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ESCUELA DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO DEPARTAMENTO DE MOTOPROPULSIÓN Y TERMOFLUIDODINÁMICA COMPORTAMIENTO PROPULSOR DE LOS AERORREACTORES J. L. Montañés Madrid, 12-03-11 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 1 6b. COMPORTAMIENTO PROPULSOR DE LOS AERORREACTORES COMPORTAMIENTO PROPULSOR DE LOS AERORREACTORES La variable propulsiva por excelencia es el empuje, E, que para los sistemas adaptados se puede poner como E G V Vs 0 . (1) La variable intensiva correspondiente se llama impulso específico, Isp, y se define como el empuje por unidad de masa I V Vsp s 0 . (2) Definiendo un impulso específico adimensional, como el impulso referido a la velocidad del sonido, y poniéndolo en función de la potencia neta adimensional queda 20 0 0 0 0 2sp ssp n I V V I M M a RT , (3) la expresión (3) se puede ver representada en la Fig. 1. Fig. 1 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 2 Poniendo el impulso específico adimensional como función de los parámetros del ciclot y 0c se obtiene un comportamiento como el representado en la Fig. 2 para Mach de vuelo igual a 0 y a 2. Fig. 2 Se define la potencia útil, Wu, como aquélla asociada al empuje en su movimiento W EV G V V Vu s 0 0 0 . (4) Como no tiene sentido hablar de potencia útil cuando no hay velocidad de vuelo se puede adimensionalizar con GV0 2 , obteniendose 'u Wu GV0 2 Vs V0 1 , (5) esta expresión, en función de la potencia neta adimensional y del Mach de vuelo, es la misma que aparece en la Fig. 8 del capítulo anterior, pero con el eje de abcisas trasladado una unidad. De igual forma, si se adimensionaliza la potencia neta con GV0 2 , también se tiene una función de V Vs / 0 Wn GV0 2 1 2 Vs V0 2 1 . (6) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 3 En la Fig. 3, se representan las potencias neta y útil, adimensionalizadas con GV0 2 , en función de 0 sV V . Como se puede apreciar la potencia neta es siempre mayor que la útil excepto cuando V Vs 0 , donde ambas son nulas. Fig. 3 De las expresiones (5) y (6) se puede obtener una expresión que relaciona las potencias útil y neta adimensionalizadas con GV0 2 Wu GV0 2 'u 1 2 Wn GV0 2 1 . (7) En la Fig. 4, se representa la expresión anterior. Se define el rendimiento propulsivo como la relación entre las potencias útiles y netas. Dividiendo las expresiones (5) y (6) se obtiene dicho rendimiento en función de 0 / sV V . p u n s s s W W EV G V V V V V V V 0 2 0 2 0 0 0 1 2 2 2 1 . (8) En la Fig. 5, se muestra el rendimiento propulsivo en función de 0 sV V . EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 4 Fig. 4 Fig. 5 Los parámetros intensivos interesantes, desde el punto de vista propulsivo, son el impulso específico (que adimensionalizado con la velocidad de vuelo es lo mismo que la potencia útil adimensionalizada con GV0 2 ) y el rendimiento propulsivo. Ambos se pueden poner en función de la potencia neta adimensionalizada con GV0 2 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 5 I V W GV sp o u n 1 2 1 0 2 , (9) p nW GV 2 1 1 2 0 2 . (10) En la Fig. 6 se representan las expresiones anteriores. Como puede verse cuando la potencia neta tiende a cero, como es lógico, el impulso tiende a cero, y es entonces cuando el rendimiento propulsivo tiende a uno (el máximo posible). Este es el principal problema de los sistemas propulsivos, son eficientes cuando dan poca potencia. Fig. 6 Combinando las ecuaciones (9) y (10) se encuentra una expresión que liga yp spI p spI V 2 2 0 . (11) Esta última expresión se muestra en la Fig. 7, donde se puede apreciar, de nuevo, que a mayor impulso menor rendimiento. EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 6 Fig. 7 Se define el consumo específico como el consumo de combustible por empuje [CE = c/E] 0 0 0 0 0 n E n M P V W V Vc cL cL C L EV L W EV L L . (28) Como se puede apreciar el consumo específico es una medida de la calidad global del sistema para una velocidad de vuelo dada. En la Fig. 8, se representa el consumo específico adimensional en función de los parámetros del ciclo t y 0c para Mach de vuelo igual a 0 y a 2. Fig. 8 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 7 A continuación se representa el consumo específico por el poder calorífico y el impulso específico, ambos divididos por la velocidad del sonido 0 0a RT , en función de t y 0c para distintos Mach de vuelo, M0. En todas las gráficas relativas al 0 0E spC L a I a , se observan, al variar la relación de compresión a temperatura constante, hechos análogos a los vistos en las curvas rendimiento motor – potencia neta adimensional; conforme se va aumentandot para 0c constante, primero se alcanza una0c donde el impulso específico adimensional es máximo, después, para una 0c mayor, se alcanza el consumo específico mínimo. Por el contrario, al aumentar la temperatura, a relación de compresión constante, se aprecia un considerable aumento del impulso específico como era de esperar; sin embargo, también aumenta, ligeramente, el consumo específico, a pesar de que el rendimiento motor aumenta. Esto se debe a la disminución del rendimiento propulsivo con la temperatura, ya que se aumenta la velocidad de salida de los gases y se empeora por tanto el comportamiento propulsivo. Como el consumo específico tiene en cuenta los dos rendimientos, el motor y el propulsivo, su variación es un compromiso entre el cambio de ambos, observándose la variación ligera, sobre todo para grandes 0c anteriormente apuntada y hasta se puede apreciar un mínimo del consumo específico en zonas normalmente de no utilización. Gráfica 0 0E spC L a I a para M0 = 0 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 8 Gráfica 0 0E spC L a I a para M0 = 0,85 Gráfica 0 0E spC L a I a para M0 = 2 EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 9 En la siguiente figura, se representa el mismo tipo de curvas, que las anteriores, marcando hechos de diseño asociados a la selección de los ciclos representados por los parámetrost y 0c CE reactor de negocios T4/T0 monoeje multieje refrigeración de alabes alabes no refrigerados coste vida peso y coste transporte subsónico reactor sustentador Impulso Específico La importanciarelativa del consumo específico en relación con costes del avión queda reflejado en el siguiente cuadro, donde para el mismo impacto en el coste de la aerolínea y para la misma relación carga de pago / rango, se presenta la equivalencia de la mejora del 1% en el consumo específico para distintos tipo de aviones Radio de Acción Bajo Radio de Acción Medio Radio de Acción Alto CE 1,0 % 1,0 % 1,0 % Peso 6,5 % 8 % 11 % Precio 4 % 5 % 7 % Coste Mantenimiento 3,3 % 5,7 % 10,5 % EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 10 A continuación en el Anexo I, se presenta un resumen de lo tratado en los comportamientos motor y propulsor del sistema turborreactor de flujo único; en particular, se vuelve a incidir sobre las relaciones existentes entre los rendimientos que definen el comportamiento motor y propulsor del sistema y el consumo específico. Después, se presenta la posibilidad de optimizar el comportamiento propulsor de los aerorreactores mediante sistemas de doble flujo, los que se conocen con el nombre de turbofanes. Estos sistemas permiten obtener rendimientos globales mucho más altos que los de flujo único por lo que se han hecho indiscutibles como sistemas propulsores de los aviones actuales. Por último se generaliza el proceso de optimización a sistemas propulsores distintos del chorro. EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 11 ANEXO I Relaciones entre Rendimiento Motor, Rendimiento Propulsivo y Consumo Específico Se puede comprobar que dos aerorreactores con rendimientos motores idénticos no son igualmente eficaces a la hora de propulsar una aeronave. Esto quiere decir que hay algo más que incide en el rendimiento del sistema propulsivo y se conoce como rendimiento propulsivo. Las relaciones entre ambos rendimiento motor y propulsor, y lo que se conoce como consumo específico, es lo que se va a presentar a continuación. El combustible consumido, c, en un aerorreactor le proporciona una energía calorífica por unidad de tiempo igual a cL, siendo L el poder calorífico del combustible. La energía mecánica por unidad de tiempo que se comunica al gasto de aire, G, a la velocidad de vuelo V0 y al combustible para que salgan a con una velocidad de Vs, es W G c V GVn s 1 2 1 2 2 0 2 (1) En estos términos, el rendimiento motor del sistema se puede expresar como M sG c V GV cL 1 2 1 2 2 0 2 (2) Se va a considerar ahora que parte de esta energía mecánica es utilizada por el sistema para propulsar. El empuje neto que se produce en el aerorreactor debido a la variación de la cantidad de movimiento del gasto que lo atraviesa es E G c V GVn s 0 (3) Este empuje es la fuerza generada por el sistema para la propulsión, así pues, a la velocidad de vuelo V0, la potencia utilizada en la propulsión es el producto del empuje por la velocidad de vuelo W EV G c V GV Vp s 0 0 0 (4) El rendimiento propulsivo, P, se define como P s s s EV G c V GV G c V GV V G c V GV 0 2 0 2 0 0 2 0 21 2 1 2 1 2 1 2 (5) despreciando el consumo de combustible c frente al gasto de aire G, se llega a EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 12 0 0 0 00 00 2 0 2 00 1 22 2 1 2 1 V VVV V VVVVG VVVG VVG VVVG ss ss s s s P (6) sustituyendo el término Vs/V0 en función del empuje neto queda P s nV V E GV 2 1 2 2 0 0 (7) Una característica importante de un aerorreactor es su consumo específico, CE, definido como el consumo de combustible por unidad de empuje C c EE n (8) de las expresiones de los rendimiento motor y propulsor se obtiene c G c V GV L s M 1 2 1 2 2 0 2 (9) E G c V GV Vn s P 1 2 1 2 2 0 2 0 (10) sustituyendo estas expresiones en el consumo específico queda C V LE M P 0 (11) Definiendo un rendimiento global o de motopropulsión, MP, como el producto de los rendimientos motor y propulsor se obtiene MP M P E V C L 0 (12) Por consiguiente el consumo específico es una medida del rendimiento global del sistema motopropulsor a una velocidad de vuelo dada. Además no debería pasarse por alto la influencia de las altas velocidades de vuelo en la mejora del rendimiento global. A continuación se va a ilustrar la variación de los rendimientos con la velocidad de vuelo. Fijándose en la expresión del rendimiento propulsivo se observa que crece rápidamente desde cero cuando la velocidad de vuelo aumenta a velocidad de salida fijada. Como para obtener empuje es EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 13 necesario que la velocidad de salida sea mayor que la vuelo, el rendimiento propulsivo tiende asintóticamente a uno. El rendimiento motor se puede suponer constante si se fijan tanto la temperatura fin de combustión como la temperatura de salida del compresor, así que la forma de la curva del rendimiento global función de la velocidad de vuelo es la misma que la forma de la curva del rendimiento propulsor. A la vez que el rendimiento global crece el consumo específico también crece con la velocidad de vuelo. Para comparar la bondad de los distintos ciclos de aerorreactores, el consumo específico es un medidor muy útil pero es evidente que todas las comparaciones se deben realizar a la misma velocidad de vuelo y para que dicha comparación sea representativa se debería utilizar una velocidad cercana a la velocidad de crucero de la aeronave considerada. Turborreactores de Doble Flujo El consumo específico se puede mejorar extrayendo energía del ciclo (de la corriente primaria) para suministrársela a un fan y producir un segunda corriente propulsiva. Se conoce como relación de derivación, , al cociente entre el gasto de la corriente secundaria y la primaria. La variable fundamental que es afectada por la relación de derivación es el empuje por unidad de gasto primario. Para turborreactores de flujo único cuanto más baja es la temperatura fin de combustión menor es el empuje por unidad de gasto. Para cada relación de derivación se verá que existe una relación de compresión del fan óptima. O sea, existe una cantidad de energía óptima a transferir de la corriente primaria (o del generador de gas) a la corriente secundaria (o de derivación). Por consiguiente emerge otro rendimiento, el de transferencia, para ser considerado. Como se vio anteriormente, y considerando c << G, el empuje neto de un turborreactor de flujo único es E G V Vn s 0 (13) y la energía por unidad de tiempo añadida a la corriente es W G V Vn s 1 2 2 0 2 (14) Supóngase que la corriente de salida de este turborreactor se utiliza para mover una turbina que mueve a un fan que produce una corriente secundaria G, el empuje de este sistema será E G V V G V Vn 0 0 (15) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 14 y si la energía se transfiere del primario al secundario con un rendimiento trans, entonces la energía por unidad de tiempo total disponible del generador se divide entre las dos corrientes como sigue W G V V G V V G V Vn s trans 12 1 2 1 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 (16) La cantidad de energía óptima a transferir será aquella que produzca un máximo en el empuje por unidad de gasto primario, En/G. Esto es cuando E Vn 0. E V G V V n (17) Por consiguiente se debe cumplir V V (18) para obtener empuje máximo. La energía disponible en el generador de gas es constante esto quiere decir que W V G V V V Vn trans 1 2 2 2 0 (19) Por consiguiente, se obtiene la siguiente relación de velocidades V V V V trans trans (20) para tener empuje por unidad de gasto primario máximo. Como se puede observar si la transferencia de energía fuese ideal las velocidades de las dos corrientes debería ser la misma. Utilizando la condición calculada para el funcionamiento óptimo se obtiene el siguiente empuje E G V V G V V G V Vn trans trans 0 0 01 1 (21) y la siguiente energía mecánica por unidad de tiempo W G V V G V Vn trans trans s 12 1 1 1 2 2 0 2 2 0 2 (22) Por tanto, la velocidad del primario debe ser V V Vs trans trans 2 2 0 2 1 (23) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 15 y por consiguiente el empuje queda E G V V Vn s trans trans 2 0 2 01 1 (24) Comparando este empuje del turbofan con el del turborreactor con el mismo generador de gas se obtiene E E V V V V V V tf tb trans s trans s s 1 1 1 1 0 2 2 0 0 (25) Debido a que en ambos sistemas el consumo de combustible es idéntico la relación anterior también representa la relación de consumos específicos. Para velocidad de vuelo cero la relación anterior llega a ser E E tf tb V trans 0 0 1 (26) Generalización de la Metodología de Optimización Se trata de generalizar la metodología de Optimización anteriormente descrita para turbofanes a cualquier otro sistema de propulsión. El planteamiento del problema responde al siguiente esquema: Se tiene una potencia neta, Wn, producida por un generador de gas y empleada para crear un chorro propulsivo que finalmente genera una fuerza de empuje, E, utilizada para la propulsión. La potencia útil, Wu, empleada en la propulsión será por tanto EV0. La relación entre las potencias útil y neta es lo que se conoce como rendimiento propulsivo. Se quiere mejorar el rendimiento propulsivo, o sea, la relación existente entre la potencia neta del generador de gas y la potencia útil empleada en la propulsión. Para ello, se transfiere parte de la potencia neta del generador de gas a un segundo sistema productor de potencia útil, o sea, un sistema generador de fuerzas empleadas para la propulsión. En principio, existirá un rendimiento para esta transferencia. Por consiguiente fruto de esta transferencia es la aparición de dos entes productores de potencia útil, uno el generador de gas o primario (sistema ) y otro el sistema secundario (sistema ) utilizador de la potencia transferida del primario. EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 16 La pregunta que se puede hacer es ¿cual será, en caso de existir, la potencia a transferir que produzca una potencia útil máxima?. La respuesta es que puede existir esa potencia útil máxima para una transferencia de potencia neta dada, que será función, aparte de los parámetros que definan al sistema secundario de propulsión y de la forma de la transferencia, de la velocidad de vuelo. Una vez planteado el problema se va a pasar a calcular dicho proceso de optimización. Sea Wtrans la potencia neta transferida al sistema secundario , y V la salida del chorro primario fruto de la potencia neta del generador de gas no transferida, la potencia neta será W G V V Wn trans trans 12 2 0 2 (27) donde trans es el rendimiento del proceso de transferencia de potencias. La potencia transferida proporcionará una potencia útil secundaria, Wu, = p,Wtrans, por lo que la potencia útil del sistema será la del sistema primario más la del secundario , , 0 0 ,u u u p transW W W GV V V W (28) Utilizando V, como parámetro característico de la trasferencia de potencia, la potencia útil será máxima cuando dWu/dV sea cero, o sea * 0 , 0 u trans p dW dW GV dV dV (29) donde se ha supuesto que el rendimiento propulsivo del segundo sistema es independiente de la potencia transferida. Como la potencia neta es constante, se cumple * * * *1 10n trans trans trans trans dW dW dW GV GV dV dV dV (30) Sustituyendo (30) en (29) se obtiene que el valor de V* para potencia útil máxima, que será * 0 ,trans p V V (31) Sustituyendo este valor en las expresiones de las potencias, neta y útil, anteriores se tiene EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 17 * ,2 2 2 0 0 2 2 , , * 2 * 0 , 1 1 1 1 2 2 1 1 u n s trans p trans p u u trans p W W cte G V V GV W GV W (32) donde el (*) se usa para indicar los valores máximos. De la primera ecuación del conjunto (32) se puede despejar Wu, y sustituirlo en la segunda, para obtener * 2 , , 0 2 2 , * ,2 2 2 2 0 , 0 , , , 2 0 , , 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 u trans p n trans p u n trans p trans p trans p trans pn trans p trans p trans p W W GV W W GV GV W GV 1 A continuación se encuentra el rendimiento propulsivo y la relación de potencias útiles que proporciona el sistema optimizado y el turborreactor , * , ,* , 2 0 , , , , 2 * , 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 trans p trans p trans pu p trans p nn trans p trans p trans p trans p p trans pu tb u W WW GV W W , , , 1 1 1 1 1 2 1 2 trans p trans p trans p p p (33) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 18 Aplicación al caso del turbofán Como se definió anteriormente, este sistema utiliza la potencia transferida para producir un chorro secundario (por eso también denominado turborreactor de doble flujo) y como consecuencia un empuje secundario. La potencia transferida y la útil de este segundo chorro es W G V V W E V GV V V trans u 1 2 2 0 2 0 0 0 (34) donde es la relación entre los gastos del flujo secundario y primario. De las definiciones anteriores, se tiene dW dV GV dW dV GV dW dW df dW V V trans u u trans trans 0 0 (35) Sustituyendo el valor anterior en la expresión de la potencianeta (32) queda W cte G V V GV V V G V Vn s trans trans 1 2 1 2 1 1 2 2 0 2 0 2 2 0 2 2 0 2 *2 * (36) donde despejando, el valor V* se obtiene V V W GV V V trans n trans trans trans s trans trans *2 0 2 2 0 2 2 2 0 2 2 1 1 1 (37) y sustituyendo en la potencia útil máxima de la expresión (23) queda W GV V Vu trans s trans * 0 2 2 0 21 1 (38) y la relación de la anterior potencia con la que proporciona el turborreactor es W W V V V V u u tb trans s trans s * 1 1 1 2 0 2 0 (39) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 19 que como puede comprobarse se corresponde con la relación de empujes del sistema turbofan y del turborreactor obtenidos en el epígrafe anterior, ya que la relación de potencias útiles es para estos sistemas la misma relación que la de los empujes. Aplicación al caso de turbohélices En los turbohélices la potencia secundaria sangrada del primario sirve para mover una hélice la cual a su vez produce una fuerza llamada de tracción, T, que sirve para la propulsión. Las energías transferidas y útil del sistema secundario son W P W TV trans h trans u / 0 (40) donde Ph es lo que se conoce como potencia de hélice y el trans en este caso es el rendimiento mecánico, m, de la transmisión de potencia entre la turbina y la que damos a la hélice después de pasar por un reductor. Se define el rendimiento de la hélice, h, como h h TV P 0 (41) Por consiguiente, en este caso la función f (Wtrans) será f W W df dWtrans h m trans trans h m ( ) (42) Sustituyendo en (32) resulta W GV V V GV P P GV V Vn s m m h h h s h 0 2 2 0 2 0 2 2 2 2 0 2 2 0 2 22 1 2 1 1 2 1 * * (43) siendo la potencia útil máxima del sistema W GV P GV GV V V GV V Vu h h h h h s h h s h h * * 0 2 0 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 0 2 2 1 1 1 1 2 1 2 2 1 (44) y la relación entre esta potencia máxima y la obtenida por el turborreactor será EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 20 W W V V V V u u tb h s h h s * 2 2 1 1 2 0 2 2 0 (45) La anterior relación representa también la relación entre el empuje más la tracción del turbohélice y el empuje del turborreactor. En este caso para velocidad de vuelo cero se tiene W W TV P P T V u u tb V s h h s * 0 0 2 2 22 1 (46) EIAE/DMT JLMG/6b/120311 Comportamiento Propulsor de los Aerorreactores Página 21 FORMULARIO: COMPORTAMIENTO MOTOR Y PROPULSOR DE LOS AERORREACTORES 2 2 0 2 0 2 2 1 1 ' 1 (fig. 1, Cap. 6.a) 1 ' ' ' 1 1 (fig. 2, Cap. 6. 1 ( 1) ' s n n e c n e c M q c V V W G W P T Ga P W T P cL T P P 2 2 0 2 02 2 0 0 2 0 2 02 0 0 2 2 2 0 0 0 0 a) 2 2 1 (fig. 6, Cap. 6.a) 2 2 2 2 (fig. 9) 2 2 1 1 1 (fig. 8, Cap. 6. s s n s n s n s s n s n n V V W G W G W W M Ga Ga W W V V G G V W M a Ga V W W V GV Ga M 0 0 2 0 02 0 0 0 0 0 2 0 0 2 2 0 0 a) ; 2 (fig. 1, Cap. 6.b) 1 (fig. 2, Cap. 6.b) 1 1 (fig. 2 s sp s sp n u s u s n s E G V V I V V I W M M a Ga W EV G V V V W V GV V W V GV V 2 2 0 0 0 2 2 0 0 0 2 0 2, Cap. 6.b) 1 2 1 (fig. 3, Cap. 6.b) 2 (fig. 4, Cap. 6.b) 1 1 2 1 (fig. 5, Cap. 6.b) 2 1 1 2 u n u p n s sp u n p n W W GV GV W W V V I W W V GV GV W GV 0 (fig. 5, Cap. 6.b) 2 (fig. 6, Cap. 6.b) 2p spI V
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