Motores

Motores

 De los mecanismos que hemos visto hasta ahora, todos está para facilitarnos el trabajo pero en todos tenemos que desarrollar algún trabajo para que funcione. Ahora vamos a usar una fuente de energía para que el hombre apenas use su energía en aras de obtener un trabajo  en una Máquina. La energía que vamos a aportar será del tipo térmico, o sea vamos a emplear un combustible para generar calor. Las Máquinas Térmicas,  por tanto, va a convertir la energía térmica en energía mecánica.

  •  Si la combustión se hace fuera del motor ( el que genera el trabajo ) se llama Máquina de combustión externa  como la máquina de vapor
  • Si la combustión se hace dentro del motor se llama Máquina de combustión interna ( el motor del coche )

La máquina de Vapor

maquina de vapor

Aunque apenas  se emplea en la actualidad,  se muy educativa para entender cómo la energía térmica pude convertirse en energía mecánica.

A la izquierda tenemos el horno encargado de quemar el combustible, que generalmente es carbón. La caldera que contiene el agua hace de olla a presión y por tanto el vapor sale por la válvula de salida para entrar por la válvula de entrada del cilindro.

La válvula de entrada se abre el tiempo necesario para que el vapor empuje el pistón a la derecha  moviendo la rueda por medio del sistema biela-manivela.

Cuando ha llegado a la parte  derecha, la inercia de la rueda hace que retroceda el pistón a la parte izquierda, abriéndose la válvula de salida y pasando el vapor de agua ( ya sin energía ) al condensador.

El condensador es como un depósito donde entra el agua y es enfriada por un circuito de agua externo para que el agua que entra del cilindro salga en estado líquido.

El agua líquida entra de nuevo en la caldera y el ciclo se repite.

Motores de combustión interna. Veremos primero el motor de gasolina de 4 tiempos
tiempo de admisión tiempo de compresión

1. Admisión

Este es el primer tiempo de una fase completa del motor de gasolina. Como su nombre indica, es la fase donde el cilindro se llena de la mezcla aire-gasolina.

La válvula de admisión se abre para que pueda entrar la mezcla aire-gasolina. Como el pistón está bajando, produce un vacío interno que facilita la entrada en toda la cámara.

Cuando el pistón está en la zona baja, la válvula se cierra y acaba el 1º tiempo.

2. Compresión. En este tiempo las dos válvulas se encuentran cerradas y el pistón empieza a subir comprimiendo toda la mezcla. La presión es máxima cuando el pistón se encuentra casi en el punto mas alto. Comentar que al aumentar la presión, la temperatura de la mezcla ha aumentado considerablemente. No queremos que la mezcla explote de forma espontánea porque es la bujía quien debe dar la orden. Por ello a la gasolina se le añadía plomo ( sustituido ahora por otros componente menos contaminantes )
3. Explosión y expansión:Justo antes de que el pistón llegue al punto superior y con la mezcla a alta presión y temperatura, la bujía recibe la orden y «manda » una chispa a la mezcla. La explosión provoca el descenso del pistón con la realización del trabajo del motor. Este es el único momento donde el motor aporta trabajo. La primera imagen representa la explosión y la 2º la expansión, donde se realiza el trabajo
escape motor 4 tiemposmotor de 4 tiempos
4 Escape. Una vez que el pistón ha llegado a la parte inferior, es momento de expulsar los gases quemados. Para ello, la válvula de escape se abre y la de entrada se mantiene cerrada. Según sube el pistón, todos los gases son evacuados, usando posteriormente el tubo de escape para sacarlos del motor Queremos añadir esta imagen donde se muestra los 4 tiempos. Observa como incorpora algunos elementos ya vistos como la biela-manivela o la leva que comanda la apertura de las válvulas

Podemos explicar como funciona el motor Diesel, aunque es muy parecido al de gasolina. La diferencia fundamental es que en este motor no existe bujías y la explosión se produce por compresión de la mezcla aire-gasoil

Reactores

coche de newtonAntes de entrar en los motores del avión, sería interesante comprender una de las leyes de Newton sobre la acción-reacción. La 3º ley de Newton nos dice que toda acción tiene una reacción, o lo que  formalmente se debe decir que Si un cuerpo actúa sobre otro con una fuerza (acción), éste reacciona contra aquél con otra fuerza de igual valor y dirección, pero de sentido contrario (reacción).

En el campo de la aviación, esto se traduce que cuando en un cuerpo en equilibrio se produce una salida de accion reaccion en el cohetegases por un lado y esos gases tienen una masa, por el otro sentido hay un empuje que será igual a la masa por la velocidad de salida, o sea

m1 * v1 = m2 * v2

En el caso del cohete, la masa de los gases ( m1 ) multiplicada por la velocidad a la que salen del cohete es igual a la masa del cohete por la velocidad al que se mueve

Existen varios tipos de motores para aviones que utilizan el principio de acción-reacción. Vamos a ver dos de ellos, el Turborreactor y el turbofan

Turborreactorturborreactor

Se compone de dos partes. La Sección fría y la calientes. En la primera se produce la entrada de aire que es empujada a la cámara de combustión por medio del compresor ( placas metálicas que empujan el aire al rotar sobre el eje principal ).

Esas pequeñas placas del compresor, llamadas álabes, provocan que el aire se comprima y aumente su temperatura.

En la cámara de combustión se mezcla con el queroseno para producir la explosión. La explosión hace que los gases salgan de la cámara de combustión a gran velocidad , pasando por otros álabes de la turbina y posteriormente por la tobera de escape. Gracias a estos gases se produce el empuje del avión.

Hemos visto antes que los gases antes de salir por el escape, mueven unos álabes de la turbina.  La turbina hace girar el eje principal y éste mueve el compresor y sistema de admisión de la entrada.

turbofan

turbofan

En este tipo de reactor podemos destacar los siguientes componentes

  • Ventilador :  De aquí procede  su nombre ya que fan significa ventilador.  Se localiza a la entrada del motor. La entrada de aire la divide en dos flujos, primario y  secundario. La corriente primaria se va a utilizar en la combustión una vez que sea comprimida por los  compresores
  • Compresores:  Sistema de discos metálicos que a través de diversas etapas  y girando en el mismo sentido que el ventilador, comprimen y aumentan la temperatura del aire.
  • Cámara de combustión: Después de la etapa de compresión y con el  aire a una presión 30 veces superior   y una temperatura  sobre  los 600 °C,  se mezcla con el queroseno, produciéndose  una gran  explosión.
  • Turbinas:  Los gases  que salen de la cámara de combustión a unos 1100 ºC pasan ahora  por los álabes de la turbina, haciendo girar su eje ( el mismo que mueve el compresor ). Existen variantes que no vamos a considerar en este tema
  • aire por ek turbofanEscape: Después de la turbina los gases son expulsados por la tobera por la parte  de atrás del motor. Como la tobera tiene forma cónica, los gases se aceleran a su salida y de aquí el empuje que se produce en el motor. Otra parte del empuje viene del  flujo de aire secundario que al ser comprimido y luego acelerado a la salida produce otra parte de la energía de empuje del motor.

Hacer los problemas de mecanismos

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