SISTEMAS DE PROPULSIÓN

Transcripción

1 SISTEMAS DE PROPULSIÓN Curso 2º - Plan 2005 Juan Manuel Tizón Pulido [email protected]

2 SISTEMAS DE PROPULSION (4,5 créditos) En el Plan de Estudios 2000 (95 modificado), la Materia Troncal de Primer Ciclo Ingeniería Aeroespacial de 9 créditos se imparte en dos asignaturas: AVE: Aeronaves y Vehículos Espaciales (4,5) SPr: Sistemas de Propulsión (4,5) La asignatura SPr está adscrita al Dpto. de Motopropulsión y Termofluidodinámica y se imparte durante el 2º Cuatrimestre del 2º curso de la titulación. Se desarrolla en 3 horas semanales y consta de dos partes: Motores de Reacción, MR. Motores Alternativos, MA. Profesores (MR) Grupo A: José L. Montañés Grupo B: Juan M. Tizón Grupo C: Gregorio Corchero Grupo D: Gregorio López Profesores (MA) Grupo A: Efrén Moreno Grupo B: Emilio Navarro Grupo C: Juan R. Arias Grupo D: Angel Velázquez

3 SISTEMAS DE PROPULSION Objetivos El objetivo fundamental de la asignatura es proporcionar conocimientos básicos sobre los distintos t sistemas que se utilizan en la propulsión de las aeronaves y naves espaciales. Evaluación Examen tipo test: Peso relativo MR: 2/3 Peso relativo MA: 1/3 Asistencia a las clases de laboratorio. Entrega de un ejercicio (bonificación de la nota final) Liberación de partes por separado.

4 SISTEMAS DE PROPULSIÓN CONTENIDO (4,5 créditos) Introducción a la Propulsión (4h) Requisitos de los sistemas de propulsión(4h) Aerorreactores (15h) Análisis del ciclo termodinámico. Comportamiento motor y propulsor. Actuaciones de aerorreactores. Ejercicios de clase. Motores Cohete (3h) Prácticas de laboratorio (2h) Motores Alternativos(18h)

5 SISTEMAS DE PROPULSIÓN BIBLIOGRAFÍA BÁSICA Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Hill & Peterson. Teoría de los Motores a Reacción, Steckin. The Jet Engine, Rolls Royce. The Aircraft Gas Turbine and its Operation, Pratt & Whitney. Diversas obras de Gordon C. Oates y Jack D. Mattingly

6 RR Trent 900 Peso = 6500 kg Gasto = 1000 kg/s Empuje = 375 kn Diámetro = 3 m Sistemas de Propulsión 6

7 Sistemas de Propulsión 7

8 SSME Propulsantes: Lox/LH2 Empuje(vac): 2278 kn. Isp: 455 sec. Tiempo de funcionamiento: 480 sec. Peso del motor: 3,177 kg. Diametro: 1.6 m. Longitud: 4.2 m. Presión de cámara: bar. Relación de áreas: Relación oxidante-reductor: Motor F1 SSME Sistemas de Propulsión 8

9 SISTEMAS DE PROPULSIÓN TEMA I: Introducción a la Propulsión Definición Principios de la propulsión Sistema MOTOR - PROPULSOR Funcionamiento básico Empuje: Definición y ecuaciones

10 RAE propulsión. Introducción a la Propulsión 1. f. Acción y efecto de propulsar. p ~ 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 granvelocidad por laparte posterior. propulsar.(del p ( lat. propulsāre). p ) 1. tr. Impeler hacia adelante. 2. tr. Rechazar, repulsar. Sistemas de Propulsión 10

11 Pi Principios i i de la Propulsión Consideremos un sistema formado por N partículas: F d( MV) = + N 1 ( ) ext i i dt dt i= 1 d mv En un sistema aislado (F ext = 0) al integrar la ecuación partiendo de una situación inicial de reposo se tiene: Finalmente: MV + i i = ( mv ) 0 m= m i MV = mv v = mv i i m V = m v M Sistemas de Propulsión 11

12 Pi Principios i i de la Propulsión Cuánto energía ha adquirido el móvil M? Δ E = Movil 1 2 MV Cuánto energía ha sido necesario suministrar al sistema? Δ ETOTAL = 2MV + 2mv 1 2 v 1 2 M Δ ETOTAL = 2MV 1+ = 2MV 1+ V m 2 1 Δ E TOTAL 2 MV 2 Cuál es la situación optima? Sistemas de Propulsión 12

13 CONCLUSIONES La necesidad de, al menos, un segundo cuerpo distinto al móvil de interés. La propulsión perfecta no existe, siempre se debe emplear mas energía de la imprescindible. El consumo energético se puede manipular. Concepto: MOTOR+PROPULSOR. Sistemas de Propulsión 13

14 SISTEMA MOTOPROPULSOR La energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustibles. Los sistemas que producen energía mecánica de un combustible se denominan MOTORES. Los L sistemas que generan una fuerza propulsiva de energía mecánica se denominan PROPULSORES. Los sistemas que generan una fuerza propulsiva de un combustible se denominan Motores de Reacción o MOTOPROPULSORES. Sistemas de Propulsión 14

15 RENDIMIENTOS Rendimiento Motor Energía Mecánica Producida / Energía suministrada del Combustible ( MV + mv )/ Q Rendimiento Propulsivo Energía útil para Propulsión / Energía Mecánica MV /( MV + mv ) Rendimiento Motopropulsivo (o Global): Energía Útil para Propulsión / Energía suministrada del Combustible MV / Q Sistemas de Propulsión 15

16 CICLOS TERMODINÁMICOS TEMPERATURA CICLO DE CARNOT Ciclo Ideal con el Mayor Rendimiento Posible 2 3 PRESIÓN ENTROPIA 1 VOLUMEN 4 Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - T1/T3 Valor Típico ~ 0,8

17 CICLOS TERMODINÁMICOS TEMPERATURA CICLO DE PRESIÓN CONSTANTE Ciclo Ideal de las Turbinas de Gas 3 2 PRESIÓN ENTROPIA 1 4 VOLUMEN Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - (P1/P3)^((γ-1)/γ) Valor Típico ~ 0,67

18 CICLOS OTTO Y BRAYTON Sistemas de Propulsión 18

19 TURBORREACTOR: Valores Vl típicos Sistemas de Propulsión 19

20 GENERACIÓN DE EMPUJE El empuje nace como reacción al aumento de la cantidad de movimiento que se produce en el fluido que lo atraviesa. Las paredes internas del sistema aerorreactor, en contacto con el fluido, producen fuerzas fluidodinámicas (de presión y fricción) sobre el mismo, que inducen un cambio ensucantidad d de movimiento. Como consecuencia de ello, el fluido, a su vez, produce las mismas fuerzas, pero en sentido contrario, sobre las paredes mojadas. DEFINICIÓN DE EMPUJE El empuje es el resultado de las fuerzas de presión y fricción sobre las caras internas y externas del motor menos las fuerzas de presión sobre las caras externas del motor Sistemas de Propulsión 20

21 EXPRESIÓN DEL EMPUJE Como se puede observar; en la figura se describe el proceso que tiene lugar en la descarga de un cilindro que contiene un fluido a presión mayor que la atmosférica. En el que por conservación de la cantidad de movimiento debe aparecer una fuerza de reacción sobre dicho cilindro. Así, cuando no hay velocidad d de vuelo y la presión de salida es la presión ambiente, el empuje vale: E = G V s De forma general, el empuje será: E = (G + c) V s -G V 0 +A s (P s -P 0 ) Sistemas de Propulsión 21

22 En unaerorreactor, se consume una cantidad d de combustible enla unidad d de tiempo c, entra un gasto de aire en la unidad d de tiempo G, con una velocidad V 0 en el infinito aguas arriba y salen un gasto de productos de combustión G+c, con una velocidad de salida V s. Empuje, E= ( (G + c) V s G V o Potencia calorífica del combustible consumida, Q= c L Potencia mecánica producida W m = ½(G + c) V s 2 ½G V 0 2 Potencia útil del empuje W u = E V 0 = [(G + c) V s G V 0 ] V 0 Sistemas de Propulsión 22