Parte 1

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Parte 1
Introducción a la Ing. Aeroespacial
Tema 5 – Propulsión Aérea
Parte I: Introducción a la propulsión
Sergio Esteban Roncero
Francisco Gavilán Jiménez
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos
Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
1
Contenido





Introducción a la propulsión
Principios de la propulsión
Empuje
Balance energético
Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
2
Inicios de la propulsión








Herón de Alejandría: aeolipile

Heinkel He 178


Tsiolkovsky
s. I Aeolipile (Herón de Alejandría)
s. XII Primeros motores cohete en China
s. XV Hélices de Leonardo da Vinci
s. XVII Leyes de Newton
1903 Primer vuelo con hélice Wright Flyer I
MC Químico de Tsiolkovsky (1903)
1928 Primer vuelo con motor cohete Lippisch
Ente
1939 Primer vuelo con turborreactor Heinkel
He 178
1945 Primer vuelo con turbohélice Gloster
Trent Meteor EE227
1959 Primer vuelo con turbofán Boeing 707
Turborreactor:



Video
Coandă (1910)
(efecto Coanda)
Whittle (1941)
Hans von Ohain (1939)
Lippisch Ente
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
3
Inicios de la propulsión

Turborreactor:


Whittle (1941)
Hans von Ohain (1939)
Me - 262
Gloster E28-39
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
4
Contenido





Introducción a la propulsión
Principios de la propulsión
Empuje
Balance energético
Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
5
Principios de la propulsión

Propulsión:



Ciencia que estudia la generación de la fuerza necesaria para acelerar un
vehículo (o vencer la fuerza de resistencia), así como los sistemas que
generan dicha fuerza.
3ª ley de Newton: la fuerza propulsiva lleva consigo la existencia de otra
fuerza igual aplicada en otro medio: propulsante.
Sistemas de propulsión usados en Ingeniería Aeroespacial:

Propulsión por chorro:



Propulsión por hélice



Aerorreactores
Motores cohete
Motor alternativo + hélice
Turboeje + hélice
Propulsión mixta

Turbohélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
6
Clasificación General de los sistemas de propulsión

El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen
de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación
general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente:

PROPULSIÓN POR HÉLICE



Motor alternativo + Hélice
Turboeje + Hélice
PROPULSIÓN POR CHORRO

Aerorreactores



Motores cohete




Con compresor:

Turborreactores (con o sin postcombustor)

Turbofanes (con o sin postcombustor)
Sin compresor

Estatorreactores

Pulsorreactores
MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido)
MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos)
MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro)


Turbohélices
Turboeje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Propulsión por chorro

Aerorreactores



Con compresor:
 Turborreactores (con o sin postcombustor)
 Turbofanes (con o sin postcombustor)
Sin compresor:
 Estatorreactores
 Pulsorreactores
Motores cohete



MC Químicos (propulsante líquido, propulsante
sólido)
MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos,
electromagnéticos)
MC Nucleares (termonucleares)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
8
Turboreactor




Tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de ciclo alternativo que tienen un
funcionamiento discontinuo (explosiones), tiene un funcionamiento continuo.
Consta de las mismas fases que un motor alternativo: admisión, compresión,
expansión y escape.
Los gases generados por la turbina de gas, al ser expelidos, aportan la mayor parte
del empuje del motor.
Los turbojet fueron los primeros motores a reacción empleados en la aviación
comercial.


Elevada sonoridad
Bajo rendimiento de combustible
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
9
Turborreactores
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
10
Turboreactor
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
11
Chorro (jet). Aerorreactores
12
Chorro (jet). Aerorreactores
Compresor centrífugo
13
Turbofan



Los motores de aviación tipo turbofan, son la nueva generación de
motores a reacción que reemplazó a los motores turborreactor.
Se caracterizan por tener un ventilador (fan) en la parte frontal del motor
desde el cual el aire se divide en dos tipos: Aire de bypass y aire primario.
Este tipo de motores tiene las ventajas de




consumir menos combustible (aerokerosene JPA1)
más económico para el operador
contaminan menos el aire
reducen la contaminación sonora.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
14
Turbofanes
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
15
Turbofanes
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
16
A. Low pressure spool
B. High pressure spool
C. Stationary components
1. Nacelle
2. Fan
3. Low pressure compressor
4. High pressure compressor
5. Combustion chamber
6. High pressure turbine
7. Low pressure turbine
8. Core nozzle
9. Fan nozzle
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Aerorreactores sin compresor
Estatorreactor (ramjet)
Scramjet (supersonic
combustion ramjet)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
18
Estatorreactor




Motor a reacción que carece de compresores y turbinas (Ramjet).
La compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de
funcionar.
El aire ya comprimido, se somete a un proceso de combustión en la cámara de
combustión y una expansión en la tobera de escape.
El régimen de trabajo de este motor es continuo.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
19
ScramJet



Scramjet (supersonic combustion ramjet) es una variación del estatorreactor
(ramjet) con la gran diferencia que la entrada del flujo en el combustor es supersónica.
En velocidades elevadas es necesario el hacer la combustión de forma supersónica para
maximizar la eficiencia del proceso de combustión
Se preveee que con los scramjets podamos volar a velocidades entre Mach 12 y Mach
24 (orbital velocity).
Video (Hyper X-43)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Clasificación General de los sistemas de propulsión

El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen
de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación
general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente:

PROPULSIÓN POR HÉLICE



Motor alternativo + Hélice
Turboeje + Hélice
PROPULSIÓN POR CHORRO

Aerorreactores





Motores cohete




Turborreactores (con o sin postcombustor)
Turbofanes (con o sin postcombustor)
Estatorreactores
Pulsorreactores
MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido)
MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos)
MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro)


Turbohélices
Turboeje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Propulsión por hélice
Motor alternativo
Turboeje
Turbohélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
22
Turbohélice



Los gases de la turbina se emplean en su totalidad para mover en este
caso una hélice que genera el empuje necesario para propulsar la aeronave.
Presentan una mayor eficiencia aunque no permiten alcanzar velocidades
muy elevadas por lo que su uso se limita a pequeñas aeronaves o aviones
de tipo regional que no han de cubrir grandes distancias.
También se utilizan en aviones de carga y transporte militares como el
Lockheed C-130 'Hercules' o el nuevo Airbus A400M
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Propulsión por hélice II
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
24
Propulsión por hélice III
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
25
Propulsión por hélice IV
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
26
Turboeje



Un motor turboeje (en inglés: turboshaft) es un motor de turbina de gas que entrega su
potencia a través de un eje.
Es similar al motor turbohélice pero, a diferencia de éste, no mueve directamente una
hélice, sino un eje motor independiente.
Normalmente se utiliza como motor de aviación para propulsar helicópteros.

Más compacto y ligero que un turbohélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Turboeje + Hélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
28
Pulsoreactores



Son motores de combustión discontinua (similares a los de automoción)
Los primeros diseños tenían un juego de válvulas que regulaba la entrada de
aire a la cámara de combustión. Presentaban poca fiabilidad por la fatiga de
las válvulas (ejemplo, motor V1)
Posteriormente se desarrollaron pulsorreactores sin válvulas.

Poseen vidas útiles superiores a la mayoría de los demás motores de aviación.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Aerorreactores sin compresor
Pulsorreactor
(pulse jet)
Video (V1)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Motores Cohete - I
Tipos de Cohetes




Químicos
Eléctricos
Nucleares
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Motores Cohete - II
Ventajas de los motores de cohete









Es el motor más potente en relación a su peso
No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente
No requiere lubricación ni enfriamiento
Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos
Su reacción es instantánea
No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de
múltiples usos
No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia
Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento
Desventajas




Es el motor que más combustible consume
Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es
supersónico
En los motores de propulsante sólido, una vez comenzada la reacción esta no
se puede detener
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
32
Motores Cohetes
Cohetes químicos líquidos
Cohetes químicos sólidos
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Contenido





Introducción a la propulsión
Principios de la propulsión
Empuje
Balance energético
Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
34
Generación Empuje
Tubo cerrado: no existe empuje
Chorro de salida -> Empuje no estacionario
𝑝 < 𝑝𝑎𝑎𝑎
Tubo abierto: empuje instantáneo
Suministro de gas para mantener 𝑝 = 𝑝0 < 𝑝𝑎𝑎𝑎
Existe empuje estacionario
¡¡La geometría interna de un aerorreactor
es muy complicada !!
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Geometría Compleja
F100
Pratt & Whitney GP7000
F404
Generación Empuje

Métodos globales de análisis

Aplicación de las leyes de conservación en un volumen
de control
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Empuje

E – empuje
G – gasto de aire
c – gasto de combustible
Vs – velocidad de salida
V0 – velocidad del aire
Truborreactor
Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo
c<<G (2%)

Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del aire por unidad de tiempo
Para G y 𝑉𝑠 conocidos → 𝐸
Turbofan
Gf – gasto de aire flujo secundario
Vsf – velocidad de salida flujo secundario
Hay que considerar el empuje generado por el chorro secundario

Motores cohete
Propulsión fluidomecánica
𝑚̇ → gasto de propulsante
Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo

Hélice
Empuje es la tracción de la hélice -> problema de alas giratorias
Vs – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas abajo de la hélice
V0 – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas arriba de la hélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Balance energético
Balance energético permite analizar la eficiencia del sistema que genera la fuerza propulsiva

Rendimiento motor
No toda la energía calorífica se transforma en mecánica-> energía térmica de los gases de salida

Rendimiento propulsivo
No toda la energía mecánica neta se transforma en útil -> energía cinética del propulsante

Rendimiento motopropulsor
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
39
Integración Motor-Avión

Motores en góndola bajo las alas:








Representan un seguro en caso de incendio (están
separados del ala).
Tomas de entrada y de salida cortas -> mejor rendimiento
del motor.
El peso de los motores ayuda a reducir el momento flector
en el ala.
Los motores son mucho más accesibles.
En caso de fallo, generan una resistencia aerodinámica
elevada, así como un momento de guiñada que hay que
compensar.
Se requiere un tren de aterrizaje más largo (y pesado) para
que los motores no impacten en el suelo.
Generan efectos de soplado que ayudan a evitar el
desprendimiento en algunas zonas del ala
A 380
Handley Page Victor
Motores fusionados en el ala:




Mejoran la eficiencia aerodinámica del avión.
En caso de fallo de motor, producen una reducida
resistencia y un reducido momento de guiñada.
Son menos accesibles y más difíciles de mantener.
Pueden suponer un peligro en caso de incendio.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
40
Integración Motor-Avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
41
Integración Motor-Avión

Motores en el fuselaje:



Apenas generan momento de guiñada en caso de fallo.
Mejoran la estabilidad longitudinal del avión.
Permiten acortar el tren de aterrizaje, haciendo este más
pequeño y menos pesado:




Se acerca el avión al suelo, lo que facilita las tareas de handling.
Se ven afectados por la capa límite del fuselaje.
Aumentan el ruido en cabina.
Accesibilidad más reducida.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
42
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Bibliografía

[Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de
2007.

[And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000.

Wikipedia (imágenes):



Airliners (imágenes):


http://es.wikipedia.org
http://en.wikipedia.org
http://www.airliners.net
The 2007 Russian Industry Air Show (imágenes).
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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