© 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 A330 dice ‘boom’

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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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.

El señor Malet en uno de los motores del DC8 de PanAm. Se ve un primitivo sistema de atenuación de ruido. – © Adolfo Malet

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.

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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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Por el internacionalmente aclamado Tycho Brahe

A principios de los años 80’s, debido a la crisis del petróleo, el monstruo de la escalada de precios del combustible se hizo presente para las compañías aéreas, lógicamente estas mostraban su preocupación por mantener unas flotas de aviones que no tacañeaban a la hora de consumir combustible.

Por entonces (y por ahora) el turboprop era el motor de aviación más eficiente, pero presentaba dos problemas: el primero era que no permitía alcanzar grandes velocidades de crucero, y el segundo era que las palas de las hélices presentaban problemas al alcanzar velocidades supersónicas en las puntas al girar a velocidades subsónicas en el eje. Entonces General Electric en alianza con la NASA desarrollaron un nuevo concepto de motor el GE-36 en base al turbofan militar GE-404, este nuevo motor llamado propfan consistía en un turbofan con dos hélices contrarrotativas impulsadas por turbinas de baja presión montadas en la parte trasera.

A diferencia de un turbohélice convencional, el propfan no dedicaba toda la potencia del reactor a impulsar las hélices, ya que la mayor parte de esta se usaba para generar empuje.

Se equipó a un MD-80 y a un Boeing 727 con un propfan de prueba (no deja de ser curioso ver al 727 con sonido de turbohélice)

Ultra High Bypass Jet Engine Green Technology Airline Flight Test – Youtube

Pratt & Whitney en alianza con Allison también fabricó un prototipo de propfan que a diferencia del de GE y la NASA las hélices contrarrotativas giraban solidarias con el árbol principal, a pesar de que llevaban un tren de engranajes reductor.

Estos motores llegaron a marcar unos consumos de hasta unos 30% inferiores a los motores más populares de la época, sin embargo su excesivo ruido acompañado de fuertes vibraciones, que  provocaban grandes fatigas al fuselaje, además del peligro que los álabes se desprendiesen y cortasen el fuselaje, marcaron cómo hemos dicho antes, el final de una generación.

A finales de los 80’s  con una consiguiente bajada de precios del combustible, McDonnell Douglas dio carpetazo al propfan equipando a los MD-90 con turbofans.

A pesar del fracaso americano, los rusos quiénes sino construyeron el Kuzneztov NK 93 que ha sido catalogado como el motor de aviación más eficiente del mundo, en las siguientes imágenes, podemos verlo montado cómo motor de pruebas de un Ilyushin 76.

A pesar de que no se puede comparar con otros motores actuales, este motor es considerablemente más ligero que un GE 90 montado en el B777, presenta una relación de bypass de 16,6:1 frente al 9:1 del GE y casi 20 KN de empuje “extra”. De hecho,  fabricantes rusos cómo Ilyushin y Tupolev, están pensando de hacer versiones mejoradas de sus modelos 96-400 y 330 respectivamente, equipándolos con el NK-93.

Volviendo al ámbito general, en la actualidad, los fabricantes de aeronaves están barajando equipar de nuevo a los aviones con propfans, General Electric está trabajando con Cessna para equipar al Citation con motor propfan, incluso existe interés por probar prototipos posteriores al B787 y de A350XWB equipados con propfans.

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