Introducción a la Ing. Aeroespacial

Transcripción

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 Curso

2 Contenido Principios de la propulsión Empuje Balance energético Integración motor-avión 2

3 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: Aerorreactores Motores cohete Propulsión por hélice Motor alternativo + hélice Turboeje + hélice Propulsión mixta Turbohélice 3

4 Inicios de la propulsión Herón de Alejandría: aeolipile Hélices de da Vinci Cohetes de pólvora en China (s XII) MC Químico de Tsiolkovsky (1903) Turborreactor: Whittle (1941) Hans von Ohain (1939) Tsiolkovsky 4

5 Inicios de la propulsión Turborreactor: Whittle (1941) Hans von Ohain (1939) Me Gloster E

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 Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor) Estatorreactores Pulsorreactores Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares) PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje 6

7 Propulsión por hélice Motor alternativo Turboeje Turbohélice 7

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 8

9 Turborreactores 9

10 Turboreactor 10

11 Turbofan Los motores de aviación tipo turbofan, son la nueva generación de motores a reacción que reemplazo a los motores turboreactor. 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. 11

12 Turbofanes 12

13 Turbofanes 13

14 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 A. Low pressure spool B. High pressure spool C. Stationary components

15 Aerorreactores sin compresor Estatorreactor (ramjet) Scramjet (supersonic combustion ramjet) 15

16 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. 16

17 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).

18 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.

19 Aerorreactores sin compresor Pulsorreactor (pulse jet) 19

20 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 Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor) Estatorreactores Pulsorreactores Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares) PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje 20

21 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

22 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

23 Turboeje + Hélice 23

24 Propulsión por hélice II 24

25 Propulsión por hélice III 25

26 Propulsión por hélice IV 26

27 Propulsión por chorro Aerorreactores: Con compresor: Turborreactores Turbofanes Sin compresor Estatorreactores Pulsorreactores Motores cohete Químicos Eléctricos Nucleares 27

28 Generación Empuje La geometría interna de un aerorreactor es muy complicada!! 28

29 Geometría Compleja F100 Pratt & Whitney GP7000 F404

30 Generación Empuje Métodos globales de análisis Aplicación de las leyes de conservación en un volumen de control 30

31 Empuje Truborreactor E empuje G gasto de aire c gasto de combustible V s velocidad de salida V 0 velocidad del aire c<<g (2%) Turbofan Motores cohete G f gasto de aire flujo secundario V sf velocidad de salida flujo secundario Hélice gasto de propulsante 31

32 Balance energético Rendimiento motor Rendimiento propulsivo Rendimiento motopropulsor 32

33 Planta Propulsora Motores de Pistón - I Diferentes configuraciones en función de si se utilizan motores de pistón, o motores de reacción. Motores de pistón por lo general tiene dos configuraciones: 1 solo motor en el fuselaje 2 o + motores en el ala Motores en configuración pusher o puller (tractora) La selección de configuraciones muchas veces tienen en cuenta el evitar posibles asimetrías por el fallo de motores: combinaciones pusher-puller Desde el punto de vista aerodinámico y estructural, colocar los motores delante de las alas resulta la opción más atractiva. La estela de la hélice tiene un efecto favorable en las características de entrada en pérdida. Aumenta la sustentación del ala, en especial cuando las superficies hiper-sustenatadoras del borde de salida (trailing edge) Si uno de los motores falla, se produce un efecto adverso aerodinámicamente producido por las hélices. La variación de potencia variará el efecto de downwash en la cola lo cual es crucial teniendo en cuenta la influencia estabilizadora de las superficies de cola Adam A500 Beechcraft Starship Cálculo de Aviones 2009 Sergio Esteban Roncero, sesteban@us.es VariEze 33

34 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, 34 Planta Propulsora Motores de Pistón - II

35 Planta Propulsora Motores a reacción - I Originalmente surgieron para cubrir las necesidades de aviones militares La planta motora puede estar: Completamente implementada o bien en el fuselaje, caso de los aviones militares, o en el ala Colgando utilizando una góndola Avro Vulcan B-47 Stratojet Handley Page Victor B-1 Vickers Armstrong Valiant Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, sesteban@us.es 35

36 Planta Propulsora Motores a reacción - II Debate entre motores fusionados con el ala y motores en góndolas: Motores en góndola: Motores separados adecuadamente por góndolas representa un seguro en el evento de un incendio de uno de los motores. Minimizando el que el combustible se extienda por el ala. Las tomas de aire y de salida, al ser más cortas propician que los motores operen en condiciones más óptimas. El peso de los motores y de las góndola, si están colocadas en los lugares precisos ayudan a reducir el par de momento generado por la sustentación de las alas, por lo que permite la reducción estructural del ala. Si los motores se colocan por delante de la línea de flexión del ala pueden servir de amortiguación en situaciones de flameo (flutter). Los motores en góndolas tienen un efecto favorable en el flujo del aire en ángulos de ataque elevados y tienden a contrarrestar los efectos de pitch-up de las alas con flecha. Los motores son mucho más accesibles. Motores fusionados en el ala: Establecen que los beneficios derivados de tener un motor en góndola pueden ser contrarrestados por los motores fusionados en el ala. Handley Page Victor B-1 A 380 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, sesteban@us.es 36

37 Planta Propulsora Motores a reacción - III Motores fusionados en el ala (cont): Peso en vació: Ahorro de peso estructural del ala colocándolo en el ala. Alivio de torsión en el ala interior. Motores colocados demasiado hacia el exterior Aumentan las cargas de impacto al aterrizar. Necesitan superficies verticales elevadas. Motores en la parte trasera: Requiere refuerzo de la estructura trasera Perdida de espacio efectivo en la zona de carga trasera. Aumento de las dimensiones del fuselaje pero con misma carga. Mantenimiento de los motores: Por lo general, los motores debajo de las alas son los más fáciles de acceder. Flexibilidad de carga: Depende de la posición relativa de la carga con respecto del Xcg. Actuaciones - Rendimiento: Resistencia. Motores montados en ala: Una buena configuración de conjunto motor-góndola Aumento de la resistencia dinámica y reducción de la resistencia crítica de Mach Fallo de motores: resistencia aumenta rápidamente en función de la distancia lateral del motor que ha fallado Máxima sustentación: no está claro si es mejor motores montados en ala o configuración limpia. Unos dicen que 20% aumento configuración limpia. Otros artilugios para satisfacer control de cabeceo en perdida ensucia Selección del tipo de motor en función del régimen de vuelo. Gradiente de subida máximo en 2º segmento con fallo de motor crítico. Handley Page Victor An-255 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, sesteban@us.es 37

38 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, 38 Planta Propulsora Motores a reacción - IV Flying Qualitites: Entrada en perdida. Control sin motor. Capadidad Go-around. Repetitividad de ciclos. Características de Dutch Roll en crucero. Configuración cola en T con motor en cola (deep stall) Fallo de motor aumento considerable del par de guiñada. Ingestión de objetos externos. Posición: Dependiente del tipo, número y tamaño Aviones con tres motores, motor central colocado en cola. Aviones con un solo motor, tiene que estar incorporado en el fuselaje, y hay que tener en cuenta la toma de aire Número de motores: Criterios estructurales. Economía. Selección final del motor: Empuje o potencia. Ruido Peso. Consumo específico. Precio. Mantenimiento.

39 Planta Propulsora Motores a reacción - V Son igual de importantes tanto las entradas como las salida de aires para aquellos aviones con motores incorporados en el fuselaje: Entradas de aire: Hay que asegurarse que a diferentes ángulos de ataque el aire que entra es el adecuado. Asegurarse que la estela del ala en perdida no entra por la toma de aire Entradas de aire laterales general resistencia adicional, por lo que hay que intentar reducirlas al mínimo. Salidas de aire: No direccionar hacia partes del fuselaje. Tener en cuenta el cono de expansión de la salida de gases. La salida de gases se suele hacer de materiales pesados (acero inoxidable) por lo que se requiere reforzar estructuralmente donde estén ubicados. Sipa 300 Hawker Hunter Fokker S 14 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, sesteban@us.es 39

40 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, 40 Planta Propulsora Motores a reacción - VI De Havilland Vampire Hawker Hunter

41 Cálculo de Aviones 2011 Sergio Esteban Roncero, 41 Planta Propulsora Motores a reacción - VII

42 Integración motor-avión 42

43 Integración motor-avión 43

44 Integración motor-avión 44

45 Interacción motor-avión

46 Interacción motor-avión

47 Interacción motor-avión

48 Interacción motor-avión

49 Interacción motor-avión

50 Interacción motor-avión

51 Bibliografía [And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de Wikipedia: