Usuari:Mcapdevila/Motor d'aviació

Un motor aeronàutic o motor d'aviació és aquell que s'utilitza per a la propulsió d'aeronaus mitjançant la generació d'una força d'empenta. Existeixen diferents tipus de motors d'aviació encara que es divideixen en dues classes bàsiques: motors alternatius (o de pistó) i reacció (on s'inclouen les turbines). Recentment i gràcies al desenvolupament de la NASA i altres entitats, s'ha començat també la producció de motors elèctrics per a aeronaus que funcionin amb energia solar.

Història[modifica]

Gràcies al cicle Otto es va inventar el motor de combustió interna, que seria aplicat a la incipient aeronàutica de finals del segle XIX. Aquests motors, refredats per aigua, generaven potència per mitjà d'una hèlix. L'hèlix, a causa les seves dues pales guerxes, propulsava la massa d'aire circumdant, arrossegant al aeroplà cap a endavant, produint el vol. El 1903, els germans Wright van aconseguir realitzar el somni gairebé impossible de fer volar un artefacte més dens que l'aire.

Els motors es van perfeccionar amb el temps, aconseguint aprofitar la seva potència per a després ser muntats en els primers avions de transport i militars, com els de la Primera Guerra Mundial. Entre els anys 1940 i 1950 es van crear els primers motors a reacció a ser utilitzats en els avions de combat a la Segona Guerra Mundial.

Dels descobriments en la física i la mecànica de fluids, es va prendre el principi de Bernoulli, teorema en el qual es fundarien les bases per a la invenció dels coets bèl·lics i dels motors jet, el principi es basa en lleis físiques com el principi d'acció i reacció.

Els últims avions de transport comercial emprar quatre motors radials de 36 cilindres i de 3.500 cavalls de força, són exemples d'això els Douglas Aircraft Company DC-7 i els Constellation Lockheed 1049G. Més tard, vindria el gran canvi als motors a reacció, que en un inici van ser motors Straight Jet , és a dir, de flux d'aire directe, (no posseïen fan).

La indústria del motor d'aviació ha fet un gran salt tecnològic; avui es fan servir els motors turbofan en avions comercials. Per als avions de combat s'ha millorat el seu rendiment, no utilitzen el mecanisme del turbofan però sí el postcremador, que n'augmenta l'empenta real dels motors durant una maniobra forçada.

A l'aviació moderna s'utilitzen bàsicament dos tipus de motors, els de turbofan i els de turbohèlice. Si bé, en l'aeronàutica també es fan servir motors amb combustibles sòlids, els muntats en avions, tant comercials com militars, empren combustibles líquids.

En les avionetes és usual que s'utilitzin motors de combustió interna que no es basen en el principi de les turbines de gas sinó en el moviment alternatiu de pistons.

Motors de pistó[modifica]

L'aviació com la coneixem va començar gràcies a la propulsió d'aeronaus mitjançant motors de pistó, també anomenats motors alternatius. Tot i que hi havia altres mètodes i formes de propulsió, els motors van permetre una propulsió de treball constant, operats principalment per gasolina. A causa de la rudimentària tecnologia de finals del segle XIX, pot atribuir en part al desenvolupament dels motors el que al començament del Segle XX el vol propulsat fos possible. Per exemple, el motor que va usar el Flyer III dels germans Wright fet amb l'ajuda del mecànic Charles Taylor, va ser un gran èxit a causa del seu excel·lent relació pes potència, ja que era un motor de 170 lliures que produïa uns 12 CV a 1025 RPM.

Motor radial[modifica]

Més tard, cap a 1925, apareix el motor radial o en estrella, un motor amb cilindres generalment senars disposats al voltant d'un cigonyal, de quatre temps, refrigerats per aire. El gran salt d'aquests motors va ser permetre major potència amb menys pes, major fiabilitat que els motors rotatius i a diferència d'aquests tenien un bloc fix on s'allotja el cigonyal i es cargolen els cilindres, així que en aquest cas els cilindres no giraven al voltant al cigonyal com en els motors rotatius, tenen menor complexitat del conjunt en comparació als motors en línia o en V ja que no necessiten del sistema de refrigeració per líquid o els seus components. No obstant això els motors en línia i en V continuaven sent àmpliament usats i ja no eren les mateixes màquines poc eficients de principis de segle.

El primer desenvolupament conegut per al motor radial va ser a partir d'un llistat de requeriments que l'Armada Nord-americana va publicar perquè els diferents inventors i fabricants de motors, desenvoluparan una planta motriu capaç de superar els problemes que presentaven altres formes de propulsió per a l'època i que afavorien la producció d'un motor radial. El resultant d'aquest desenvolupament va ser el reeixit Curtiss-Wright Whirlwind J-5, i al costat del seu posterior competència, la companyia Pratt & Whitney, es van convertir en els dos grans fabricants. Aquests motors es van produir fins a començaments de la dècada dels anys 60 del segle XX, quan van ser desplaçats definitivament pels motors a reacció.

Els motors radials són els responsables d'expandir a l'aviació com un sistema de transport que podria arribar a ser segur, massiu i eficient. Els avions cada vegada van anar creixent en grandària, pes, capacitat de passatgers o càrrega, i complexitat i la seva aplicació en els anys trenta va ser el moment clau des del qual l'aviació va deixar de ser un camp insegur, exclusiu i aventurat.

Motor de cilindres horitzontalment oposats[modifica]

Un altre sistema emergent gairebé en paral·lel al motor radial però amb una inferència menor en la indústria de l'aviació va ser el motor de cilindres horitzontalment oposats (veure disposició del motor. Aquests motors són de 4, 6 i excepcionalment de 8 cilindres que es situen en bancades amb parells de cilindres en contraposició. Amb cilindrades molt menors que en els motors radials, els motors de cilindres oposats impulsar l'aviació general ja que són relativament petits, lleugers i poden ajustar-se en compartiments d'avions petits on els motors radials podrien resultar massa grans, pesats o complexos, o resultaven ser avions molt petits i barats com per a albergar una turbina. Aquests motors es segueixen fabricant fins a l'actualitat per diverses companyies generalment nord-americanes, alemanyes, franceses i russes, i són usats per una àmplia gamma d'avions lleugers tant de aviació general, com de aviació militar i comercial. Eventualment el octanatge ofert per operar-es va incrementar fins a l'actual mesura de 100 a 110 octans, en la gasolina AVGAS 100LL.

Diferències entre motors amb cilindres en oposició[modifica]

Tant els motors horitzontalment oposats , com el sistema Boxer i la V amb obertura de 180 º , són tres sistemes diferents de Motors amb cilindres en oposició .

Ocasionalment es confon el terme motors amb cilindres en oposició amb una de les seves variants, el motor de disposició Boxer usat principalment en automòbils Porsche. A la disposició Boxer , els pistons que estan enfrontant (dos o tres bancades de cilindres amb parells que s'oposen al voltant del cigonyal) s'acosten i s'allunyen del cigonyal al mateix temps que el seu oposat, ja que les bieles comparteixen un mateix monyó perpendicular.

Una altra forma de motor amb cilindres en oposició és la V de 180 º , en la qual els cilindres confrontats comparteixen la mateixa posició en el monyó del cigonyal (com passa amb els motors en V de 45, 60, 75 o 90 º d'obertura) i la configuració de l'ordre d'encesa es distribueix entre les diferents bancades. Així en una bancada de cilindres que s'oposen, mentre un pistó s'acosta al cigonyal l'altre s'allunya.

En els motors amb cilindres horitzontalment oposats (els que s'usen comunament en aviació), l'ordre d'encesa s'ha distribuït de manera que els pistons en oposició no comparteixen la mateixa posició en el cigonyal i tots estan fora de temps: en el motor Boxer els pistons s'allunyen i s'apropen al temps del cigonyal, i en la V de 180 º dels pistons confrontats s'allunyen a mesura que l'altre s'apropa al cigonyal.

Codificació dels motors alternatius[modifica]

Els motors a pistó, a partir dels motors radials i generalment de producció nord-americana, estan organitzats en lletres i números que permeten conèixer la seva disposició, cilindrada i en alguns casos, la referència del sistema de combustible que els fabricants ofereixen per a aquestes plantes motrius.

La codificació es troba de la següent manera: X-n-g

On X és el conjunt de lletres, n la cilindrada en polzades cúbiques i g la variant específica

Lletres (disposició):

L: En L
O: Amb cilindres oposats
R: Radial
V: En V

En aquestes quatre nomenclatures la variant específica "g" correspon a informació addicional (components específics, ús o no de sobrealimentació, etc.) Que es troba al manual de cada motor. Es va usar com una classificació militar dels motors que usaven les aeronaus d'aquesta aviació, però amb l'arribada del jet i altres avenços ha caigut en desús i només és aplicable per a motors antics que van ser acollits sota aquest sistema.

Lletres (característiques d'un motor de cilindres oposats)

G: Gear (amb caixa reductora d'engranatges)
I: Injected (compte amb sistema d'injecció)
S: Supercharger (amb sobrealimentats)
O: Opposite (Motor de cilindres horitzontalment oposats)
T: Turbo (amb turboalimentador)

En els motors de cilindres horitzontalment oposats la variant específica "g" té a veure amb informació sobre el sistema de combustible que el fabricant ha desenvolupat per al motor, la qual cosa inclou els accessoris que van en el conjunt del motor: acoblaments, sistema de control de gasolina, tipus de carburador o peces del sistema d'injecció, etc.

Així per exemple el motor Pratt & Whitney R-1830-55, és un motor radial de 1.830 polzades cúbiques de desplaçament (29.988 cm³ aproximadament) amb la variant específica -55.

L'Allison V-1710-34 és un motor en V de 1.710 polzades cúbiques (28.000 cm³ aproximadament) amb la variant específica -34.

El motor Lycoming GTSIO-520M, és un motor de cilindres horitzontalment O llocs de 520 polzades cúbiques (8.520 cm³ aproximadament), amb sistema de Injecció de combustible, Turbo Sobrealimentat, amb caixa reductora d'engranatges ( G eared), la M vol dir que tots els components del sistema de control de combustible, es regeix sota les parts que tinguin la lletra M per aquest motor.

Si per exemple es tracta d'un Continental O-550G, indica que és un motor d'aspiració normal (amb carburador), sense cap millora o variant en el sistema de mescla de combustible o aspiració, i la referència del sistema de combustible és G.

El motor Lycoming TIO-540AF1B, indica que és un motor turboalimentat i amb sistema d'injecció de 540 cu. in (8.850 cc aprox.) amb parts del sistema de combustible de diverses característiques. Aquesta codificació pot estar subjecta a les diferents formes en què els fabricants presenten els seus motors i només serveixen com a referència en els casos en què sigui aplicable.

Motor rotatiu[modifica]

Una de les disposicions de motor més revolucionàries va ser el motor rotatiu (no confondre amb el Motor Wankel), en el qual diversos cilindres (juntament amb el bloc del motor) giraven al voltant d'un cigonyal, i la disposició precursora del motor radial o d'estrella, i àmpliament usada en avions de la Primera Guerra Mundial. Aquest motor a diferència del motor en línia o en V, estava refrigerat per l'aire que xocava contra els cilindres que giraven, a velocitats constants d'operació, i eren motors de quatre temps. No obstant això aquests motors eren molt poc fiables, ja que funcionaven a màxima potència tot el temps sense que pogués controlar el pas de gasolina (només es podien encendre o apagar), els seus components interns no estaven fets per resistir diverses hores d'ús, tendien a sobreescalfar per sobre de 350 ° C, temperatura a la qual diversos components comencen a fondre's i perforar permetent fuites d'oli que s'inflamava immediatament, provocant l'incendi del motor i de l'aeronau, un fet que va cobrar moltes vides en la Primera Guerra Mundial, època en la qual no es comptava amb paracaigudes o vestits ignífugs.

Motors de turbina[modifica]

Aquest tipus de motors empren una turbina de gas per moure l'eix propulsor.

Turbohèlice[modifica]

També anomenat turboprop. Aquests motors no basen el seu cicle operatiu en la producció de potència a partir de l'empenta dels gasos que circulen a través d'ells, sinó que la potència que produeixen s'usa per moure una hèlix. De manera similar als turbofan, els gasos de la turbina s'empren en la seva totalitat per moure en aquest cas una hèlix que genera l'empenta necessària per propulsar l'aeronau.

Això s'aconsegueix mitjançant una caixa reductora d'engranatges, ja que les velocitats d'operació d'un Turboprop són superiors a les 10.000 RPM, massa ràpid per a una hèlix. Igual que en la majoria de motors alternatius, els motors tenen governadors que mantenen fixa la velocitat de l'hèlix i regulen el pas de les seves pales (constant speed, variable pitch Propeller). La potència dels motors turbohèlice es mesura en turbocavallos o SHP (shaft horse power)

Presenten una gran economia de funcionament relativa als turbofan, i permeten una potència operativa intermèdia entre els motors alternatius i les turbines, pel que el seu ús es veu restringit a propulsar avions amb major autonomia, velocitat, mida i/o rendiment que els que operen motors a pistó, però que no arriben a ser tan veloços, grans i autònoms que els que fan servir turbines sense hèlix.

Són reeixits en operar avions de tipus regional que no han de cobrir grans distàncies i també s'han convertit en una opció per incrementar la potència d'avions de pistó. L'Lockheed C-130 'Hercules' és un reeixit exemple del que el motor turbohèlice ha constituït per als transports aeris mitjans o el nou Airbus A400M. També hi ha les versions en turbohèlice que diversos fabricants d'aeronaus d'aviació general van oferir al públic com el Pilatus PC-12, el Piper PA-42 Cheyenne IIIA, o el Piper PA-46T Malibu, així mateix Beechcraft té els bimotores de sèrie King Air, que porta una mica més de quatre dècades en producció amb diferents models. L'aplicació del turbohèlice també s'ha estès a avions militars d'entrenament i/o atac com l'Embraer EMB 314 Super Tucano, el Beechcraft T-34C Mentor o el FMA IA-58 Pucará, en aquest cas un bimotor.

Hi ha altres tipus de motors de turbina com el propfan que es troben en fase experimental.

Turboeix[modifica]

Un motor turboeix (en anglès: turboshaft) és un motor de turbina de gas que lliura la seva potència a través d'un eix. És similar al motor turbohèlice però, a diferència d'aquest, no mou directament una hèlix, sinó un eix motor independent. Normalment s'utilitza com a motor d'aviació per propulsar helicòpters.

Motors a reacció[modifica]

Històricament han existit tres tipus d'empenta per reacció, però el que va tenir més èxit operatiu va ser el turboreactor. Els altres dos tipus són el pulsoreactor desenvolupat a Alemanya durant la Segona Guerra Mundial per impulsar les bombes dirigides V1 i V2, i el motor estatoreactor o ramjet el qual, requereix que un turboreactor elevi la velocitat de pas d'aire a més d'1 Mach (velocitat del so) per poder impulsar una gran massa d'aire que entra a alta pressió i temperatura en combustió amb combustible injectat per arribar a velocitats molt majors, actualment només es té coneixement del motor ramjet al Lockheed SR-71 Blackbird.

Aquests motors són els emprats avui en dia habitualment en aviació comercial, avions privats de llarg abast i helicòpters per la seva gran lliurament de potència. El seu funcionament és relativament més simple que el dels motors alternatius, però les tècniques de fabricació, components i materials són molt més complexos ja que estan exposats a elevades temperatures i condicions d'operació molt diferents quant a altitud, rendiment, i velocitat interna dels mecanismes.

El nucli d'aquests motors és una turbina de gas que, mitjançant l'expansió de gasos per combustió, produeix un raig de gas que propulsa la aeronau directament o mou altres mecanismes que generen el empenta propulsor.

Els turboreactors generalment es divideixen en zones de components principals que van al llarg del motor, des de l'entrada fins a la sortida de l'aire: a la zona d'admissió s'allotja en general una entrada o col·lector amb un compressor de baixa compressió i un compressor d'alta compressió, a la zona de combustió és on s'injecta el combustible i es crema a la cambra de combustió barrejat amb l'aire comprimit de l'entrada, això resulta en una alta lliurament de flux de gasos que fa accionar finalment una turbina (el "cor" del motor). Finalment en la sortida es troba la tovera d'escapament que és la que dirigeix el flux de gasos produït per la combustió.

Els tipus més comuns de motor a reacció (coneguts simplement com de turbina, erròniament) són:

Turboreactor[modifica]

També anomenat turbojet . Els gasos generats per la turbina de gas, en ser expulsats, aporten la major part del empenta del motor.

Va ser la primera forma de sistema turboreactor i va ser inventat per Frank Whittle, que va conceptualitzar aquesta nova forma de propulsió a finals dels anys trenta. En ser rebutjat en repetides ocasions pel Ministeri de l'Aire Britànic, ja que podria violar el tractat de Versalles que impedia desenvolupaments aeronàutics amb finalitats bèl·lics o militars, Whittle va publicar les seves teories en diverses revistes científiques, alhora que el 1935 funda la companyia Power Jets en la qual s'entesta a fer funcionar el seu nou motor. Irònicament, l'enginyer alemany Hans von Ohain, inspirat en les publicacions de Whittle, és el primer en aconseguir construir un motor a reacció per a una aeronau tripulada sota el patrocini del Dr Ernst Heinkel, però igual que Whittle, el projecte va ser rebutjat per la Luftwaffe per diferents motius tot i comptar amb tres prototips diferents completament provats (He-178, He-280, i He-162 Salamander), i la companyia Messerschmitt va ser guardonada amb l'autorització de construir un caça propulsat per un motor a reacció, el cèlebre Messerschmitt Me-262, el primer avió no experimental i de producció a ser propulsat per turbines. Acabaria produint el motor jet més avançat de la Segona Guerra Mundial, el Heinkel He S 011 .

Passada la Segona Guerra Mundial, la companyia Rolls-Royce liderava el desenvolupament dels turboreactors a mitjans dels anys quaranta, i posteriorment les companyies General Electric i Westinghouse Electric es van dedicar a fabricar variants d'aquests motors en Estats Units. Pratt & Whitney va ser la primera companyia nord-americana a produir un motor completament nou amb desenvolupament nord-americà, el Pratt & Whitney J-57, guardonat amb el premi Collier Trophy com el "Més gran èxit de l'Aviació a Amèrica del Nord".

Els turbojet van ser els primers motors a reacció emprats en l'aviació comercial i militar. Presentaven una major potència sense precedents que van permetre el desenvolupament d'avions més grans que volessin a majors altituds i alta velocitat. Gràcies al seu concepte de turborreacció, són els motors que popularment es coneixen com a "motors de propulsió a raig". La seva forma estreta i allargada a manera de barril o cigar, permetia perfils més aerodinàmics i dissenys aeronàutics més eficients. A diferència dels motors alternatius, la seva potència no es mesura en cavalls de força produïts sinó en lliures d'empenta, i la capacitat per produir empenta es veu afectada per altituds molt majors que en els motors de pistó causa de l'alta velocitat interna d'operació i a la compressió de l'aire que impulsen.

La gran majoria dels primers tipus de turboreactor produeix empenta centrífug, pel fet que la compressió de l'aire es fa mitjançant la centrifugació de l'aire que circula a l'interior del motor.

Avui en dia es troben en desús per la seva elevada sonoritat i baix rendiment de combustible i només es troben en avions antics i de tipus militar.

Turbofan[modifica]

En el motor turbofan (planta motriu turboventilant) els gasos generats per la turbina són emprats majoritàriament en accionar un ventilador (fan) situat a la part frontal del sistema que produeix la major part de l'empenta, deixant per al raig de gasos d'escapament només una part del treball (aproximadament el 30%).

Aquests motors van començar a utilitzar el sistema de flux axial, que manté el corrent d'aire comprimit pressionat cap a l'eix de la turbina, de manera que l'aire surt propulsat amb major velocitat i amb menys tendència a dissipar el corrent de sortida. Això incrementa notablement l'eficiència.

Un altre gran avanç del turbofan va ser la introducció del sistema de doble flux en el qual, el ventilador frontal és molt més gran ja que permet que un corrent d'aire circuli a alta velocitat per les parets externes del motor, sense ser comprimit o escalfat pels components interns. Això permet que aquest aire es mantingui fred i avanci a una velocitat relativament igual a l'aire calent de l'interior, fent que quan els dos fluxos es troben a la tovera d'escapament, formin un torrent que amplifica la magnitud del flux de sortida i alhora el converteix en un flux més estret, augmentant la velocitat total de l'aire de sortida. Aquest tipus de motor té una gran entrega d'empenta, permetent el desenvolupament d'avions amb capacitat de càrrega i transport de passatgers molt més gran, i al nivell que coneixem en l'actualitat.

És el motor utilitzat per la majoria dels avions de reacció moderns pel seu elevat rendiment i relativa economia de combustible respecte a un turbojet.

Normalment són motors de dos eixos, un per a la turbina de gas i un altre per al ventilador. No obstant això Rolls Royce plc produeix motors turbofan de tres eixos, que corresponen als models de la sèrie Trent.

Coet[modifica]

Pocs avions van utilitzar motors coet com a principal mitjà de propulsió. L'únic avió coet pur produït en sèrie va ser el interceptor alemany de la Segona Guerra Mundial Messerschmitt Me 163, propulsat el Walter HWK 109-509 de combustible líquid amb dos propel·lents, que a causa de la curta durada del seu combustible havia de tornar a terra planejant. Com avions coet experimentals destaquen el Bell X-1 (primer avió a superar la barrera del so) i el North American X-15.

Els motors coet ofereixen molta empenta però poca autonomia i no són usats com propulsors d'avions perquè la seva eficiència és bastant pobre, excepte a altes velocitats. S'ha provat la propulsió mixta amb un altre tipus de motors en els anys 1950, especialment en l'àmbit militar, però quan va millorar la fiabilitat dels motors de reacció i es va abandonar la idea. L'única implementació operacional de propulsió mixta va ser el enlairament assistit per coets (anomenat RATO per les seves inicials en anglès), un sistema utilitzat en avions pesats.

Altres motors alternatius[modifica]

Recentment s'han desenvolupat alguns motors alternatius de cicle Dièsel realitzats en materials lleugers, a partir del camp en què s'ubiquen els motors de cilindres horitzontalment oposats. El motor dièsel ofereix un major parell motor relatiu a baixes revolucions d'operació, dificultat que els motors de gasolina usats en aviació confronten ja que han de lliurar màxima potència a revolucions més baixes que en motors d'automoció per tal d'incrementar la durabilitat i rendibilitat.

Les companyies que treballen en el seu desenvolupament s'entesten per produir motors que tinguin l'econòmic consum de combustible del Dièsel, amb la refrigeració per aire dels motors actuals. També es fa èmfasi en reduir les emissions ja que la tecnologia actual dels motors dièsel permet oferir motors més respectuosos al medi ambient que els motors que fan servir benzina de 100 octans, ja que per assolir aquest octanatge tan elevat no pot prescindir de l'ús del plom com es fa en els automòbils. A més el manteniment d'aquest tipus de motors involucra menys components (en alguns casos només es canvien passadors de pistó, anells, i bomba d'injecció) i la seva durabilitat és molt més gran. Això ampliaria notablement les hores TBO (time between overhauls) fent d'operar avions amb motors alternatius es converteixi en una activitat menys costosa per als propietaris i operadors. Actualment es comercialitzen avionetes amb motors dièsel com per exemple el Diamond DA40NG.

La NASA i diverses companyies estan desenvolupat motors elèctrics per al seu ús en la propulsió d'aeronaus.^[1]

Vegeu també[modifica]

Enllaços externs[modifica]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Motors d'avió

↑ «NASA's X-57 Electric Research Plane». NASA. [Consulta: 6 novembre 2017].

[1] «NASA's X-57 Electric Research Plane». NASA. [Consulta: 6 novembre 2017].

[1]