motor - Departamento de Ingeniería Aeroespacial

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 2010-2011
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
1
Contenido




Principios de la propulsión
Empuje
Balance energético
Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
2
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:



Propulsión por hélice



Aerorreactores
Motores cohete
Motor alternativo + hélice
Turboeje + hélice
Propulsión mixta

Turbohélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
3
Inicios de la propulsión




Hélices de da Vinci
Cohetes de pólvora en China (s
XII)
MC Químico de Tsiolkovsky (1903)
Turborreactor:


Whittle (1941)
Hans von Ohain (1939)
Herón de Alejandría:
aeolipile
Tsiolkovsky
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
4
Inicios de la propulsión

Turborreactor:


Whittle (1941)
Hans von Ohain (1939)
Me - 262
Gloster E28-39
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
5
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





Motores cohete




Turborreactores (con o sin postcombustor)
Turbofanes (con o sin postcombustor)
Estatorreactores
Pulsorreactores
MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido)
MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos)
MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro)


Turbohélices
Turboeje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
6
Propulsión por hélice
Motor alternativo
Turboeje
Turbohélice
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
7
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
8
Turborreactores
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
9
Turboreactor
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
10
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.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
11
Turbofanes
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
12
Turbofanes
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
13
A. Low pressure spool
B. High pressure spool
C. Stationary components
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Aerorreactores sin compresor
Estatorreactor (ramjet)
Scramjet (supersonic
combustion ramjet)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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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.
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16
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).
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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.
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Aerorreactores sin compresor
Pulsorreactor
(pulse jet)
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19
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





Motores cohete




Turborreactores (con o sin postcombustor)
Turbofanes (con o sin postcombustor)
Estatorreactores
Pulsorreactores
MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido)
MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos)
MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro)


Turbohélices
Turboeje
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20
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Turboeje + Hélice
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23
Propulsión por hélice II
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
24
Propulsión por hélice III
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
25
Propulsión por hélice IV
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
26
Propulsión por chorro

Aerorreactores:

Con compresor:



Sin compresor



Turborreactores
Turbofanes
Estatorreactores
Pulsorreactores
Motores cohete



Químicos
Eléctricos
Nucleares
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
27
Generación Empuje
¡¡La geometría interna de un aerorreactor
es muy complicada !!
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
28
Geometría Compleja
F100
Pratt & Whitney GP7000
F404
Generación Empuje

Métodos globales de análisis

Aplicación de las leyes de conservación en un volumen
de control
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Empuje
E – empuje
G – gasto de aire
c – gasto de combustible
Vs – velocidad de salida
V0 – velocidad del aire

Truborreactor

Turbofan

Motores cohete

Hélice
c<<G (2%)
Gf – gasto de aire flujo secundario
Vsf – velocidad de salida flujo secundario
gasto de propulsante
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Balance energético

Rendimiento motor

Rendimiento propulsivo

Rendimiento motopropulsor
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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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:





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.




1 solo motor en el fuselaje
2 o + motores en el ala
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.
Adam A500
Beechcraft Starship
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
Cálculo de Aviones © 2009 Sergio Esteban Roncero, [email protected]
VariEze
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Planta Propulsora – Motores de Pistón - II
Cálculo de Aviones © 2011 Sergio Esteban Roncero, [email protected]
34
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, [email protected]
35
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.







Handley Page Victor B-1
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.
Cálculo de Aviones © 2011 Sergio Esteban Roncero, [email protected]
A 380
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Planta Propulsora – Motores a reacción - III
Handley Page Victor


Motores fusionados en el ala (cont): Peso en vació:
Ahorro de peso estructural del ala colocándolo en el ala.


Motores colocados demasiado hacia el exterior



Aumentan las cargas de impacto al aterrizar.
Necesitan superficies verticales elevadas.
Motores en la parte trasera:




Alivio de torsión en el ala interior.
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.



An-255
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.
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Planta Propulsora – Motores a reacción - IV

Flying Qualitites:



Entrada en perdida.
Control sin motor.
Capadidad Go-around.








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:



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:


Repetitividad de ciclos.
Criterios estructurales.
Economía.
Selección final del motor:






Empuje o potencia.
Ruido
Peso.
Consumo específico.
Precio.
Mantenimiento.
Cálculo de Aviones © 2011 Sergio Esteban Roncero, [email protected]
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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
Fokker S 14
Hawker Hunter
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Planta Propulsora – Motores a reacción - VI
De Havilland Vampire
Hawker Hunter
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Planta Propulsora – Motores a reacción - VII
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Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Interacción motor-avión
Bibliografía



[And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000.
[Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de
2007.
Wikipedia:


http://es.wikipedia.org
http://en.wikipedia.org
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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