Módulo 14: Propulsión (B2) — Material de Estudio

1. Descripción General del Módulo 14

Este módulo cubre los principios fundamentales, la construcción, el funcionamiento y el mantenimiento de los sistemas de propulsión de aeronaves, con un enfoque específico en los sistemas y componentes relevantes para el técnico de aviónica B2. El plan de estudios está dividido en áreas clave que se complementan entre sí:

14.1 Fundamentos: Construcción del motor, teoría básica de la turbina de gas, parámetros de rendimiento del motor y la disposición de las secciones principales.

14.2 Sistemas de Control del Motor: Desde unidades hidromecánicas hasta el Control de Motor Digital de Autoridad Total (FADEC), incluyendo sensores, actuadores y leyes de control.

14.3 Instrumentación del Motor y Sistemas de Indicación: La medición, transmisión y visualización de parámetros críticos del motor como N1, N2, EGT, flujo de combustible y presión de aceite.

14.4 Sistemas del Motor y Protección: Sistemas de aire, lubricación, combustible, encendido y protección contra incendios.

14.5/14.6 Sistemas del Motor y Operación: Inversores de empuje, sistemas de sangrado de aire y la Unidad de Potencia Auxiliar (APU).

14.7 Hélices: Fundamentos de la operación de hélices, incluyendo sistemas de control como unidades de velocidad constante y sincrofase.

El papel del técnico B2 está fuertemente enfocado en los aspectos eléctricos, electrónicos y digitales de estos sistemas. Este material sintetiza el conocimiento básico requerido para el examen B2 de la Parte-66, centrándose en las interfaces de los sistemas, el procesamiento de señales, el diagnóstico de fallos y la interacción entre los componentes mecánicos y sus controles electrónicos.

2. Conceptos Clave Explicados en Detalle

2.1 Fundamentos del Motor de Turbina de Gas

El motor de turbina de gas opera según el ciclo de Brayton. El aire es aspirado, comprimido, calentado por la combustión y expandido a través de una turbina para producir empuje. Las secciones principales, en orden, son:

16.Entrada de Aire (Toma): Dirige el aire hacia el compresor con una pérdida de presión y distorsión mínimas.

17.Compresor: Aumenta la presión del aire. Puede ser de un solo eje o estar dividido en múltiples ejes (por ejemplo, BP y AP) para una mayor eficiencia. Los Álabes Guía de Entrada Variables (VIGV) y los Álabes de Estator Variables (VSV) se utilizan para prevenir la entrada en pérdida y el sobrealimentación a bajas RPM, ajustando los ángulos del flujo de aire a los álabes del rotor.

18.Cámara de Combustión: El combustible se inyecta y se quema, añadiendo energía térmica al aire.

19.Turbina: Extrae energía del gas caliente para accionar el compresor y el ventilador. La turbina es también donde se mide la Temperatura de Gases de Escape (EGT).

20.Escape: El gas restante es expulsado para producir empuje.

Motores Turbofán: En un turbofán, un gran ventilador (parte del eje de BP) acelera una gran masa de aire a través del conducto de derivación. Este aire de derivación produce la mayor parte del empuje. El flujo del núcleo pasa a través del compresor, la cámara de combustión y la turbina. La velocidad N1 es la velocidad de rotación del eje de BP (ventilador), y N2 es la velocidad del eje de AP. N1 es una indicación primaria del empuje.

2.2 Instrumentación del Motor y Sistemas de Indicación

El técnico B2 debe comprender cómo se miden los parámetros del motor y se convierten en datos utilizables.- Detección de velocidad (N1, N2): Normalmente se mide mediante captadores magnéticos. Una rueda dentada (rueda fónica) que gira cerca de una bobina genera una señal de CA con una frecuencia proporcional a la velocidad del motor. La unidad de acondicionamiento de señal convierte esta frecuencia en un valor digital para su visualización y para su uso por el EEC. Si la bobina del captador se cortocircuita, la tensión de salida cae a cero, lo que resulta en una indicación de velocidad baja o nula. Si el sensor falla y no produce señal, la frecuencia es cero y la pantalla mostrará cero.

Temperatura de gases de escape (EGT): Se mide mediante termopares. Un termopar genera una pequeña tensión proporcional a la temperatura (efecto Seebeck). A menudo se conectan múltiples sondas en paralelo para proporcionar una lectura media. Una lectura alta de EGT es una advertencia crítica de sobreesfuerzo térmico, causada a menudo por una condición real del motor (por ejemplo, un evento de sobretemperatura) o por un indicador defectuoso. Un circuito abierto en un termopar normalmente causa una lectura baja, mientras que un cortocircuito puede causar lecturas erráticas.

Presión de aceite: Se mide mediante un transmisor de presión. Un tipo común es el transmisor de resistencia variable. La resistencia cambia con la presión, afectando la corriente en el circuito indicador. Un cortocircuito a tierra en este tipo de transmisor haría que la resistencia cayera a cero, resultando en una lectura de cero en el indicador. Un circuito abierto normalmente causaría una lectura a fondo de escala o alta, dependiendo del diseño del circuito.

Acondicionamiento de señal: Los sistemas modernos utilizan transmisores con salidas estandarizadas, como 4-20 mA. Este es un sistema lineal donde 4 mA representa presión cero y 20 mA representa fondo de escala. Por ejemplo, una lectura de 12 mA está 8 mA por encima del punto cero, que es el 50% del rango de 16 mA, indicando el 50% de la presión a fondo de escala.

Unidad de monitoreo de vibración del motor (EVMU): Esta unidad procesa señales analógicas de acelerómetros montados en el motor. Su función principal es filtrar, procesar y convertir estas señales en datos digitales para el sistema de indicación del motor y el monitoreo de salud. No amortigua físicamente las vibraciones. Un soporte de montaje del sensor agrietado puede causar lecturas inexactas y debe ser corregido.

2.3 Control de motor digital de autoridad total (FADEC)

El FADEC es el cerebro electrónico del motor moderno. Su componente central es el Controlador Electrónico del Motor (EEC).

Función: El EEC gestiona automáticamente el motor, incluida la dosificación de combustible y la geometría variable, para lograr el empuje y la eficiencia deseados. Recibe entradas de varios sensores y comanda actuadores.

Entradas clave:

Ángulo de palanca de empuje (TLA): La demanda del piloto.

T2 (Temperatura total de admisión): Se utiliza para calcular los ajustes de empuje y corregir las variaciones de densidad del aire.

P2 (Presión de admisión): Se utiliza para los cálculos de la relación de presión del motor (EPR).

N1, N2: Velocidades del rotor.

Temperatura de turbina (TGT/ITT): Para limitación y monitoreo.- Salidas y actuadores clave:

Válvula de dosificación de combustible (FMV): El EEC ordena a la FMV mediante una señal eléctrica. La posición de la válvula se detecta mediante un LVDT (transformador diferencial de variable lineal) y se retroalimenta al EEC, formando un bucle de control de lazo cerrado. Si el motor de par que controla la FMV falla, la válvula generalmente se carga por resorte a una posición segura (por ejemplo, flujo mínimo de combustible) para permitir una operación segura del motor.

Actuador de álabes de estator variables (VSV): La posición se retroalimenta al EEC mediante un LVDT. Si el LVDT falla, el FADEC utiliza un programa predeterminado o la última posición válida para mantener una operación segura.

Leyes y modos de control:

Modo normal: El EEC utiliza todos los sensores disponibles para un control de autoridad total (por ejemplo, modo EPR).

Modo alterno: Si un sensor falla (por ejemplo, EPR), el EEC degrada a una ley de control más simple, utilizando típicamente N1 como parámetro controlado principal. El motor permanece automático pero con rendimiento reducido y limitaciones operativas.

Modo de respaldo: En algunos sistemas, si se pierde el control electrónico, la unidad hidromecánica (HMU) puede revertir a un modo de respaldo mecánico que proporciona un programa de combustible predeterminado para una operación segura.

Arquitectura de doble canal: Los sistemas FADEC son típicamente de doble canal (A y B). Un canal está activo y el otro en espera. Si se detecta una falla de sensor en el canal activo, el sistema cambia automáticamente el control al otro canal para mantener la funcionalidad completa. La falla se almacena en la memoria no volátil (NVM) para la acción de mantenimiento. Si un canal falla una autoprueba, el primer paso es restablecer el EEC y volver a ejecutar la prueba para determinar si la falla es intermitente. Si el fallo es específico del suministro del sensor de un canal, es probable que haya un problema de cableado o conector entre el sensor y ese canal.

Filosofía a prueba de fallos: Los sistemas FADEC están diseñados para ser a prueba de fallos. Si un resolver de TLA falla fuera de rango, el EEC utiliza típicamente la última señal válida o un valor predeterminado definido para mantener un nivel de empuje seguro.

2.4 Sistemas del motor

Sistemas de combustible: La bomba de combustible proporciona combustible presurizado a la unidad de control de combustible (FCU), que dosifica el combustible hacia la cámara de combustión. Los calentadores de combustible evitan la formación de hielo que puede obstruir los filtros. Se utiliza un caudalímetro de turbina para medir el flujo de combustible; las burbujas de aire en el combustible pueden causar lecturas fluctuantes. Las fugas de combustible se detectan utilizando tinte UV y una lámpara UV.

Sistemas de encendido: Las bujías de encendido producen una chispa de alta energía para encender la mezcla de combustible y aire durante el arranque y el reencendido en vuelo. El sistema utiliza excitadores para generar el alto voltaje. Los cables de las bujías de encendido tienen una resistencia baja específica; una resistencia infinita indica un circuito abierto, que requiere reemplazo. La selección de 'encendido cruzado' o 'encendido alterno' permite conectar cualquiera de los excitadores a cualquiera de las bujías de encendido, proporcionando flexibilidad y redundancia. El par de apriete correcto para las bujías de encendido se especifica en el manual de mantenimiento del motor (EMM).

Sistemas de lubricación: El sistema de aceite lubrica y enfría los cojinetes y engranajes del motor. Los enfriadores de aceite mantienen la temperatura del aceite dentro de los límites, utilizando combustible o aire como medio de enfriamiento.- Sistemas de Sangrado de Aire: El aire de sangrado se extrae del compresor y se utiliza para diversos sistemas de la aeronave, incluidos el aire acondicionado y el antihielo. La Válvula de Sangrado de Alta Presión (HPV) se abre para suministrar aire de sangrado desde una etapa posterior de mayor presión cuando la fuente de sangrado normal (baja presión) es insuficiente (por ejemplo, a baja potencia o alta demanda).

Inversores de Empuje: Redirigen el flujo de escape (o del ventilador) hacia adelante para proporcionar empuje inverso, ayudando a la desaceleración en el aterrizaje. Son accionados por actuadores hidráulicos controlados por electroválvulas. El sistema utiliza sensores de proximidad para indicar la posición bloqueada/desbloqueada. Si la luz 'REVERSER UNLOCKED' permanece iluminada después del despliegue, generalmente indica un problema de retroalimentación del sensor, como un sensor de proximidad mal ajustado o una falla en el cableado. Si el inversor se despliega pero no se guarda, un sensor de retroalimentación defectuoso puede estar impidiendo que el sistema complete el ciclo de guardado.

Protección contra Incendios: Los sistemas de detección de incendios utilizan sensores (por ejemplo, térmicos, de velocidad de aumento, de bucle continuo) para detectar fuego/sobrecalentamiento y proporcionar advertencias. Un detector neumático de bucle continuo contiene un tubo lleno de gas; cuando se calienta, el gas se expande, cerrando un interruptor eléctrico. Los detectores de termopar generan un voltaje cuando se calientan. Los sistemas de extinción de incendios utilizan botellas de extintor con detonadores; si el circuito del detonador está abierto, la botella no se descargará y el indicador de descarga no se iluminará. Las funciones de autocomprobación simulan una condición de incendio sin aplicar calor real.

Unidad de Potencia Auxiliar (APU): Una pequeña turbina de gas que proporciona potencia eléctrica y neumática en tierra y en vuelo. Una condición de sobre-temperatura durante la aceleración es comúnmente causada por una mezcla de combustible/aire excesivamente rica, que podría deberse a una unidad de control de combustible defectuosa.

2.5 Hélices

Unidad de Velocidad Constante (CSU): Ajusta automáticamente el ángulo de las palas de la hélice para mantener las RPM constantes a pesar de los cambios en la potencia del motor y la velocidad del aire.

Puesta en Bandera: Coloca las palas de la hélice de canto al flujo de aire, reduciendo la resistencia en caso de fallo del motor.

Sincrofasado: Ajusta la fase relativa de las hélices para minimizar el ruido y la vibración en la cabina.

3. Fórmulas, Regulaciones y Procedimientos Importantes

3.1 Fórmulas Clave

Salida del Transmisor de 4-20 mA: % de Escala Completa = (Corriente Medida - 4 mA) / (20 mA - 4 mA) × 100

Frecuencia a Velocidad: Para captadores magnéticos, la velocidad es directamente proporcional a la frecuencia de la señal de CA generada: Velocidad (RPM) = (Frecuencia (Hz) × 60) / Número de Dientes de la Rueda Fónica

3.2 Regulaciones y Referencias

Reglamento (UE) N.º 1321/2014, Anexo III (Part-66): Define los requisitos para el personal certificador. El Módulo 14 es la base para el plan de estudios de propulsión B2.

Part-145.A.40: Establece que el mantenimiento debe realizarse de acuerdo con datos aprobados, incluidos el Manual de Mantenimiento de Aeronaves (AMM) y el Manual de Mantenimiento de Motores (EMM).

Instrucciones de Aeronavegabilidad Continuada: Son las instrucciones del fabricante para la aeronavegabilidad continuada, incluidos los procedimientos de mantenimiento, reparación y overhaul. Son la fuente principal para los límites de daño admisibles y los procedimientos de resolución de problemas.

3.3 Procedimientos Clave- Inspección con boroscopio: Inspección visual de los componentes internos del motor (p. ej., compresor, turbina, cámara de combustión) mediante un boroscopio especializado. Los hallazgos deben compararse con los límites de daño admisibles del EMM. Los daños no cubiertos explícitamente requieren evaluación de ingeniería o consulta con el fabricante.

Prueba en tierra del motor: Prueba funcional del motor después del mantenimiento. El personal certificador debe poseer una habilitación de tipo adecuada para el motor para realizar tareas de certificación, incluidas las pruebas en tierra del motor.

Instalación del EEC: Después de instalar un EEC nuevo, debe configurarse con el software correcto y los datos específicos del motor (p. ej., potencia nominal, ajuste) según el AMM antes del arranque del motor.

Ajuste del motor: Proceso de ajuste de la unidad de control de combustible para lograr las RPM máximas y de ralentí correctas. El procedimiento generalmente sigue una secuencia: RPM máximas, luego RPM de ralentí y, a continuación, verificación de aceleración.

Aislamiento de fallas: Proceso de identificación de la causa raíz de una falla. Para sistemas FADEC, esto implica seguir el procedimiento de solución de problemas aprobado en el AMM, que puede incluir la verificación del cableado, la resistencia de los sensores o la salida de señal. Las fallas intermitentes deben investigarse mediante procedimientos aprobados; reemplazar componentes sin confirmar la falla es contrario a la filosofía de la Parte-66 y la Parte-145.

4. Relaciones Comunes entre Conceptos

N1 y Empuje: En un turbofán, N1 (velocidad del ventilador) es la indicación principal de empuje. El EEC utiliza N1 como parámetro de control en modo alterno.

EGT y Salud de la Turbina: La EGT es un indicador directo del estrés térmico de la turbina. La EGT alta o las excedencias de EGT se registran mediante el sistema de monitoreo del motor y son un indicador principal de condiciones de sobre temperatura.

FADEC y Actuadores: El EEC forma sistemas de control de lazo cerrado con sus actuadores. Los actuadores FMV y VSV tienen sensores de retroalimentación de posición (LVDT) que son esenciales para un control preciso. Una falla en el lazo de retroalimentación hará que el EEC vuelva a un programa predeterminado.

Falla de Sensor y Respuesta del FADEC: La respuesta del FADEC a una falla de sensor está diseñada para ser a prueba de fallas. Puede cambiar de canal, usar un valor predeterminado o degradar a una ley de control más simple, pero no apagará el motor a menos que la falla sea crítica.

Inversor de Empuje y Sensores: El sistema de inversor de empuje depende de sensores de proximidad para confirmar las posiciones bloqueada y desbloqueada. Una discrepancia entre la posición física y la indicación del sensor apunta a una falla en el sensor, el cableado o la entrada del EEC.

Aire de Sangrado y Potencia del Motor: La HPV se abre para complementar el aire de sangrado de la etapa de baja presión cuando el motor está a baja potencia o cuando la demanda es alta, asegurando una presión adecuada para los sistemas de la aeronave.

5. Puntos Típicos de Enfoque del Examen- Fundamentos del sistema: El orden correcto de las secciones del motor, la función principal del ventilador, el propósito del inversor de empuje y la función de una CSU.

Instrumentación: Comprensión de lo que indican N1, N2 y EGT. El efecto de los circuitos abiertos y cortocircuitos en los sistemas de termopar y captación magnética. La relación lineal de los transmisores de 4-20 mA.

Arquitectura FADEC: El papel del EEC, la función del FMV y su sensor de retroalimentación, el propósito de T2 y la respuesta a fallos de sensores (por ejemplo, TLA, LVDT). El concepto de control de doble canal y la respuesta ante un fallo de canal.

Lógica de resolución de problemas: El primer paso correcto en un procedimiento de resolución de problemas (por ejemplo, verificar el cableado, comprobar la presión hidráulica, seguir el AMM). La importancia de comparar los hallazgos con los límites de daño permitidos del EMM.

Procedimientos de seguridad: Las comprobaciones de seguridad críticas antes de accionar un inversor de empuje (por ejemplo, asegurarse de que los bloqueos mecánicos estén acoplados) y la importancia de la conexión equipotencial y la puesta a tierra durante el mantenimiento del sistema de combustible.

Prácticas de mantenimiento: La acción correcta para un cable de bujía de encendido abierto, el par de apriete correcto para las bujías de encendido y la necesidad de configurar un nuevo EEC con el software correcto.

Sistemas específicos: El funcionamiento de un detector de incendios neumático de bucle continuo, el propósito de un calentador de combustible y la función del HPV.

Módulo 14: Propulsión (B2)