Los álabes del estator: La clave de la potencia de una turbina y qué ocurre cuando fallan

¿Se ha preguntado alguna vez qué hace funcionar un enorme motor a reacción? No se trata de una sola pieza. Es un equipo de piezas que trabajan juntas. Dos de las piezas más importantes son el estator y el rotor. Este artículo es una guía sencilla para ayudarle a entender el álabe del estator. Veremos qué es. Veremos por qué es tan importante para cualquier turbina o motor a reacción. También aprenderemos cómo es un análisis de fallos cuando las cosas van mal. Siga leyendo para conocer al héroe secreto de los motores más potentes del mundo.

¿Qué es exactamente un álabe de estator?

Un álabe estator es una pieza que permanece en un lugar y no se mueve. Se encuentra en el interior de una turbina o un compresor. Se puede considerar como una aleta o un perfil aerodinámico que se coloca en un lugar muy exacto. Es diferente de las palas del rotor. El estator no se mueve en absoluto. Su función es controlar la forma en que el aire o el gas se mueven a través del motor. También controla la velocidad de ese aire o gas. Encontrarás un estator en muchas máquinas. Desde un gran motor a reacción hasta una turbina de turbocompresor más pequeña.

Cada estator está formado por muchas de estas pequeñas alas, denominadas álabes. Estas paletas están dispuestas en círculo dentro de la carcasa exterior del motor. Un estator puede estar en la parte del compresor, que comprime el aire. También puede estar en la parte de la turbina, que obtiene energía del gas caliente. La función más importante del álabe del estator es dirigir el flujo de aire o gas. Lo dirige hacia el siguiente grupo de álabes móviles. Estas palas móviles forman parte del rotor. Este gran trabajo en equipo es lo que hace que un motor sea fuerte y funcione bien.

¿Cómo funciona un estator con un rotor?

La forma en que el estator y el rotor trabajan juntos es como una danza perfecta. El rotor gira muy, muy rápido. Es empujado por la fuerza del aire o del gas. Sus aspas empujan el aire o el gas para hacer funcionar el motor. Pero si el aire o el gas golpean el rotor desde la dirección equivocada, se pierde mucha potencia. Aquí es donde ayuda el estator.

El estator se coloca justo antes o justo después de un rotor giratorio. Cuando el aire sale de un rotor giratorio, el propio aire también gira. El estator inmóvil atrapa este aire giratorio. Entonces, hace que el aire fluya recto de nuevo. Funciona como un conjunto de álabes guía. Esto ayuda a que el aire llegue al siguiente grupo de palas del rotor en el ángulo perfecto. Esta serie de pasos -girar, enderezar, girar, enderezar- se repite una y otra vez en el interior del motor. Esta danza entre el estator y el rotor ayuda al motor a generar una presión muy alta. Esta alta presión se traduce en más potencia. La forma en que el estator y el rotor trabajan juntos es muy importante para el buen funcionamiento de una turbina.

¿Por qué son tan importantes los estatores en una turbina o un compresor?

Un estator es muy importante para que un motor funcione bien sin desperdiciar energía. Sin estator, una turbina o un compresor serían muy débiles. La razón principal es la presión. En un compresor, el objetivo principal es presionar el aire con fuerza. Esto se llama aumentar la presión, y ocurre en cada etapa. El estator ayuda a que esta presión aumente. Ralentiza el aire que sale del rotor. Esta acción convierte la velocidad del aire en más presión.

Esto hace que el compresor funcione mucho mejor. En una turbina de potencia, el estator hace lo contrario. Hace que el gas caliente se mueva más rápido. Luego dirige ese gas hacia los álabes de la turbina. Esto hace que la turbina gire con más fuerza. Al tener un mejor control del flujo, el rendimiento de la turbina es mayor. Un buen diseño del estator crea un mejor rendimiento aerodinámico. También significa que se desperdicia menos energía y que el motor es más potente. El estator se encarga de que el motor funcione correctamente en todas las condiciones de funcionamiento.

¿Puede explicar la relación entre el estator y el rotor de un motor a reacción?

En un motor a reacción, la forma en que el estator y el rotor trabajan juntos es muy importante. Un motor a reacción tiene dos partes principales donde se encuentra este trabajo en equipo del estator y el rotor. El compresor está en la parte delantera y la turbina en la trasera. El compresor tiene varias etapas. Cada etapa tiene un juego de paletas del rotor y luego un juego de paletas del estator. El rotor proporciona energía y velocidad al aire. El estator transforma esa velocidad en mayor presión. Esto sucede una y otra vez. El aire se vuelve muy denso y caliente antes de que se mezcle el combustible.

Una vez quemado el combustible, el gas caliente, que tiene mucha energía, se desplaza muy rápidamente hacia la parte trasera. Allí, entra en la parte de la turbina. La turbina de alta presión también tiene etapas de partes de estator y rotor. Las toberas del estator disparan el gas caliente hacia los álabes de la turbina. Esto hace que giren. Esta acción giratoria proporciona potencia al compresor situado en la parte delantera del motor. El ángulo exacto del álabe del estator es muy importante. Incluso un pequeño error puede provocar un flujo de aire inestable, que puede dañar el motor. El aire dentro del motor a reacción experimenta un flujo complejo. Se mueve muy rápido, casi a la velocidad del sonido, en un campo de flujo en estado transónico.

¿Qué genera realmente un estator de paletas?

Ésta es una pregunta muy buena. Un álabe estator no genera energía como lo hace un rotor. El rotor es la parte que hace el trabajo. Entonces, ¿qué hace un estator? Un estator produce la mejor situación para el flujo de aire. Esto permite que el rotor haga muy bien su trabajo. Prepara el aire o el gas.

Piénsalo como una persona que lanza en un partido de béisbol. El lanzador (el estator) no marca la carrera. Pero al lanzar la pelota con la velocidad y el ángulo adecuados, el lanzador prepara al bateador (el rotor) para batear un jonrón. La paleta del estator hace tres cosas principales al flujo:

• Cambia la dirección. Dobla el flujo de aire para que vaya en la dirección correcta. Su función es redirigir el flujo.
• Modifica la velocidad. Puede hacer que el flujo sea más lento para aumentar la presión (en un compresor). O puede hacer que el flujo sea más rápido para crear más fuerza (en una turbina).
• Elimina los remolinos no deseados. Impide que el aire o el gas giren de una manera que no es útil. Esto hace que el flujo sea más suave y mejor.

De este modo, el estator ayuda al motor a generar más potencia sin derroches. La forma aerodinámica especial del álabe está diseñada para este fin.

¿Qué provoca el fallo del álabe del estátor?

Incluso las piezas más resistentes pueden romperse. El fallo de un álabe del estator es un gran problema para cualquier turbina. Una de las principales razones por las que fallan las piezas se llama fatiga del metal. Esto puede causar una fractura por fatiga. Esto ocurre porque el estator siempre está siendo golpeado por aire en rápido movimiento. También sufre grandes cambios de temperatura y presión. Tras miles de horas de uso, pueden aparecer pequeñas grietas que van creciendo. Esto suele ocurrir cerca del borde posterior de la aleta, llamado borde de salida.

Otro motivo importante de avería son las sacudidas o vibraciones. La alta velocidad de rotación del motor puede hacer que las piezas tiemblen. Si la sacudida se produce a la velocidad adecuada para el álabe del estator, puede sacudirse con tanta fuerza que se rompa. Pequeños trozos de material en el motor, como un trozo de hielo o un álabe de compresor roto, también pueden golpear un estator y hacer que falle. Cuando un álabe del estátor falla, puede comenzar una serie de acontecimientos negativos. Puede dañar el rotor y otras partes del motor. Hay muchos informes de averías que comienzan con la rotura de una sola pieza del estator.

¿Cómo realizan los expertos un análisis técnico de fallos en un estátor?

Cuando falla un estátor, se inicia un análisis de fallos de ingeniería. Es como una novela policíaca para ingenieros. Su objetivo es averiguar exactamente por qué se ha roto la pieza. Así se aseguran de que no vuelva a ocurrir. Lo primero que hacen es reunir cuidadosamente todas las piezas rotas. Las personas que investigan observan la superficie de las piezas con un microscopio. Lo hacen para averiguar dónde empezó la grieta.

Los ingenieros utilizan herramientas especiales. Un análisis numérico puede crear un modelo informático de las fuerzas y el calor que soportaba el estátor. Este modelo informático puede mostrar si la tensión era demasiado alta en un punto. También realizan un estudio numérico y experimental. En este estudio, prueban una pieza igual a la rota hasta que se rompe. Lo hacen para ver si falla de la misma manera. A veces, se utiliza la XCT. Se trata de una potente radiografía 3D que puede mirar dentro del metal en busca de problemas que no se ven, sin cortar la pieza. Un sistema de medición de coordenadas puede comprobar si la aleta se fabricó con la forma y el tamaño correctos. Encontrar la razón principal del problema les ayuda a recomendar buenas formas de solucionarlo.

¿Cuáles son los síntomas de un estator averiado en una turbina?

No se puede ver el interior de una turbina mientras está en funcionamiento. Entonces, ¿cómo saber si un estátor tiene un problema? Los pilotos y los ingenieros buscan ciertas señales. Un estator defectuoso altera el flujo de aire. Esto puede causar varios problemas.

He aquí algunos signos comunes a los que hay que prestar atención:

• Pérdida de potencia: Si el estator no guía el aire de la forma correcta, la turbina no producirá tanta potencia. El caudal másico de aire puede disminuir.
• Aumento de las vibraciones: Un álabe del estator roto o agrietado puede desequilibrar el motor. Esto puede provocar muchas sacudidas.
• Ruidos extraños: Un trozo de álabe roto moviéndose dentro del motor puede hacer ruidos muy molestos.
• Alta temperatura de los gases de escape: En una turbina de gas, si el aire no fluye bien debido a un estator en mal estado, puede hacer que suban las temperaturas en el escape. Esta es una gran señal de advertencia.
• Parada del motor: En un compresor de motor a reacción, un mal flujo de aire debido a un estator averiado puede provocar una parada del compresor. Esto ocurre cuando el flujo de aire se detiene o incluso retrocede. Puede causar un fuerte estruendo y una pérdida de potencia del motor. Esto puede ser causado por una relación de presión incompatible.

¿Cómo podemos mejorar el diseño y la fabricación de paletas estatóricas?

Los ingenieros siempre intentan mejorar el estator. El objetivo es hacerlo más fuerte, más ligero y que funcione mejor con menos residuos. Un área importante es la optimización de la forma aerodinámica. Esto significa encontrar la mejor forma. Utilizando potentes modelos informáticos, los diseñadores pueden crear una forma de álabe que guíe el aire sin perder mucha energía. Esto forma parte de un estudio numérico para que las piezas funcionen mejor. Esto es especialmente importante en condiciones como las de gran altitud, que se denominan condiciones de bajo número de Reynolds.

Los materiales utilizados para fabricar el estator también están mejorando. Los nuevos tipos de metal pueden soportar más calor y más tensión. Esto es muy importante en la parte de entrada de la turbina del motor, que es donde el gas está más caliente. También ayudan las mejores formas de fabricar las cosas. Por ejemplo, para mejorar la integridad de la superficie de las piezas de aleación de titanio TA19 se puede utilizar un proceso llamado peening por chorro de agua integrado con abrasivo de cavitación. Este proceso hace que la superficie del metal sea mucho más resistente y menos propensa a agrietarse. Esto mejora la integridad de la aleación de titanio TA19 que se utiliza en los motores modernos.

¿Es la fabricación aditiva el futuro de los álabes del estator?

Sí, la fabricación aditiva, también llamada impresión 3D, está cambiando la fabricación de álabes de estator. Antes, fabricar un estator con una forma compleja era difícil y costaba mucho dinero. Con la fabricación aditiva, un estator puede construirse capa a capa a partir de un polvo metálico. Esto permite crear nuevas formas difíciles de fabricar y que antes no eran posibles. Por ejemplo, se puede imprimir un estator con canales de refrigeración en el interior. Estos canales ayudan a soportar temperaturas muy elevadas.

Esta nueva tecnología es una forma de conseguir una mejor optimización. También puede fabricar piezas que pesen menos, algo muy importante para los aviones. Pero aún quedan algunos retos. Es muy importante asegurarse de que la resistencia geométrica y la calidad de una pieza impresa en 3D son buenas. Mucha gente está estudiando la precisión geométrica de las piezas de estator fabricadas con LPBF. Este trabajo tiene por objeto garantizar que la precisión de los álabes de estator fabricados con LPBF sea tan buena o incluso mejor que la de las piezas originales fabricadas con métodos más antiguos. A medida que esta tecnología mejore, cabe esperar ver más piezas de estator impresas en 3D en los próximos motores que se construyan.

Aspectos clave que conviene recordar

• Los estatores son estacionarios: A diferencia de los rotores giratorios, los estatores son piezas que permanecen en un lugar dentro de un motor.
• Son guías de flujo: La función principal de un álabe del estator es guiar el aire o el gas para que llegue al siguiente conjunto de palas del rotor en el ángulo perfecto.
• El trabajo en equipo es clave: La forma en que el estator y el rotor trabajan juntos es lo que hace que un compresor o una turbina sean potentes y eficientes.
• El fallo es grave: Un estátor que falla puede causar sacudidas, pérdida de potencia e incluso hacer que falle todo el motor.
• El futuro es la nueva tecnología: Nuevas ideas de diseño, mejores materiales y nuevas tecnologías como la fabricación aditiva están haciendo que los álabes de estator sean más fuertes y mejores que nunca.