Tarifa 21

CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA
PRODUCIDA POR TURBORREACTORES
Y TURBINAS DE GAS«
Por C. SÁNCHEZ TARIFA
Dr. Ingeniero Aeronáutico.

RESUMEN
Se estudia en este trabajo la contaminación atmosférica produ-
cida por turborreactores y turbinas de gas en sus dos aspectos de avia-
ción y automoción.
Las conclusiones más importantes son de que las principales fuen-
tes de contaminación son las debidas a las partículas carbonosas (humo)
y los óxidos de nitrógeno, y de que la primera fuente de contamina-
ción es relativamente fácil de eliminar y muy difícil la segunda.

Un Boeing 737 despega con uno de sus motores Pratt & Wítney JT8D tratado para eliminar el humo y con el otro
motor sin tratar.

(*) Este trabajo fue presentado en un Colocpuio organizado por eJ IísTA, sobre "Coiitanunaeión atmosférica", en m.ivo
de 1969.

1. Introducción actualidad un factor de la mayor importancia para
impulsar su entrada en la automoción.
El problema de la contaminación atmosférica En el cuadro i se resumen los tipos de motores
originada por turborreactores y turbinas de gas tie- de reacción y turbinas de gas y sus posibles proble-
ne dos aspectos principales: mas específicos de contaminación atmosférica:
En primer lugar, la posible contaminación pro- CUADRO N°1
ducida en aeropuertos por los aviones equipados
con turborreactores y turbohélices, y en segundo MOTORES PROBLEMAS POSIBLES
ESPECÍFICOS CONTAMINANTES
lugar, la contaminación en ciudades originada por z
o
turbinas de gas industriales y, sobre todo, para au- CARBÓN(HUMO)
< VISIBILIDAD EN ÍVISIBILIDAD Y EFECTOS
tomoción. Este último caso es importante, pues, TURBORREACTO- AEROPUERTOS
RES. CANCERÍGENOS)
aunque las turbinas de gas para automóviles y ca- UJ
miones aún se encuentran en fas; experimental, las ce CONTAMINACIÓN, ES-

excelentes características que, como veremos, pre-
sentan respecto a la contaminación atmosférica pu-
i TURBOHEUCES
PECIALMENTE EN A E -
ROPUERTOS SIDLyVIOL
OXIDO DE CARBONO
(TOXICO)

HiDROCAKBUROS h j
dieran constituir un factor esencial a considerar con < TURBINAS DE GAS QUEMADOS YALDEHI-
INDUSTRIALES CONTAMINACIÓN
vistas a su posible introducción comercial en com- DOS (SMOG Y EFECTOS
UJ CANCERÍGENOS )
petencia con el motor alternativo. o EN ZONAS
(.1
A primera vista pudiera parecer que no hay < ÓXIDOS DE NITRÓGENO
z TURBINAS DEGAS
URBANAS (TÓXICOS)
problemas de contaminación atmosférica en los ae- m PARA AUTOMOOON
c¿ Ó X I D O S DE A Z U F R E
ropuertos, ya que se encuentran en zonas poco po- I— (coRRos:yos Y TÓXICOS:
bladas y no parece que existan problemas aprecia-
bles de contaminación: pero como se verá, esta au-
2, Producción d« contaminantes
sencia de problemas se debe a la eficiencia actual
con que queman los motores de reacción.
Son bien conocidos los contaminantes típicos
Esta eficiencia del proceso de combustión en que pueden producirse en el proceso de la combus-
cuanto a contaminación atmosférica es realmente tión de hidrocarburos en aire. Son el óxido de car-
importante, ya que los turborreactores de los avio- bono (tóxico), óxidos de azufre (tóxicos y corrosi-
nes comerciales quemar) cantidades muy grandes de vos), óxidos de nitrógeno (tóxicos), partículas car-
combustible en las proximidades de los aeropuertos, bonosas o humo (visibilidad, suciedad, productos
Pueden citarse, por ejemplo, que en un aeropuerto cancerígenos) y aldehidos e hidrocarburos no que-
de gran tráfico pueden llegarse a quemar centena- mados (irritantes y tóxicos) : siendo también co-
res de toneladas de hidrocarburos por hora, lo que nocidas las condiciones fisicoquímicas de los procesos
haría el aeropuerto inutilizable por falta de visibi- de combustible que originan estos contaminantes.
lidad, si es que la combustión produjera cantida- Se describirá a continuación cómo se lleva a
des importantes de humo, o haría el aeropuerto y cabo el proceso de combustión en turborreactores y
sus zonas limítrofes inhabitables si los turborreac- turbinas de gas. con objeto de analizar las posibles
tores produjesen cantidades importantes de conta- zonas o fuentes de producción de contaminantes.
minantes nocivos para la salud. Es sabido que la riqueza final de la mezcla aire-
Estos problemas de contaminación en los aero- combustible en los motores de reacción, a la salida
puertos adquieren una importancia especial en el caso de la cámara de combustión, es muy inferior a la
de los futuros aeropuertos para aviones S T O L o estequiométrica, operándose con excesos de aire com-
V T O L o de despegue corto o vertical, ya que esta- prendidos entre las tres a cuatro veces la necesaria
rán situados en el interior de las ciudades. para la combustión estricta, siendo la principal ra-
Las turbinas de gas funcionan con un proceso zón de este exceso de aire la necesidad de mantener
motor totalmente análogo al de los turborreactores, los alabes de la turbina por debajo de límites pre-
aunque, generalmente, con relaciones de compresión fijados de la temperatura de los gases.
más pequeñas y con temperaturas de combustión Por razones de eficiencia de la combustión, es-
algo más reducidas. Así, pues, sus problemas de pecialmente a regímenes bajos, y encendido de la
emisión de contaminantes son completamente aná- mezcla: así como por fenómenos de apagado en
logos, por lo que no exigen ningún estudio por se- altura y condiciones de reencendido de la cámara
parado. también en altura, en el caso de los motores de
Como se verá, es muy pequeña la contami- aviación, es imprescindible que la combustión se
nación atmosférica que producen, y esto es en la realice con una cantidad de aire próxima a la este-

quíométrica. Ello obliga a separar el aire que llega to de vista de la contaminación, no constituyen
a las cámaras de combustión en dos corrientes: el problema alguno.
aire-primario, que entra directamente en la cámara En las figuras 3 y 4 (reí. 1) se presentan datos
de combustión y con el que principalmente se rea- típicos de la emisión de contaminantes en turbo-
liza el proceso de combustión, y el aire secundario, rreactores y turbinas de gas. comparándolos con
que rodea el denominado tubo de ¡lamas (fig. 2) y emisiones características de los motores típicos de
que va penetrando y mezclándose poco a poco con automóviles, incluyéndose, también, los límites má-
el aire primario y gases de combustión. ximos que están introduciendo las autoridades fe-
Las partículas carbonosas (humo) y el óxido derales de los Estados Unidos.
de carbono se forman en zonas deficientes en oxí- Estas figuras, así como !a mayoría de los datos
geno, pero en las que los gases están a alta tempe- experimentales que se exponen en este trabajo, es-
ratura. tán tomados de unos recientes trabajos de investi-
Una zona de esta clase existe en la parte central gación sobre la contaminación originada por los
de la cámara próxima al inyector, en !a que pu- motores de reacción y turbinas de gas, llevados a
dieran originarse dichos contaminantes. cabo por la Rolls-Royce y Pratt and Whitney (re-
ferencias r y 2).
Por el contrario, los hidrocarburos no quema-
Puede verse en dichas figuras qu¿ los óxidos de
dos y aldehidos s.> forman también en zonas de-
carbono e hidrocarburos no quemados no constitu-
ficitarias de oxígeno, pero en las que los gases se
yen problema alguno en los motores de turbina,
encuentran a baja temperatura. Estas zonas sola-
La producción de óxidos de nitrógeno, aunque es
mente pueden existir en las proximidades de las pa-
considerablemente menor que en el caso de los mo-
redes de] tubo de llamas, que se encuentra refrige-
tores de automóvil, hay que considerarlos a causa
rado por el aire secundario.
de su elevada toxicidad y al gran volumen de ga-
Los óxidos de nitrógeno se originan en zonas ses que expelen los motores de reacción.
de alta temperatura de combustión y con abundan- Finalmente, la formación de partículas carbo-
cia de oxígeno, tales como las indicadas en la figura. nosas, o humo, es un problema típico de los moto-
Finalmente, los compuestos de azufre se for- res de turbina, que no existe prácticamente en ¡os
man en condiciones de combustión completa cuan- motores alternativos de gasolina de automoción.
do existe azufre libre en el combustible, siendo
imprescindible, por tanto, limitar la cantidad má- 3. El problema de la formación de humo en los
xima del mismo. En aviación, ¡as normas de ca- motores de reacción
lidad limitan estrictamente el contenido en azufre,
por la que los compuestos de azufre, desde el pun- El humo se produce por la formación de peque-

Fig. 2.

HIDROCARBUROS NO
AQUEMADOS Y ALDEHIDOS
AMAS

8 0 0 - 1200 °C
ALETAS

INYECCIÓN DE
COMBUSTIBLE

CARBÓN (HUMO)

2000°C
400 °C

0.4
^
OXIDO DE CARBONO HIDROCARBU-
ROS NO QUEMA-
AUTOMÓVIL DOS
AUTOMÓVIL TÍPICO
TÍPICO
-0.3
E 3
Lü
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4¿
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0,2
Ro- Lü
ce:
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ÜM1IE-FEDERAL, -a
1
N^ MOTOR DE
0,1

3 MOTOR DE ^ REACCIÓN
2—REACCIÓN—I _2_U_M[ r_E_
Q_
^ RALENT
EL0,05% í 01 7c IIÍÍARTP °-05O/°
Fig. 3,

Fia. 4.

i0,5 ^bU
ÓXIDOS DE NITRÓGENO CARBÓN

0,4 40
AUTOMÓVIL MOTOR DE
TÍPICO REACCIÓN

0.3 GRIS OSCURO
Lü 30
ACTUALMENTE NO
EXISTE LIMITE LEGAL
O '•H
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0,2 ice: O LO
20
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C¿ Lü Q. A P E N A S V I S I R l F ce
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ñas paiticulas de caibon durante el proceso de com- miento de la cámara de combustión y poi los va-
bustión c o m p i o b a n d o s ' que m u y pequeñas canti- r i a b a s de diseño de la misma y que medios se em-
dades en peso de estas partículas pueden causal un p'ean en la actualidad en los modernos motores de
h u m o m u y denso aviación para eliminar prácticamente en foima casi
E n el caso de los motoies de turbina las partícu- total esta formación de h u m o s
las de carbón son de tipo m u y puro no contenien-
do aparte del carbón mas qu¿ en un i por i o o a) Relación de compresión
aproximadamente de hidrogeno Su diámetro esta
comprendido entre 10 y 5 X 10 mm
La re'acion de compresión influye en m u y gian
El h u m o de los motores de turbina no contiene
manera en la formación de h u m o s tanto a través
elementos cancerígenos tales como el b e n z o p u e n o
de factores físicos como químicos
3-4 y otras mo'eculas orgánicas que a b u n d a n en
los h u m o s de los motores Diesel y a los que preci- Los factores físicos mas importantes son la for-
samente debe el h u m o su mala reputación mación de gotas y la evaporación de las mismas A
El mecanismo de la formación de estas partícu- medida que la presión en la cámara aumenta y si
las de carbón ha sido investigado por diversos au- la presión de inyección se mantiene constante el
tores (refs 3 4 y 5) t a m a ñ o medio de las gotas aumenta creciendo su
Estos mecanismos no son cuantitativamente co- tiempo de combustión y con el la formación de
nocidos y en el caso de la inyección de un combus- h u m o s A su vez el a u m e n t o de presión incremen-
tible en forma de gotas se exponen cualitativamen- ta la temperatura de vaporización temperatura que
te en el cuadro 5 (lef i ) es la que mantienen aproximadamente las gotas
mientras arden A u m e n t o s pues de esta temperatu-
Se conoce cine en condiciones de equilibrio
ía de vaporización conducen a incrementar la vida
so'o aparece carbón cuando la riqueza de la mez-
de las gotas y con ello se incrementa la formación
cla en unas tres veces mayor que la estequiometnca
de h u m o s
N o obstante en las condiciones reales de funciona-
miento en la que no es probable que existan con- Puede indicarse que si la presión en la cámara
diciones de equihbtio se forman paiticulas de cai- llegase a alcanza'' valores próximos a los críticos
bon con riquezas muy poco superiores a la estequio- 'unas 25 atmosferas para el keroseno) entonces estos
metnca como se muestra en la figura 6 (ref 6) factores producirían un efecto c o n t i a n o ya que la
En esta figura puede también apreciarse como au- disminución e incluso anu'acion del calor de va-
m nta la foimacion de carbón al ctecer la relación porización y de la tensión superficial de las gotas
de compiesion cuando estas alcanzasen su temperatura critica (unos
A continuación se verá como la formación de 4 0 0 ) llevarían a tiempos m u y cortos de combus-
h u m o es afectada por las condiciones de funciona- tión

Fig 5 — Mecanismo de formación del carbón

CALENTAMIENTO DEL DESCOMPOSICIÓN
VAPOR CON DEFICIEN-
CIA DE OXIGENO DEL VAPOR

VAPORIZACIÓN FORMACIÓN
DE LAS GOTAS NÚCLEOS DE
CARBÓN

FORMACDN AGLOMERACIÓN
INYECCIÓN HUMO
DE GOTAS DE PARTÍCULAS

GOTAS NO
z
FORMACIÓN
NÚCLEOS DE
VAPORIZADAS CARBÓN

CALENTAMIENTO DE DESCOMPOSICIÓN
LAS GOTAS CON DEFI- SUPERFICIAL DE
CIENCIA DE OXIGENO LA GOTA

CANTIDAD DE CARBÓN
7
CANTIDAD DE COMBUSTIBLE lo

—J

5

MEZCLA E5TEQUI0METRICA

LIMITE DE INFLAMABILIDAD

o 5 10 Í5 20^ 25
PRESIÓN EN LA CÁMARA [Ky/cm2)

Fig 6.

Los factores químicos afectan a las reacciones Puede añadirse, que la formación de humos no
de formación del carbón, que se ven favorecidas constituye problema alguno en las tuibmas de gas,
cuando la presión aumenta En general, puede ad- ya que sus relaciones de compresión son pequeñas
mitirse que la proporción en peso de carbón aumen- Es más, solamente hasta la introducción de los mo-
ta proporaonalmente a la presión elevada a una po- dernos turborreactores de doble flujo de alta com-
tencia del orden de tres presión es cuando el humo comenzó a constituir un
En la figura 7, tomada de la referencia 2, se ex- problema.
ponen diversos resultados experimentales sobre la
influencia de la relación de compresión en la for- b) Ttpo de combustible
mación de humos En ella se exponen también re-
sultados obtenidos con motores de alta relación de Es evidente que cambiando el tipo de combus-
compresión tratados en la forma que se verá en el tible puede evitarse la formación de humos Com-
párrafo siguiente. bustibles ricos en hidrógeno, tales como el metano

100

DENSIDAD DE HUMOSA
EMPUJE DE DESPEGUE
80
. . . MOTOR SIN TRATAR
o * x x MOTOR TRATADO
<
2
21 o
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LÜ O
O

5 10 15 20 25
PRESIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN (kg/cm2)
Fig. 7.

y el propano no ocasionarían problemas en cuanto 4. Métodos para reducir la formación de humos
a formación de humos. El propano es un posible
futuro combustible para turbinas de gas y, en cuan- Independientemente de la relación de compre-
to al metano, que es el principal componente del sión, cuyos altos valores son necesarios para redu-
gas natural, es muy posible que sea el combustible cir el consumo específico de los motores y del tipo
de futuro para los aviones supersónicos. de combustible, se han llevado a cabo por las prin-
También se disminuye la formación de humos cipales casas constructoras de motores (Rolls-Royce,
utilizando combustibles incluso más densos que Pratt and Whitney y General Electric) extensos
los kerosenos actuales, p¿ro estando constituidos, programas de investigación sobre condiciones fun-
principalmente, por hidrocarburos parafínicos, con cionales y configuración de las cámaras, con objeto
solamente pequeñas cantidades de combustibles aro- de reducir drásticamente la formación de humos.
máticos, olefinas y naftalenos, pero su coste sería El resultado de estos programas es que la nue-
prohibitivo. va generación de motores: RB-211, J T D - 9 y CF-6

a, 60 6 I
0
a.
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x;^:
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a 0 0
8000 9000 10.000 11.000 90 100 110 •
RÉGIMEN r.p.m. ÁNGULO de INYECCIÓN

Fig. 8.
60 Q_
CL

O
40 O
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20 fi
o
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o
_ j — — I — — I —
0.014 0.016 0.018 0.02 40 60 80 100
RELACIÓN TAMAÑO
COMBUSTIBLE/AIRE MEDIO GOTAS U
EN CÁMARA

de dichas casas estarán prácticamen^ libres de for-
mación de h u m o s .
Estas investigaciones se han centrado en el di-
Fig. 9. seño de la cámara, especialmente en su zona prima-
ría y en la inyección. Se ha comprobado que au-
1200 m e n t a n d o la presión de inyección del combustible
o a u m e n t a n d o el ángulo del cono de eyección del
líquido, se disminuye el t a m a ñ o m-ídio de ¡as go-
tas, y con ello, la formación de humos, m o s t r á n d o -
se la influencia de éstas y otras variables en la fi-
gura 8.
Las mejoras más importantes se consiguen au-
m e n t a n d o la cantidad de aire en la zona primaria,
pero esto conduce a mayores perdidas de presión en
la cámara, y sobre todo a problemas de estabilidad
de la combustión a grandes alturas de vuelo y a di-
ficultades en el « e n c e n d i d o de las mismas, también
en altura, tal como se muestra en la figura g.
300
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 La auténtica solución del problema se ha encon-
NUMERO DE MACH DE VUELO trado mezclando una pequeña cantidad de aire con

el combustible inyectado (Airspray de la Rolls-
Royce) , o bien, mediante ía inyección tíir¿cta de aire CONSTANTES DE MOLES DE
alrededor de la zona de inyección de combustible a REACCIÓN EQUILIBRIO ÓXIDOS DE
través de tubos direccionales (Pratt and Whitney), NITRÓGENO
y limitando la riqueza de la zona primaria a valo-
res no inferiores a los estequiométricos, vh^v 1,37x10-5 1,5 x 1 0 ~ 3

Este tratamiento ha conducido a que en los nue- l N 0 + l 0 „ ; = z NO 5,90 x 1 0 " 2 1,0
vos motores (RB-211, J T D - g y CF-6) y en los 2 2 2 Z
antiguos tratados (RR-Tyne, RR-Spey, J T D - 8 ,
N 2 + | 02 í ^ N^g 1,21 x 1 G _ U 1,4 x 10~12
por ejemplo), la producción de humo se haya redu-
cido a menos de la quinta parte, dejando de cons-
tituir un problema en todos los modernos motoras 1 N2+ 0 2 r í N 02 2,84 x 1 0 ~ 5 5,1 K 1 0 ~ *
de reacción,
N 2 + 0 2 5=í N20¿ 2,92 x10" 1 9 3,3 x1Q- 1 7

5, Óxidos de nitrógeno N2+f 0 2 Ti N205 < 5 xlO"20 <5,7 x10~ 1 0

Los óxidos de nitrógeno se forman por la oxi-
dación a elevada temperatura del nitrógeno.
En teoría, un gran número de óxidos de nitró- F¡g, 10. - Formación de los óxidos de nitrógeno.
geno pueden formarse, pero la pequenez de las
constantes de equilibrio de sus respectivas reacciones
(figura io) hacen que en la práctica solamente se
de nitrógeno en los motores de reacción, p¿ro para
formen cantidades apreciables de NO y NO.,. Es-
el caso de los motores alternativos el problema pa-
tos óxidos se forman en Jas zonas de a"ta tempe-
rece de solución mucho más difícil.
ratura de la cámara, por encima de unos r.500" C ,
tales como las indicadas en la figura 2. Aunque en
un motor de reacción la proporción de óxidos de
nitrógeno es solamente de! orden dei 10 por roo
de los motores alternativos, la gran toxicidad de
los mismos y el gran volumen de gases eyectados Finalmente, no queremos terminar estas líneas
por dichos motores hacen que el problema sea im- sin dejar de citar la turbina de vapor o motor de
portante. combustión anticontaminante, destinado a la auto-
No existe, por ahora, medio alguno para preve- moción, cuyos primeros programas de Investigación
nir ¡a formación de los mismos, por lo qu„> no se y desarrollo acaban de iniciarse en los Estados
ha establecido, limite legal para el valor máximo Unidos.
de emisión de óxidos de nitrógeno en automóviles.
No obstante, existen posibilidades.
Si se calculan las composiciones de equilibrio del
NO y N0 L , en función de las condiciones existentes Fio- 11.
en la combustión, tal como se indica en la figura 10 ¿
11 fref. 1), resultan proporciones muy altas, mu- VALOR MEDJDCLí^rT
UJ ~~ - ^ ^ 500° C
cho mayores que las medidas experimcntalmente, 2: 1500 ^ _ ' -—^ .Q0°C
tal como también se índica en la citada figura. 9
Ello se debe a que la cinética química de las UJ
300°C '
TEMPERATURA
reacciones de formación NO y NO., da lugar a ve- r ENTRADA EN
200 • C LA CÁMARA
locidades de formación lentas, es decir, a tiempos 100°O
ÓXIDOS DE NÍTROGEN

característicos altos, que son grandes comparados /
ton los tiempos de residencia de las partículas de la VALOR
mezcla N 2 - 0 2 en la cámara, MEDIDO 30]
i
Esta marca un claro camino para investigacio- I
1
nes futuras mediante el dis¿ño de las cámaras que
-n la zona de alta temperatura los tiempos de resi- 1
0

dencia sean pequeños. De esta manera parece posi- 0.03 0.04 0.05 0,06
ble que pueda disminuirse la formación de óxidos
RIQUEZA DE MEZCLA EN ZONA PRIMARIA

CONDENSADOR-RADIADOR
1
"
^ ~
11 "l-J
TURBINA
BOMBA- 'DE VAPOR

€ ÜZ¿
ÁRBOL DE
POTENCIA
QUEMADOR
ANTICONTAMINANTE
CAMBIADOR
J DE CALOR-
vr
"-)
PROFANO
EVAPORADOR GASES DE ESCAPE
Fig. 12. — Motor de turbina de vapor
con quemador independiente.
0 2 , N2
co. ; , H 2 0

U n esquema de un m o t o r de esta clase se mues- primeros estudios están mostrando que podrían
tra en la figura i 2. conseguir buenas características de aceleración.
Las tecnologías de los motores de combustión,
El proceso de combustión se separa del ciclo de
alternativos o turbinas de gas, han de atender cada
potencia. De esta manera el quemador puede dise-
vez más al factor esencial de la contaminación at-
ñarse orientado específicamente a reducir la conta-
mosférica. Está muy p r ó x i m o el tiempo en el que
minación, utilizándose también un combustible li-
este factor será mucho más importante que el coste
gero, tal como el p r o p a n o .
del m o t o r o el consumo específico del combustible,
El ciclo de potencia se efectúa en ciclo cerrado ya que la h u m a n i d a d n o puede seguir por el camino
de R a n k y n e , con lo que podrían conseguirse m o t o - de continuar deteriorando el medio ambiente en que
res de poco peso y buen rendimiento, e incluso los vive.

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