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Aviación, Estatorreactor, Postcombustión, Pulsorreactor, Reactor, Técnica, Turbina, Turboeje, Turbofán, Turbohélice, Turborreactor
Dicen que Dios nos dio dos ojos, dos orejas y una boca porque hay que ver y oír dos veces antes de hablar una sola y dicen también que el necio cuando calla puede pasar por discreto. En general abundan los refranes y consejos que insisten en la necesidad de no hablar antes de tiempo, y de pensar e informarse antes siquiera de abrir la boca, y si tanto se insiste en ello debe de ser porque el consejo es necesario. Eso al menos debe de estar pensando la senadora Ángeles Marra, que se ha visto ridiculizada en los medios por calificar de tercermundista a un avión de apenas seis años de antigüedad.
Los hechos son los siguientes: el día 24 de junio el vuelo Madrid-Vigo tuvo un problema de motor, nada más despegar de Barajas, que obligó a los pilotos a regresar inmediatamente, haciendo algo tan poco común en este aeropuerto como es tomar tierra en una de las pistas que se utilizan para despegues con el fin de acortar lo máximo posible el tiempo de vuelo. El aterrizaje se produjo, dadas las circunstancias, con relativa normalidad.
En cuanto a las reacciones al suceso, era de esperar la habitual unanimidad en las alabanzas a los pilotos y controladores que hicieron cuanto estaba en su mano para resolver un hecho tan grave como es una emergencia en vuelo y que lograron que todo concluyera felizmente. ¿Unanimidad he dicho? Pues no, porque la susodicha senadora perdió una magnífica ocasión de guardar silencio al afirmar que el avión era tercermundista y peligroso. Como el avión salió de fábrica hace apenas seis años, la afirmación ha quedado como ejemplo de declaración absurda. Y todo porque el avión no era un reactor, sino un turbohélice. Por desgracia es habitual que mucha gente piense que un avión de hélices es un avión obsoleto. Nada más lejos de la realidad.
Éste es el motivo de que hoy publique un tipo de artículo nuevo en este blog, a sumar a los de aeronáutica en general, historia y, ocasionalmente, arte; un artículo sobre técnica. En él intentaré explicar qué es un motor turbohélice y en qué se diferencia de lo que se conoce como motor de reacción, haciendo lo posible para no entrar demasiado en tecnicismos. Como las imágenes son muy útiles en estos casos echaré mano de nuestra vieja amiga, Wikipedia, para tener acceso a dibujos y animaciones que faciliten la comprensión de este tema.
Para empezar vamos con algo bastante familiar para casi todo el mundo: el funcionamiento de un motor de 4 tiempos. La animación lo deja bastante claro: se trata (1) de que entre aire (en este caso mezclado previamente con combustible), (2) comprimirlo, (3) provocar la combustión, esto es la reacción química del combustible y el aire, con la consecuencia de que el gas al expandirse provoca el movimiento del pistón y (4) expulsar los gases resultantes de la combustión. De esta forma se aprovecha en el paso 3 la energía química del combustible para hacer girar un eje al que podemos fijar, por ejemplo, una hélice. Y ya tenemos una forma de mover un avión que se utiliza desde que los hermanos Wright consiguieron despegar del suelo en 1903.
Ahora vamos a seguir básicamente los mismos pasos, pero usando un mecanismo totalmente diferente, puesto que haremos que cada paso del proceso ocurra en una sección del motor diferente de la del paso anterior. Imaginemos el motor como un cilindro horizontal. En un extremo, por el que entrará aire, pondremos un compresor para, como su nombre indica, comprimirlo. En el centro del cilindro inyectaremos combustible para que se queme y la expansión resultante hará que los gases salgan a gran velocidad por el otro extremo, generando un empuje.
El problema es que necesitamos algo que mueva el compresor y sería absurdo poner otro motor para ese trabajo, así que en lugar de eso hacemos que los gases, antes de salir, aprovechen parte de la energía que tienen tras la combustión para mover una turbina. Si un compresor es un dispositivo que hacemos girar para comprimir un gas, una turbina es lo mismo funcionando al revés: el gas en expansión la hace girar. Sólo necesitamos unir el compresor a la turbina con un eje para que ésta, al girar, provoque el giro de aquél. El motor queda así:
Aquí vemos un compresor con diecisiete etapas de compresión, a continuación la cámara de combustión, después la turbina, de tres etapas, y la tobera de escape. Este tipo de motor se conoce como turborreactor y presenta el aspecto de un cilindro delgado, como podemos ver en fotografías de reactores comerciales bastante antiguos, porque en la actualidad está en desuso. Se emplea un derivado muy, muy parecido, que se llama turbofán.
Si en un turborreactor ponemos, no una, sino dos turbinas, una a continuación de la otra, cuyos ejes sean concéntricos, podemos mover dos compresores, logrando mejor rendimiento en conjunto. Pero podemos hacer algo más: añadir a la entrada, girando junto al primero de los compresores, lo que se conoce como un fan, que viene a ser una sección muy ancha del compresor. Tan ancha que sólo una parte del flujo de aire (flujo primario) prosigue por el interior del motor en la forma que ya hemos visto, mientras que otra parte (flujo secundario) no entra en el núcleo del motor y va directamente al exterior proporcionando un empuje suplementario. Así tenemos nuestro turbofán, que es más eficiente que el turborreactor y por eso se emplea en aviación comercial.
¿Y si en lugar de un fan ponemos una hélice? Ningún problema, excepto que el compresor gira demasiado deprisa para fijar la hélice sin más, pero eso se resuelve poniendo unos engranajes para reducir la velocidad de giro. Así tendremos un motor básicamente igual a los anteriores, pero en el que la propulsión se deberá principalmente a la tracción de la hélice y en menor medida al empuje de los gases de escape. Se conoce como motor turbohélice y tal y como vemos funciona básicamente igual a un reactor.
El turbohélice utiliza casi toda la energía de los gases de combustión en mover la hélice y provocar tracción y sólo un 10% ó 20% de la propulsión se debe al empuje restante tras pasar por la turbina. ¿Y por qué no usar toda la energía de los gases en las turbinas y sustituir la tobera de salida por un simple tubo de escape, renunciando al empuje? Nuestro motor tendrá la turbina de costumbre para mover el compresor y detrás otra que mueva un eje diferente. Así obtenemos lo que se llama una turbina de gas o motor turboeje. Es exactamente igual que el turbohélice, pero ahora no hay nada de empuje, toda la energía de los gases se dedica a mover lo que queramos. Puede ser una hélice, una locomotora, el coche de Batman, un generador de electricidad o el rotor de un helicóptero, que es una de las aplicaciones más comunes de las turbinas de gas.
La ventaja de este tipo de motores en general es la gran potencia que dan en relación a su peso, que es lo que se busca en aviación. Los motores de 4 tiempos han quedado relegados a la aviación ligera y deportiva mientras que los de turbina, en sus diferentes variantes sirven para aviones de caza, reactores de transporte, turbohélices o helicópteros.
Como vemos, no hay diferencia real entre el turbofán de un B 737 y el turbohélice de un ATR 42. Los motores son básicamente iguales y no se puede calificar a ninguno de ellos de obsoleto. Si queremos unir dos ciudades separadas por 3.000 Km. un turbofán es la opción natural, puesto que permite velocidades muy altas. Como su consumo es menor a gran altitud, los aviones que lo emplean vuelan en las capas más altas de la troposfera. Sin embargo para ciudades separadas por unos pocos cientos de kilómetros un turbohélice es una excelente opción. Si quisiéramos volar de Barcelona a Palma de Mallorca, por ejemplo, podríamos considerar usar un turbohélice, puesto que la mayor velocidad del turbofán no supondría un ahorro demasiado grande de tiempo, la poca distancia no permite subir a las altitudes a las que este tipo de motor tiene mejor rendimiento y en general los costes del turbohélice son menores debido a su menor consumo.
En resumen, las hélices siguen teniendo una larga vida por delante y no hay motivo alguno para preocuparse al subir a un avión que las emplee. Personalmente, cada vez que alguien me dice que tuvo que volar «en un avión muy viejo… ¡era de hélice!» le deseo que vuele en un Caravelle, que era un reactor que dejó de fabricarse hace más de 40 años. Aunque tampoco esto debería ser motivo de preocupación siempre que se cumplan las normas y el mantenimiento y la operación del avión sean los adecuados. Aunque se tratara de un antiguo DC 3. Una de las máximas de la aviación es: no hay avión demasiado viejo, sino mantenimiento inadecuado.
Propina para los entusiastas.
Para quienes disfruten con las curiosidades sobre motores voy a comentar algo más. En la cámara de combustión de los motores de turbina que hemos visto no se aprovecha todo el oxígeno del aire. No es posible, porque de hacerlo, quemando más combustible, la temperatura alcanzada sería demasiado alta para la turbina. Por eso los gases de escape tienen aún bastante oxígeno como para utilizarlos por segunda vez. Podemos aprovecharlos poniendo, justo antes de la tobera de escape, otro inyector de combustible para que los gases, nuevamente recalentados tras una nueva combustión, salgan al exterior sin necesidad ya de mover ninguna turbina. En ese caso lograremos un empuje extra al precio de un consumo disparatado. Es lo que se llama postcombustión y la emplean, por ejemplo, los aviones de combate cuando necesitan mucho empuje, como es el caso del F 18 de la imagen, que va a despegar desde una pista tan corta como es la de un portaaviones.
Si el vehículo avanza a gran velocidad puede que la compresión del aire motivada por el propio desplazamiento (lo que se llama compresión dinámica) sea suficiente para el motor y no necesitemos compresor ni, por tanto, turbina. A esto se le llama estatorreactor y es útil a velocidades muy altas, por ejemplo unas 5 veces la del sonido. Sólo hay que acelerar antes el vehículo por otros medios. Puede emplearse para un misil de crucero, por ejemplo.
Una curiosidad es el pulsorreactor. Aquí tampoco hay compresor ni turbina. Se deja entrar el aire, se abren unas válvulas que lo dejan pasar a la cámara de combustión, se inyecta el combustible y se quema, con lo que el incremento de presión cierra las válvulas y los gases tienen que salir por detrás provocando empuje y aliviando la presión, lo que vuelve a abrir las válvulas para que entre una nueva carga de aire. Aquí la combustión, a diferencia de los otros casos, no es continua. Este motor ya no se usa, pero es todo un histórico que equipó a las bombas volantes alemanas de la Segunda Guerra Mundial, las siniestras, aunque bastante ineficaces, V1. Pero la historia de este antepasado del misil de crucero merece artículo aparte.
Los Gelves 