Por fin!!!!
Como lo prometido es deuda, aquí os dejo el primero de los capítulos de lo que será un tutorial de introducción a las turbinas de aeromodelismo, centrándonos en las dedicadas a helis y maquetas. ¡¡¡EMPECEMOS!!!
CAPÍTULO 1.- UN POCO DE HISTORIA
En este primer capítulo voy a abordar algo de historia sobre cómo fueron los inicios en la investigación, desarrollo y logro de un modelo de motor turbojet (de propulsión a chorro, en cristiano) en miniatura capaz de propulsar un aeromodelo radio controlado. No entraré en demasiados detalles técnicos en este capítulo, pues estos los veremos en capítulos posteriores. Aquí daré una serie de ideas y datos que nos permitan conocer cómo empezó este apasionante mundillo de las turbinas de gas para aeromodelismo o micro turbinas.
Para la mayoría de aeromodelistas, el principal objetivo es conseguir reproducir aviones a escala reducida tan parecidos a los de escala real como sea posible y con todo lujo de detalles. A esto habrá que añadir la importante cuestión del parecido y similitud de la planta propulsora, además del consabido ruido generado por la misma.
Según ha ido avanzando la técnica, se han añadido a nuestro hobby infinidad de aplicaciones y adelantos de todo tipo, forma y naturaleza, siempre con la intención de mejorar diseño, funcionamiento, uso, etc.
Esta disciplina del aeromodelismo (para aquellos que no lo sepáis, puede ser considerado como deporte-ciencia) se inició con la reproducción de la forma y la escala más fiel posible de los aparatos que ya existían en el mundo real. Dado que era más fácil encontrar los materiales y herramientas adecuados para un aficionado en el mundo de la madera y materiales metálicos sencillos (acero y latón o aluminio), éstos fueron los materiales que sirvieron de base a aquellos diseños. Más tarde, con los avances técnicos para las máquinas, la aparición de nuevos materiales como composites y aleaciones metálicas de mayor resistencia, permitieron a los aficionados fabricar sus aeromodelos de forma que les permitiera acercarse mucho más a los detalles, formas y soluciones constructivas de los aviones de escala real. No olvidemos que estos modelos a escala se rigen por idénticos principios físicos y aerodinámicos que los reales.
Más tarde, cuando la técnica y materiales avanzaron y permitieron otras aplicaciones en este campo, apareció el primer helicóptero de radio control del mundo, intentando emular a su "hermano mayor" de tamaño real. El diseñador, fabricante y piloto de este invento fue un ingeniero alemán llamado Dieter Schlüter, considerado el padre de los helis de radio control.
Hasta hace relativamente poco tiempo, la única manera de propulsión lo suficientemente potente para un aeromodelo, era el motor de pistón de 2 tiempos, el cual propulsaba los modelos a escala de todo tipo y talla. Ello llevaba implícito el uso de una o varias hélices, encargadas de proporcionar la necesaria tracción para el vuelo del avión. En la reproducción a escala de aviones de propulsión a chorro (turbojets o sencillamente jets) esto desvirtuaba completamente la apariencia del modelo.
Una posible solución para mejorar la apariencia del avión, en el caso de turbojets, fue incorporar al mismo una unidad Ducted Fan (ventilador conducido o de conducto), que consistía, básicamente, en un motor de pistón conectado a una pequeña hélice de álabes múltiples, dentro de un aro que hacía las veces de conducto. todo ello iba colocado en el interior del modelo, lo que le confería un aspecto de jet como el real. Sin embargo presentaba una serie de inconvenientes, como el elevado número de revoluciones del motor para producir un empuje apreciable y suficiente para hacer volar el avión y, por supuesto, el ruido nada parecido a los de tamaño real. En la actualidad este tipo de motorización se utiliza en pequeños modelos de poco peso. El fan es movido por motores eléctricos, alimentados por baterías de capacidad elevada y bajo peso. En las siguientes imágenes vemos ambos modelos.
Volviendo sobre el motor de reacción, la historia se remonta a hace más de 2.000 años, alrededor del año 100 a.c., cuando un científico egipcio, llamado Hero, diseñó y construyó la eolipila, el primer motor a reacción del mundo.
Los orígenes más actuales sobre las turbinas de gas modernas a escala real nos llevan al año 1921, con la patente de un motor a turbo-reacción del francés Maxine Guillaume y, posteriormente, en 1930 el inglés Sir Frnk Whittle logró obtener la patente de su turbo-reactor. Casi paralelamente, los alemanes Hans von Ohain y Max Hahn, patentaron su propio diseño en 1936. Ambos diseños se basaban en el mismo principio de operación (que veremos en capítulos posteriores) el cual sigue siendo el mismo hasta la la fecha. El trabajo de los alemanes se vió realizado en 1939, cuando lograron el vuelo del primer avión propulsado por turbina de gas, el Heinkel HE178, y fue en 1941 cuando Whittle y su equipo pudieron poner en el aire su turbina.
El deseo de construir una turbina de gas en miniatura como propulsión para aeromodelos siguió relativamente rápido al desarrollo de los motores a escala real. Esta característica, creo, es innata en el ser humano. La capacidad de invención y aplicación de técnicas y materiales ha sido en toda la historia de la humanidad una meta a conseguir, a pesar de las dificultades, los fracasos,..... De ahí que existan aparatos más pesados que el aire capaces de volar y aeronaves de ala giratoria capaces de mantener la posición estacionaria en un punto en el aire, como ejemplos.
A mediados de la década de los 60 (1963, aprox.) apareció la turbina Baby Mamba o más técnicamente, la TJD-76C, diseñada y construida por el estadounidense Max Dreher, como motor de propulsión para planeadores y drones ligeros. Esta turbina es mucho más pequeña que una real, pero por su peso y características se saldría de lo que consideramos hoy en día microturbinas paraaeromodelismo. Sin embargo, en esta época ya se demostraba la capacidad técnica y humana por miniaturizar este tipo de motores. Aquí podéis ver esta turbina.
La realidad, a pesar de los intentos con más o menos éxito, es que no fue hasta 1975 que Jerry Jackman construyó un prototipo de motor que podía funcionar en modo autosostenido (a ralentí, en otras palabras), pero incapaz de acelerar. Le llevaría otros 8 años y la suma de otros 4 miembros a su equipo para alcanzar el éxito. Cada miembro de este equipo contribuyó al proyecto en su especialidad, todos ellos ingenieros. Chris White, ingeniero mecánico, refinó el diseño de los álabes del compresor y la turbina. David Stitch mejoró el diseño general del rotor. Ray Carter trabajó en el diseño mecánico general del motor y Barry Belcher diseñó y construyó el "Barjay", que fue el banco de pruebas para la turbina.
En este punto, recuerdo con cariño y nostalgia el artículo en la revista RC Model, traducido del original inglés de la revista Radio Modeller del año 1983. Donde se describía de forma escueta la fabricación, puesta en marcha y primer vuelo de este aeromodelo propulsado por turbina de gas.
La plataforma de pruebas "Barjay":
El motor de Jackman tenía un diámetro de 120 mm, una longitud de 340 mm, con un peso de 1.6 Kg y un empuje máximo de unos increíbles 3.9 Kg, que para este motor ya era todo un logro. Aunque nos adelantemos al capítulo de descriptiva creo conveniente mostrar un esquema del diseño de este prototipo de turbina en sección, donde se aprecian las partes principales y cuyo principio de funcionamiento siguen hoy día las actuales micro turbinas para aeromodelismo.
Todo lo anterior da una muestra de la complejidad en el desarrollo de este tipo de motor, en cuanto a necesidad de equipo humano y técnico, apoyado en principios fisicos, como la termodinámica, la mecánica, la aerodinámica, resistencia de materiales, etc. Casi en paralelo (como siempre ocurre, en dos partes del mundo se lleva a cabo el mismo desarrollo de un invento) un estadounidense llamado Bryan Seegers lideró un equipo de trabajo, similar al de Jackman, que desarrolló su propio diseño de micro turbina capaz de funcionar. Puso su motor en el aire en un avión radio controlado en el año 1988.
En la actualidad puede verse este avión, con la turbina instalada, en el Champlin Figther Museum, Mesa, Arizona.
Ya en el año 1989, se consiguió un gran avance en el mundo de las micro turbinas, cuando un ingeniero alemán aficionado al aeromodelismo, Kurt Schreckling, diseñó, construyó y logró hacer funcionar la primera turbina de gas, alimentada por combustible líquido, pequeña, ligera y diseñada específicamente para aeromodelismo. Además la fabricó utilizando sólo medios de aficionado en su propio taller. Su primer diseño, la FD2 consistía en un compresor radial tipo ventilador industrial, de madera de contrachapado, reforzada con fibra de carbono. Como carcasa utilizaba una botella de gas propano, de las de camping. En 1990 la mejoró con su diseño FD3/64 con 3 Kg de empuje, notable para su bajo peso de sólo 750 gr.
En el siguiente esquema puede observarse una sección de la misma turbina, con la numeración de todas las piezas que la componen.
En 1994 Kurt publicó un libro de título "Gas Turbine Engines for Model Aircraft", explicando el diseño de su turbina FD3/64, su funcionamiento, las ecuaciones con los cálculos y los planos, para que otros aficionados pudieran construir sus propias turbinas de forma amateur. Esto fue, pienso, el inicio de la era de las micro turbinas, si bien el montaje no era complicado se necesitaba ser bastante diestro en el manejo de máquinas herramienta de precisión, como tornos y fresadoras.
Es en el año 1990 cuando aparece la primera turbina comercial, fabricada en serie, diseñada para aeromodelismo. Una compañía francesa, JPX, manufacturaba y distribuía su modelo Turborec T240, basado en los desarrollos del francés Michael Serrier, que había trabajado en producir un modelo de turbina desde mediados de los 80. Esta turbina sólo utilizaba gas propano como combustible principal y los rodamiento eran lubricados desde circuito externo y aparte de la turbina. Desafortunadamente, la T240 y sus hermanas mayores tenían varios inconvenientes, entre los que se pueden destacar:
- Combustible gas propano, difícil de manejar y transportar.
- Rueda de turbina de flujo radial (similar a la de los compresores de automóvil), que las hacía lentas de aceleración.
- Necesidad de aire comprimido de alta presión para su arranque.
Turbina JPX T260
La importancia de este tipo de turbinas, dados los inconvenientes que presentaban y la aparición de nuevos diseños más fiables y sencillos de manejar, fue disminuyendo hasta su total retirada de producción.
En 1993, otro ingeniero alemán, Thomas Kamps, que había trabajado con Kurt Schreckling y otros, creó su propia turbina, la Micro Turbine, basada en un compresor radial de motor de automóvil. En 1995 Kamps también publicó un libro de su diseño, con cálculos, diagramas e instrucciones de construcción y montaje de esta micro turbina.
De nuevo, casi en paralelo, en 1994 Jesús Artés, ingeniero español, con Kurt y la ayuda de Thomas Kamps, además de un grupo de colaboradores, desarrollaron en esta época la ya archiconocida KJ-66.
Este motor comenzó proporcionando un empuje de 4.5 Kg, para posteriormente subir a 7.5 Kg, más tarde a 10 Kg y actualmente 14 Kg con la misma mecánica básica, JG100 Eagle. Esta turbina representa un gran esfuerzo por parte de Jesús Artés y Gaspar Espiell por crear su propia turbina, mejorando el diseño original de la KJ-66.
Ha habido posteriores desarrollos del modelo original en los que, modificando componentes básicos e introduciendo otros nuevos, se mejora el empuje y el consumo específico de estas maravillas de la ingeniería.
Como prueba de que el diseño original dió excelentes resultados, RAM adoptó y fabricó las KJ en USA, junto a Simjet en Dinamarca y JetCat en Alemania (aunque actualmente utilizan sus propios componentes).
Modelo P80 de la firma JetCat
En Austria, Suiza, etc., otros fabricantes utilizan el mismo diseño e incluso incluyen componentes originales. La única turbina de calidad probada que conserva su propio diseño es AMT (Advanced Micro Turbines), que fabrica en Holanda y EEUU.
Por otro lado, los ingleses Mike Murphy y John G. Wright, con su compañía Wren Turbines también introdujeron en el mercado su modelo MW54, con 5.4 Kg de empuje.
Todas estas empresas (y otras que no se nombra, pues esto sería eterno) poseen modelos muy similares en empuje, consumos, temperaturas de trabajo, etc., ya que su base teórica proviene de la KJ-66.
Como podrá deducirse de la anterior exposición, no es sino hasta la década de los 90 que este tipo de motorización no alcanzó un grado de sdiseño y fabricación, además de fiabilidad y facilidad en su manejo, lo suficientemente aceptables para adaptarlas al uso en los aeromodelos de radio control.
Por supuesto, los avances continuos en materiales y tecnología empujan a los fabricantes actuales a seguir avanzando en la investigación y desarrollo de nuevos tipos de motorizaciones de todo aquello que se desplace por tierra, navegue por el agua o vuele por el aire. La base serán las micro turbinas, a las que se les "añade" algo más para facilitar la tarea de motorizar tales artefactos. Como ejemplo podemos reseñar la investigación y desarrollo de los turbo-fan, motores a reacción que utilizan la inmensa mayoría de los aviones comerciales y militares en la actualidad. Aquí os dejo una fotografía de este ejemplo.
En este caso, dispone de toberas orientables para dirigir el chorro de gases en la dirección deseada, como los Harrier. Decir que este modelo es un prototipo para su montaje en esta maqueta de avión, precisamente.
Todos los avances son como consecuencia del deseo que os comentaba el principio del capítulo por imitar los modelos a escala real, existentes o imaginarios, sean del tipo que sean.
Por supuesto la aplicación de las micro turbinas al mundillo de los helis RC no se podía quedar atrás. La base será la misma, una micro turbina, a la que se le extrae la potencia de un eje para transmitir ésta a los rotores principal y de cola, como veremos en capítulos posteriores.
Existen varios fabricantes de turbinas con modelos específicos para helicópteros de radio control, con distintas potencias y características, entre los que podemos destacar: JetCat, Jakadofsky y Wren Turbines, aunque seguro se queda alguna en el tintero. Este tipo específico de turbinas se denominan turboejes, por la característica mencionada anteriormente de extraer la potencia de un eje solidario a la turbina. Sin entrar en más detalles de tipo técnico, veremos algunos ejemplos de este tipo de turbinas.
Turboeje PHT2 de JetCat
Turboeje Wren 44
Turboeje Jakadofsky Pro Edition
Y hasta aquí llegamos en este primer capítulo de introducción a las turbinas para Radio Control.
Espero que os guste. Acepto sugerencias y comentarios (constructivos, por favor). Os iré poniendo los capítulos siguientes en cuanto los vaya editando.
Un saludo a todos desde tierras alcarreñas.
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