¿Cómo se ponen en marcha los motores de turbina?

El medio para arrancar la mayoría de los motores de turbina es el aire sangrado a alta presión. Esta fuente de sangrado generalmente proviene de una APU, pero también puede provenir de un motor que ya está en funcionamiento (inicio de sangrado cruzado) o un carro huffer externo .

En algunos aviones, el inicio está completamente controlado por FADEC y solo necesita ser iniciado y monitoreado por la tripulación de vuelo, y en otros aviones, ciertos pasos deben iniciarse manualmente.

El siguiente proceso describe mejor un motor turboventilador. Lea la respuesta de @Falk para obtener información sobre las diferencias con los motores turbohélice.

Conceptos básicos del turboventilador

Consulte la imagen a continuación (Crédito: K. Aainsqatsi, Wikipedia):

Las partes del motor a las que me referiré a continuación son:

• El ventilador N1, el eje N1 y la turbina N1, que se muestran en verde y están etiquetados como "Ventilador/Compresor de baja presión", "Eje de baja presión" y "Turbina de baja presión". Estas unidades están conectadas y se mueven como una sola pieza.
• El compresor de N2, el eje de N2 y la turbina de N2, mostrados en púrpura y etiquetados como "Compresor de alta presión", "Eje de alta presión" y "Turbina de alta presión". Estos están conectados y se mueven como uno solo, pero independientemente del eje N1. No se muestra una transmisión de accesorios que está engranada en el eje N2 para impulsar los accesorios del motor.
• La sección caliente, representada en amarillo y etiquetada como "cámara de combustión". Este es el hogar de un fuego que arde constantemente en un motor a reacción.

De arranque del motor

El proceso de arranque del motor sigue esta fórmula básica.

• A través de la apertura de las válvulas de purga de aire, el aire de purga se envía a un arrancador de turbina de aire. Estos dispositivos suelen utilizar el aire de purga de alta presión para hacer girar y acoplar un embrague centrífugo conectado a la transmisión de accesorios del motor. Esto, a su vez, hace que gire el eje de N2 dentro del motor.

• Con el eje de N2 girando, el compresor de N2 y las turbinas de N2 están girando. Esto comienza a forzar el aire a través del motor de adelante hacia atrás.

• Con el eje de accesorios y los ejes de N2 girando, los accesorios deberían comenzar a funcionar y esto se puede verificar mediante las indicaciones de presión de aceite en el EICAS.

• Con una mayor rotación de N2, se activará el encendido. Estos encendedores están ubicados en la sección caliente del motor y producen pequeñas chispas. Debería haber una indicación en el EICAS de que el encendido está activo.

• Con un mayor aumento en la rotación de N2, se introducirá el flujo de combustible. Esto se verificará en el EICAS. Una vez que se observa el flujo de combustible, es importante que la siguiente parada se realice con bastante rapidez.

• ¡Luz apagada! El combustible se enciende con la ignición y ahora el fuego que arde en la sección caliente suministrada por el aire del compresor está produciendo empuje a través de las turbinas N2 y N1.

• A medida que el motor produce empuje en la turbina N1, el eje N1 hace girar el ventilador N1 y el EICAS notará este aumento en la rotación N1. Las velocidades de rotación de N1 y N2 aumentan.

• Por encima de un umbral de N2, las válvulas de purga de aire que alimentan el motor de arranque de la turbina de aire se cerrarán y el motor de arranque se desactivará. Los encendedores se apagarán en algún umbral de N2.

• El motor se establecerá en una configuración de empuje de ralentí estable.

¿Qué puede ir mal?

• Comienzo colgado

  • N2 no gira lo suficiente para que se introduzca el flujo de combustible.
  • Cada inicio tiene un límite de tiempo y el inicio será abortado.

• Sin encendedores

  • Cancele el arranque y cambie los encendedores.
  • Llame a MX.

• No encender

  • Se introduce el flujo de combustible, pero la luz no se ha apagado en un período de tiempo adecuado
  • El combustible se está acumulando en el motor y si se apaga, puede ser dañino.
  • Se cancela el arranque y se realiza conducción en seco para limpiar el motor.

• exceso de ITT

  • Suele haber una limitación en la temperatura entre turbinas durante el arranque del motor.
  • Si esto se excede, el inicio debe ser abortado.
  • Esto puede requerir la coordinación con MX antes de intentar otra salida.

• El motor de arranque de la turbina de aire no se desconecta

  • Esto debe ser corregido antes de partir.
  • En algunos motores, MX puede corregir esto con el motor en marcha.

• La válvula de cierre del aire de purga que alimenta el arrancador de la turbina de aire no se cierra

  • Esto puede requerir una parada del motor para remediar
  • Sin embargo, en algunos aviones, MX puede cerrar esta válvula manualmente con el motor en marcha.
  • Se requiere coordinación con MX.

• Fugitivo N1 o N2

  • Si el FADEC no está administrando el flujo de combustible correctamente, es posible que el motor no se estabilice sino que continúe girando.
  • Abortar el inicio.
  • Coordine con MX antes de intentar reiniciar.

¿Qué hay de arrancar el motor en el aire?

Si el motor se apaga, se puede intentar un reinicio en el aire. Estos inicios suelen ocurrir de una de las siguientes maneras:

• Inicio de sangrado cruzado
• Inicio de APU
• Inicio de molino de viento

El inicio de la APU es esencialmente el mismo proceso que el anterior. El arranque cruzado, que también se puede hacer en el suelo, simplemente sustituye un motor en marcha a una configuración de alta potencia para proporcionar el aire sangrado para el arranque y, por lo demás, es igual que el anterior.

El comienzo interesante es el comienzo del molino de viento. La necesidad de esto significa que algo malo ha sucedido. Para necesitar un arranque de molino de viento, esto significa que no hay fuentes de aire sangrado para alimentar el motor de arranque de la turbina de aire. Esto puede significar que todos los motores están apagados y la APU no está disponible (¡MAL!), o simplemente que las válvulas de purga de un motor apagado no se han cerrado y no se pueden abrir.

Para el EMB-145 con el que estoy familiarizado, un inicio de molino de viento requería descender a una velocidad entre 260 KIAS y 320 KIAS y no se podía intentar por encima de FL250. En resumen, espera que el flujo de masa a través del motor sea suficiente para hacer girar el compresor de N2 como lo haría el ATS. Con una indicación N2 dentro del sobre de arranque de aire del motor, introduce chispa y combustible y espera que el motor se encienda. En el peor de los casos, si es demasiado lento y no puede proporcionar suficiente flujo de aire antes de apagarlo, el motor puede sobrecalentarse rápidamente y dañarse. Por esta razón, es especialmente importante cancelar este tipo de arranque tan pronto como se detecte una anomalía.

Si desea obtener información sobre los motores a reacción, lea la respuesta de @ casey. Es muy detallado y bueno.

Hay algunos motores de turbina que arrancan de forma diferente. Hablamos de motores turbohélice o turboeje. Un ejemplo famoso es la turbina PT6, que proporciona energía a muchos aviones pequeños de hélice impulsados ​​por turbinas como la serie King Air de Beachcraft y los Cheyenne y JetProp de Piper.

Estos motores constan de dos partes, el generador de gas y la turbina de potencia libre. El generador de gas es más o menos un motor a reacción. Consta de una entrada, un compresor, una cámara de combustión y una turbina. No conozco ningún motor turbohélice con una tobera para crear empuje, como lo tiene un motor a reacción, pero si alguno de ustedes lo sabe, me encantaría leer su comentario. En un motor turboeje, el escape no se usa en absoluto para generar empuje, por lo que algunos de ellos incluso están invertidos (compresor en la parte trasera del motor, pero por la razón todavía alimentado con aire de una entrada dirigida hacia adelante). Tal vez haya notado que en algunos aviones impulsados ​​por turboeje, el escape está muy cerca de la hélice; esta es la razón.

El segundo componente es una turbina de potencia libre, impulsada por el escape del generador de gas, que impulsa la hélice a través de una caja de engranajes reductores (velocidad de la turbina de potencia libre > 30.000 RPM, velocidad de la hélice < 3.000 RPM). En la mayoría de los motores, estos componentes solo se mantienen unidos por la carcasa del motor, por eso se llama turbina de potencia libre.

Ahora todos tenemos una idea básica de este tipo de motor y podemos hablar sobre la secuencia de arranque. Un llamado generador de arranque está conectado al generador de gas. Básicamente es un motor eléctrico alimentado por una batería (o cualquier otra fuente de alimentación de CC) que se utiliza para hacer girar el eje del generador de gas. Una vez que se arranca el motor, este motor se puede usar como un generador que suministra energía de CC. Si observa los principios de un motor eléctrico y un generador de CC, verá que técnicamente son lo mismo. Solo necesita cambiar algunas conexiones. Esto generalmente se hace operando un interruptor basculante de tres posiciones 'arranque-apagado-generador'.

La secuencia de inicio es más o menos la misma que para un motor a reacción:

• Arrancar el eje del generador de gas con el motor de arranque
• A una velocidad de rotación específica (generalmente 10-15%) agregue combustible
• Supervisar los parámetros del motor
• Cambiar al generador

Por lo general, la turbina de potencia libre comienza a girar la hélice muy pronto después de agregar combustible; de ​​todos modos, algunos motores están equipados con un freno de hélice que evita que la sección de la turbina de potencia libre gire. Esto es útil para operar la sección del generador de gas solo para obtener energía eléctrica o hidráulica, a veces neumática, algún tipo de APU. La serie ATR de Aerospaitiale es un ejemplo famoso. Lo llamaron "modo hotel".

Excelentes respuestas hasta ahora. Hay un par de otras formas en las que se puede arrancar un motor a reacción.

El F-16 tiene el motor conectado a una caja de cambios con un eje especial equilibrado de alta velocidad. Hay un embrague donde el eje se conecta a la caja de cambios. También se adjunta a la caja de cambios una turbina más pequeña conocida como Jet Fuel Starter (JFS), aproximadamente del tamaño de una sandía grande, también con un embrague. La caja de cambios también tiene bombas hidráulicas y generadores.

Para arrancar el avión:

1. el motor principal está desembragado de la caja de cambios
2. el JFS está enganchado a la caja de cambios
3. la presión hidráulica se alimenta desde un acumulador a una bomba, lo que hace que funcione como un motor hidráulico, que hace girar la caja de engranajes
4. la caja de cambios giratoria hace girar el JFS hasta el punto en que alcanza la velocidad inicial
5. el combustible se alimenta al JFS, el encendido se dispara y comienza
6. el JFS acelera, produciendo alrededor de 200 caballos de fuerza
7. cuando el JFS está funcionando a toda velocidad, el embrague del eje del motor se acopla
8. el eje giratorio hace girar el motor principal hasta que alcanza la velocidad de arranque
9. una vez que el motor principal alcanza una velocidad particular, el JFS se desconecta de la caja de cambios y se apaga
10. el motor giratorio pone en línea los generadores y el sistema hidráulico, recargando la presión en los acumuladores para la próxima vez que necesite arrancar

En algunos aspectos, esto es similar a una excavadora u otro equipo pesado. Muchos de ellos tienen un pequeño "motor pony" con un arranque eléctrico, que luego produce la combinación de potencia/par necesaria para arrancar el motor principal. Una vez que el motor principal está funcionando, el motor pony se desembraga y se apaga.

Otros aviones más antiguos, como el F-100 Super Sabre, usaban una pequeña carga explosiva (cartucho de arranque, esencialmente un gran espacio en blanco). Lo instalarías en el motor. El piloto lo dispararía eléctricamente a la turbina de escape, lo que haría girar el motor lo suficiente (esperabas) para que todo comenzara a acelerar, luego activaría los sistemas de combustible y encendido. Si el carro no se disparaba correctamente, tenía que esperar un cierto período de tiempo para que se enfriara antes de poder retirarlo. No querrás que se dispare en la rampa (posible presencia de vapores de combustible) o en tus manos (¡ay!).

Supongo que ahora es mi turno de agregar formas exóticas de arrancar un motor a reacción.

El Jumo 004 del Me-262 y Ar-234 tenía un pequeño motor de pistón en la espiga central que se arrancaba eléctricamente, pero también podía ser arrancado manualmente por un mecánico. ¿Alguna vez notó el agujero en el medio de la espiga y el anillo clavado en él (vea la imagen de la izquierda a continuación)?

El anillo estaba unido a una cuerda que podía usarse para arrancar el motor de pistón (motor de arranque Riedel, imagen de la derecha). Esto podría enrollar el motor por sí mismo hasta 2000 RPM. A 500 - 1000 RPM, el piloto encendería el encendido. Ahora, la combustión inicial ayudó a acelerar aún más el motor, hasta las 5000 RPM, cuando el motor de pistón se desacoplaría. Luego, el piloto podría avanzar los aceleradores lentamente a 8700 RPM, el máximo.

¿Qué puede salir mal? Mucho:

• El motor de pistón no se desacoplaría.

• Flujo de combustible insuficiente, por lo que el motor no aceleraba. En temperaturas frías, las bombas de combustible debían encenderse, pero solo hasta 3000 RPM.

• El encendido no comenzaría lo suficientemente pronto. Luego, el motor rotativo suministraría combustible a la cámara de combustión, donde se recolectaría y sería expulsado hacia el carenado trasero del motor. Cuando comenzaba la combustión, el combustible recolectado también se quemaba, lo que provocaba un incendio en el motor.

• El piloto avanzaría los aceleradores demasiado rápido. Esto suministraría demasiado combustible a la cámara de combustión y calentaría la turbina por encima de su límite. Solo con el flujo de aire más alto cerca de la velocidad de diseño se podría bloquear el acelerador. -

El otro procedimiento de arranque es el de los J-58 en el SR-71, que fue notablemente similar. Solo que el motor de arranque era mucho más grande y no formaba parte del motor: era un diseño personalizado de dos Buick 455 V-8 sintonizados, acoplados en un carro e impulsando un eje de transmisión vertical que impulsaba el motor desde un puerto debajo la góndola del motor. Para iniciar la ignición, se inyectó un compuesto especial llamado trietilborano, porque el JP-7 frío (el combustible especial para los J-58) no se encendería por sí solo. Una vez que el motor pudo sostenerse, el carro se desenganchó.

Los motores Buick fallaban con frecuencia y luego fueron reemplazados por dos grandes bloques Chevy. Además, los motores podían arrancarse con aire a presión. Ver este enlace para más.

¿Qué mas puede salir mal? Esa lista también es bastante similar...

Para un arranque de turbina muy básico, sin FADEC ni control por computadora, aquí hay un video del arranque de un helicóptero de turbina Mosquito XET .

Acelere al 50%, luego vuelva a reducirlo a la posición de ralentí.

Engrane el motor de arranque.

Al 17 % de RPM, encienda el encendedor.

Al 30 % de RPM, encienda el combustible... el ruido sordo indica que la lata del quemador se ha encendido.

Al 50%, apague el motor de arranque.

Al 70%, apague el encendedor.

Al 100%, está listo para volar.

El Mosquito utiliza una turbina de gas solar de 90 hp fabricada originalmente para generadores de respaldo, que es una de las razones por las que todo el paquete es (relativamente) económico: alrededor de $ 65k-70k por un helicóptero propulsado por turbina.

Se requiere algún ensamblaje...

También existe la iteración de transmisión por eje de los motores de arranque. ¡Como un tiempo de servicio técnico en Tornado, no puedo comenzar a decirles lo frustrante que es este sistema!

Una APU opera una caja de cambios, que tiene un generador, una bomba hidráulica y un eje de salida al motor para arrancarlo. También va acoplado a otra caja de cambios del motor nº2 a través de un eje, que también tiene bomba hidráulica, generador y eje de salida. ¡Así que la APU o cualquiera de los motores puede hacer funcionar cualquiera de las dos cajas de cambios y arrancar uno o ambos motores!

Siéntase seguro de compartir su funcionamiento ahora que el avión está fuera de servicio en el Reino Unido de todos modos;)

http://www.tornado-data.com/Tid/systems/common/secondary_power_system.htm