esto significa que hay una altitud de crucero óptima para la aeronave, donde los efectos combinados de la atmósfera influyen en los motores, las menores fuerzas de fricción, el aumento de la resistencia inducida y los efectos transónicos, todo se equilibra a un nivel óptimo. Esta es la altitud de crucero ideal para un peso dado. A medida que quemamos combustible, nuestro peso se reduce y buscamos niveles más altos de vuelo de crucero (los problemas transónicos y de resistencia inducida se reducen con un peso más bajo). En un avión como el 737 MAX 8 en un vuelo relativamente corto (y, por lo tanto, relativamente liviano ya que no necesitamos llevar tanto combustible), sería normal un comienzo de crucero sería alrededor de FL350 y un final alrededor de FL400 antes de descender a destino.
----------------------ilustración para el comentario de GS2008--------------------
Hola Manolo, tengo una duda y puede que sea muy básica ¿qué se alcanza antes, el techo propulsivo o el aerodinámico?, en aviones convencionales se entiende.
ResponderEliminarGracias.
Hola querido amigo,
Eliminar¡Pardiez que pregunta! Esa es una excelente pregunta, pero también una pregunta extraordinariamente complica de responder si no te quieres meter en un jardín :)
Para empezar hay que distinguir entre los distintos tipos de aeronave. Un avión militar como el F-18 en el que volé, va sobrado de empuje, pero tiene muy poca superficie alar. En mi vuelo parabólico llegué a subier hasta unos 65.000 pies, pero pasando los 50.000 ya hay que conectar el piloto automático porque manualmente ya es muy dificil tener precisión en los controles de vuelo. El ala simplemente no genera suficiente sustentación.
Lo contrario ocurre con los aviones comerciales. Tienen un área alar muy grande y muy poca fuerza en los motores (según que modelos y según que peso lleven en el vuelo). Teóricamente un CS-300 (A220) llega a los 55.000 pies de altura (por lo menos yo lo logré en el simulador).
Otro problema que plantea la pregunta es el de las definiciones. Lo primero de todo sería definir que límites de techo existen. Hay muchos, más de lo que podamos imaginar. A modo de ejemplo te he puesto al final del post un gráfico muy ilustrativo donde puedes ver varios de lso diferentes techos de los aviones comerciales convencionales. Estos son los más comunes, pero hay más.
En el gráfico puedes ver que el límite o techo de servicio de un avión como el A320 (service ceiling) se alcanza cuando los motores ya no te pueden dar más de 300 pies/min. El techo aerodinámico se encuentra un poco más alto.
En el gráfico el famoso Coffin Corner debe ser la intersección de la línea roja con la la línea negra de MMO / VMO. En ese punto estas en pérdida tanto si aceleras como si deceleras ...de ahí el nombre.
La línea azul del crossover es el nivel de vuelo donde se produce el cambio IAS/MNº Al ascender dejamos de lado la IAS y nos centramos en el MNº, para descender es al revés. Dejamos el MNº y pasamos a volar con IAS.
Como ves es ciertamente complicado y depende de muchos factores, como peso, configuración, superficie alar, empuje, temperatura, etc Recuerdo en una ocasión que en un vuelo Ginebra-Bucarest no pudimos subir más de 38.000 pies (siendo el techo certificado en 41.000 pies). Ello fue debido a la temperatura. Era invierno y hacía mucho frío. El combustible se congelaba a -44 grados y el avión estaba limitado a -71º.
Pero te voy a contar un pequeño secreto. Lo que realmente limita a un avión comercial (suponiendo que motores y alas no sean un problema), es la cantidad de presión diferencial. Muy probablemente sufrirías un fallo estructural a más de 70.000 pies de altura (si pudieras llegar).
Voy a intentar elaborar un poco todo esto que te cuento y la info del gráfico un poco más y saco un post dedicado a ello. De momento te dejo con estas ideas.
Un abrazo
Manolo
Con fallo estructural ¿quieres decir que el fuselaje reventaría por la diferencia de presión?¿No sería posible abrir alguna válvula de alivio? Iba a bromear con abrir una ventanilla...
EliminarEso es. Todos los aviones comerciales van equipados con válvulas de seguridad de presión positiva y negativa. En los E-Jet tenemos un delta P certtificado de 7,8 psi. Se podría llegar a un delta P de 8 con algo, pero mucho más allá el sistema no puede compensar tan rápido y acabaría por romper en algún lado. Pero esto es como todo. Depende mucho del avión y del modelo. Los aviones de fuselaje ancho pirden más presión que los de fuselaje estrecho por poner un ejemplo.
EliminarGracias por la respuesta, lo del "coffin corner" ya lo tenía claro (p.e. el U-2) pero no con los techos operacionales y la presión diferencial como bien has apuntado. Como curioso que soy te agradezco que le dediques un post.
ResponderEliminarQue tengas un buen día.