Motor turbo helice

Motor Turbo Helice
Por: Stiven Pinzon Triana

Temas
Introduccion
Caja reductora
planetaria
Tipos de turbohelice
Ventajas
Control
Instrumentos
Arranque
Dry cranking

Que es un motor turbohelice
Podemos decir que el turbohélice es un motor a
reacción al cual se le ha añadido una hélice en
lugar de tener el fan.
En el turbo fan conseguíamos el empuje
acelerando la masa de aire que salía por la
tobera, pero en el turbohélice el empuje, o en
este caso la tracción, nos la va a dar la hélice.
La hélice proporciona el 90% del empuje y la
corriente que sale por la tobera tan solo el 10%

¿Por qué en un turbohélice proporciona tan
poco empuje la masa de aire que sale por la
tobera?
Pues sencillamente, porque estamos utilizando la
energía generada por el motor para hacer girar la
hélice, en lugar de aprovecharla para acelerar la
masa de aire a través de la tobera.

Funcionamiento
El aire del exterior entra en el motor y pasa por
una serie de etapas de compresión donde el aire
va adquiriendo presión, luego este aire se
introduce en la cámara de combustión y se
mezcla con el combustible, para una vez
quemado mover las diferentes fases de la
turbina. Esta al estar unido a las etapas
compresoras y a la hélice, mueve todo lo anterior.

¿Qué función tiene la caja reductora
planetaria?
La función de esta es disminuir las RPM
provenientes del eje, para mover la hélice a una
velocidad menor.
El motivo de esto es que la hélice suele trabajar
entre 900 rpm y 1900 rpm ya que velocidades
superiores podrían hacer que las puntas de
hélice girasen a una velocidad cercana a la del
sonido, para lo cual no están diseñadas.

Tipos de turbohélice.
Dentro de los turbohélice tenemos los de eje fijo
(fixed shaft) que es el que acabamos de ver y los
de eje partido o también conocidos como de
turbina libre (split shaft / free turbine)

Turbohélice de eje partido o turbina
libre y de eje fijo o turbina fija.
En el caso del turbohélice de turbina libre ya no
tenemos un eje continuo que une todo, si no, que
la turbina va a girar independientemente.
Como veremos esto va a tener varias ventajas,
como por ejemplo poder poner en bandera el
motor sin pararlo.
Vamos a tomar como modelo un turbohélice por
excelencia, el Pratt & Whitney PT6A.

La puesta en bandera es el termino que decimos
"EMBANDERAR" poner las hélices a un ángulo
que el viento no le produzca resistencia y cuando
el motor halla dejado de funcionar por cualquier
circunstancia.

En este tipo de motores el flujo del aire va de
atrás a delante.
Se ve como entra el aire por la parte de atrás del
motor, se comprime y se mueve hacia delante del
motor para mezclarse con el combustible y entrar
en las cámaras de combustión, los gases de la
combustión en este caso pasan por 2 turbinas,
una de ellas unida al compresor y que es la
encargada de moverlo y la otra la turbina “libre”
unida a la hélice y encargada de su movimiento.

Este tipo de motores donde el flujo va hacia
delante se diferencian exteriormente por tener los
escapes próximos a la hélice.

En la siguiente foto veremos una Beechcraft en el
que podemos ver perfectamente la salida de
gases por la parte delantera y por debajo la
entrada del aire del motor.

¿Qué ventajas tiene el turbohélice de
eje partido o turbina libre?
Durante el encendido del motor, solo la sección
del compresor tiene que ser movida por el starter,
cuando en otros motores tendría que mover
todos los componentes incluyendo la reductora.
Esto permite utilizar un starter más pequeño
ahorrando peso.
Se puede reducir o poner en bandera la hélice
sin parar el motor. Esto facilita la subida de
pasajeros y una operación en tierra más
silenciosa.

¿Cómo se controla el
turbohélice?
En la cabina podemos encontrar 3 palancas de
mando por cada motor.
De izquierda a derecha tenemos la palanca de
potencia (Power lever) la del paso de la hélice
(propeller lever) y la del combustible (condition
lever.) Esta última no es como en los motores de
pistón, con la que podemos ir regulando la
mezcla.
Normalmente es una válvula que abre o cierra el
combustible y en algunos aviones tiene 3
posiciones.
Fuel cutoff (corta combustible), Low idle (ralentí
bajo) y High idle (ralentí alto).

Power lever
Ajusta la potencia del motor desde ralentí hasta
la potencia máxima. Variando las RPM de Ng
(Turbina) y por lo tanto aumentando o
disminuyendo la potencia del motor.

Propeller lever
Controla las hélices de velocidad constante a
través del governor. El rango normal de RPM
suele estar entre 1.500 y 1.900.

Condition Lever
A diferencia de los motores a pistón, aquí el
ajuste del combustible se realiza mediante una
válvula de 3 posiciones OFF/ Low idle / High idle.
Estos valores dependen del motor, pero en Low
idle el rango de N1 suele estar entre 62% a 104%
y en Hihg idle entre 70 y 104%
En los motores turbohélice no es necesario
recortar la mezcla ya que la FCU (Fuel Control
Unit) se encarga de gestionar el combustible que
se introduce en el motor.

Instrumentos.
En los motores turbohélices nos podemos
encontrar diferentes instrumentos de motor.
Normalmente vamos a tener los indicadores
duplicados, uno por cada motor, en lugar de tener
2 agujas dentro del mismo indicador. De esta
manera tenemos una indicación más clara de lo
que pasa en cada uno de los motores.

temperatura ITT (Interstage Turbine
Temperature): Nos da la temperatura entre
la turbina compresora y la turbina “libre” o de
potencia.
Es un dato bastante importante, ya que hay
que mantener vigilada la temperatura para
que no exceda de los límites marcados por el
fabricante.
Igualmente en el arranque hay que verificar
el pico de ITT y que no excede del valor
indicado, si no habría que detener el
arranque.
Torque: La indicación de torque se da en
pies por libra (ft/lb) y nos muestra el torque
que se está aplicando al eje de la hélice.
RPM de la hélice: El tacómetro indica las
revoluciones por minuto de la hélice.
N1 o Ng: Esta indicación viene en tanto por
ciento e indica el % de las revoluciones de la
turbina.
Como referencia en el motor PT6 el 100%
equivale a 37.000 RPM. Y las RPM máximas
continuas están limitadas a 101.5% Ng que
equivalen a 38.100 RPM.
En el despegue tendremos que ajustar por la
ITT y el torquímetro para no sobre pasar los
límites fijados en ninguno de los 2
parámetros.
Este tipo de motores se van a volar sobre
todo ajustando el torquímetro y las RPM de
la hélice, si bien siempre se tendrá en cuenta
todas las demás indicaciones y limitaciones
de cada una.
Fuel Flow: Indicación del uso de
combustible en libras por hora (PPH).

Pregunta
¿Tienen reversa los aviones turbohélice?

Si, tiene reversa
Esta se consigue cambiando el paso de la hélice y
poniendo un paso negativo, de manera que nos daría
un empuje inverso la hélice.

paso normal o de crucero.
Feather o bandera: En esta posición la hélice
ofrece la menor resistencia al avance, pero la
máxima a la rotación.
Esta posición es la utilizada en caso de fallo de
motor, ya que la hélice ofrecería la mínima
resistencia.
La palanca de paso tendríamos que ponerla en
la posición más retrasada o posición de
“feather”.
Paso corto: En este caso la hélice ofrecería
poca resistencia ala rotación y bastante
resistencia al avance.
Reversa: En este caso el paso de la hélice para
ponerla en reversa no se controla con la palanca
central del paso, si no que va unida a la palanca
de potencia, ya que no solo cambia el paso, si
no que también aumenta la potencia para que el
frenado sea efectivo.
En este caso la hélice crea un empuje negativo,
en lugar de dar tracción hacia delante, la da
hacia detrás y de esta manera se ayuda a frenar
el avión.

¿Que sucede en el arranque del
turbohélice?
Lo primero que vamos a necesitar en el arranque
es darle un giro inicial al motor (Compresor,
turbina..)

¿Para que?
Pues porque el motor funciona gracias al flujo de aire que
lo atraviesa y que luego se mezcla con el combustible. Por
ello necesitamos esa velocidad inicial de N1 (Compresor)
para generar ese flujo de aire.
En el caso de la B200 que veremos en el vídeo el
fabricante establece una velocidad de N1 mayor del 12%,
es decir si por lo que sea no alcanzamos esa velocidad no
podremos continuar el arranque.
Una vez tenemos más de 12% de N1 ya podemos meter
combustible, en este caso poniendo la palanca de
“condition lever” en Low idle, para no meter demasiado
combustible.
Ahora habrá que estar atento a todos los parámetros de
motor y ver como va cogiendo vueltas y sobre todo
fijándonos en la ITT para que la temperatura no sobre
pase los límites, en este caso 1.000ºC de pico al arranque.

¿Por qué tiene este pico de
temperatura?
Pues resulta que la temperatura de la turbina
varia de forma inversamente proporcional al
rendimiento combinado del compresor/turbina,
este rendimiento es muy bajo a bajas
revoluciones y estamos perdiendo la energía en
forma de calor.
Al introducir combustible con pocas RPM la
temperatura va subiendo hasta alcanzar un
máximo, posteriormente a medida que las RPM
están subiendo, la temperatura desciende de
nuevo y se estabiliza.

¿Qué es un arranque caliente “Hot start” y
un arranque colgado “Hung start”?

Arranque caliente o “hot start”
Puede ocurrir por un fallo en la unidad de
combustible “FCU” que envía más combustible
del necesario a la cámara de combustión,
produciéndose una sobre temperatura en el
motor.
Algunos motores también tienen tendencia a
acumular un poco de combustible en la cámara
de combustión una vez apagados, con lo que
puede llevar a un arranque en caliente.

Arranque colgado “Hung start”
Puede deberse como en el caso anterior a un mal
funcionamiento de la FCU que no envía la suficiente
cantidad de combustible para que el motor alcance el
régimen de funcionamiento autónomo.
Otra de las causas es que el motor esté sometido a
gran carga, ya sea eléctrica, aire acondicionado etc.,
no pudiendo alcanzar el régimen de funcionamiento
autónomo.
Si el motor de arranque, ya sea eléctrico, por aire etc,
no tiene la suficiente fuerza para mover la turbina a
unas mínimas RPM también se producirá el arranque
colgado.
Como vemos siempre por uno u otro motivo en el
arranque colgado el motor no alcanza su mínimo
régimen de RPM para poder tener un funcionamiento
autónomo.

¿Qué es el “Dry cranking”?
Cuando tenemos un arranque en caliente o
colgado, hay que hacer un “Dry cranking” o lo
que es lo mismo, hay que hacer girar el motor sin
inyectar combustible.
El objetivo de esto es limpiar las cámaras de
combustión y el motor internamente de vapores
de combustible antes de intentar un nuevo
arranque.

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