El epítome de lo genial

May 26, 2023

Aeronave

[Credit: Leonardo Correa Luna]

Los turbocompresores son el epítome de lo cool. A principios de la década de 1960, Oldsmobile tuvo el primer automóvil turboalimentado de producción, el F-85 Cutlass con un turbo Garrett AiResearch apodado motor Turbo-Rocket y comercializado como Jetfire.

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El Porsche 930 Turbo de 1979, uno de los primeros coches de calle de producción en experimentar con turbocompresor, fue un icono de la época. De hecho, muchos de mis amigos tenían carteles de ellos. 1986 me encontró recorriendo las calles en mi Ford Fairlane (normalmente aspirado) de 20 años, escuchando a todo volumen “Turbo Lover” de Judas Priest en una grabadora de casetes en el tablero.

Honestamente, debería cerrar este artículo aquí mismo, ya que lo que escriba a continuación no se puede comparar con recorrer el estacionamiento de Big Star y encontrarme con Judas Priest.

Los componentes de un sistema de turbocompresor de avión son el turbocompresor, el cuerpo del acelerador, el colector de admisión, el colector de escape, la admisión de aire, la válvula de descarga y el escape. El conjunto del turbocompresor tiene tres componentes principales: la turbina que recibe los gases del escape, el compresor que toma el aire de admisión, lo comprime y lo introduce en el cilindro, y un eje que conecta los dos.

La turbina es la fuerza motriz detrás del sistema de turbocompresión. Los gases de escape del colector hacen que gire; este es el residuo que pasa por alto la válvula de descarga.

Conectando la turbina y el compresor está el eje de la turbina. Este conector de metal sólido garantiza que el compresor gire mientras la turbina se pone en marcha. Los ejes de los turbocompresores requieren una lubricación adecuada y, a menudo, fallan si carecen de aceite.

El compresor suministra aire comprimido al lado de admisión de la culata. Impulsado por la turbina a través del eje, el compresor gira al unísono para completar el trabajo iniciado por el escape. Este aumento de la presión del aire a través de la admisión se conoce como presión del colector. Como ocurre con muchas cosas en la vida, puedes tener demasiadas cosas buenas. Su motor no siempre puede soportar el exceso de presión en el colector y puede causar daños graves.

El sistema de turbocompresor elimina la presión innecesaria o no deseada a través de la válvula de descarga. Este proceso puede ser automático o accionado manualmente por el piloto desde la cabina. En cualquier caso, la misión es disipar los gases de escape antes de que entren en la unidad turbo, haciendo girar el compresor más rápido y dañando el motor.

El parámetro operativo básico para los motores alternativos está al nivel del mar. Aquí es también donde su motor produce la mayor cantidad de energía. A medida que un avión aumenta en altitud, la presión y la densidad disminuyen inversamente, lo que hace que la potencia disminuya.

Los motores turboalimentados funcionan a presiones y temperaturas mucho más altas que sus homólogos de aspiración normal. Muchos aviones alternativos necesitan un turbocompresor para volar a gran altitud. Si no se mantiene adecuadamente, esto puede causar tensión adicional a su sistema de escape.

Algunos también purgan aire de los sistemas turbo para presurizar las cabinas de los aviones.

Recientemente pasé un tiempo con Tim Gauntt, director de soporte de productos de Hartzell Engine Technologies, LLC (HET). Tuvo la amabilidad de transmitirnos algunos conocimientos sobre los sistemas de turbocompresor.

Un tema que cubrimos: cómo y en qué medida los pilotos deben ejecutar la “pobreza máxima” (LOP). ¿Cómo afecta esto al turbocompresor y a los componentes de aviones específicos? El turbocompresor está clasificado para una temperatura específica, generalmente basada en la temperatura de entrada de la turbina (TIT). El turbo está dentro de su rango de funcionamiento estándar si no se excede esa temperatura.

La inclinación máxima es un rango operativo relativamente nuevo, ya que no había forma de determinarlo antes de que estuvieran disponibles los analizadores de motor. En el pasado, se inclinaba por una temperatura de funcionamiento segura del turbo TIT establecida por el OEM. Como recordatorio, todas las operaciones del motor deben cumplir con las recomendaciones del fabricante. Ellos son los expertos. Esta práctica es estándar para Continental, Lycoming y otros fabricantes de equipos originales como Rotax.

Con todo lo que se habla sobre el funcionamiento del LOP y cómo podría afectar el sistema turbo, la pregunta más común es sobre el enfriamiento del turbocompresor, que es un parámetro operativo que se puede controlar y afectará directamente la longevidad del sistema del turbocompresor.

Hay tres cosas a considerar. ¿Está operando un sistema de motor impulsado o un sistema normalizado? ¿Es este un turbo AeroForce serie 400 (Garrett, AiResearch, Honeywell) o un turbo AeroForce serie 600 (RAJAY)? ¿Y qué tipo de piloto pilota el equipo?

Nuevamente, la regla número uno es que se deben seguir las recomendaciones del OEM durante el enfriamiento del turbo. En algunos casos, esa información es difícil de encontrar. El manual de operación piloto (POH) del Cirrus SR22T no aborda el enfriamiento de los componentes turbo del motor. Sin embargo, el manual de funcionamiento del motor Continental para el motor TSIO-550-K instalado tiene un procedimiento específico.

Los motores impulsados ​​generan impulso y calor a cualquier altitud, incluso al nivel del mar. Debido a esto, son los más susceptibles a sufrir daños resultantes de un enfriamiento inadecuado. Un sistema normalizado no comienza a impulsarse hasta que el avión gana altitud. Lógicamente, el turbo queda “fuera de línea” en el descenso después de alcanzar esa misma altitud inferior.

La unidad de turbocompresor de la serie 400 utiliza hierro para fabricar sus carcasas centrales. Debido a que el hierro no disipa el calor rápidamente, los turbos de la serie 400 son más susceptibles a sufrir daños por enfriamiento que un turbo estilo RAJAY que utiliza una carcasa central de aluminio. El aluminio disipa el calor rápidamente. Debido a esto, el manual de revisión del HET establece que no se requiere tiempo de enfriamiento en el motor turboalimentado RAJAY.

La aviación cuenta con una amplia variedad de operadores. Algunos encienden los motores y salen rodando sin planificar el vuelo ni controlar la temperatura del motor. Otros prestan mucha atención al equipamiento, ya que puede resultar caro. Tienen un plan de vuelo razonable, monitorean los indicadores del motor, ajustan las aletas del capó (incluso si se reduce la velocidad) y sacrificarán el flujo de combustible adicional para lograr un enfriamiento adicional.

Como nota al margen, AeroForce, una empresa HET, aceptó recientemente una orden de compra de Textron Aviation que autoriza la fabricación del turbocompresor Cessna número de pieza C295001-0203 para el avión modelo Cessna 210 con motores TSIO-520-CE. Este turbocompresor no estuvo disponible durante años y, como resultado de esta asociación con Textron Aviation, nuevos turbocompresores volverán a estar disponibles en el futuro.

Los aviones turboalimentados son más complejos que los motores atmosféricos, pero eso no significa que haya que temerles. Como ocurre con todo lo relacionado con la aviación, el cuidado que se le pone al componente determina el rendimiento que se obtiene en vuelo. La clave es la atención al detalle. Incluso el más mínimo descuido puede tener consecuencias desastrosas.

Recuerdo que durante mi estancia en el taller de motores, el antiguo propietario resolvió un incidente justo antes de que adquiriéramos el negocio. Su equipo se encargó de un motor Lycoming TIO-540-J2BD de una Piper Navajo. Poco después, el avión se encontraba en altitud y el piloto notó llamas provenientes del capó del motor derecho. El piloto pasó muchas horas en este avión y apagó todo inmediatamente. Durante la investigación, el equipo encontró una pequeña grieta en un codo de 45 grados de aluminio azul. No hay nada como rociar combustible directamente sobre los componentes calientes del motor. Una pieza de 20 dólares casi derriba un avión de un cuarto de millón de dólares.

Es fácil ver cómo la mente puede acelerarse cuando se habla del funcionamiento interno de los aviones. Cada pieza debe funcionar con estándares excepcionalmente altos. Lo que está en juego aumenta cuando se introducen turbocompresores en la mezcla. Es una misión fundamental identificar las señales de advertencia cuando las cosas empiezan a ir mal. ¿Cuáles son algunas cosas que debe tener en cuenta si tiene inquietudes? El funcionamiento errático del sistema se puede atribuir a los depósitos de carbón en la válvula de descarga, también conocidos como acumulación de coque. Si no se trata, esto podría acelerar demasiado el motor debido a que la válvula de descarga se queda cerrada. La acumulación excesiva de coque en el conjunto del turbocompresor a menudo resulta en una indicación de presión baja en el colector durante el despegue y una pérdida de potencia.

Si bien los depósitos de carbón son comunes en los chirridos de los turbocompresores, también pueden estar presentes otros factores contribuyentes.

Como propietario de un taller de motores, subcontrato mi trabajo de accesorios a varios talleres. Como he dicho, es mejor dejar el trabajo de los componentes a los expertos. Obtenga únicamente de estaciones de reparación certificadas según la Parte 145. Una estación de reparación con la que traté es Approved Turbo Components (ATC) en Vero Beach, Florida. Jeff Newbold de ATC tiene excelente información sobre la solución de problemas de sistemas de turbocompresor.

Le pregunté a Newbold qué fallas comunes vio en el taller con turbocompresores y componentes de turbo. Respondió que una de las cuestiones más importantes es la cuestión de las unidades de alto tiempo. A menudo, los operadores ejecutan sus sistemas más allá del tiempo recomendado entre revisiones (TBO), lo que puede generar problemas.

Otro problema es la falta de petróleo y la contaminación. Estos componentes giran a altas revoluciones y necesitan abundante aceite limpio para mantenerlos en forma. También son comunes las fugas de aceite por otras causas. Preste mucha atención a las válvulas de retención, las bombas de barrido y los filtros de aire sucios. Además, tenga en cuenta la alta presión del cárter. Visite aprobadoturbo.com para obtener una guía de solución de problemas de fugas de aceite. Los daños por objetos extraños (FOD) también son una amenaza constante.

¿Hay algo que los pilotos puedan hacer en vuelo para ayudar a preservar su sistema turbo? Un enfriamiento del motor de cinco minutos hace maravillas para evitar que se acumulen depósitos de carbón en la carcasa del cojinete. Tenga cuidado al inclinar la mezcla de combustible. Una inclinación extrema puede aumentar la temperatura del turbocompresor, disminuyendo la vida útil de los componentes. Además, evite movimientos rápidos del acelerador para evitar un choque térmico en el turbo. Hacerlo evitará grietas prematuras en la carcasa.

Siga las pautas del OEM como base para su plan de mantenimiento. Un recurso excelente es el Boletín de servicio SB 23 de Kelly Aerospace. Después de reemplazar un turbocompresor, consulte el SB 23 para conocer la prueba operativa. Solucionar los problemas del sistema turbo antes de reemplazarlos podría ahorrar tiempo y dinero.

Una conclusión en la que puede centrarse al realizar el mantenimiento de los sistemas turbo: la primera línea de defensa es una inspección visual. Al revisar las palas de la turbina y del compresor, busque daños, desgaste anormal o decoloración. A medida que revisa todo el sistema, verifique todos los pernos y placas de bloqueo. Preste especial atención al resalte del alojamiento del cojinete en la carcasa de la turbina.

Puede comprobar el juego radial y axial levantando y presionando hacia abajo por igual desde ambos extremos. Sólo comprobar desde un lado da un resultado mucho mayor. Es imperativo que engrase previamente las piezas de repuesto.

Gary Main, presidente de Main Turbo Systems, Inc., en Visalia, California, publica resúmenes técnicos para informar a la comunidad aérea sobre cuestiones específicas pertinentes a los sistemas de turbocompresor de las aeronaves. Uno de esos artículos, “Consejo de mantenimiento n.° 15”, trata sobre las fugas de aceite, uno de los problemas más comunes que enfrentan los sistemas de turbocompresor. Existe la idea errónea de que las carcasas de los turbocojinetes están diseñadas para llenarse de aceite para lubricación. Esto es incorrecto. A medida que el aceite ingresa a la carcasa del cojinete, ingresa automáticamente a una galería de aceite y se dirige hacia la carcasa del cojinete. Luego, el aceite pasa directamente a los cojinetes principales. El artículo detalla específicamente consejos y conocimientos que no se encuentran en muchos manuales.

El “Consejo de mantenimiento n.° 15” se relaciona con los preengrasadores y turbocompresores del motor. En el escenario que se detalla más adelante, un exceso de preaceite entró en el turbocompresor, lo que provocó que simulara una fuga. Una vez que el motor arrancó, la bomba de barrido impulsada por el motor se activó y eliminó el aceite.

Main Turbo también tiene un boletín específico sobre la distancia entre la carcasa del cojinete y la carcasa de la turbina: "Consejo de mantenimiento n.º 11". Una queja: se escapa aire. Esta situación da una indicación falsa de una junta o sello reventado. En realidad, no hay ninguna junta en esta zona. El sello se realiza cuando la carcasa del cojinete y el protector térmico están asentados en la carcasa de la turbina y se aprietan adecuadamente.

No todos los aviones turboalimentados que encuentras en el campo fueron entregados de fábrica de esa manera. Las empresas del mercado de repuestos producen soluciones turbo para plataformas heredadas y el mercado de repuestos. La aeronave se puede modificar para aceptar un turbocompresor no original a través de la ruta del certificado de tipo suplementario (STC).

Una de esas empresas que ofrece STC es RAJAY Turbo Products, que pone a disposición de aviones Beechcraft, Cessna y Piper, por nombrar algunos. Puede encontrar una lista completa de sus STC en rajay.aero. Según su sitio web, un A&P puede instalar un kit RAYJAY en aproximadamente 70 horas por motor.

Tim Roehl, presidente de Tornado Alley Turbo, Inc., agregó algunos puntos sobre la turbonormalización, que convierte los motores de avión de normalmente aspirados a turboalimentados.

La actualización proporciona las mismas 29 o 30 pulgadas de presión en el colector que está disponible al nivel del mar. La turbonormalización aprovecha la mayor relación de compresión, la mejor eficiencia termodinámica y la mayor eficiencia del intercooler. El resultado es una temperatura de la culata del cilindro, una temperatura de los gases de escape y un TIT más fríos. Los beneficios adicionales incluyen una mejor economía de combustible y potencia adicional, ya que los caballos de fuerza no se pierden con la pérdida de calor, lo que permite que la aeronave opere de manera más eficiente.

El mantenimiento de su sistema de turbocompresor es primordial en el cuidado y conservación de su aeronave. De lo contrario, se produciría un desastre para el motor del avión y se podría producir un incidente en altitud. Siga las pautas del OEM.

Consulte con su proveedor de mantenimiento. Utilice únicamente recursos certificados, consulte publicaciones técnicas y resista medidas de ahorro de costos que tomen atajos.

Este artículo se publicó originalmente en el número 936 de abril de 2023 de FLYING.