El propulsor del F/A-18
Antes de producir el motor del F-18, General Electric analizó los "perfiles de la palanca de gases" de muchos aviones que llevaban montados sus motores, y descubrió que los pilotos cambiaban la configuración del mando de gases con mucha más frecuencia de lo que los ingenieros esperaban; Esto hizo que los motores de GE se estresaran y se desgastaran mucho más de lo que los ingenieros habían planeado. Con todo esto en mente, GE intentó que el diseño del nuevo F404 evitara las pérdidas del comprensor y otros fallos típicos de los motores a reacción.
A la vez, GE se centró en que este motor respondiera rápidamente a los cambios en la posición de la palanca. Un problema inherente a los motores de reacción, mucho más lentos en responder que los motores de pistones. Esta era una queja común de los pilotos que venían de volar aviones de hélice y ahora pasaban a hacer el curso de jets. Resolver la tardanza en obtener empuje fue un gran problema al principio. Los primeros turbo jets no respondían inmediata-mente a los cambios en los mandos de gases y el empuje se notaba unos 9 segundos después de la aplicación. Tardaban mucho en adquirir aceleración y eso no era admisible en un avión de combate. Los directivos de GE también establecieron como un objetivo primordial que el nuevo motor fuera más pequeño que el GE J79 del F-4, pero que proporcionara al menos el empuje equivalente. Además, el nuevo motor debía costar la mitad que el carísimo motor P&W F100 del F-16.
GE diseñó un ventilador específicamente para que el flujo de aire fuera suave y continuo antes de que este pasara al compresor de alta. El F404 tiene, por ese motivo, una alta resistencia a las paradas o pérdidas de compresor, incluso en vuelos con ángulos de ataque altos. El motor requiere menos de dos visitas al escalón más alto de mantenimiento por cada 1.000 horas de vuelo y además goza de un MTBF (tiempo medio entre fallos) de 6.500 horas de vuelo. Una vez modificado convenientemente el F404, y gracias a su FADEC (sistema de control de mo-tor digital de autoridad total), el motor demostró una alta capacidad de respuesta para aceptar cambios en la palanca de gases. En este sentido, puede aceptar cambios, pasando del modo ralentí al postquemador completo en solo 4 segundos. El motor contiene un sistema de moni-torización de estatus en vuelo (IECMS) que previene un fallo crítico y realiza un seguimiento de la vida útil de las piezas. GE consideró el modelo F110 para la Fuerza Aérea como una alternativa al Pratt & Whitney F100 para el F-16 y el F-15. Este modelo de motor estaba ba-sado en el F101, pero al final todos estos avances y esta tecnología tan puntera fue empleada en el F404.
La familia de motores 404
La familia de motores F404 impulsa una amplia gama de aeronaves con misiones que van desde ataques subsónicos a baja cota hasta intercepciones a gran altitud. La primera versión del F404 fue desarrollada para impulsar el Boeing F/A-18, y los derivados sin postquemador impulsaron el F-117A Stealth Fighter y el Singapore A4-SU Super Skyhawk. Desarrollado para el coreano KAI / LMTAS T-50 entrenador avanzado/caza ligero, el F404-GE-102 es el último derivado de la familia F404. Incluye características de seguridad para monomotores y un control electrónico digital de autoridad total (FADEC) derivado del motor F414 de GE. Samsung Techwin suministra el F404-GE-102 a ROKAF bajo un programa de producción con licencia de GE.
El F404-GE-402 proporciona mayor potencia, mayor eficiencia de combustible y mayor ca-pacidad de misión al Boeing F/A-18C/D Hornet. Es un motor robusto probado en combate. La tecnología avanzada y los materiales aplicados a las secciones de la turbina y el postquemador aumentan el rendimiento y la durabilidad característica del F404. Su diseño simple y modular es confiable y fácil de mantener. El F404 / RM12 es un derivado desarrollado junto con Volvo Aero Corporation para impulsar el Saab Gripen, un avión de combate, ataque y reconocimien-to de múltiples funciones. El modelo F404/RM12 también incluye características de seguridad para aviones de un solo motor y un FADEC. El motor F404-GE-IN20 es una versión de pro-ducción mejorada del F404, que está impulsando el éxito con el avión de combate ligero MKI de la India. La variante de empuje más alta de la familia F404, la F404-GE-IN20 incorpora los últimos materiales y tecnologías de la sección caliente de GE, así como un FADEC para un empuje fiable y características operativas sobresalientes.
Los motores de los modelos A y C del F-18
Estos modelos están propulsados por dos motores de General Electric: F404-GE-400 en el lote 13 o inferior y F404-GE-400 o F404-GE-402 en el lote 14 o superior. El empuje militar de cada motor F404-GE-400 es de aproximadamente 10.700 libras con un empuje máximo de postcombustión en la clase de 16.000 libras. El empuje militar de cada motor F404-GE-402 es de aproximadamente 10.900 libras con empuje máximo de postcombustión en la clase de 18.000 libras.
Foto de GE.
La relación empuje/peso del avión está en la clase 1 a 1 (podría ascender en vertical). El motor es un turboventilador de flujo axial de bajo índice de derivación con postquemador. El venti-lador de tres etapas (compresor de baja presión) está accionado por una turbina de una etapa. Aproximadamente un tercio del aire de descarga del ventilador se deriva al quemador poste-rior para su combustión y empuje extra. El compresor de alta presión de siete etapas está im-pulsado por una turbina de una etapa. Los estatores del compresor de primera y segunda etapa son de geometría variable. El sistema de antihielo del motor utiliza el aire de la cuarta etapa del compresor. El motor lleva instalados unos álabes guía de entrada variable. Estos álabes están montados frente al ventilador y al compresor para dirigir el aire de entrada en el mejor ángulo posible y así extraer la máxima cantidad de energía en el funcionamiento normal.
El combustible atomizado y el aire de descarga del compresor se mezclan y se encienden en la cámara de combustión. Estos gases pasan luego a través de las turbinas del compresor y del ventilador y salen hacia la tobera de escape del motor. La operación de postcombustión utiliza combustible atomizado agregado a esta sección del motor. El combustible se mezcla con los gases de descarga de la combustión normal y el aire de descarga del ventilador que viene de la parte de derivación. Este quemado conjunto produce empuje adicional. El control conjunto de control eléctrico, las toberas de escape de geometría variable, el control de combustible prin-cipal y el control de combustible del quemador posterior, una operación coordinada del motor en toda la envolvente operacional del motor. La caja de engranajes y accesorios del motor se mueve gracias al rotor del compresor. Esta caja de engranajes, a su vez, hace funcionar las bombas de aceite de lubricación y recolectado, la unidad de potencia de la tobera de escape variable, la bomba de combustible principal y el control y la bomba de combustible del post-quemador. Para el arranque de los motores se utiliza una unidad de potencia auxiliar (APU) montada en la aeronave. Debajo se puede ver la comparativa entre el motor del F-18 y el anti-guo J79. El motor del F-18 pesa la mitad del J79. Un F-18 solo consume un 10-15% más que un A-7E que lleva solo un motor TF-41. En comparación con el J79, el motor del F-18 tiene el mismo empuje, la mitad del peso, es 1· más corto, tiene 8 etapas menos y un 40% menos de piezas. Además de todo esto, el motor del F-18 no emite humos y es cuatro veces más fiable con mucho menos mantenimiento.
En la foto que se puede ver a continuación, el personal de mantenimiento asignado a los "Sun-liners" del Escuadrón de caza Strike Eight One (VFA-81) reemplaza un motor F404-GE-400 de un F/A-18 Hornet después de que el motor sufriera daños por objetos extraños (FOD) a bordo del USS John F. Kennedy (CV 67). Un personal bien adiestrado es capaz de cambiar un motor en 40 minutos.
El F-18 tiene la capacidad de arranque de forma autónoma gracias a la Unidad de potencia auxiliar (APU), que elimina la necesidad de cables externos o carros de alimentación en la cubierta de vuelo o en la posición de parking. Durante el arranque, la unidad APU acciona el arrancador de la turbina de aire (ATS) que se encuentra en la unidad de accesorios montada en el AMAD y, a través de un eje puede mover el motor con gran velocidad para el arranque. Con un motor en marcha, se puede usar aire de sangrado para arrancar el otro motor. Para la verificación en tierra de los sistemas de la aeronave, existe una desconexión rápida del eje de arranque que cuenta con un sistema de desacople. Gracias a este sistema la unidad APU puede accionar solo los accesorios: generador, bomba hidráulica y bomba de combustible. La unidad APU está diseñada para operación continua en tierra.
El AMAD
El Hornet cuenta con una unidad de accesorios montados en el fuselaje (AMAD) justo delante y debajo de los motores. Las bombas hidráulicas, generadores eléctricos, bombas de combus-tible y turbinas de arranque por aire (ATS) están todas montadas en el AMAD, que está co-nectado a cada motor a través de un eje de transmisión. El AMAD simplifica enormemente el mantenimiento, ya que no es necesario desconectar todos estos sistemas para cambiar un mo-tor. Todo lo que se requiere es desconectar el eje de transmisión apropiado y quitar el motor mientras se dejan todos los demás sistemas intactos. Otra ventaja es que el eje de transmisión se puede desacoplar en el suelo tirando de una palanca que permite al equipo de mantenimien-to encender el sistema hidráulico, el sistema eléctrico o el sistema de combustible sin hacer funcionar el motor. La unidad de potencia auxiliar (APU), o un arrancador de tierra, puede proporcionar aire para hacer girar el arrancador de turbina ATS, que a su vez moverá estos sistemas sin tener que encender el motor.
El F-18 cuenta con dos sistemas hidráulicos independientes con una presión nominal de 3.000 psi. Son sistemas completamente separados y pueden mover flujo hidráulico a una velocidad de 56 galones por minuto. Los sistemas hidráulicos proporcionan potencia para mover todos los controles de vuelo, el freno aerodinámico, la sonda de reabastecimiento de combustible, el tren de aterrizaje, los frenos, y el cañón M61.
Se ha instalado también un sofisticado sistema de detección y extinción de incendios en los compartimientos del motor. El APU es un AlliedSignal GTC-200 en los modelos A/B/C/D para arranque del motor y alimentación neumática, eléctrica e hidráulica en tierra. La extin-ción de incendios se basa en un sistema de una sola carga en una botella que el piloto puede descargar selectivamente en cualquiera de las tres zonas de incendio de la aeronave: compar-timientos del motor derecho y AMAD derecho, compartimientos del motor izquierdo y AMAD izquierdo y compartimento de la unidad APU.Puedes ver el funcionamiento con postcombustión de este motor en el estupendo vídeo de Sergio Hidalgo.
Artículo relacionado: el postquemador.
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Puedes leer más artículos como este en el Dossier del F-18
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Excelente texto, bien técnico.
ResponderEliminarMuchas gracias por el comentario querido lector.
EliminarUn cordial saludo
Manolo
Hola. Gran blog. Didáctico e instructivo. Respecto a la motorización del F-18, siempre se ha criticado que la relación peso/potencia del avión no era muy buena debido seguramente a la navalización del mismo y que se quedaba por detrás de los de su generación en aceleración transónica y recuperación de energía. De ahí la versión -402.
ResponderEliminarMi pregunta es ¿sería posible un hipotético retrofit con el último modelo del motor, la versión hecha para el HAL Tejas indio o el mayor airflow que requiere este modelo es incompatible con las tomas del F-18?
Hola querido lector, pues es una excelente pregunta.
EliminarNo soy un experto, pero en mi humilde opinión, creo que, tecnicmente si es posible ese retrofit que propones. Pienso que esa modificación ya se tuvo en cuenta en su día pero al final se abandonó. El problema sería mas de tipo económico por la cantidad de pequueñas modificaciones que requeriría. La modificación no creo que introdujera cambios sustanciales de comportamiento precisamente por la forma aerodinámica del propio avión y su sistema de vuelo. Las performance mejorarían, sí, pero la pregunta es ¿a que coste? Pienso que ganar un un porcentaje relativamente pequeño en rendimiento implicaría unos costes bastante altos.
En principio habría que deshacerse de los motores antiguos y comprar los nuevos. Estructuralmente muy posiblemente habría que hacer alguna modificación para la absorción del nuevo empuje. Estamos hablando de unas 4.000 libras más de empuje que en estos niveles ya es una cifra respetable.
Posiblemente las tomas de aire tuvieran que ser modificadas y el software de control de vuelo también. Se tendría que revisar todo lo relativo a envolvente de vuelo y a la mayor capacidad de carga.
Por otro lado, el consumo espécífico del motor aumentaría en proporción al nuevo empuje, lo que dejaría el ya de por sí exiguo alcance del F-18 C en niveles muy poco prácticos para la tarea que tiene. Esto daría lugar a incrementar la capacidad interna de combustible, quizás con algún tipo de depósito conformado.
Si además de esto se tuviera en cuenta el mayor mantenimiento que necesitan estos motores y el menor MTBF (tiempo medio entre fallos), sería casi mejor producir un avión totalmente nuevo... y es lo que al final se ha hecho con el F-18E. Ese era el paso natural a dar en una evolución paralela de célula y planta motriz.
El caso del Gripen es otra historia, porque el concepto es totalmente diferente y en ese avión el incremento de rendimiento si es considerable, tanto que el nuevo motor da lugar a un gran avión en la versión llamada NG o E.
¡Aquí se podría abrir un debate que daría para mucho! :)
Un cordial saludo
Manolo
consulta cual es la vida útil de este motor??
ResponderEliminarEl F414, la versión más moderna que usa el F/A-18, tiene una vida útil de la sección caliente de 2000 horas y una vida útil especificada de 4000 horas para todos los demás componentes giratorios y la estructura del motor.
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