ACTUACIONES DE COMPONENTES DE AERORREACTORES COMPRESORES TURBINAS CÁMARAS S DE COMBUSTIÓN ENTRADAS TOBERAS Ref.: José Luis Montañes. Motores de Reacción. Apuntes ETSIA http://aristoteles.gate.upm.es/moodle/course/view.php?id=142
El estudio del punto de diseño es el punto central en el proceso de diseño de un aerorreactor. En él, se seleccionan la configuración de motor, parámetros del ciclo, tamaño y características de los componentes, para satisfacer una especificación. Pero las características de un aerorreactor empuje, consumo específico, temperaturas, velocidad de ejes, etc dependen de manera crucial de las condiciones de entrada y salida, las cuales están determinadas por la altura y la velocidad de vuelo: Envuelta de vuelo En definitiva la condición de operación del motor queda definida por: La potencia o nivel de empuje El punto dentro de la envuelta de vuelo ACTUACIONES DE AERORREACTORES Se conoce como Actuaciones de Aerorreactores, al conocimiento de las características de los mismos como función de las condiciones de vuelo (altitud, a,,y velocidad, V 0 ) y de su mecanismo de regulación
Necesidad del estudio de las actuaciones DISEÑO S ODEL MOTOR: OO Predecir el comportamiento to del motor en todos los segmentos de vuelo que definan la misión para asegurar que se cumplen los requerimientos asignados a la aeronave. DISEÑO DE LOS COMPONENTES: Establecer los escenarios de diseño de los diferentes elementos del motor, determinando las situaciones más exigentes y las especificaciones de diseño básicos que permitan el diseño endetalle detalle. LEYES DE CONTROL: Anticipar/establecer las leyes de control del motor que permitan su operación eficiente y segura. ENSAYOS: Diseño, planificación e interpretación de ensayos. INSTALACIÓN: Cálculo de las actuaciones del sistema avión motor y suministro del programa de simulación de motor al operador.
Desde el punto de vista del ciclo de vida del motor se necesita poder predecir las actuaciones del aerorreactor. El ciclo de vida de un aerorreactor puede ser subdividido en las siguientes fases: Diseño preliminar Diseño y verificación Diseño del sistema y desarrollo, y post-certificación y soporte en servicio
Determinación de las actuaciones de un aerorreactor: Experimental: muy costoso, en las fases preliminares no hay motor. Teórica: puede utilizarse en las fases preliminares y reduce el numero de ensayos (modelos de motor) El modelo de motor es la descripción matemática del comportamiento físico del aerorreactor. Puede ser aerorreactores de papel, en sus fases de diseño ó aeorreactores reales en operación Los componentes de motor, tales como el compresor, pueden también ser modelados separadamente. Durante el proceso de diseño de integración las características de los componentes tienen que ser acoplados en cuanto a flujo másico y velocidad de los ejes.
Condición de Diseño: V 0, a(t 0,P 0 ), N PROBLEMA DE ACTUACIONES DE AERORREACTORES Características de Diseño: π c, π cc, η i, T 4t, A s + + Modelo de Diseño Actuaciones de Diseño: E, G, c, C E, I sp Cambio en Condiciones de Vuelo: V 0, a (T 0,P 0 ) + Comportamiento + Leyes de Control + Modelo de Actuaciones Cambio en Funcionamiento: i E o N COMPONENTES Cambios en las Cambio de Características: Actuaciones: π c, π cc, η i, T 4t E, G, c, C E, I sp
Los modelos cero dimensionales de calculo de actuaciones de aerorreactores están basados en el conocimiento de lasactuacionesactuaciones de los componentes y necesario una rigurosa representación de las características de los mismos. Ejemplos :
Tipos: Actuaciones de compresores Generalidades(recordatorio) rotor AXIAL CENTRÍFUGO rotor
COMPRESORES AXIALES COMPRESORES CENTRÍFUGOS Relación de compresión por escalón 1,2 2,2 3,5-4,5 Relación de compresión global < 8 - Rendimiento adiabático 0.8-0.94 0.65-0.85 Gasto / Area frontal ALTO BAJO Diseño aerodinámico COMPLEJO SENCILLO Coste ELEVADO MODERADO
Problema de actuaciones de compresores: Obtener los parámetros que caracterizan el comportamiento del compresor en función de las condiciones de funcionamiento Considerar un compresor funcionando entre las estaciones 2 y 3 : sus parámetros característicos son: relación de compresión π 23 y rendimiento η 23 Las condiciones i a la salida del compresor P 3t y T 3t serán función de: Condiciones de entrada : P y T Condiciones de funcionamiento: gasto másico G y potencia suministrada ó revoluciones del comp. Características del gas : R, c P, μ,, k Diseño, caracterizado por una longitud característica, D = ( μ ) P, T f P, T, G, N, R, C,, k, diseño, D 3t 3t p Gran número de variables, para reducirlo análisis dimensional : expresar el problema en función de parámetros adimensionales P3t T G RT 3t ND μ RT k RT, = ϕ,, γ,, 2 P T PD RT PD PRD
Parámetro de gasto Parámetro de vueltas G G G RT2 t = 2 ρ VA P RT D P D RT ND RT 2 t 2 2 t Mach tangencial Mach axial Obtención de las actuaciones de compresores Teóricamente: métodos de diseño aerodinámico para obtener las actuaciones fuera de diseño de un compresor con una geometría dada son complejos y suponen el uso de códigos de ordenador d muy grandes.
Experimentalmente: El compresor instalado en un banco de ensayos Simplificaciones: El numero de Prandtl (Pr = μc p /k,) para el aire es de orden unidad μ k/c p k/r Luego los dos últimos términos de la ecuación de actuaciones son del mismo orden μ RT k RT PD PRD
Si Re >(Re) crit. los coeficientes de perdidas son constantes y no influyen en las actuaciones. En ese caso las relaciones funcionales quedan reducidas a: P 3t T G RT 3t ND, = ϕ,, γ 2 P T PD RT Parámetros universales Si el compresor solo trabaja con aire y γ no cambia, podemos prescindir de su influencia P3t T G RT 3t ND, = ϕ, 2 P T P D RT 2 t Si estamos estudiando un único compresor con un diseño y geometría fijada, podemos prescindir de valores constantes en las ecuaciones, R y D P3t T G T 3t N, ó 23, P T η = ϕ P T La representación grafica de estas ecuaciones son los mapas del compresor
Ejemplos típicos de mapas de compresores Línea de estabilidad funcional Compresor axial Compresor centrífugo Ignorando efectos de segundo orden En un compresor de geometría fija el mapa es único El punto de operación del compresor esta dictado por los componente que le rodean, más que por el compresor Cada punto de operación del mapa tiene un único triangulo de velocidades (velocidad expresada como Mach) Relación de presiones, temperatura y rendimiento están relacionados por la expresión del rendimiento
Inestabilidad del compresor Inestabilidad - una pequeña desviación del punto de funcionamiento reforzada Comienzo del desprendimiento stall secuencia de sucesos a una velocidad dada flujo másico la relación de presión la incidencia del flujo en los alabes esta tendencia continuara hasta que la capacidad de flujo del compresor cae: principio del desprendimiento Consecuencias un efecto perjudicial sobre la actuación del compresor (una seria restricción del diseño) las actuaciones del motor se reducen significativamente. Su operatividad queda comprometida. integridad mecánica del compresor y turbina comprometidas. Formas de operación durante el stall Rotating stall (desprendimieno giratorio) El flujo anular se compone de regiones de flujo separado y otras de operación normal. Estas celdas típicamente giran a la mitad de velocidad del rotor Surge Marcadamente diferente del rotating stall. (un efecto mayormente plano) Produce oscilaciones periódicas estacionarias de presión, lo suficientemente violentas para destruir los alabes del compresor La fuerza axial ejercida por los alabes no puede soportar la presión estática a la salida del compresor y el flujo másico se inverte
Inestabilidades en compresores
Rotating Stall
Surge
τ charge τ = flow τ T = τ = ( ΔpRTV ) p Esta relación de tiempos influencia i el desarrollo de la inestabilidad Región a: operación normal T >> 1 surge Región b: inestable (a partir de E) Región c: flujo inverso (separación másiva9 T << 1 rotating stall ρv m charge flow c c m c
Fenómenos globales en el compresor
Arranque de compresores
Efectos de segundo orden Numero de Reynolds Propiedades p del fluido de trabajo Tip clearence Distorsión del flujo de entrada Geometría variable Reynolds number index RNI RNI = Re Re ref Reynolds Índice de Reynolds = P P μ 2 t, ref Tref far= 0 T T μ 2 t, ref T, far
Cambio en las propiedades del fluido
Tip clearence
Distorsión del flujo a la entrada Otros efectos: torsión, rig to engine
Líneas beta Representación de los mapas de compresores para su utilización en códigos Parámetros reducidos (corregidos) G θ G T( K ) / 288,15 = δ P ( Pa) 101325 N N = θ ( ) / 288,15 T2 t K
FUNCIONAMIENTO ESQUEMÁTICO DE UN COMPRESOR AXIAL
Ecuación de Euler suponiendo corriente axilsimétrica ( r θ 0 ) y usando coordenadas cilíndricas (r, θ, z), se obtiene τ : trabajo específico rotor ( ) ( ) ( ) W = Par vueltas = G rv rv Ω= GU V V θ 2 θ 1 θ2 θ1 τ = W = U ( V V ) = U Δ V G 12 θ 2 θ1 θ V θ2 > V θ1 estator (U=0) τ = W = U ( V V ) = U Δ V = G 23 θ 3 θ2 θ 0 Flujo adiabático ( ) ( ) τ = h h = C T T = U V V 12 1t p 1t θ 2 θ1 Suponiendo c P constante ΔTt T T1 t UΔV = = T T C T 1 t 1 t p 1 t θ En el estator T = T 3t
el trabajo realizado sobre el fluido depende sólo de los cambios cinemáticos en el mismo el aumento de presión a través de las hileras de álabes sí depende fuertemente del rendimiento adiabático γ γ 1 3t Δ t = 1+ ηes = 1+ ηes Δ θ 1t 1t p 1t P T U V P T C T γ γ 1 U π ΔV θ π
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