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 7 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 21 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 30 Motores Cohete - I Tipos de Cohetes Químicos Eléctricos Nucleares Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 31 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 33 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 35 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 37 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 38 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 49
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