sistemas de propulsion a chorro
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Curso 2.007÷2.008 1
SISTEMAS DE PROPULSIONTema IV-1 Descripción general de los Aerorreactores
Ingeniero aeronáuticoSegundo año de carrera
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Los sistemas de propulsión por chorro no autónomos, es decir, que necesitan propulsar aire exterior, fundamentalmente, son denominados Aerorreactores. Naturalmente estos sistemas, por su naturaleza, tienen limitada su actuación al espacio que abarca la atmósfera terrestre.
Tras la “captura” del gasto de aire necesario la primera etapa es conseguir una compresión del mismo a fin de elevar su presión y temperatura y poder realizar así una combustión mucho mas eficiente del combustible inyectado. En función del modo en que se logre esta compresión se pueden clasificar los aerorreactores de la manera siguiente:
Si la compresión es “activa”, es decir, mediante la actuación de un compresor:
Turborrectores
Turbofanes
Si la compresión se “pasiva” es decir, se logra por condicionamientos aerodinámicos en
alta velocidad:
Estatorreactores
Pulsorreactores,
INTRODUCCION (1)
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Las investigaciones sobre la propulsión a chorro comenzaron simultáneamente en Alemania (Dr. Hans von Ohain, 1.936) y en Inglaterra (Sir Frank Whittle, 1.930) en los años anteriores a la II Guerra Mundial si bien el modelo alemán voló ANTES (1.939) que el británico (1.941) y con motivo de la entrada en guerra de ambos países, impulsó enormemente la puesta en funcionamiento y producción en serie a partir de los prototipos existentes.
INTRODUCCION (2)
Whittle y Von Ohain(hacia 1.978)
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INTRODUCCION (3)
Gloster METEOR1er vuelo : 5-3-1.943
Tripulación: 1Envergadura: 13.11 mLongitud: 12.57 mAlto: 3.96 mPeso Máx.: 5332 kgMotores: 2 x Rolls Royce W1Velocidad Máx.: 793 km/hVelocidad Crucero: 570 km/hTecho servicio: 9145 mAutonomía: 1 hr. 15´Armamento: 4 de 20 mmAdicional: cañón en morro
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INTRODUCCION (y 4)
Heinkel He 1781er vuelo : 27-8-1.939
Función primariaAvión experimental.Fabricante: Ernst HEINKEL Flugzeugwerke AG de
Warnemünde (Pomerania Occ)Motorización Un motor He S3 B Empuje: 450 kgLongitud: 7,48 mAlto: 2,10mEnvergadura: 7,20 mVelocidad: 584 km/h (crucero) - 700 km/h (máx.)Altura: NDPeso máximo al despegue: 1998 kgAlcance: NDTripulación: 1Despliegue: NuncaUnidades constrídas: 1
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TURBORREACTORES (1)
Hoy en día solamente se pueden encontrar en modelos civiles muy antiguos o con sistemas de aplicación militar dotados ó no de post-combustor
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TURBORREACTORES (2)
De Havilland “Ghost” (1950´)
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TURBORREACTORES (3)
De Havilland “Ghost” (1950´)
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TURBORREACTORES (4)
Jumo 004-B (1943)
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TURBORREACTORES ( 5)
MESSERSCHMIDT ME-262
Original 1944
Réplica (Festival ILA-Berlín)
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TURBORREACTORES (6)
MESSERSCHMIDT ME-262
CARACTERISTICAS TECNICAS
TIPO Caza de superioridad aerea
TRIPULACION 1 hombre
MOTOR Dos turboreactores de flujo axial Junkers Jumo 004B-1 a 900 kg de empuje estatico
VELOCIDAD MAXIMA 830 Km/h a nivel del mar/ 870 Km/h a 6000 m
VELOCIDAD DE TREPADA
1200 m/min
AUTONOMIA 1050 Km
TECHO DE SERVICIO 12200m
ARMAMENTO Cuatro cañones Mk 108A-3 de 30mm en la nariz
3795
6387
Vacío
Máximo
KGMASA
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Máximo peso al despegue: 5.557 kgPlanta motriz: Motor cohete Reaction Motors XLR-11-RM3 de 26,7 kN de empuje
TURBORREACTORES (y 7)
BELL X-1
Primer vuelo Supersónico (NASA-Dryden1.947)
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TURBOFANES (1)
Turbofan, voz inglesa derivada de una mezcla de Turbo y de “Fan” ,ventilador, no es más que un reactor puro al que se le han prolongado los alabes de la primera etapa del compresor de baja (rotor + estator) y se le ha dotado de una carena exterior, a fin de producir un flujo de aire secundario que NO esta sometido a la mezcla y combustión con combustible (como el flujo primario) y que al expandirse genera un empuje auxiliar de manera análoga a como ocurriría con una hélice carenada.
La disposición más habitual es la de “colgar” estos motores debajo de las alas
R & R TRENT 900
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TURBOFANES (2)
IL-62 MK en Budapest/Ferihegi (5-3-2007)
Anclaje sobre fuselaje
MD-90
L-1011 “TRISTAR”
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TURBOFANES (3)
R & R TRENT 900 v.s. EJ200
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El datos geométrico principal que define a un Turbofan es el INDICE DE DERIVACION (ΛΛΛΛ) que es la relación de gastos entre el flujo secundario respecto del primario.
TURBOFANES (4)
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TURBOFANES (5)
R&R RB211-535E4Aviación Civil
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TURBOFANES (6)
EJ-200 para el EF2000 Eurofighter
Aviación Militar
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TURBOFANES (7)
El empleo de Turbofanes se generalizó rápidamente , sobre todo en aviación comercial, debido a las enormes ventajas que presentan frente a los Turborreactores tradicionales, tales como:
Periodos de mantenimiento más espaciadosMenores costes de mantenimientoMenores consumos específicosMenor nivel de ruidos
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TURBOFANES (8)
Así pues, la variable fundamental del diseño de un Turbofan es el Índice de derivación y el mayor empeño de los grandes fabricantes (GE y P&W) es incrementar su valor el máximo posible.
En la actualidad P&W lidera el programa “Geared engine” que trata de aumentar el mejorando los mecanismos de transmisión de actuación del ventilador principal.
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TURBOFANES (9)El empleo de de aleaciones metálicas de ultima generación ha potencia
el aumento de temperaturas interiores operativas del motor. La introducción de materiales compuestos es bastante mas limitada que en el caso de las estructuras de avión y se centran, fundamentalmente, en Materiales Compuestos de Matriz Metálica
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TURBOFANES/Ensayos (10)
ENSAYOS EN BANCO
P&W Experimental
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TURBOFANES/Ensayos (11)
INTA
R&R TRENT 700
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial“Esteban Terradas”
CELDA DENSAYOS DEL INTA (E ≤ 140,000 LB)
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TURBOFANES/Ensayos (12)
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TURBOFANES/Ensayos (13)
Ensayos del P&W F-135 para el JSF (“Joint Strike Fighter”)
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TURBOFANES/Ensayos (14)
ENSAYOS EN VUELO
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TURBOFANES/Ensayos (y 15)
Ensayos del GE-90 utilizando un B-747 como banco volante
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TURBOHELICES (1)
Estas ventajas no son de aplicación en el caso de los turbohelices, en los que el eje de giro de la turbina de alta presión esta conectada con una hélice a través del desmultiplicador, por lo que suelen emplear motores sin derivación.
Dado que la propulsión se realiza por hélice no es fundamental aprovechar todas la ventajas que ofrece el turbofan ya que en principio el motor esta menos exigido (gira mas lento) y su góndola ofrece menor superficie frontal.
R & R AE 2100
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TURBOHELICES (2)
Esquema general
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TURBOHELICES (3)
El PT6 (PRATT & WHITNEY de Canadá)
Un turbohélice formado por la combinación de un motor, derivado de un aerorreactor, y por lo tanto mas revolucionado de lo aconsejable con una hélice de baja velocidad conduce a diseños muy desproporcionados
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TURBOHELICES (4)
Las aplicaciones principales de este tipo de motores se centran en la aviación general, los “commuters” y los transportes militares, dado que sus velociadesde vuelo son bastante menores que los aviones transoceanicos ó transcontinentales y los aviones de combate.
Lockeed C-130 “HERCULES”
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TURBOHELICES (5)
La antigua URSS alcanzo un magnifico nivel en el campo de los Turbohélices en general, y en particular, en las aplicaciones de hélices contra-rotatorias.
La Compañía KUNETZOV produjo, en los años 50´, la familia del modelo NK-12 que desarrollaba 8,948 kW (12,000 ehp) y que equipo a muchas aeroanves de la familia Tupolev , entre ellas el TU-95, el TU-142 , el TU-114, etc
TUPOLEV 95 MS BEAR (actual)TU-24 BEAR “A” (1.951)
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TURBOHELICES (6)
TP400 de Europrop equipará al A400M
El TP-400, ahora en desarrollo, será el mayor turbohélice jamás construido (10,000 SHP)
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TURBOHELICES/Ensayos(7)
ENSAYOS EN BANCO
TP400 para el A400M
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TURBOHELICES/Ensayos (y 8)
AE 2100 para el ATR72
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TURBOEJES (1)
Una variante de los Turbohélices lo constituyen los Turboejes (ó Turboshaft) que fueron desarrollados y se emplean, fundamentalmente, para propulsar los rotores principales de los Helicópteros.
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TURBOEJES (2)
PT6 “Twin Pack”
R&R 250
PW206B
(P&W Canadá)
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TURBOEJES (3)
El mayor turboeje existente es el TF53 de Allison 25.000 ÷ 40.,000 SHP
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TURBOEJES (4)
Ahora mismo, el turboeje más conocido y famoso en España es MRT 390 2C fabricado por el consorcio SNECMA/MTU que equipa al helicóptero de combateEUROCOPTER ”Tigre”
MRT 390 2C
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TURBOEJES (5)
Predator (UAV)
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TURBOEJES/Ensayos (1)
R & R GEM
El ensayo de un Turboeje requiere una instalacion dotada de un potente freno hidráulico para absorber la potencia generada.
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TURBOEJES/Ensayos (y 2)
KAHN Mod. T700
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Desarrollado por el ingeniero alemán Paul SCHMIDT de la década de 1,920 consiste en un reactor sin compresor de funcionamiento abierto y continuo pero de combustión intermitente en 1.920
La estructura de un Pulsorreactor se compone de tres partes fundamentales:
1. Sistema de válvulas de admisión y cierre
2. Cámara de combustión
3. Tobera de salida de gases
El esquema de funcionamiento se muestra en la figura siguiente:
PULSORREACTORES (1)
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El Su funcionamiento depende de un flujo de aire (1) que entra a través de las válvulas situadas en la parte frontal del reactor donde se mezcla con el combustible (2) que sale de un conjunto de inyectores situados en el sistema de válvulas. Una bujía hace explotar la mezcla (3), haciendo que la fuerza de la explosión acelere los gases en ambas direcciones lo cual provoca que las válvulas de admisión de aire se cierren haciendo que el gas se vea forzosamente obligado a salir por el tubo de salida de gases (4), produciendo el Empuje necesario y luego crea un vacío haciendo que las válvulas de admisión vuelvan a abrirse para posteriormente repetir ciclicamente esta operación.
Un reactor de este tipo presentaba una ventaja principal, la SENCILLEZ , pero presentaba también muchos inconvenientes:
Alto consumo
Altisimo nivel de ruido
Fatiga termica de los materiales
Dificil control
PULSORREACTORES (2)
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El Un reactor de este tipo, el “ARGUS” euipo a las famosa V-1 que empleo el II reich para bombardear Londres en la ultima fase de la II Guerra mundial
PULSORREACTORES (3)
Lanzamiento desde rampa Lanzamiento desde un He-111
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El - Longitud: 8,22 metros- Diámetro: 1,50 metros- Envergadura: 5,50 metros- Peso: 2170 kilogramos (De estos 900 pertenecían a la cabeza de guerra compuesta TNT y
nitrato amónico)- Velocidad máxima: 643 Km/h- Techo operacional: 2100 metros- Alcance: 400 kilómetros- Horas de trabajo empleadas por unidad: 280
PULSORREACTORES (4)
En la rampa de lanzamiento desde HolandaEn vuelo
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El
PULSORREACTORES (y 5)
Ensayos en vuelo de un Argus con un Ghota Go-145 (~ 1.941)
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ESTATORREACTORES (1)El Ramjet es un tipo de reactor sin partes móviles, en el que debido a la
propia velocidad de entrada del aire, y el diseño interior, este se comprime en la cámara de combustión permitiendo alcanzar velocidades supersónicas superiores a Mach 15.
La idea original del hiperreactor nace a principios del siglo XX, en 1913 (fecha de la patente) de las manos de René Lorin. Este ingeniero francés pone las bases teóricas, bajo el simple ciclo termodinámico de 3 etapas, compresión, combustión, y expansión, pero no fue si no hasta décadas más tarde, 1933, que René Leduc redescubrió las ideas de René Lorin, y entonces el Ramjet apareció como el reactor ideal, de gran potencia, máxima eficiencia y mínimo coste de producción, pues al desaparecer las partes mecánicas quedaba como un mero tubo, de muy fácil manufactura.
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ESTATORREACTORES (2)
Pero el Ramjet tiene el inconveniente de que es incapaz de despegar por sí mismo. Un avión con una propulsión hipersónica de este tipo necesita ser acelerado por otro hasta una velocidad mínima (Mach 3) o estar equipado con un motor híbrido que pudiera funcionar como un turboreactor para el despegue y aterrizaje, que no existe por el momento; y permitiera un modo Ramjet, durante el vuelo . Para tener una idea del salto entre este reactor y el resto debemos tener en cuenta que el propulsor atmosférico más rápido es el SR-71 “Blackbird” que alcanza Mach 3, mientras el Ramjet podría alcanzar Mach 10.
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SR-71 “Blackbird”
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ESTATORREACTORES (3)
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Equemas
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ESTATORREACTORES (4)
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LEY DE EMPUJE
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ESTATORREACTORES (5)
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Aplicación al Misil “METEOR”
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ESTATORREACTORES (6)
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NASA X-15
El X-15 fue un avión-cohete experimental que fue ensayado a partir de 1.959 del cual se hicieron 3 prototipos que totalizaron unos 200 vuelos tripulados y el tercero de ellos fue destruido en un accidente en Noviembre de 1.967. Llegó a alcanzar Mach 10
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ESTATORREACTORES (7)
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NASA Hyper X-43A (5/3/07)”
Si la combustión se realiza TAMBIEN en régimen Supersónico , el Ramjet se denomina SCRAMJET (“Supersonic Combustion RAMJET”)
HyFly-Mach 6
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ESTATORREACTORES (8)
.NASA Hyper X-43A (5/3/07)
Perfil de vuelo del ensayo Imagen
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ESTATORREACTORES (y 9)
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Proyecto de avión futurista hipersónico francés