00_introduccion_a_la_propulsión_etsiae

03/09/2013 Aerorreactores/4ºcurso/CTA/©G. Corchero 1

AERORREACTORES (4º Curso. Opción CTA)

1. Introducción a la propulsión

2. Estudio de las necesidades propulsivas de la aeronave.

3. Aplicación de las Ecuaciones de la Mecánica de Fluidos en

forma integral a los aerorreactores.

4. Comportamiento motor.

5. Comportamiento propulsor.

6. Cálculo simplificado de actuaciones.

7. Optimización de turbohélices.

8. Optimización de aerorreactores de doble flujo (turbofanes).

9. Turbofanes de flujo mezclado.

10. Sistemas incrementadores de empuje.

11. Actuaciones de componentes.

12. Actuaciones de aerorreactores.

13. Regímenes y control en los aerorreactores.

14. Turbinas de gas

15. Contaminación y ruido

TEMA 1

Introducción a la propulsión

2 Aerorreactores/4ºcurso/CTA/©G. Corchero 03/09/2013

1.- Introducción

2.- Concepto de:

Sistema motor, propulsor y motopropulsor. Motor de reacción.

Clasificación de los sistemas de propulsión

Empuje

Ciclo termodinámico

Rendimientos en aerorreactor

3.- Clasificación de los motores de reacción

1.- Introducción


Propulsarse significa poder moverse por uno mismo.

¿Qué se necesita para ello?

Los sistemas (vehículos) se encuentran inmersos en medios resistivos. Estos

originan una fuerza resistiva sobre el vehículo D(V). ¿Cómo controlar sus

efectos?.

Es necesario una fuerza propulsiva E que permita controlar el movimiento del

vehículo (mantenerlo, acelerarlo,..). 2ª Ley de Newton

d(MV )E D(V )

dt

La generación de la fuerza propulsiva E

origina una fuerza R, de reacción, igual

y contraria que deberá aplicarse sobre

otro cuerpo. 3ª Ley de Newton

Aparecen Dos estados de

movimiento =>Son necesarios

Dos cuerpos (Vehículo y un

segundo cuerpo)


¿Cómo aparece la necesidad de ese segundo cuerpo?. Supóngase el

universo formado por n cuerpos

Si se parte del reposo

i

iii in

iext i

n n

i

ii

n

d m v

F m v ctedt

m v

1

1 1

1

0

0

Supóngase que partiendo del reposo, solo el vehículo de masa M (cuerpo n) se

mueve con una velocidad V . Apliquemos la 2ª ley de Newton

El movimiento no es posible i

iiii

n n

i

MV m v MV m v

1

1

1

00

Supóngase un segundo vehículo con masa m y velocidad v

Es necesario un segundo cuerpo

que adquiera la misma cantidad de

movimiento del vehículo (en

módulo) y sentido contrario

i

ii

n

MV mv m v mv

MMV mv v V

m

1

2

0


Un aspecto muy importante en la propulsión es el incremento de energía

producido. En la obtención de los dos estados de movimiento, de M y m, ha

habido un incremento mínimo de energía, al menos el incremento de energía

cinética

min cinética

min

E E MV mv

vE MV ( )

V

2 2

2

1 1

2 2

11

2

v/V

E

Energía de Más Coste del Sistema de

Propulsión

1/2MV2

El incremento de energía, por

encima de la del vehículo, es

menor cuanto menor es v/V

El objetivo de la propulsión consiste en generar una fuerza propulsora.

Exige un segundo cuerpo o masa de trabajo moviéndose a velocidades

bajas. Mover grandes cantidades de masa a velocidades pequeñas


a) Sistema motor, propulsor y motopropulsor. Motor de reacción

Se produce: Potencia mecánica y potencia útil para el vuelo (fuerza propulsora)

Consume: La energía necesaria se consigue del combustible a través del proceso

de combustión

Los sistemas que transforman la

potencia calorífica procedente del

combustible en potencia mecánica

se denominan SISTEMA MOTOR

Los sistemas que transforman la

potencia mecánica en una

FUERZA PROPULSIVA se

denominan PROPULSORES

2.- Concepto de:


Los sistemas que transforman

la potencia calorífica procedente

del combustible directamente en

una FUERZA PROPULSIVA se

denominan

MOTOPROPULSORES

MOTORES DE REACCIÓN SON

SISTEMAS MOTOPROPULSORES,

que generan directamente una

FUERZA PROPULSIVA, llamada

EMPUJE. Los MOTORES DE

REACCIÓN son sistemas

generadores de EMPUJE


b) Clasificación de los sistemas de propulsión (Motores de reacción)

AUTÓNOMOS. Son aquellos motores de reacción que no

dependen del medio exterior para generar la fuerza propulsora. La

masa eyectada se encuentra almacenada en el propio motor o en

el vehículo. Se le denomina MOTORES COHETE.

NO AUTÓNOMOS. Son aquellos motores de reacción que

dependen del medio exterior para generar la fuerza propulsora.

La masa eyectada o masa de trabajo la toman del ambiente que

les rodea. Si este ambiente es la atmosfera terrestre se les

denomina AERORREACTORES.


c) Empuje

Generación del empuje


d) Ciclo termodinámico

El ciclo termodinámico representa la evolución termodinámica del gas a lo

largo del motor. El estado del gas en cada sección del motor está definido

por la PRESIÓN y la TEMPERATURA

Para proporcionar trabajo al exterior ó fuerza propulsora hay que aumentar la

presión y la temperatura del gas durante la evolución. El ciclo estará definido por

las condiciones ambientales, la presión máxima y la temperatura máxima.

1

2

3

4

Co

mp

res

ión

Ex

pa

ns

ión

Te

mp

era

tura

Entropía


Ciclo Brayton

Ciclo

Brayton Ciclo

Otto


Diferencias entre los ciclos Brayton y Otto


e) Rendimientos en un aerorreactor

c

G G + c

VS V0

Ejes ligados al motor

∞

Produce:

Variables extensivas:

Empuje E=(G+c)Vs-GV0+As(PS-P0) si PS=P0 (tobera adaptada)=> E=(G+c)Vs-GV0

Potencia mecánica Wn=[(G+c)VS2-GV0

2]/2

Potencia útil del empuje EV0=[(G+c)VS-GV0]V0

Variables intensivas:

Impulso específico I=E/G

Consumo especifico de combustible CE=c/E

Consume: Potencia calorífica del Combustible =cL


s

M

s sM M

G c GV V

Potencia Mecánica Rendimiento Motor

Potencia cal. del Combustible cL

( f )V V c V V ; f= y si c G ;

fL G fL

2 2

0

2 2 2 2

0 0

2 2

1

2 2

P

s

S

P P

S

S

Potencia útil del empuje EVRendimiento Propulsivo = =

G c GPotencia Mecánica V V

V

VV Si c G = =

V V V

V

0

2 2

0

0

0

0 0

2 2

22

1

MP

MP M P

E

Potencia útil del empuje EVRendimiento Motopropulsor = =

Potencia cal. del combustible cL

EV V V = =

ccL C LL

E

0

0 0 0


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

wn

Relación de Compresión

Potencia Neta Adimensional

c' = 0.85, e' = 0.9

Tlínea de máximos


0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

M

Relación de Compresión

Rendimiento Motor

c' = 0.85, e' = 0.90

T

línea de máximos


3.- Clasificación de los motores de reacción

Tipos de Motores de Reacción:

NO AUTÓNOMOS. Utilizan el aire para generar empuje. Se

denominan AERORREACTORES (Air Breathing Engines).

AUTÓNOMOS. No utilizan el medio exterior para generar empuje. Se

denomnan MOTORES COHETES (Rocket Engines)

Tipos de Aerorreactores:

a) Con Mecanismo de Compresión de aire (compresor-turbina):

Turborreactores de flujo único (turbojet)

Turborreactor de doble flujo o turbofan (turbofan)

Turborreactor con postcombustión (Reheat/afterburner)

Turbohélices (turbopropeller)

Turbina de gas (turboshaft)

b) Sin Mecanismo de compresión de aire:

Estatorreactores (Ramjet, Scramjet)

Pulsorreactores (Pulse jet)


Variación de los rendimientos con la velocidad de vuelo V0

El M cambia poco de unos sistemas a otros. En primera aproximación

es el mismo.

La dependencia de P con la velocidad de vuelo origina la aparición y

el uso de los diferentes tipos de aerorreactores.

¿Por qué existen diferentes tipos?


a) Turborreactores de Flujo único

2´t

0

2t

3t 3’t

4t

5’t

5t

9 9’’

S

T

Un único flujo recorre todo el motor

La velocidad de salida viene VS~√(T5t-T9.)

VS>>V0 => P bajo (P=2V0/(VS+V0)

A velocidades de vuelo V0 bajas, son

sistemas con un P bajo y en

consecuencia MP también bajos =>

Consumos específicos de

combustible CE altos


b) Turbohélices

4t

9 9’’

5’t 5t

5t*

5’t*

Turbohélice (TH)

Nueva

Tobera

Turbina

hélice

S

T

2´t

0

2t

3t 3’t

4t

5’t

5t

9 9’’

S

T Turborreactor(TR)

A velocidades de vuelo

bajas M0<=0.65, los

Turborreactores (TR)

tiene un bajo P

Búsqueda de sistemas con P

altos para M0<0.65=>VS↓=>P↑

4t

9 9’’

45’t

45t

5t

5’t

T

S

Turbohélice (TH)


Turbohélice

(P)Turborreactor ≈0.4 (M0=0.65) (P)Turbohélice≈0.8


A velocidades de vuelo

bajas M0>0.65, tanto

los Turborreactores de

flujo único (TR) como

los turbohélices tienen

un bajo P

Búsqueda de sistemas con P

altos para M0>0.65=>VS↓=>P↑

c) Turborreactores de doble flujo o turbofanes

4t

9 9’’

5’t 5t

5t*

5’t*

Turbofan (TD)

Nueva

Tobera

Turbina

del fan

S

T

2´t

0

2t

3t 3’t

4t

5’t

5t

9 9’’

S

T Turborreactor(TR)

La turbina extra proporciona potencia a un compresor extra que mueve

un segundo flujo que es expandido posteriormente en una segunda tobera.

Ese segundo flujo es como si fuese un TR sin cámara ni turbina


Para mejorar el P se puede jugar:

La potencia a extraer del flujo principal y así bajar su velocidad

El gasto que pasa por el segundo flujo para controlar su velocidad

Se bajan ambas velocidades => sube el rendimiento de propulsión

Aparecen dos parámetros nuevos:

La relación de gastos o relación de derivación L=GSS/GSP y

Trabajo suministrado al fan (relación de presiones del fan= pf)

o trabajo extraído en a turbina

4t

9 9’’

45’t

45t

5t

5’t

T

S


4t

9 9’’

45’t

45t

5t

5’t

T

S

CFM56


V2500

RB211-22B


Comparación del P entre los diferentes sistemas


d) Turborreactores con postcombustión

Exigencias de algunos tipos de misión exigen aumentar el empuje durante tiempos

muy cortos (segundos o pocos minutos). ¿Cómo se puede incrementar el empuje?

Supóngase tobera adaptada por simplicidad. Entonces

( )

) ( )

) ( )

s

s

Los Sist. Incrementadores

de Empuj

E G Vs Vo

a Si V G cte E

b Si G Vs cte

e manejan ambas

variables ( V y G ) para EE

s p rem salida

rem s s rem

V c T TE (G=cte) Sist. de Postcombustion

T V ; V T

( )

2

rem

Entrada tobera Cámara Vs E

existe oxígeno adicional T

a) Sistema de postcombustión.


El objetivo del postcombustor consiste en incrementar el

empuje apreciablemente y de forma discontinua


EJ200

Eje de

Potencia

Escape


e) Turbinas de gas (turboshaft)

Son sistemas similares al turbohélice en los que la potencia del chorro es nula (VS≈0). La

turbina se utiliza para proporcionar potencia en un eje.

4t

9 9’’

45’t

45t

5t

5’t

T

S

tT T5 9


f) Estatorreactor (ramjet, scranjet)

2´t

0

2t

3t 3’t

4t

5’t

5t

9 9’’

S

T


g) Pulsorreactor


Sistemas autónomos

Motores Cohete

00_introduccion_a_la_propulsión_etsiae

Documents

Transcript of 00_introduccion_a_la_propulsión_etsiae