PROPULSIÓN DE AERONAVES

Transcripción

1 PROPULSIÓN DE AERONAVES Profesores Juan Manuel Tizón Pulido (ATA) José Javier Álvarez García (NSA) Departamento de Motopropulsión y Termofluidodinámica

2 Lección 1a: Principios de la propulsión y Clasificación Introducción Principios de la Propulsión Clasificación de sistemas

3 Algunas consideraciones El grueso de la propulsión de aeronaves tiene lugar con motores a reacción (ciclo Brayton). Los turborreactores son los sistemas que presentan la mejor relación peso/potencia. Tiene 70 años de vida y en este tiempo han multiplicado/dividido por tres (de 3 a 5) sus cualidades (consumos, potencias, emisiones,..). El mercado mundial produce alrededor de unidades al año con un precio medio de 1M /ud. Típicamente, los costes de operación y mantenimiento triplican el de adquisición.

4 Introducción a la Propulsión RAE (Vigésima segunda edición) propulsión. 1. f. Acción y efecto de propulsar. ~ a chorro. 1. f. Procedimiento empleado para que un avión, proyectil, cohete, etc., avance en el espacio, por efecto de la reacción producida por la descarga de un fluido que es expulsado a gran velocidad por la parte posterior. propulsar.(del lat. propulsāre). 1. tr. Impeler hacia adelante. 2. tr. Rechazar, repulsar. turborreactor. 1. m. Aer. Motor de reacción del que es parte funcional una turbina de gas. turbohélice. 1. m. Motor de aviación en que una turbina mueve la hélice. Claves La tercera ley de Newton establece la imposibilidad de que existan fuerzas aisladas, siempre van en parejas. Que Arquímedes mencionase las palabras punto de apoyo implica la intervención de, al menos, dos cuerpos. El hecho de la propulsión de un cuerpo, busca el cambio en el estado de movimiento de éste e implica el de, al menos, dos cuerpos. Debe suministrarse energía al sistema para el cambio sufrido por todos los cuerpos implicados, lo que supone un exceso, respecto a la estrictamente utilizada por móvil de interés.

5 Principios de la Propulsión Conservación de la cantidad de movimiento Consideremos un sistema formado por un vehículo de masa M y N partículas de masas m i. La variación de la cantidad de movimiento total del sistema respecto al tiempo es igual a la suma de fuerzas exteriores: dmv N d F mv MV ext i i dt dt i1 Si el sistema esta aislado del exterior (F ext =0) al integrar la ecuación partiendo de una situación inicial de reposo (todas las velocidades iniciales de las partículas del sistema son nulas) se tiene para un instante genérico: m v 0 i i m m, v mv m i i i Tomando las definiciones habituales para el movimiento del centro de masas del sistema de N partículas: Permite expresar que la variación de la cantidad de movimiento que experimenta el vehículo es igual y contraria la que sufre el resto del sistema, que se comporta como un segundo cuerpo de masa m y velocidad v: MV mv, V v m M Sii N 0( un solo cuerpo) V 0 En concreto, el valor del modulo de la velocidad del vehículo, V, es proporcional a la del centro de masas del resto del sistema, v, pero téngase en cuenta la relación de masas entre ambos cuerpos, (m/m), que pondera la proporcionalidad, pues va a ser de suma importancia en lo que sigue. F ext V m i v i M

6 Principios de la Propulsión Conservación de la energía El incremento de energía mecánica del sistema será consecuencia de la liberación de cierta cantidad de energía interna (U) que no será aprovechada completamente (-Q) en forma de trabajo individual sobre cada particula: N N i i i i U Q MV mv MV mv mu i1 i MV 1 v V 2 MV 1 M m F ext 0 V m i v i M En un análisis simplista de la situación, si nuestra intención era dotar de movimiento al cuerpo de masa M, esperábamos emplear al menos la energía cinética que adquiere (1/2MV 2 ), sin embargo, la energía mecánica puesta en juego incluye al inevitable movimiento del resto de partículas del sistema (reacción) y la energía total empleada por supuesto excede a la mecánica generada (segundo principio): E MV 1 2 M Total 2 1 Total M MV 1 v V E MV M m U E E Propulsión Segundo principio

7 Conclusiones Principios de la Propulsión Las leyes de la Mecánica Clásica muestran que las fuerzas (propulsivas), único camino para cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, se manifiestan por parejas actuando sobre cuerpo diferentes: Siempre intervienen DOS CUERPOS La energía mínima a necesaria es la suma de energía mecánica de todos los cuerpos La propulsión perfecta no existe, siempre se debe emplear más energía de la imprescindible. El consumo energético se puede manipular mediante un diseño adecuado (m, M, v) U E E Total M 2 2 v 1 2 M ETotal EM 1 2 MV 1 V m Sistema motopropulsor La energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustibles. Los sistemas que producen potencia mecánica a partir de la energía interna de un combustible se denominan MOTORES. Los sistemas que generan una fuerza propulsiva a partir de potencia mecánica s se denominan PROPULSORES. Los Motores a Reacción generan una fuerza propulsiva a partir de la energía interna contenida en un combustible y se denominan MOTOPROPULSORES. Q cl Potencia Fuerza agua

8 Ejemplos de propulsión Aérea Marítima Terrestre Mixta?

9 Coste energético

10 Funcionamiento básico

11 Funcionamiento básico

12 Definiciones previas. Glosario Empuje, E GVsV0 N Fuerza propulsiva proporcionada por el motor. 1 dw Gasto de combustible, cg0 dt kg s En sistemas no-autónomos el único propulsor transportado por el vehículo es el reductor (combustible), el oxidante lo proporciona el aire atmosférico. Gasto de aire, G V ndakg s Es la cantidad de masa de aire que atraviesa el motor por unidad de tiempo. Su papel es primordial constituyendo el segundo cuerpo implicado en el fenómeno propulsivo Impulso, I E G Vs Isp E c m s En motores cohete, se define como el empuje dividido por el gasto de propulsante. En sistemas no-autónomos admite dos definiciones. Consumo específico, CE c E kg sn Es el gasto de combustible dividido por el empuje. Es una variable de calidad muy monetaria. Velocidad de salida, Vs RTs Tmax m s Velocidad, relativa al motor, en la sección de salida. Radio de acción y autonomía Las variables típicas que caracterizan la misión de un avión. Será de especial interés la ecuación de Breguet: 1 dr V L D C dw W Relación empuje-peso, E W Es una de las variables de calidad del motor más importantes ( y también difícil de anticipar) Rendimiento motor M 2 GV s V 0 cl También llamado térmico, es el cociente entre la potencia mecánica obtenida y la calorífica suministrada. 1 Rendimiento propulsivo P EV 2 G V s V Eselcocienteentrelapotenciaútilempleadaenvolary la mecánica suministrada por el motor. Rendimiento motopropulsivo MP MP Es inversamente proporcional al consumo especifico. g 0 0 E

13 Motores a reacción: Clasificación Sistemas no-autónomos Producen fuerza propulsiva empleando el aire atmosférico como propulsante en el doble papel de reactante en un proceso de liberación de energía química mediante la combustión de un combustible y como segundo cuerpo implicado en el principio de acción-reacción que proporciona una fuerza propulsiva al vehículo de interés. Sistemas autónomos La fuerza propulsiva aparece como reacción a la descarga, a gran velocidad, de propulsantes almacenados previamente en el vehículo, sin necesitar la intervención de ninguna sustancia externa.

14 CLASIFICACIÓN MOTORES DE REACCIÓN NO AUTONOMOS (AERORREACTORES) AUTONOMOS (MOTORES COHETE) CON SISTEMA DE COMPRESION Propulsión química Propulsión nuclear TURBORREACTOR TURBOHELICE TURBOFAN CON POSTCOMBUSTIÓN TURBOEJE SIN SISTEMA DE COMPRESION Propulsión eléctrica ESTATORREACTOR PULSORREACTOR

15 Turborreactor COMPRESOR TURBINA TOMA DE ENTRADA TOBERA CÁMARA DE COMBUSTIÓN

16 Turbina de gas TIPOS Heavy duty Aeroderivadas Industriales Pequeñas Microturbinas

17 Turboeje

18 POST COMBUSTIÓN

19 Turbohélice

20 Turbofan

21 Turbofanes:Tipos

22 Estatorreactores RAMJET SCRAMJET

23 Pulsorreactor

24 Motores a reacción: Utilización Impulso específico (segundos) Número de Mach de vuelo

25 Rango de utilización

26 Eficiencia de uso RENDIMIENTO PROPULSIVO TURBOHELICE VELOCIDAD DE VUELO (km/h)