Sistema Splitter y adaptación a los VCE

David Torres Ocaña E.U.I.T.A. Octubre 2010

Conceptos básicos

• VCE

• Splitter

• BPR

1. Introducción

• Splitter: Solución al problema de la variación del BPR en los VCE

• VCE del proyecto y de aplicación del sistema

• Carencia de derivadores de flujo eficientes

2. Historia y motivación

• ¿Por qué un motor de ciclo variable?

2.1. Historia de los VCE

• Aparición en los años 70

• Investigaciones de organizaciones de seguridad y constructoras aeronáuticas

• Búsqueda del ATFE y del motor para transportes supersónicos

• Actualmente: GE YF-120

2.2. Historia de los derivadores

• Variación del BPR mediante distintos sistemas de regulación de flujo

• VABI, Annular Inverter Valve, Front VABI->Efecto en la zona de derivación

• Derivadores: O`Rourke 1978->No tuvo éxito

• Ausencia hoy día de un sistema de derivación eficiente

2.3. Motivación

• Propósito de los VCE• Motivación del sistema Splitter

Una variable mas->Rediseño en vuelo

Ausencia deun sistema de derivacióneficiente

BPR

ΠHPC

3. Objetivos

• Idea original->Rediseño en vuelo

• Concepto explorado por los VCE

• Solución a la variación del BPR en los VCE

• Solución sencilla y eficiente->Splitter

4. Definición y conceptos de VCE

• Desarrollo de los VCE y su tecnología desde los 70

• Investigación de organizaciones y empresas

• Conceptos Estadounidenses->NASA, GE, P&W, DoD, Boeing, etc.

• Conceptos Europeos->MTU, MD de Rep. Fed. de Alemania.

4.3. Mejores soluciones

4.3. Mejores soluciones

4.3. Mejores soluciones

5. Definición del sistema Splitter

• Criterios de definición:Eficiencia aerodinámica y mínima perdida

de carga Simplicidad del sistemaMínimo pesoDimensiones reducidasGran aplicabilidad y versatilidadGran rango de actuación (BPR)Rapidez de actuación

5.1. Principios básicos

• Derivación por cambio de relación de áreas

• Sistema de control de gastos

• Comunicación entre sistema derivador y sistema de control.

5.2. Definición conceptual

• Situación del sistema Splitter

• Descripción básica

5.2. Definición conceptual

• Situación en motor real

5.2. Definición conceptual

• Cambio en la relación de áreas de entrada

5.2. Definición conceptual

• Lóbulos Principales

5.2. Definición conceptual

• Lóbulos Principales

5.2. Definición conceptual

• Cubiertas

5.2. Definición conceptual

• Cubiertas

5.2. Definición conceptual

• Sistema unión Lobulos-CurbiertasTratamiento antifricción a ambos

elementos

Raíl guía articulado

Raíl guía semirrígido

Cable estabilizador

5.2. Definición conceptual

• Varillas actuadoras

5.2. Definición conceptual

• Semicírculos guía

5.2. Definición conceptual

• ActuadoresServoactuadores

eléctricos disponibles en el mercado

• Unión con carcasa principal

6. Diseño del sistema

• Estudio paramétricoParámetros fundamentales

Sistema de ecuaciones->Variables de diseño

Gráficos de influencia

6.1.4. Gráficos de influencia

• Influencia en cuerda

6.1.4. Gráficos de influencia

• Influencia en radio labio de corte

6.1.4. Gráficos de influencia

• Influencia en relación de longitudes

6.1.4. Gráficos de influencia

• Influencia en relación de radios

6.2. Elección parámetros de diseño

• CriteriosMinimización de la cuerda y del peso

Relaciones de radio y longitud aceptables

Minimización de fuerzas aerodinámicas

Minimización de esfuerzos por deformación

• Deformación del sistemaDeformación de lóbulos y cubiertas

Punto neutro de diseño

6.2. Elección parámetros de diseño

• Fuerzas aerodinámicasCalculo inexacto de fuerzas y momentos

en etapa 18 de misión

Sobredimensionado de los cálculos

Orden de magnitud:

• Restricciones de longitud y radioRestricción de longitud: del orden del 1%Restricción de radio: aceptable para el

diseño del proyecto

7. Aplicación del sistema

• Aplicación a los VCESistema constructivo, NO aplicaciónMedidas constructivas adicionales:

Sistema controlador de flujo: VABI o Tobera/sTurbomaquinaria de geometría variable

• Aplicación a conceptos definidosSingle and Double Bypass simplification, Rear

VABIVTFConceptos novedosos: 4 posible conceptos

novedosos

8. Adaptación a un VCE

• Aplicación del sistema a un VCE diseñado como motor del F-35A

• Concepto de VCE usadoF135 100 como base para optimización

según BPR variableIncorporación de Splitter: DerivaciónSistema de control de gastos: VABIReparto de la expansión: Turbinas de

geometría variable

8.1.3. Reparto de la expansión

8. Adaptación a un VCE

• Diseño de la aplicación Splitter• Parámetros de radios obtenidos del diseño

del motor de base y del F135 100

9. Viabilidad de un VCE

9.1. Objetivos y procedimiento

• Comparación de motor tipo de F35A con su optimización

• Diseño de planta de potencia tipo: Remotorización del F35A

• Optimización de este motor según BPR variable. Definición del VCE

9. Viabilidad de un VCE

9.2. Diseño de motor tipo de un F-35A• Remotorización de

la nave• Misión estándar• Elección de ciclo

termodinámico: Leg 13

• Consumo de combustible

9. Viabilidad de un VCE

• Misión estándar

9. Viabilidad de un VCE

• Elección de ciclo termodinámico: Leg 13

9. Viabilidad de un VCE

• Consumo de combustible. Misión estándar

9. Viabilidad de un VCE

9.3. Optimización de un turbofán según BPR variable. VCE

• Objeto de comparación con el anterior motor

• Optimización del motor de base• Optimización según unas pautas y un

método especifico

9.3. Optimización de un turbofán según BPR variable. VCE

• Metodología y soluciones técnicasPautas seguidas en la optimización

Rel. Compresión LPC constante y variación en el core

Variación del BPR y variables secundariasMetodología: Variación de la relación de

gastos y cambio en la compresión en HPCReparto de la expansión en las turbinas y

cambio de la relación de gastos

9.3. Optimización de un turbofán según BPR variable. VCE

• OptimizacionesElección de parámetros para proceso de

optimizaciónOptimización

según BPR variable

Nuevo diseñoen etapa y nuevos parámetros

9.3. Optimización de un turbofán según BPR variable. VCE

• ResultadosConsumo de combustible

9.4. Comparación motor normal y VCE

• Comparación de TSFC

9.4. Comparación motor normal y VCE

• Comparación de consumos

• Incremento de la carga de pago en un 29% o unos 790Kg

9.6. Viabilidad. Resultados finales

• Atractivo ingenieril

9.6. Viabilidad. Resultados finales

• Atractivo económico

Impacto económico de la reducción de consumo

Comparación con otras mejoras

Impacto económico, aumento de la carga de pago

Beneficio estratégico

10. Conclusiones

• Solución al problema de la variación del BPR de algunos VCE

• Involucración de muchos aéreas de conocimiento->Escasa profundización en los análisis

• Sobredimensionado de los cálculos. Cálculos conservativos

• Sistema viable ingenieril y económicamente

Sistema Splitter y adaptación a los VCE

Presentación Proyecto Fin de Carrera

E.U.I.T. Aeronáutica

David Torres Ocaña

Aeromotores Octubre 2010

Ruegos y preguntas