SISTEMAS DE PROPULSIÓN

SISTEMAS DE PROPULSIÓN
Curso 2º - Plan 2005
Juan Manuel Tizón Pulido
jm.tizon@upm.es
SISTEMAS DE PROPULSION
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
p
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)
Profesores (MA)
Grupo A: José L
L. Montañés
Grupo B: Juan M. Tizón
Grupo C: Gregorio Corchero
Grupo D: Gregorio López
Grupo A: Efrén Moreno
Grupo B: Emilio Navarro
Grupo C: Juan R. Arias
Grupo D: Angel Velázquez
SISTEMAS DE PROPULSION
SISTEMAS DE PROPULSION
Objetivos
El objetivo fundamental de la asignatura es proporcionar conocimientos
bá i
básicos
sobre
b llos di
distintos
ti t sistemas
i t
que se utilizan
tili
en lla propulsión
l ió d
de llas
aeronaves y naves espaciales.
Evaluación
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Examen tipo test:
ƒ Peso relativo MR: 2/3
ƒ Peso
P
relativo
l ti MA
MA: 1/3
Asistencia a las clases de laboratorio.
Entrega de un ejercicio (bonificación de la nota final)
Liberación de partes por separado
separado.
SISTEMAS DE PROPULSIÓN
SISTEMAS DE PROPULSIÓN
CONTENIDO (4,5 créditos)
¾
Introducción a la Propulsión (4h)
¾
Requisitos de los sistemas de propulsión(4h)
¾
Aerorreactores (15h)
•
Análisis del ciclo termodinámico.
•
Comportamiento motor y propulsor.
•
Actuaciones de aerorreactores.
aerorreactores
•
Ejercicios de clase.
¾
Motores Cohete (3h)
¾
Prácticas de laboratorio (2h)
¾
Motores Alternativos(18h)
SISTEMAS DE PROPULSIÓN
SISTEMAS DE PROPULSIÓN
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
¾
Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Hill & Peterson.
¾
Teoría de los Motores a Reacción, Steckin.
¾
The Jet Engine, Rolls Royce.
¾
The Aircraft Gas Turbine and its Operation, Pratt & Whitney.
¾
Diversas obras de Gordon C. Oates y Jack D. Mattingly.
¾
http://www.aircraftenginedesign.com/
¾
http://www.rolls-royce.com/interactive_games/build/flash.html
¾
http://www.enginehistory.org/index.htm
RR Trent 900
Peso = 6500 kg
Gasto = 1000 kg/s
Empuje = 375 kN
Diámetro = 3 m
Sistemas de Propulsión
6
Sistemas de Propulsión
7
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: 204.08 bar.
Relación de áreas: 77.50.
Relación oxidante-reductor: 6.00.
Motor F1
SSME
Sistemas de Propulsión
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SISTEMAS DE PROPULSIÓN
SISTEMAS DE PROPULSIÓN
TEMA I: Introducción a la Propulsión
¾
¾
¾
¾
¾
Definición
Principios de la propulsión
Sistema MOTOR - PROPULSOR
Funcionamiento básico
Empuje: Definición y ecuaciones
I
Introducción a la Propulsión
d ió l P
l ió
RAE
propulsión.
y
p p
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
gran velocidad por la parte posterior.
propulsar.(Del lat. propulsāre).
p
p
(
p p
)
1. tr. Impeler hacia adelante.
2. tr. Rechazar, repulsar.
Sistemas de Propulsión
10
Pi i i d l P
Principios de la Propulsión
l ió
Consideremos un sistema formado p
por N p
partículas:
d ( MV ) d N −1
( mi vi )
∑ Fext = dt + dt ∑
i =1
En un sistema aislado (Fext = 0) al integrar la ecuación
partiendo de una situación inicial de reposo se tiene:
MV + ∑ ( mi vi ) = 0
Finalmente:
m = ∑ mi
⎫⎪
⎬ ⇒ MV = − mv
v = ∑ mi vi m ⎪⎭
Sistemas de Propulsión
m
V =v
M
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Pi i i d l P
Principios de la Propulsión
l ió
¿Cuánto energía
¿
g ha adquirido
q
el móvil M?
ΔEMovil = 12 MV 2
¿Cuánto energía ha sido necesario suministrar al sistema?
ΔETOTAL
ΔETOTAL = 12 MV 2 + 12 mv 2
v⎞ 1
M⎞
2⎛
2⎛
1
= 2 MV ⎜1 + ⎟ = 2 MV ⎜ 1 + ⎟
m⎠
⎝ V⎠
⎝
ΔETOTAL ≥ 12 MV 2
¿Cuál es la situación optima?
Sistemas de Propulsión
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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
debe emplear mas energía de la imprescindible.
• El consumo energético se puede manipular.
g
p
p
• Concepto: MOTOR+PROPULSOR.
Sistemas de Propulsión
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SISTEMA MOTOPROPULSOR
SISTEMA MOTOPROPULSOR
ƒLa energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustibles
combustibles.
ƒLos sistemas que producen energía mecánica de un combustible se denominan
MOTORES.
ƒLos
L sistemas
i t
que generan una ffuerza propulsiva
l i d
de energía
í mecánica
á i se
denominan PROPULSORES.
ƒLos sistemas que generan una fuerza propulsiva de un combustible se
d
denominan
i
M
Motores
t
d
de R
Reacción
ió o MOTOPROPULSORES
MOTOPROPULSORES.
Sistemas de Propulsión
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RENDIMIENTOS
Rendimiento Motor
Energía Mecánica Producida / Energía suministrada del Combustible
∼ ( MV
V + mv ) / Q
2
1
2
1
2
2
Rendimiento Propulsivo
Energía útil para Propulsión / Energía Mecánica
2
2
2
1
1
1
2
2
2
∼ MV / ( MV + mv )
Rendimiento Motopropulsivo (o Global):
Energía Útil para Propulsión / Energía suministrada del Combustible
∼ MV / Q
1
2
2
Sistemas de Propulsión
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CICLOS TERMODINÁMICOS
CICLOS TERMODINÁMICOS
CICLO DE CARNOT
TEMPERATURA
Ciclo Ideal con el
Mayor Rendimiento Posible
3
2
PRESIÓN
2
1
4
3
ENTROPIA
1
4
VOLUMEN
Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - T1/T3
Valor Típico ~ 0,8
CICLOS TERMODINÁMICOS
CICLOS TERMODINÁMICOS
CICLO DE PRESIÓN CONSTANTE
Ciclo Ideal de las Turbinas de Gas
TEMPERATURA
3
PRESIÓN
2
4
1
2
3
ENTROPIA
1
4
VOLUMEN
Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - (P1/P3)^((γ-1)/γ)
Valor Típico ~ 0,67
CICLOS OTTO Y BRAYTON
CICLOS OTTO Y BRAYTON
Sistemas de Propulsión
18
TURBORREACTOR V l
TURBORREACTOR: Valores típicos
í i
Sistemas de Propulsión
19
GENERACIÓN DE EMPUJE
El empuje nace como reacción al
aumento de la cantidad de movimiento
que se produce en el fluido que lo
atraviesa.
t i
L
Las
paredes
d
i t
internas
d l
del
sistema aerorreactor, en contacto con el
fluido, producen fuerzas fluidodinámicas
(de presión y fricción) sobre el mismo,
que inducen
i d
un cambio
bi en su cantidad
tid d
de movimiento. Como consecuencia de
ello, el fluido, a su vez, produce las
mismas fuerzas, pero en sentido
contrario,
t i sobre
b las
l paredes
d mojadas.
j d
DEFINICIÓN DE EMPUJE
“El
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
motor”
Sistemas de Propulsión
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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
di h cilindro.
dicho
ili d
A í cuando
Así,
d no hay
h velocidad
l id d de
d
vuelo y la presión de salida es la presión
ambiente, el empuje vale:
E = G Vs
De forma general, el empuje será:
E = (G + c) Vs- G V0+As (Ps - P0)
Sistemas de Propulsión
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En un aerorreactor,
E
t se consume una cantidad
tid d de
d combustible
b tibl en la
l unidad
id d de
d tiempo
ti
c, entra
t un gasto
t de
d aire
i en la
l unidad
id d
de tiempo G, con una velocidad V0 en el infinito aguas arriba y salen un gasto de productos de combustión G + c, con una
velocidad de salida Vs.
Empuje,
p j E= (G + c) Vs – G Vo
Potencia calorífica del combustible consumida, Q= c L
Potencia mecánica producida Wm= ½(G + c) Vs2 – ½G V02
Potencia útil del empuje Wu= E V0= [(G + c) Vs – G V0] V0
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