Cuando el motor dice ‘boom’. Pérdida del compresor.
© Will Mallinson – Airliners
Y ahora la pregunta ¿qué fue esa explosión? El fogonazo fue causado por una pérdida del compresor. En ocasiones, el flujo de aire que entra en el motor es irregular o turbulento. En estos casos, es posible que algunos álabes del compresor, que son al fin y al cabo piezas con forma de perfil alar, entren en pérdida.
Dentro de este tipo de suceso, tenemos lógicamente multitud de tipos. Desde pérdidas del compresor muy puntuales y casi ni perceptibles en los instrumentos hasta pérdidas completas del compresor, con resultados más que visibles como explosiones -como en el caso del famoso Thompson 263H en Manchester- o flameouts del motor afectado.
En los casos más severos, como el anteriormente mencionado, la combustión puede llegar a ser anormal y producirse explosiones en las que se quema el combustible sobrante, aquel que ha entrado en la cámara de combustión y se suponía que tenía que mezclarse y quemarse junto al oxígeno que no llega hasta esta etapa del motor debido a la pérdida. Una buena comparación se puede hacer con un coche de carreras, cuando vemos los fogonazos salientes del tubo de escape cuando el piloto levanta el pie del acelerador. El principio es el mismo, combustible sobrante que se quema súbitamente.
¿Qué puede causar una pérdida del compresor?
- Daño estructural previo en los álabes (desgaste, por ejemplo).
- FOD (Foreign Object Damage), ingestión de pájaros, piezas.
- Flujo de aire anormal en la parte frontal del motor.
Daño estructural previo en los álabes
El desgaste de los álabes puede, lógicamente, alterar el flujo de aire y por lo tanto hacer que ése álabe entre en pérdida. Generalmente, la pérdida de un sólo álabe no causa una reacción en cadena que produzca una falla completa en el compresor, pero sí puede ser perceptible por la tripulación, generalmente en forma de pérdida de empuje momentánea.
FOD
La ingesta de un objeto como un pájaro, pieza desprendida de otro aparato, un bloque de hielo, granizo, etc. puede causar daño a las palas, alterando su forma y por tanto, causando una pérdida en los álabes afectados. Generalmente, el daño es más extenso que en el primer caso, al dañar el objeto varios álabes. En este caso, se puede producir una reacción en cadena, o mejor dicho, una pérdida en cadena. Al perder efectividad varios álabes, los que le siguen en la secuencia de compresión podrán hacer lo propio. Es el caso del Thomson 263H o del A320 del río Hudson.
Flujo de aire anormal
Si el aire que entra en el motor es turbulento o insuficiente, se puede causar una pérdida del compresor. Por ejemplo, en el primer vídeo de esta entrada. El aire caliente y turbulento que expulsa la reversa es aspirado de nuevo por el motor causando un “compressor surge”. Otro ejemplo de pérdida del compresor causado por turbulencia es el visto en la película “Top Gun”, cuando un F-14 cruza la estela turbulenta de otro aparato.
Por último, tenemos la pérdida cuando el aire que aspira un motor es insuficiente para su funcionamiento normal. Lo general es que esto ocurra por una posición anormal del avión. Un ángulo de ataque excesivo, un ascenso siguiendo la vertical en el que te quedas estático en el aire al llegar a la cúspide de la trepada, etc.
Al comienzo de la era de los reactores esta incidencia no era poco común. La ausencia de FADEC hacía necesario ser extremadamente cauto al controlar el motor. Los cambios de potencia bruscos podían causar más fácilmente que ahora un compressor surge al necesitar la planta motriz más aire de forma inmediata. Actualmente, el FADEC se encarga de aumentar progresivamente la potencia, evitando un compressor surge. Un buen ejemplo era el Concorde, donde al despegar, se avanzaban de un golpe todas las palancas de potencia, aunque los motores se tomasen su pequeño tiempo para acelerar.
¿Cómo se detecta una pérdida del compresor?
Generalmente, se percibe una subida de la temperatura de los gases de escape (EGT) por aquel combustible que se quema donde no le corresponde.
Si el la pérdida ha sido muy puntual y de poca importancia, bajará el valor de N1 o EPR para reestablecerse al poco tiempo. Este no será el caso cuando la pérdida sea completa, situación en la que un sonoro y preocupante ‘boom’ acompañará a una pérdida de potencia del motor.
Puede darse el caso de que la pérdida del compresor de lugar a sucesivas explosiones del combustible sobrante como en el caso del Thompson o del vídeo del A330 abajo mostrado, teniendo, ciertamente, que apagar el motor afectado o reducir su potencia al ralentí para evitar daños mayores.
Si existe daño o las pérdidas son continuadas, también podrá aumentar la vibración del motor afectado, viéndose este aumento reflejado en el correspondiente instrumento en la cabina.
¿Y cómo se soluciona?
Dependiendo de la gravedad de la pérdida del compresor, será necesario realizar una reducción momentánea de la potencia para permitir la recuperación del motor; el ajuste de potencia a ralentí o la parada completa del motor para evitar más daños al mismo (TOM263H).
En el caso de que ocurra un apagón del motor por una pérdida del compresor, generalmente será posible reencenderlo, siempre que no haya habido un daño extenso a la planta motriz.
Para aprender más:
Maclittle – Y el motor dijo basta
Pérdida del compresor en un ejercicio militar. El compresor entra el pérdida, aumenta la EGT a pesar de tener los gases al ralentí y el piloto se ve obligado a parar el motor, declarar emergencia y volver a Gran Canaria. Nótese el daño del compresor.
Maclittle – Qué bonito es el vuelo sin motor
Parada de ambos motores a 40.000 pies tras una pérdida del compresor causada por una velocidad demasiado baja para la altitud a la que se encontraban. Reencendido de ambos a un nivel inferior y de vuelta al ejercicio de caza.
El turbofan Pratt & Whitney nos saluda al despegar de Zurich, ¿FOD?
Once it gets under your skin, you’ll never get it out.
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Combustible: Primero en las alas
Es de sobra conocido por nosotros que, tomando un avión comercial medio como ejemplo, los depósitos de combustible que se llenan en primer lugar son los de los planos, siendo también estos los últimos de los que los motores tomarán el queroseno. El depósito central rara vez estará al límite de su capacidad, a diferencia de aquellos de las alas, y también será extraña la vez que llegue con más de una centena de kilogramos al aeropuerto de llegada.
Lo que a veces no está tan claro son las razones de esta distribución.
Sin entrar en lecciones de física, que evidentemente no estoy cualificado para dar, os presento la siguiente ilustración con propósito de facilitar y amenizar la breve explicación.
Esquema de fuerzas verticales ejercidas sobre un avión en vuelo – © www.westwingsinc.com
La carga de combustible en las alas aumenta su peso, y por consiguiente contrarresta la fuerza de sustentación en mismas. Esto se traduce en un menor momento de torsión que disminuye los esfuerzos en el encastre de las alas. Menos esfuerzo significa una menor fatiga del material, aumento de la vida útil y un menor coste.
Aunque parezca que un aumento del combustible en las alas disminuye la fuerza resultante de la resta del vector peso al vector sustentación, esto no es así, al estar simplemente trasladando el peso del fuselaje a las alas sin modificar su módulo total.
Por otra parte, los depósitos de las alas pueden suministrar combustible a los motores sin tener las bombas encendidas aunque lógicamente esto no es recomendable gracias a la fuerza de la gravedad. El depósito central sí necesita bombas que trasladen el combustible hacia la planta motriz, ya que lógicamente el desplazamiento de éste se realiza en dirección horizontal.
En definitiva, con este sistema, para un mismo vuelo, carga de combustible, pasajeros y carga conseguimos:
- Una menor carga en los encastres de las alas al pesar éstas más y el fuselaje menos, lo que se traduce en una menor fatiga del material y por lo tanto una mayor vida útil de los componentes.
- La seguridad añadida que da no depender de las bombas de combustible para que los motores lo reciban, ya que el queroseno puede caer de las alas a éstos por la gravedad en caso de fallo del sistema eléctrico o mecánico de las propias bombas.
Aprovecho para darme a conocer en Surcando los Cielos y para agradecer públicamente a Ángel la confianza depositada en mí al dejarme participar en este blog.
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7 commentsEl ruido (y II)
Seguimos con la serie dedicada al ruido producido por un avión con este segundo y último post
El ruido del chorro
El ruido producido por el chorro proveniente de la combustión de gases es la principal fuente de ruido en un cuando un motor está operando a máxima potencia. Durante el despegue el gas es expulsado a gran velocidad y se mezcla con el gas que hay a su alrededor. En esta mezcla de gases se crea una turbulencia, causante del ruido, que cuanto mayor es, más ruido crea. El ruido producido por el chorro es el único que se crea fuera del motor (aunque no fuera del avión) y tiene lugar a una distancia considerable del motor.
[Inciso: próximamente veremos que es el bypass con más detenimiento, pero para tener una idea y entender lo que viene ahora, llamamos bypass al flujo de aire secundario del motor, que no pasa por el núcleo, y que por lo tanto no se comprime a altas presiones. Para entendernos, en un motor actual tenemos dos partes diferenciadas, el núcleo dónde se inyecta el queroseno y una segunda parte por donde entra el aire pero no es “tratado”. Esta segunda parte es el bypass del motor]
Históricamente, la reducción del ruido de chorro ha ido de la mano con la reducción de la potencia específica y del ratio de bypass con el resultado de una menor velocidad de chorro para alcanzar la misma potencia requerida. El forzar la mezcla del aire proveniente del núcleo del motor con el del flujo del bypass ha demostrado que reduce el nivel de ruido producido puesto que la mezcla de los gases es gradual y hace descender la velocidad de mezcla, siendo esta proporcional a la turbulencia asociada que es a su vez la que produce el ruido que podemos apreciar. Esto era muy útil en los antiguos motores con un ratio de bypass moderado o por debajo de 5 a 1.
En referencia a la foto superior, siempre me acuerdo de una anécdota que me explicó un antiguo piloto de DC8. Me comentaba que le colocaron estos difusores a los motores para hacer menos ruido, pero cuando despegaban por la mañana temprano de Palma de Mallorca temblaba hasta el suelo y despertaban a toda la isla. Siempre es algo relativo, lo de reducir el ruido. 
No obstante, en los nuevos motores de última generación como pueden ser el Trent 1000, los ratios son superiores a 10 a 1 y esta medida se muestra del todo insuficiente, por ser el bypass demasiado grande y tener que incorporar sistemas de guiado del aire muy grandes, penalizando así la aerodinámica y el peso final del motor (y del avión). Así pues, se ha visto como otra medida de reducción de ruido es efectiva para grandes ratios y no penaliza en exceso la aerodinámica. Algunos os habréis fijado, y es que últimamente, en las terminaciones del motor de última generación, se aprecia un serrado. Esta manera de acabar en forma de sierra consigue que la velocidad de mezcla de los gases también se vea disminuida, independientemente del ratio de bypass, y además se ve reducido el ruido del orden de 5 dB.
Acabado en sierra visible en este Trent1000 de un B787 – © Jon Ostrower
Debido a la naturaleza del chorro y su ruido asociado, la interacción aerodinámica con el flujo de aire y la estructura necesita ser replanteada. Con esto nos referimos a, por ejemplo, la interacción del chorro con el ala debido a su proximidad. Más aún cuando se va con algún punto de flaps. Esto crea un ruido asociado que es dirigido hacia abajo. Por esta razón, el avión del futuro se está planteando con una integración completa del motor dentro del propio avión y así mitigar estos ruidos que ahora por ahora son casi imposibles de reducir.
El ruido de la turbina de baja presión
Así como las turbinas de alta y media presión están incorporadas en el núcleo de motor y son mitigadas por el ruido de este, la turbina de baja presión, la primera que nos encontramos en el recorrido hacia el interior del motor, produce un ruido que es fácilmente controlable.
Es por todos conocido que los humanos tenemos una espectro audible algo corto, y de esto se aprovechan los ingenieros. Con un perfil aerodinámico adecuado fuerzan la frecuencia del sonido por debajo de lo 4KHz. Con esto consiguen que sea inaudible para las personas y además es fácilmente atenuado por la atmósfera.
El ruido de la combustión
Y os preguntaréis ¿Por qué aún no hemos hablado de lo que realmente hace ruido? Parece mentira pero el ruido producido por la combustión es el menos significativo en la firma de ruido total del avión. El ruido producido por las inestabilidades de la combustión están controladas por los procesos internos del motor.
2 commentsEl ruido (I)
Los aviones de hoy en día son mucho más silenciosos que los primeros aviones a reacción civiles con ratios bajos en el bypass (próximamente hablaremos sobre que es el bypass de un motor). Algunos se atreven a decir que los aviones de ahora emiten un 1% del ruido que emitían los aviones 40 años atrás. No obstante, esto parece poco y cada vez se intenta reducir el ruido de los aviones lo máximo posible, empujados por la presión social sobre las infraestructuras aeroportuarias alrededor del mundo.
Control del Ruido
ICAO lleva el control del ruido de los aviones así como sus umbrales y maneras de medirse. Así pues, en la fase de despegue se miden los niveles de ruido en un perfil lateral y otro de sobrevuelo mientras que en la de aterrizaje solo se mide en la zona de aproximación final.
Zonas de medición especificadas por ICAO. © The Jet Engine – Rolls Royce
Este ruido se mide en EPNL (Effective Perceived Noise Level) o Nivel Efectico de Ruido Percibido y vienen estipulados en el anexo 16, capítulo 3 de ICAO firmado en 1977. Pero mucho ha llovido desde entonces y el 1 de Enero de 2004 el capítulo 4 restringe mucho más los niveles de ruido para las nuevas aeronaves a certificar y establece los limites 10EPNLdB por debajo de lo que lo hacía el capitulo 3. Y aún nos podemos poner más extremistas y es que aeropuertos, como los Londinenses y algunos más a lo largo del mundo con una alta densidad de tráfico, establecen sus propias normas aún más restrictivas para las operaciones diarias según la hora en la que se desarrollen. Para ello sacaron la Quota Count, que viene a ser un índice del ruido que hace un avión en las opera y con un sistema de slots ruidosos las compañías basan sus operaciones nocturnas según las QC que tengan asignadas
Las fuentes de ruido en un avión
El ruido que escuchamos de un avión es el resultado de una infinidad de pequeñas fuentes de ruido. Así pues, el diseño de los motores de un avión va muy ligado a un eficiente diseño aerodinámico del mismo. Parece lógico que una aerodinámica incorrecta desembocará en una mayor potencia necesaria para el despegue y un consecuente aumento de ruido del motor en general.
Otras cosas a tener en cuenta son que no todo el ruido lo crean los motores. Por ejemplo, en la fase de aproximación final es más importante el ruido producido por el Airframe (la circulación del aire) que el propio producido por los motores que en ese momento van casi al ralentí. No obstante el ruido producido por la turbina viene siendo el peor enemigo de los límites de ruido.
El problema es complejo, pues para reducir el ruido de un avión se tiene que trabajar con múltiples fuentes de ruido, a menudo con diferentes métodos de reducción de ruido.
El ruido de la turbina
El ruido de la turbina es el más complejo de tratar puesto que proviene de la aerodinámica de los álabes del motor. Cuidado, porque en este caso estamos diferenciando del ruido relacionado con “jet stream” (del chorro del motor) con el propiamente relacionado a las turbinas del motor y los compresores. Parece curioso que sea significativamente mayor para la firma del ruido el proveniente por las turbinas, pero con la medida del los años se ha conseguido reducir el ruido del jet stream como podemos observar en la figura inferior.
Perfil acústico de una turbina. © The Jet Engine – Rolls Royce
Podemos diferenciar algunos de ellos por estar concentrados en ciertos espectros frecuenciales. El llamado broadband noise suena como un siseo, como cuando vamos en coche por una autopista y escuchamos un ruido constante. Este ruido, igual que pasa en los álabes de la turbina, viene producido por las turbulencias creadas en las capas límites del álabe y se generan comúnmente en la parte trasera de estos.
Tenemos también el tone noise que suena como un silbido. Este sonido concentrado en una sola frecuencia es producido por la onda de presión justo en frente de la turbina. Estas ondas de presión producen el tone noise a la frecuencia de paso del álabe (las revoluciones por segundo multiplicado por el número de álabes). Un modelado de los álabes muy estudiado por parte de los ingenieros hace que este ruido se vea minimizado.
Otro sonido conocido sonido es el llamado buzz noise y como su nombre indica, es un leve “buzz” o zumbido. Este sonido es creado cuando los álabes estar girando a velocidades supersónicas. Es en este momento cuando la onda supersónica pasa entre sus álabes y produce pequeñas vibraciones que acaban creando ese zumbido que en ocasiones se puede escuchar dentro de la cabina de pasajeros. Una cuidadosa geometría en el diseño de los motores ayuda a eliminar este ruido, aunque por otra parte, un régimen de giro menor en el despegue también contribuye a minimizar este ruido.
Reduciendo el ruido de la turbina
Un método importante para la reducción del ruido generado por las turbinas es el de absorber la energía generada después de producirse. Los motores de nueva generación, la entrada y el conducto de bypass están cubiertos de paneles especiales para absorber el ruido producido por la turbina. Estos paneles, que los podemos encontrar en la vida cotidiana en autopistas, por ejemplo, hacen que la energía del sonido (que no dejan de ser vibraciones) se conviertan en calor. Así se disipan sin molestar a ningún vecino. Otras cosas tan sencillas como cuidara la geometría de la admisión del motor puede hacer que el sonido se disipe hacia arriba.
La geometría juega un importante papel – © The Jet Engine – Rolls Royce
La prueba del algodón hay que hacerla en el siguiente vídeo. Un A330-300 de Qatar Airways con sus General Electric CF6-80E1 a toda potencia. A ver si encuentras todos los sonidos
(El vídeo es mejor verlo en HD para disfrutar de un audio en condiciones)
Airbus A330-300 Qatar Airways take-off GVA – Youtube
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