Juan Manuel Tizón Pulido -...

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SISTEMAS DE PROPULSIÓNCurso 2º - Plan 2005

Juan Manuel Tizón Pulido

jm.tizon@upm.es

SISTEMAS DE PROPULSIÓN

TEMA I: Introducción a la Propulsión

SISTEMAS DE PROPULSIÓN

TEMA I: Introducción a la Propulsión

ClasificaciónC fi i d tConfiguraciones de motorÁmbito de aplicaciónAerorreactores: Desarrollo históricoAerorreactores: Desarrollo histórico

AntecedentesNacimiento del motor a reacciónDesarrollo tecnológicoPanorama actual

Evolución a lo largo de la historia de las características propulsivas

MOTORES DE REACCIÓNMOTORES DE REACCIÓN

NO AUTONOMOS AUTONOMOS(AERORREACTORES) (MOTORES COHETE)

P l ió í iCON SISTEMA DE

COMPRESION

TURBORREACTOR

Propulsión química

Propulsión nuclear

Propulsión eléctricaSIN SISTEMA DE

COMPRESION

TURBORREACTOR

TURBOHELICE

ESTATORREACTORTURBOFAN

Propulsión eléctrica

ESTATORREACTOR

PULSORREACTOR

TURBOFAN

CON POSTCOMBUSTIÓN

TURBOEJE

J. M. Tizón (jm.tizon@ump.es) 3

A ó S ll i d• Autónomos: Son aquellos que no necesitan de ningún medio exterior para propulsarse, con lo cual

d d id iparte de su masa es eyectada en sentido contrario al de su movimiento. Estos sistemas son los “M C h ”“Motores Cohete”.

• No Autónomos: Aquellos que utilizan masas exteriores para propulsarse. Utilizan el medio p p pambiente (tierra, agua, aire...). Si este medio es el aire atmosférico se denominan “Aerorreactores”.

CLASIFICACIÓN T bCLASIFICACIÓN: Turborreactor

COMPRESORTURBINA

TOMA DE ENTRADA TOBERA

CÁMARA DE

CÁMARA DE COMBUSTIÓN

POST COMBUSTIÓNPOST‐COMBUSTIÓN

T bi dTurbina de gas

T b jTurboeje

T b héliTurbohélice

CLASIFICACIÓN T b fCLASIFICACIÓN: Turbofan

RELACIÓN DE DERIVACIÓNRELACIÓN DE DERIVACIÓN

CLASIFICACIÓN T b fáCLASIFICACIÓN: Turbofán(por tipo de flujo: mezclado o no)

ÓCLASIFICACIÓN:Turbofán con post‐combustión

CICLO VARIABLECICLO VARIABLE

Double Bypass Mode

Single Bypass Mode

CLASIFICACIÓN ECLASIFICACIÓN: Estatorreactor

CLASIFICACIÓN: EstatorreactoresCLASIFICACIÓN: EstatorreactoresRAMJET

SCRAMJETSCRAMJET

PULSORREACTORPULSORREACTOR

DESARROLLOS AVANZADOS

Sistemas de Propulsión 20

Ef d l V l id d d V l lEfecto de la Velocidad de Vuelo en los Rendimientos

Hasta una cierta velocidad de vueloel rendimiento motor de los TR

aumenta ligeramente, pero llega unmomento que la velocidad desalida, Vs, se hace igual a la desalida, Vs, se hace igual a la devuelo, V0, y por consiguiente elsistema no suministra ningunaenergía y su rendimiento motor (así

1.0energía y su rendimiento motor (asícomo su empuje) se anula.Paradójicamente en esta situaciónel rendimiento de la propulsión es ηMel rendimiento de la propulsión esmáximo.

ÓRANGO DE UTILIZACIÓN DE LOS AERORREACTORES

La necesidad de obtener mejores comportamientos a bajas velocidades(subsónicas) introdujo la utilización de los aerorreactores: turbohélices yturbofanes. Estos sustituyeron a los turborreactores para bajas velocidades devuelo, pero el rango de utilización, sobretodo el de los turbofanes, aumenta dedía en día.

M0 < 0,5 ⇒ Vs ‐ V0 grande⇒ηM bueno y ηP muy maloSe busca un buen propulsor (hélice) con buen rendimiento motor y relacion peso‐potencia, el mejor candidato para potencial moderadas o altas es el turbohélice.p , j p p

0,5 < M0 < 0,9⇒ Vs ‐ V0 grande ⇒ηM bueno y ηP maloL héli i l f i t l id d d l l ú iLa hélice convencional no funciona para estas velocidades de vuelo y la única opción es el empleo de hélices avanzadas (propfan) u obtener un segundo chorro propulsivo de baja velocidad, es decir, el turbofan. Aparecen nuevos parámetros de diseño: relación de derivación Λ y relación de compresión del fan πde diseño: relación de derivación, Λ, y relación de compresión del fan, πf

1 5 < M < 2 5⇒ V V moderado⇒η bueno y η no tan malo

RANGO DE UTILIZACIÓN DE LOS AERORREACTORES

1,5 < M0 < 2,5⇒ Vs‐V0 moderado ⇒ηM bueno y ηP no tan maloLa optimización de los sitemas lleva a la selección de valores de Λ pequeños y πfgrandes, con la frecuente utilizacion para incrementar el empuje del postcombustor.

2,5 < M0 < 3,5 ⇒ Vs‐V0 pequeño ⇒ηM bueno y ηP buenoLas velocidades de vuelo son tan elevadas que desaparece la necesidad del segundochorro ya que los rendimientos propulsivos del turborreactor de flujo único (con lasvelocidades de salida características de estos sistemas) es aceptablemente bueno. Laoptimización lleva a relación de compresión bajas y temperatura fin de combustiónalta. Para incrementar el empuje se utiliza el postcombustor

3,5 < M0 ⇒Vs‐V0 pequeño ⇒ηM bueno y ηP bueno, 0 s 0 p q ηM y ηPA velocidades de vuelo tan altas se prescinde del compresor utilizándose losestatorreactores con temperatura fin de combustión muy alta en sus dos versionesestatorreactores de combustión subsónica (ramjet) y los aun experimentales decombustión supersónica (scramjet)

RANGO DE UTILIZACIÓN DE LOS AERORREACTORESRANGO DE UTILIZACIÓN DE LOS AERORREACTORES

DESARROLLO HISTORICO ANTECEDENTESDESARROLLO HISTORICO: ANTECEDENTES

250 AC Herón de Alejandría250 AC Herón de Alejandría.

Siglo XI Wu Ching Tsung Yao

1687 Isaac Newton.

Siglo XIX, Congreve, Nobel, Carnot, …

1876 N. A. Otto crea el motor de cuatro tiempos.

1896 El motor de Daimler propicia el primer vuelo propulsado.

1903 Wilbur y Orbile Wright vuelan por primera vez en Kitty Hawk.

1908 Rene Lorin propone un sistema ramjet1908 Rene Lorin propone un sistema ramjet.

1929 Frank Whittle patenta un turborreactor.

1937 Hans von Ohain realiza las primera pruebas.p p

1939 Vuela el primer avion propulsado por un turborreactor.

ANTECEDENTESANTECEDENTES

Wan Hu 1232

Hero 250ac

ANTECEDENTES

Turbina de

ANTECEDENTES

Turbina de Branca 1629

Carro de vapor de Newton 1687

NACIMIENTO DEL AERORREACTOR

Frank Whittle Hans von OhainNACIMIENTO DEL AERORREACTOR

Frank Whittle Hans von Ohain

• Nació en Coventry, Inglaterra el 1 de Junio de 1907

• Murió en Baltimore, Maryland, EEUU l 9 d A t d 1996

• Nació en Dessau, Alemania el 14 de Diciembre de 1911

• Murió en Melbourne, Florida, EEUU l13 d M d 1998

EEUU el 9 de Agosto de 1996 EEUU el13 de Marzo de 1998

Motor de Motor deNACIMIENTO DEL AERORREACTOR

Motor deFrank Whittle

Motor deHans von Ohain

NACIMIENTO DEL AERORREACTORNACIMIENTO DEL AERORREACTOR

Primer laboratorio de Frank Whittle

NACIMIENTO DEL AERORREACTORExtract from the January 16, 1930 patent

li ti 1521 b Si F k Whittl

“Improvements relating to propulsion of aircraft

application 1521 by Sir Frank Whittle:

Improvements relating to propulsion of aircraft and other vehicles… The main objet of this invention is to provide means whereby the principle of obtaining propulsive force in the one sense of direction by the reaction caused by expelling fluiddirection by the reaction caused by expelling fluid in the opposite sense of direction, may be applied efficiently to aircraft and other vehicles. Is is belived that an embodiment of this invention will provide a large thrust in proportion to its weightprovide a large thrust in proportion to its weight, that it will perform at greater altitudes than are at present obtainable, that it makes possible higher speeds than have up to the present been bt i d th t it ill t ith f l iobtained, that it will operate with any fuel now in use and that it will have a reasonably low comsumption. Futher that simplicity and convenientexternal form is achieved…”

El i t

El primer motor experimental, funcionó en Abril defuncionó en Abril de 1937

Primer motor experimental, después de la segunda

t ió 1938reconstrucción en 1938

Características del W1

• Compresor centrífugo de un escalón de 48 cm de diámetro.

• Turbina axial de un escalón de 42 cm de diámetro.

• Velocidad de giro: 17750 r p m• Velocidad de giro: 17750 r.p.m.

• G = 12 kg/s; πc = 4:1; Wc = 3000 CV• El Gloster, en Mayo de 1941, alcanzó los 595 km/h en vuelo nivelado, con 4448 N de empuje.

NACIMIENTO DEL AERORREACTORTurborreactor W.1 usado

para propulsar al avión Gloster E28/39

El Gloster E28/39 propulsado por t b t W 1 lóun turborreactor W.1 que voló en

NACIMIENTO DEL AERORREACTORNACIMIENTO DEL AERORREACTOR

Motor He S-3 usado para

l lpropulsar el avión He-178

Primer reactor, Heinkel He-178 propulsado por el motor He S-3

NACIMIENTO DEL AERORREACTORLA CARRERA

1930 Patente de Frank Whitte1935 Patente de Hans von Ohain

1936 Constitución de “Jet Ltd”. 1936 Ernst Heinkel contrata a von Ohain1937 PRIMERAS PRUEBAS 1937 PRIMERAS PRUEBAS

1938 Segundo y tercer motor.1939 C t t l Ai Mi i t l 1939 PRIMER VUELO1939 Contrato con el Air Ministry para la

fabricación y mejora del W1.1939 PRIMER VUELO

Motor S-3b en el He-1781940 Comienza el desarrollo del Jumo

004.1941 PRIMER VUELO

Motor W1 en el Gloucester E28/391942 Primer vuelo del Me 110 propulsado

por el Jumo 004 (tambien Me 262).1943 El motor Welland en el Meteor

1945 Derwent, Nene, Goblin, ....

NACIMIENTO DEL AERORREACTORCaza a reacción Messerschmitt Me 262 primer avión a reacción

Me 262, primer avión a reacción producido, propulsado por dos turborreactores Jumo 004B. El primer vuelo del Me 262 fue elprimer vuelo del Me 262 fue el 18 de Julio de 1942. El Jumo 004 fue diseñado y fabricado por el Dr. Anselm Franz de la pJunkers Engine Company.

Características del Jumo 004Características del Jumo 004• Empuje = 10 kN; Gasto = 22 kg/s

• Relación de compresión = 3.14

• Temperatura de entrada de turbina = 1100 K

• Consumo específico = 4.0 10‐5 kg/Ns;

• Peso = 825 kg; Diámetro = 76 cm; Longitud = 3.8 m;

• Rendimientos: 78% compresor.

95% cámara de combustión.

79.5% turbina.

• El Me 262 alcanzaba los 805 km/h

Olympus

Marbore

EVOLUCION TECNICA

1945-1950: LA POSGUERRA

EVOLUCION TECNICA

1945 1950: LA POSGUERRASoluciones tecnológicasCompresores axialesProducción en serie 1950-1960: LA DECADA PRODIGIOSA

Intenso I+D.S d ll l JT 3 l B 707Se desarrolla el JT-3 para el B-707.Nace la aviación comercial (DC-3 y -4).

1960-1970: LOS TURBOFANESEl JT 3 di ñ JT 3DEl JT-3 se rediseña como JT-3D.El Blackbird y el Concord.Se fabrican el JT8D y el JT9D.

EVOLUCION TECNICA

1970 1980: LA CRISIS DE PETROLEO

EVOLUCION TECNICA

1970-1980: LA CRISIS DE PETROLEOSegunda generación de turbofanesConsorcios internacionalesCo so c os e ac o a es

1980-1990: MADUREZ TECNOLOGICANuevos conceptos: UDF, UHBRTercera generación de turbofanes(pequeños y eficientes o enormes)

1990-2000E d ió T t GE90 PW4000En producción Trent, GE90, PW4000Ausencia de nuevos paradigmasSanger (turbo-ramjet), X-30 NASP (scramjet)

PANORAMA ACTUAL C i 90´

PROGRAMA EMPRESAS

PANORAMA ACTUAL: Consorcios 90´s

PROGRAMA EMPRESASRB-199 Rolls-Royce (Gran Bretaña), MTU (Alemania), Fiat (Italia),CFM-56 General Electric (EEUU), SNECMA (Francia),CFM 56 General Electric (EEUU), SNECMA (Francia),RJ-500 Rolls-Royce (UK), IHI, Kawasaky y Mitsubishi (Japón)MTM-380-385 MTU, Turbomeca (Francia)Spey RB-168-62 Rolls-Royce, Allison (EEUU)Adour MK, RTM Rolls-Royce, TurbomecaPW 2037 Pratt & Whitney (EEUU) MTU Fiat (Italia)PW 2037 Pratt & Whitney (EEUU), MTU, Fiat (Italia)Larzac 04 SNECMA, MTU, Turbomeca, KHD (Holanda)TFE-1042 Garret (USA), Volvo Flygmotor (Suecia)( ), yg ( )PW-F-100 FN Herstal (Bélgica), Philips (Holanda), Kongsberg (Noruega)V-2500 Pratt & Whitney, Rolls-Royce, MTU, Fiat, JAE (Japón)

PANORAMA ACTUALPREVISIONES DECENIO 2002-2011

PANORAMA ACTUAL

160,000 unidades

O d k C E d F D J “Th W ld G T bi I d t P d ti T d d K

350,000 millones de euros

Opdyke, C. E., and Franus, D. J., “The World Gas Turbine Industry: Production Trends and Key Factors: 2002-2011” Forecast International, Newtown, CT, June 2002.

EVOLUCIÓN EN RREVOLUCIÓN EN RR

RENDIMIENTO MOTOPROPULSORRENDIMIENTO MOTOPROPULSOR

MATERIALES UTILIZADOSMATERIALES UTILIZADOS

TitanioTitanioAluminioCompuestosAluminioCompuestos

TitanioNiquelAcero

CompuestosCompuestosAceroAcero

Juan Manuel Tizón Pulido -...

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