En el libro "Potencia y vuelo" de Assen Jordanoff se muestran cuales son los diferentes tipos de motores utilizados en aviación en los años 40.
PROLOGO
Éste libro describe la construcción de la moderna unidad de fuerza de las aeronaves: cómo funciona y cómo es atendida. Ayer aprendimos cómo construir las maquinas de hoy; estamos aprendiendo hoy cómo construir la máquina de mañana. Espero que las pocas citas de la historia de la aviación, de este libro, estimularán al lector y le señalarán el aun no delineado camino del progreso del vuelo.
Creemos que las mejoras de la planta motriz es el factor más grande en el adelanto de la aviación. En el análisis final, el mapa del mundo ha sido cambiado en la última década por los grandes pasos dados en el desarrollo del motor de la aeronave. Son las máquinas volando a través de continentes y océanos, en la guerra y en la paz, las que dan el concepto total del mundo. Ciertamente, la historia de nuestra civilización está, hasta ahora, inseparablemente ligada al desarrollo de las plantas motrices de las aeronaves.
La mayor parte de nosotros vivirá para ver nuevos y espectaculares adelantos en el diseño de plantas de fuerza de aeronavegación, y aun el nacimiento de nuevos métodos de producción de potencia. Es de los hombres de hoy, de quienes depende el progreso futuro. A ellos les dedico este libro.
Mi sincero agradecimiento a los siguientes lideres en la industria de la aviación, por su cooperación sinceramente prestada en la preparación de este libro:
Wright Aeronautical Corporation
Curtis Propeller División of the Curtis-Wright Corporation
Eclipse Pioneer Division of the Bendix Ariation Corporation
Kollsman Instrument Division of the Square D Company
Hub Industries, Inc.
Estoy agradecido, también, por la cooperación que me proporcionaron muchas organizaciones públicas ó privadas, y a los Departamentos de Guerra y Marina, autoridades aeronáuticas civiles, y a la biblioteca del Instituto de Ciencias Aeronáuticas.
EL AUTOR
PLANTAS DE ENERGÍA
CUANDO HABLAMOS DE PLANTAS MOTRICES, hablamos del equipo completo que se necesita para la producción y utilización de la energía.
En un avión, la planta motriz (fig. 27), se compone de:
1º El sistema de alimentación de combustible, que incluye los tanques de combustible con su tapa y válvulas de descarga y de ventilación, tuberías de combustible y sus conexiones, las válvulas selectoras necesarias y las de cierre de combustible (en una planta motriz multitanque); bombas manuales o mecánicas de combustibles, el combustible propiamente dicho y el indicador del mismo, (pero no su instrumento indicador).
2º El motor en sí. Este incluye la parte productora de potencia propiamente dicha, es decir la planta motriz, el carburador, el múltiple de admisión, el sistema de escape, y el conjunto de los cilindros, pistones y bielas, cigüeñal, transmisión y así sucesivamente. No incluye el sistema de encendido y demás accesorios.
3º El sistema de lubricación; incluye los tanques de lubricantes con su tapa, ventiladores y descargas; tuberías de distribución y sus conexiones dentro y fuera del motor, bomba lubricante, el lubricante en sí y su indicador, (pero no los instrumentos indicadores).
Esta división de la planta motriz en grupos funcionales, es para mayor conveniencia en el diseño, fabricación y servicio. La división es exacta, por supuesto, y varia según los distintos fabricantes de aeroplanos y motores. Se debe recordar que un buen ingeniero o un buen mecánico deben estar familiarizados con cualquier planta motriz, indistintamente del grupo especial que haya elegido para especializarse.4º El sistema de refrigeración: Este incluye, en un motor refrigerado a aire, las aletas radiadoras. En un motor de refrigeración liquida los tanques de refrigeración, con sus tapas, ventiladores y descarga; líneas de refrigeración con sus conexiones dentro y fuera del motor, bombas refrigerantes; el refrigerante en si y el indicador del mismo, pero no los instrumentos indicadores.
5º El sistema eléctrico. Incluye los medios de producción y acumulación de energía eléctrica, tales como la batería de acumuladores, magnetos y generadores con su sistema de control, instalación de líneas eléctricas, sistema de encendido con su distribuidor y sus bujías, protectores y conexiones.
6º Accesorios: Incluye todos los accesorios de la planta motriz (no del sistema eléctrico), tales como filtros de aire, de combustible y de aceite, sobrealimentadores y dispositivos similares, en conjunto. Los accesorios son los elementos auxiliares que ayudan al funcionamiento del motor; algunas veces por la finalidad del servicio, es conveniente incluir en esta categoría los accesorios eléctricos y también partes esenciales del motor, tales como el carburador.
7º Instrumentos: Incluyen todos los instrumentos indicadores para todas las partes de la planta motriz. Por lo general se incluyen solamente los instrumentos indicadores en sí, los que requieren atención especial, pero no partes del instrumento qué estén fuera del tablero, tales como pares termoeléctricos, transmisiones, instalaciones eléctricas o juegos de ejes.
8º Controles: Incluyen toda clase de controles de operación, las palancas de control, juntas de transmisión y las conexiones a las unidades controladas.
9º Sistema de propulsión: En el caso de un avión es su hélice o hélices e incluye todos los accesorios necesarios de las mismas, tales como mecanismo de control hidráulico y sus accesorios especiales.
Podremos hacer nuestra parte solamente cuando comprendamos todo. El grupo funcional principal de una planta motriz es un motor. Todos los otros grupos funcionales existen solamente para hacer que el motor trabaje en forma más eficiente; es decir, convertir la energía en potencia, y la potencia en trabajo útil.
Tratándose de motores, debemos recordar que todos los motores presentan esencialmente un complejo en que cada ventaja, en ciertos aspectos, obliga a sacrificios en otros. Esta es la razón por la cual no existe un motor que pueda llamarse el mejor. Existen motores que son más eficientes para finalidades determinadas por este motivo es que existen tantos tipos de motores de avión. En cada tipo hay generalmente muchos fabricantes que producen sus propios modelos, todos esforzándose por proveer lo mejor posible para algún campo particular. Todos los motores pueden ser exactamente clasificados por su tipo. En el capítulo 1 ya hemos aprendido algunas clasificaciones: combustión interna y externa, rotativa y opuestos; ciclos determinados que se deban realizar. El Otto (nafta) y el diesel (petróleo), de cuatro tiempos y de dos tiempos.
Cada una de las dos unidades del tipo en “V” tiene su cigüeñal propio, que accionan el eje de la hélice por medio de una transmisión a engranajes. Habrá que esperar hasta que termine la guerra para poder estudiar este nuevo tipo detalladamente.
Cuando se desea duplicar la potencia de un motor en línea sin aumentar su ancho, se disponen a tal efecto, dos motores en linea, uno al lado del otro, cada cual con su propio cigüeñal; los dos árboles del cigüeñal mueven el árbol de la hélice, por medio de una transmisión a engranajes. Este motor (fig. 35) se llama vertical - gemelo.
Muy pocos de estos motores han sido construidos y aparentemente no ofrecian suficiente adelanto como para garantizar su uso. Eran del tipo con los cilindros verticales. Un motor vertical gemelo - invertido, puede construírse sin ninguna dificultad; es un excelente tipo de motor, muy popular en Inglaterra. Es el tipo “H” (fig. 36).
En efecto, comprende dos motores gemelos, uno vertical común y el otro invertido, conectados a un cigüeñal común conteniendo los dos las dos transmisiones que mueven un árbol común para la hélice. Una variante es la de dos motores verticales y opuestos, situados el uno al lado del otro y que impulsan un árbol de hélice común.
Motor Packard X-2775.
De esta manera se obtiene cuatro veces mayor potencia que en un motor en linea, de igual longitud, con una reducida área frontal. Otra variante para la colocación de los cilindros en linea es el tipo “X” mostrado en la figura 37. Los cilindros dispuestos en cuatro lineas están distribuidos, alrededor de un cigüeñal común, en dos unidades en forma de “V”, una de cilindros verticales y otra invertidos. Se obtiene así cuatro veces más potencia que en un motor en linea de igual longitud.
El área frontal de este tipo, es algo mayor que en el tipo "H”; en cambio el equilibrio de la fuerza de torsión es mejor. Hace unos años, el tipo “Y”, de motor era popular en Francia e Italia; en el tipo “Y” (fig. 38), se colocaban dos hileras de cilindros en una “V” vertical de 90”, mientras una tercera fila invertida, era añadida al final.
Aunque de esta manera se obtenía tres veces más potencia que en un motor en linea de igual longitud, el equilibrio de la fuerza de torsión era difícil, y finalmente este tipo fué reemplazado por el “W”, que rinde igual potencia.
El tipo exágono (fig. 39) introducido hace unos quince años, nunca fué popular. Este tipo es interesante, porque fué una tentativa para combinar los adelantos de un motor radial y uno en linea. Tenía seis filas de dos cilindros, desplazados 60º alrededor de un cárter único, o lo que es lo mismo, dos motores radiales de seis cilindros, colocados en tandem. Su superficie frontal relativamente grande, dificulta la refrigeración y el poco equilibrio de la fuerza de torsión impidió la amplia aceptación de este modelo.
Motor Farcot de 6 cilindros en abanico.
En el tipo abanico (fig. 40) los cilindros, están colocados alrededor del cárter en un semicírculo o sector circular. Los cilindros están a veces alternados y colocados en dos filas, para mejor refrigeración.
Motor Gnome de 7 cilindros.
El equilibrio de la fuerza de torsión, deja mucho que desear ya que en el caso de los cilindros alternados el cigüeñal único recibía solamente en una mitad del semicírculo, cuando el motor tenía pocos cilindros. El mayor equilibrio de la fuerza de torsión se obtiene, cuando los cilindros están dispuestos alrededor del cárter y espaciados desigualmente (cuanto más cilindros mejor). En el motor llamado rotativo (fig. 41), todo el motor gira alrededor del cigüeñal, que permanece fijo. Nótese que este motor, aun se llama giratorio, no es un motor “rotativo” (una turbina) sino un motor alternativo, con los pistones, en movimiento de vaivén dentro de los cilindros; los motores de aviación de este tipo, gozaban de gran popularidad a causa de su refrigeración eficiente y poco peso por HP. Sin embargo, las dificultades en equilibrar dinámicamente la masa del motor, su efecto giroscópico, sobre el avión, las pérdidas de aceite a causa de las altas velocidades centrífugas de las cabezas de los cilindros y Otras consideraciones, hicieron que este tipo fuera abandonado antes de terminar la primera guerra mundial. En ese tiempo los motores giratorios de aviones, fueron reemplazados por el tipo radial (fig. 42). En éstos, los cilindros son fijos, mientras que el cigüeñal giraba; a pesar de su mayor superficie frontal, los motores radiales poseen un equilibrio de la fuerza de torsión excepcional, refrigeración eficaz y como no necesita líquido de refrigeración poseen menor peso por HP; hoy la mayoría de los motores de aviación son del tipo radial.
Motor Lycoming R-680.
Este motor encuentra su más alta expresión, en el tipo de doble estrella, mostrado en la figura 43. Aquí tenemos en efecto dos motores radiales en tandem, actuando sobre un cigüeñal común y a dos muñones.
De esta forma se obtiene una mejor distribución de la fuerza de torsión y dos veces la potencia para casi la misma área frontal. Tales motores de doble estrella, pueden hacerse muy potentes. Secretos militares impiden decir cuan poderosos son los últimos modelos.
Los motores de este tipo, son los que proveen de potencia a la mayoría de las lineas aéreas y a la mayoría de los aeroplanos militares, desde los bombarderos de caza hasta los de gran radio de acción. No hay ningún reparo en decir que en el presente no hay mejor tipo de motor de aviación que el del tipo radial de doble estrella y que algunos de los mejores motores están construidos por la Wright “Aeronautical Corporation”. Es ésta la razón por la cual se ha elegido el motor Wright “Cyclone” de doble estrella para el estudio detallado de los últimos capítulos.
Motor Wright Cyclone.
Hay otras clases de motores de aviación, con los que se debe familiarizarse aún a pesar de que su uso no es amplio; de un interés especial es por ejemplo el Menasco Unitwin, ilustrado en la figura 44, que consiste en dos motores en línea, independientes e invertidos, cada uno actuando sobre su propio cigüeñal, que a su vez opera, a través de un sistema de engranaje, una sola hélice. En caso de que fallara cualquiera de los dos motores, el otro motor continúa accionando la hélice a la mitad de potencia. (Compárese este tipo con el motor W de la figura 34).
Motor Menasco Unitwin.
Muchos ingenieros en la búsqueda, de transmisión más directa de potencia desde el cilindro a la hélice, están esforzándose para mejorar el método usual, aunque algo indirecto de ligar el pistón al cigüeñal a través de una biela de conexión, una solución promisoria se puede encontrar en el tipo axial o barril (fig. 45).
En tales motores los cilindros están colocados paralelamente al eje de la hélice, la que está provista de una plancha fija, circular helicoidal al eje de propulsión. Los pistones actúan sobre la plancha oscilante por medio de bielas de impulsión, con contactos deslizadores de rodillos, entre la biela y la plancha, transformando de esta manera el movimiento rectilíneo de los pistones, en movimiento giratorio del eje de propulsión. Los cilindros generalmente están colocados de manera de enfrentar ambos lados de la plancha oscilante. Una ventaja importante de este tipo, es la de su pequeñísima área frontal; sin embargo, la refrigeración aún presenta algunos problemas. Generalmente un motor con solo uno o dos pares de cilindros, colocados a lados opuestos del eje de impulso, se llama un motor axial, mientras que un motor con varios cilindros o pares de cilindros, colocados a intervalos iguales alrededor del eje de propulsión, se llama un motor barril. Una solución básica similar, se encuentra en el motor radial a leva (fig. 46). En este tipo, los pistones transmiten sus impulsos a través de bielas de impulsión, con contacto de rodamiento deslizante, a una leva conectada fijamente al eje de impulsión de la hélice.
Motor Fairchild - Caminez.
Una idea nueva en motores de combustión interna es el tipo toroidal, mostrado en la figura 47. Los cilindros están colocados en la forma de un toro o de una rosquilla. Ambos motores de este tipo, el refrigerado por agua y el refrigerado por aire, han sido construidos como experimento. En el modelo de cuatro cilindros ilustrado, los cuatro pistones están conectados a un simple brazo o palanca, que oscila alrededor de un soporte central extenso, propulsando la hélice. Nótese que en este tipo de construcción no hay presión lateral sobre las paredes de los cilindros. Se tendrá más noticias acerca de estos motores cuando termine la guerra.
El motor Diesel, es una promesa digna de tenerse en cuenta especialmente en el transporte aéreo de carga (fig 48).
Motor diésel Packard.
Los motores de aeronaves Diesel, en los dos tipos, radiales y en línea. A pesar de su peso mayor por caballo de fuerza, su simplicidad y economía de operación, lo hacen muy promisorios para el futuro. A causa de su relación de compresión más alta, y por consecuencia temperatura de operación más elevada, hacen que sea la refrigeración un problema. Sin embargo los progresos recientes, nos permiten esperar no solamente la construcción exitosa de un motor Diesel de aeroplano de combustión de aceite, sino también que su perfeccionamiento, marcará un rumbo hacia el consiguiente desarrollo de un motor de combustión de gasolina del tipo de inyección de combustible (en vez del de explosión actualmente en uso).
Considerando las posibles plantas motores para aviación no debemos olvidar el vapor. En verdad, un motor a vapor tiene un mayor peso por caballo de fuerza, cuando funciona al nivel del mar. Por otra parte, cuando más alto vayamos, más decrece la eficiencia de un motor de gasolina, mientras que el comportamiento de un motor a vapor es estacionario a 50.000 pies de altura, un motor a vapor es más eficiente que un motor a gasolina o de aceite, y pesa menos por caballo de fuerza. Esto sucede porque un motor de gasolina o uno de aceite requiere aire para la combustión de su combustible, mientras que un motor a vapor no lo necesita, excepto para calentar el agua en su caldera.
Motor Besler.
Una planta de poder de un aeroplano a vapor de feliz diseño se ilustra en la figura 49. El vapor es generado en una pequeña caldera y es enviado a dos cilindros colocados en forma V, propulsando la hélice. El vapor utilizado no escapa, sino que es refrigerado en un condensador situado en el radiador del aeroplano. Se convierte en agua y es utilizada nuevamente.
La turbina a vapor, como motor de aeroplano, fué desarrollada en Inglaterra, hace algunos años (fig. 50). Los chorros de vapor, dirigidos contra las paletas de la turbina, imparten movimiento giratorio a la rueda de la misma, y a su eje, directamente, sin piezas de conexión. De especial interés es la caldera de llama, compacta y circular, en la cual el agua se convierte en vapor por el calor producido en la cámara de gasolina.encendida. Se sabe que éste es el único motor de turbina que ha tenido éxito en un aeroplano.
Aero Turbine Ltda.
La utilización más directa de energía se efectúa en motores a reacción o Rocket. Un cohete ordinario es un buen ejemplo del principio. La energía se convierte En potencia y éste en movimiento, sin pérdidas en ninguno de los mecanismos intermediarios. En algún remoto día tal vez un cohete pueda llevar un barco a la luna. Mientras tanto se están inventando muchos medios ingeniosos para gobernar el método de propulsión por la reacción, ajustando el impulso a los requisitos actuales de la aviación.
Los aeroplanos cohetes han sido construidos y volados experimentalmente y virtualmente no probaron nada. La potencia de un cohete se gasta muy pronto y el movimiento que imparte su potente impulso se disipa enseguida en la resistencia al movimiento, proveniente de la atmósfera que rodea a la tierra. Un cohete debe ser ideal para viajes interplanetarios pero no en la atmósfera terrestre.
Ahora, si se pudiera hacer un motor a reacción que pudiera funcionar no solamente por un período de segundo sino por horas, ya sería otra cosa. Y si además pudiéramos idear medios para controlar el régimen de la combustión del cohete, tendríamos un motor a reacción, realmente útil. Hace solamente algunos meses que ese problema fué resuelto en Italia (fig. 51). Tal como lo revelan los dibujos, el fuselaje completo del aeroplano es una especie de tubo Venturi enviando el aire a través de éste por medio de un gran ventilador movido por un motor ordinario de gasolina de combustión interna. El largo tubo de salida de gases, de este motor, tiene una gran cámara de vapor en el centro de fuselaje, que facilita la salida del aire y calienta el mismo a medida que éste se mueve. Cerca de la cola, la gasolina líquida es pulverizada en el flujo de aire calentado y encendida eléctricamente por bujías y la combustión resultante (o explosión) lleva el aeroplano hacia adelante. En las pruebas fueron superadas las velocidades de 400 millas por hora.
Motor Caproni - Campini.
Aún es muy temprano para hacer pronósticos sobre el futuro de los motores a reacción para vuelos al nivel del mar. Pero no hay dudas de que tendrán rendimientos excelentes en la estratósfera. Mucho queda todavía por hacer, antes de que llegue ese día. Sin embargo llegará. Y no nos encontrará desprevenidos.
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