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SISTEMAS DE PROPULSIÓNCurso 2º - Plan 2005

Juan Manuel Tizón Pulido

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SISTEMAS DE PROPULSIONSISTEMAS 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)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.y pSe desarrolla en 3 horas semanales y consta de dos partes:

Motores de Reacción, MR.Motores Alternativos, MA.

Grupo A: José L Montañés

Profesores (MR)Grupo A: Efrén Moreno

Profesores (MA)Grupo A: José L. MontañésGrupo B: Juan M. TizónGrupo C: Gregorio CorcheroGrupo D: Gregorio López

Grupo A: Efrén MorenoGrupo B: Emilio NavarroGrupo C: Juan R. AriasGrupo D: Angel VelázquezGrupo D: Gregorio López Grupo D: Angel Velázquez

SISTEMAS DE PROPULSIONSISTEMAS DE PROPULSION

El objetivo fundamental de la asignatura es proporcionar conocimientos bá i b l di ti t i t tili l l ió d l

Objetivos

básicos sobre los distintos sistemas que se utilizan en la propulsión de las aeronaves y naves espaciales.

EvaluaciónExamen tipo test:

Peso relativo MR: 2/3P l ti MA 1/3

Evaluación

Peso relativo MA: 1/3Asistencia a las clases de laboratorio.Entrega de un ejercicio (bonificación de la nota final)Liberación de partes por separadoLiberación de partes por separado.

SISTEMAS DE PROPULSIÓNSISTEMAS DE PROPULSIÓN

CONTENIDO (4,5 créditos)

Introducción a la Propulsión (4h)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• Actuaciones de aerorreactores.• Ejercicios de clase.Motores Cohete (3h)Prácticas de laboratorio (2h)Motores Alternativos(18h)


BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Hill & Peterson.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.

http://www.aircraftenginedesign.com/http://www.rolls-royce.com/interactive_games/build/flash.htmlhttp://www.enginehistory.org/index.htm

RR Trent 900RR Trent 900

Peso = 6500 kgPeso 6500 kgGasto = 1000 kg/sEmpuje = 375 kNDiámetro = 3 m

Sistemas de Propulsión 6

Diámetro = 3 m

SSMEPropulsantes: Lox/LH2Empuje(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



TEMA I: Introducción a la PropulsiónTEMA I: Introducción a la PropulsiónDefiniciónPrincipios de la propulsiónSistema MOTOR - PROPULSORFuncionamiento básicoEmpuje: Definición y ecuacionesEmpuje: Definición y ecuaciones

I d ió l P l ióIntroducción a la Propulsión

RAERAEpropulsión.1. f. Acción y efecto de propulsar.y p 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 gran velocidad por la parte posteriorgran velocidad por la parte posterior.

propulsar.(Del lat. propulsāre).p p ( p p )1. tr. Impeler hacia adelante.2. tr. Rechazar, repulsar.


P i i i d l P l ióPrincipios de la Propulsión

Consideremos un sistema formado por N partículas:

( ) ( )1N

ext i i

d MV dF m vdt dt

−

= +∑ ∑p p

( )1idt dt =

∑ ∑En un sistema aislado (Fext = 0) al integrar la ecuación partiendo de una situación inicial de reposo se tiene:

( ) 0i iMV m v+ =∑partiendo de una situación inicial de reposo se tiene:

( )i i∑

im m ⎫= ⎪∑ mFinalmente:

i

i i

m mMV mv

v m v m

⎫⎪⇒ = −⎬= ⎪⎭

∑∑

mV vM

=


⎭

P i i i d l P l ióPrincipios de la Propulsión

¿Cuánto energía ha adquirido el móvil M?¿ g q21

2MovilE MVΔ =¿Cuánto energía ha sido necesario suministrar al sistema?

2 21 12 2TOTALE MV mvΔ = +

¿Cuánto energía ha sido necesario suministrar al sistema?

2 21 12 21 1TOTAL

v ME MV MVV m

⎛ ⎞ ⎛ ⎞Δ = + = +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠V m⎝ ⎠ ⎝ ⎠

21TOTALE MVΔ ≥ 2TOTALE MVΔ ≥

¿Cuál es la situación optima?


¿Cuál es la situación optima?

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

• 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 imprescindibledebe emplear mas energía de la imprescindible.

• El consumo energético se puede manipular.g p p

• Concepto: MOTOR+PROPULSOR.


SISTEMA MOTOPROPULSORSISTEMA MOTOPROPULSOR

La energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustiblesLa energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustibles.Los sistemas que producen energía mecánica de un combustible se denominan MOTORES.L i t f l i d í á iLos sistemas que generan una fuerza propulsiva de energía mecánica se denominan PROPULSORES.Los sistemas que generan una fuerza propulsiva de un combustible se d i M t d R ió MOTOPROPULSORES


denominan Motores de Reacción o MOTOPROPULSORES.

RENDIMIENTOSRendimiento MotorRENDIMIENTOS

2 21 12 2( ) /MV mv Q+∼

Energía Mecánica Producida / Energía suministrada del Combustible

2 2( ) /V mv Q

Rendimiento Propulsivo

2 2 21 1 1/ ( )MV MV mv+∼

Rendimiento PropulsivoEnergía útil para Propulsión / Energía Mecánica

Rendimiento Motopropulsivo (o Global):

2 2 2/ ( )MV MV mv+

21 /MV Q

Rendimiento Motopropulsivo (o Global):Energía Útil para Propulsión / Energía suministrada del Combustible


2 /MV Q∼

CICLOS TERMODINÁMICOS

CICLO DE CARNOT


TEMPERATURACICLO DE CARNOTCiclo Ideal con elMayor Rendimiento Posible

4

32

1

PRESIÓN

32

ENTROPIA

41 3

1

VOLUMEN

4

1

Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - T1/T3

Valor Típico ~ 0,8


CICLO DE PRESIÓN CONSTANTE


TEMPERATURA

3

CICLO DE PRESIÓN CONSTANTECiclo Ideal de las Turbinas de Gas

4

2 PRESIÓN

32

ENTROPIA

1 32

VOLUMEN

41

Rendimiento (Energía Mecánica Producida/Calor Suministrado) = 1 - (P1/P3)^((γ-1)/γ)

Valor Típico ~ 0,67

CICLOS OTTO Y BRAYTONCICLOS OTTO Y BRAYTON


TURBORREACTOR V l í iTURBORREACTOR: Valores típicos


GENERACIÓN DE EMPUJEEl empuje nace como reacción alaumento de la cantidad de movimientoque se produce en el fluido que lo

t i L d i t d latraviesa. Las paredes internas delsistema aerorreactor, en contacto con elfluido, producen fuerzas fluidodinámicas(de presión y fricción) sobre el mismo,

i d bi tid dque inducen un cambio en su cantidadde movimiento. Como consecuencia deello, el fluido, a su vez, produce lasmismas fuerzas, pero en sentido

t i b l d j dcontrario, sobre las paredes mojadas.

DEFINICIÓN DE EMPUJE“El empuje es el resultado de las fuerzasEl empuje es el resultado de las fuerzasde presión y fricción sobre las carasinternas y externas del motor menos lasfuerzas de presión sobre las carasexternas del motor”


externas del motor

EXPRESIÓN DEL EMPUJEEXPRESIÓN DEL EMPUJEComo se puede observar; en la figura sedescribe el proceso que tiene lugar en ladescarga de un cilindro que contiene un fluido adescarga de un cilindro que contiene un fluido apresión mayor que la atmosférica. En el que porconservación de la cantidad de movimientodebe aparecer una fuerza de reacción sobredi h ili d A í d h l id d ddicho cilindro. Así, cuando no hay velocidad devuelo y la presión de salida es la presiónambiente, el empuje vale:

E = G Vs

De forma general, el empuje será:

E = (G + c) Vs- G V0+As (Ps - P0)


E t tid d d b tibl l id d d ti t t d i l id dEn un aerorreactor, se consume una cantidad de combustible en la unidad de tiempo c, entra un gasto de aire en la unidadde tiempo G, con una velocidad V0 en el infinito aguas arriba y salen un gasto de productos de combustión G + c, con unavelocidad de salida Vs.

Empuje, E= (G + c) Vs – G Vop j ( ) s o

Potencia calorífica del combustible consumida, Q= c L

Potencia mecánica producida Wm= ½(G + c) Vs2 – ½G V0

2


Potencia útil del empuje Wu= E V0= [(G + c) Vs – G V0] V0

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