DISEÑO DE MOTORES PARA LA PROPULSION AEROESPACIAL

Transcripción

1 DISEÑO DE MOTORES PARA LA PROPULSION AEROESPACIAL Elaboro: Pablo Alejandro Arizpe Responsable: Cuerpo Académico de Ingeniería en Aeronáutica de la Universidad Politécnica Metropolitana de Hidalgo

2 IMPORTANCIA EN LA PROPULSION El término de propulsión de puede definir como la acción de un cuerpo rígido que tiende a desplazarse por el incremento en la cantidad de movimiento que provoca un impulso de la misma magnitud pero en sentido contrario a la fuente que se acelera para provocar dicho cambio y llevar cubrir una necesidad de estabilidad o translación. Las aplicaciones más lejanas en propulsión tienen como un antecedente histórico el empleo de fuentes energéticas inagotables en el transporte, teniendo como principal ejemplo a la navegación a vela, que empleaba la energía eólica de una manera práctica y sencilla para impulsar los navíos. La posterior aparición de los molinos de viento reforzaba este concepto, y con los molinos de agua se asentaban las primeras bases de la Energía hidráulica, sumado además a un rediseño de los edificios para aprovechar de la mayor manera posible la energía solar durante el día. Durante la mayor parte de la historia humana antigua, el sistema de propulsión dependió de los flujos naturales de energía y de la fuerza animal y humana. Fue a partir de la revolución Industrial cuando el sistema energético mundial pasó por una transición significativa; la máquina de vapor alimentada por carbón. A partir de la revolución industrial las energías renovables perdieron importancia paulatinamente debido a la aparición de energías de mayor concentración obtenidas a partir de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y posteriormente la energía nuclear. Aunque en la actualidad se ha hablado mucho de la sustitución del petróleo por energías alternas debido al agotamiento de los recursos fósiles, el aumento de la dependencia con el exterior (se consume más de lo que produce y el consumo no se detiene) y las amenazas que se ciernen sobre el medio ambiente se debe preparar un mejor futuro para el abastecimiento energético reduciendo la dependencia, creada desde la revolución industrial, respecto de los combustibles fósiles. La fuerte oposición social a la energía nuclear debido al accidente de TMI II (Harrisburg, EEUU 1979) y la demanda de reducir las emisiones de CO2, realizada por primera vez en la conferencia de Toronto de 2

3 1988 en base a posibles cambios climáticos mundiales, fueron los principales hechos desencadenantes del cambio. Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con un potencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollo permitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar la base industrial en un área que puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía convencionales. Se puede clasificar a las diversas formas de propulsión como sigue: 1. Propulsión basada en combustible fósil 2. Propulsión eléctrica 3. Propulsión alterna Dentro de la primera clasificación podemos mencionar a los motores de combustión interna y externa que se clasifican de acuerdo al ciclo termodinámico con el que trabajan para llevar a cabo la generación de energía mecánica o propulsión, en materia aeronáutica para propulsar aeronaves pequeñas se usan motores alternativos basados en el ciclo Otto y para aeronaves de gran velocidad y/o tamaño y peso se usan aeroreactores basados en el ciclo Joule Brayton como son el turborreactor, turboventilador, turbohélice y turbo eje principalmente. La propulsión eléctrica es un medio muy versátil de propulsión ya que se puede considerar como energía limpia, generalmente es alimentada por acumuladores o generadores eléctricos que son movidos por motores de combustión fósil, este tipo de propulsión se pensó antiguamente para propulsión vehículos totalmente sumergidos en un fluido líquido y poco a poco ha tomado importancia en la propulsión aeroespacial cuando se habla de motores iónicos o de plasma. La propulsión alternativa es aquella que no necesita de un motor para llevarse a cabo, como la energía eólica que puede propulsar a un velero, el cambio de área transversal en un conducto puede incrementar la cantidad de movimiento de un fluido circulante al 3

4 reducirse o al aumentar la velocidad, un medio muy común para el bombeo de combustible en un motor cohete es que una especie de bolsa fabricada de un material compuesto flexible aumenta su tamaño y por consecuencia empuja a un fluido que fluye en una tubería presurizada hacia un generador de gas para empezar con el proceso de combustión en estos motores. 4

5 PROPULSION AEROESPACIAL Motores para la propulsión aeroespacial Motores para la propulsión aeronáutica Térmicos Electro térmico Eléctricos Aeroreactores Alternativos Químicos Nucleares Plasma Iones Combustible sólido (MCS) Combustible líquido (MCL) Turbo reactor Turbo ventilador Turbo hélice Turbo eje Otto Tabla 1 Clasificación de motores empelados en la industria aeronáutica y aeroespacial 5

6 La propulsión aeroespacial es muy versátil ya que debe ser capaz de generar empujes muy grandes para el lanzamiento de cohetes portadores y también empujes pequeños para estabilización en órbita de satélites, en la tabla 1 se muestran diferentes tipos de motores para la propulsión aeroespacial. Los motores térmicos empleado en la propulsión aeroespacial son los más comúnmente conocidos dividiéndose en dos grandes grupos, los motores térmicos químicos y en los motores basados en energía nuclear. Dentro de los motores químicos se puede mencionar a los motores que emplean combustible líquido, los cuales mezclan un carburante con un oxidante de forma vaporizada a la cámara de combustión generando propulsión con una gran fuerza de empuje, en la tabla 2 se muestra las mezclas más comunes de estos combustibles, así mismo su temperatura máxima de combustión y la velocidad (Wa) del chorro de los productos de la combustión. Componentes T(K)(combustión) Wa(m/s) F 2 + H O 2 + H O 2 + Keroseno N 2 O 4 + H HNO 3 + Keroseno Tabla 2 Tipos de combustibles para motor cohete de combustible liquido Este motor es muy complejo ya que cuenta con diferentes sistemas que optimizan su funcionamiento como es el caso del sistema de bombeo que dependiendo de su configuración es un sistema esencial para repartir la mezcla de los reactivos de la combustión en cantidades apropiadas (estequiometria) y llevarlos a la cámara de combustión, también se cuenta con el sistema de refrigeración y precalentamiento que ayuda a disminuir la temperatura de la estructura del motor y precalienta el fluido carburante para una buena combustión, el sistema de recolección de agua en caso de usar la mezcla de hidrogeno y oxígeno, esta agua es 100% reutilizable y potable, el sistema de inyección que ayuda a vaporizar en finas gotas al combustible, el sistema de encendido que es muy importante para que se enciendan varias etapas de motores y aumentar la 6

7 confiabilidad del motor, el sistema de escape que es prácticamente el diseño de la toberas y por supuesto se debe mencionar al sistema de dirección del vehículo. Siguiendo con los motores químicos también existe el motor de combustible sólido el cual es muy confiable ya que cuando se enciende ya no se apaga hasta que se consuma por completo dicho combustible. Dependiendo de su estructura y diseño se tienen frentes de combustión como se muestra en la siguiente figura, en donde se visualiza la velocidad de combustión (V COMB ) en relación al tiempo que se consume (t), Fig. 1 Frentes de combustión en un motor químico de combustible solido Otro tipo de motor térmico comúnmente usado es el que se basa a través de la energía nuclear, este tipo de motor si se construye con normas estrictas de seguridad genera un alto rendimiento y es muy seguro pero también costoso ya que emplea uranio 235 ( 92 U 235 ) como componente principal para la energía nuclear e hidrogeno como fluido de trabajo, se utiliza hidrogeno debido a su bajo peso molecular, lo cual otorga altas velocidades a la salida. Está constituido por un sistema de tubos energéticos nucleares, donde se hace la reacción química. Este tipo de motor se emplea en aparatos cósmicos de tamaño mediano como lo son que realizan viajes interplanetarios o estaciones espaciales. 7

8 Como parte de la propulsión aeroespacial con energía alterna se puede mencionar los motores electro-térmicos que se pueden clasificar en dos tipos: Motor de calentador eléctrico o termo catalizador y motor circular o de arco eléctrico. En el primero el flujo másico ingresa al motor y por medio de una resistencia lo calienta para direccionarlo hacia una tobera, este motor es de empuje pequeño, alrededor de 0.1N, y tiene la limitante de la resistencia (la temperatura máxima que se alcanza con la resistencia), también utiliza para la recuperación de energía películas térmicas en el perímetro de dicho motor y alcanza velocidades de flujo de hasta 3500m/s. En el segundo tipo de motor, el cual se muestra en la figura 2, existen dos entradas para flujo másico, la primera es para un plasma frio y el segundo para un plasma caliente. Fig. 2 Motor de arco eléctrico o circular La velocidad de salida es de alrededor 35000m/s y su empuje abarca los rangos desde 10 a hasta 100N y es utilizado para aparatos cósmicos de pequeño tamaño. Por ultimo en la propulsión aeroespacial se emplean de forma común los motores que entran en la clasificación de eléctricos como lo son, los motores de plasma y los motores iónicos, en el motor de plasma también denominado motor magneto dinámico, existen 2 tipos de corrientes, una para el impulso y la otra para movimiento mecánico. Las paredes del motor sirven de ánodo, a las cuales se les induce una corriente eléctrica de tal forma que generan entre ambas una corriente, también utilizan un arco eléctrico que sirven de cátodos, pero no es de doble flujo, La velocidad de salida es alrededor de 100Km/s, la cual es muy alta pero el empuje también depende del flujo másico, el cual es pequeño como todos los motores de su tipo. En el caso del motor iónico que también se 8

9 puede considerar como un motor electroestático, utiliza iones como fluido de trabajo aunque en forma estricta no se le puede llamar fluido aunque su comportamiento sea el mismo. Hay tres tipos de ionización, térmica, nuclear y de radiofrecuencia, se entiende por ionización al proceso de producir iones; los iones se producen a través de un gas de trabajo. Este motor consta de dos partes principales, la fuente de iones y el acelerador, la velocidad teórica de salida puede alcanzar hasta los 150km/s con potencia de 1KW debido a su pequeño flujo másico. Entrando en la propulsión aeronáutica, se debe hablar del término común de propulsión a chorro, los motores más comunes que se emplean en aviación son los aeroreactores los cuales se describen brevemente a continuación y se basan en el ciclo termodinámico Joule-Brayton Fig. 3 Dibujo esquemático de Turboreactor En el esquema anterior se muestra un turborreactor (TurboJet) donde el aire pasa por el difusor disminuyendo la velocidad, después fluye de manera continua hacia la entrada del compresor donde se comprime y es enviado a la cámara de combustión. Los gases productos de la combustión que se originan en la cámara de combustión con elevada presión y temperatura fluyen hacia la sección de la turbina. La función de la turbina es extraer cierta cantidad de energía de presión de los gases que pasan por ella, producto de la combustión. La energía que se extrae se invierte en comunicar un par de giro al compresor (trabajo mecánico), y por ello la turbina y el compresor están unidos mecánicamente mediante uno más ejes. A continuación, se puede incorporar una sección de post-combustión en donde es aprovechado el remanente de oxígeno, que no fue 9

10 utilizado en la cámara de combustión, para realizar una nueva reacción química e incrementar la energía cinética de los gases y la variación en la cantidad de movimiento. La turbina también suministra la potencia necesaria para accionar los distintos sistemas como bombas, generadores, aunque la fracción que absorben estos es muy pequeña en comparación con el compresor, con lo cual se puede mencionar que el trabajo de la turbina es igual al trabajo del compresor. El Turboventilador (TurboFan) es el tipo más común de la turbina de gas usado para la propulsión de aeronaves. Una parte del aire entra en el motor (core o núcleo) y se comprime, pasando a la cámara de combustión. Este funcionamiento es idéntico al del turborreactor. Pero no toda la energía se utiliza para mover al compresor. Parte de la energía que extrae la turbina, se emplea en accionar un ventilador que genera otro flujo paralelo realizando el empuje. El consumo específico de combustible es bajo así como la eficiencia es relativamente alta por lo que esta configuración de motor es excelente para uso civil y militar. Los turboventiladores suelen evaluarse en función de su relación de by-pass que se define como el cociente entre los gastos de corriente (cantidad de volumen de aire por segundo) del by-pass (corriente fría) y del compresor. El Turbohélice (TurboProp) desarrolla más potencia que la necesaria para el accionamiento del compresor, y transmite la potencia sobrante a una hélice. Desde el punto de vista de la transformación de la energía, la diferencia entre un turboreactor y un turbohélice consiste en que en el turboreactor, el empuje lo produce únicamente la variación de la cantidad de movimiento del flujo que atraviesa el motor, mientras que en el turbohélice lo produce principalmente la hélice (uno genera empuje y otro genera tracción). Fue ideado originalmente para ahorrar combustible y mejorar la eficiencia térmica del motor a reacción, especialmente cuando se trabaja a velocidades subsónicas elevadas. Pronto se descubrió que ejercía una influencia considerable en el ruido, problema que se agravó con la entrada en servicio comercial de un gran número de aviones de propulsión a reacción. Se utiliza para aeronaves que no alcanzan grandes techos operativos (altitudes) debido a que la disminución en la densidad del aire provoca un barrido en la hélice perdiendo eficiencia y potencia. 10

11 El turbo eje (TurboShaft) corresponde con la configuración de una turbina de gas de tipo industrial pero aplicada al medio aeronáutico, se emplea mucho en la propulsión de helicópteros debido a su forma compacta. Está formado de tres rotores y estatores, su utilización puede ser por parte de la aviación comercial y de la militar no hay restricción. Por ultimo tal vez el motor más antiguo usado en aviación es el motor alternativo basado en el ciclo termodinámico Otto, Un motor en base al ciclo Otto para aviación trabaja con 4 tiempos, el pistón genera 2 movimientos hacia arriba y 2 hacia abajo y en cada movimiento se genera un tiempo. El motor de 4 tiempos en cada 2 revoluciones del cigüeñal se genera una explosión o trabajo, entre las características técnicas del motor resaltan la relación de compresión, geometría, temperatura máxima, torque, numero de cilindros, potencia y la cilindrada, dichas características nos definen al motor y nos dan una idea de su rendimiento y calidad como maquina térmica generadora de potencia para mover una hélice y generar tracción en la aeronave. Por eso es vital para el ingeniero mecánico y aeronáutico conocer esos parámetros a fondo. Este tipo de motor e emplea para aeronaves de pequeño y mediano tamaño su velocidad está limitada, así mismo su techo operativo. 11