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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Examen de Motores de Reacción y Turbinas de Gas 20.06.05 EJERCICIO 1 Un turbohélice de turbina libre presenta las siguientes características en banco: 23 = 0.85 23 = 15:1 T4t = 1300 K G = 10 kg/s Tobera convergente Calcular, en condiciones de diseño, la potencia W4-45 y el empuje, sabiendo además que en esas condiciones p5t = 1.5 p0. Suponiendo que las revoluciones del grupo compresor-turbina no han variado (23 y T4t constantes), y que p45t/p5t se mantiene constante, calcular para las mismas condiciones de presión ambiente y velocidad de vuelo, la potencia W4-45 y el empuje en los casos en que T0 = 273 K y T0 = 313 K respectivamente. Datos: Banco : P0 = 101.234 kPa, T0 = 288 K, V0 = 0 cP = 1004.3 J/kg K , R = 286.6 J/kg K, L = 41.84 MJ/kg q = turbinas = tobera = 1 34 = 1 c<<G Tiempo : 1 h Solución: T3t = 683.7 K T45t = 904.3 K P4t = 15 P0 P5t = 1.5 P0 T5t = T9 (1.5) ( V9 = 384.62 m/s E = GV9 = 3846.2 N W455 = 2319.7 kw Puntuación con resultados correctos: 6 ptos A9= GRT9/P0V9 = 0.0441713 m 2 (P45t/P5t) cte (T45t/T5t) cte. 23 cte T4t cte 23 cte Caso a) T2t = 273 K Caso b) T2t = 313 K Caso a) 23 = 16.61 T3t = 668.7 K T4t = 1300 K T45t = 904.3 K T5t = 673.3 K P5t = 1.6609851 P0 T9 = 582.46 K V9 = 427.22 m/s G = 11.44 kg/s E = 4887.4 N W455 = 2653.8 kw Puntuación con resultados correctos : 2 ptos Caso b) 23 = 12.86 T3t = 708.7 K K T4t = 1300 K T45t = 904.3 K T5t = 673.3 K P5t = 1.2859884 P0 T9 = 626.63 K V9 = 306.27 m/s G = 7.62 kg/s E = 2333.9 N W455 = 1767.7 kw Puntuación con resultados correctos : 2 ptos. ESCUELA TÉCNICA DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Examen de Motores de Reacción 4º 14.09.2004 Un turborreactor de flujo único monoeje equipado con tobera convergente, presenta en condiciones de despegue (M0 = 0, P0 = 101.235 kPa, T0 = 288 K) los siguientes datos de funcionamiento: Apartado 1. Calcular en esas condiciones de despegue, el impulso, consumo específico y gasto de aire. Apartado 2. Suponiendo que al variar la altura y velocidad de vuelo se mantiene constante la relación y la geometría del motor, calcular en condiciones de crucero (M0 = 0.85, altura =10000 m , P0 = 26.462 kPa, T0 = 223 K) el impulso, consumo específico y empuje. Hipótesis: ciclo ideal, propiedades del gas constantes y gasto de combustible despreciable frente al gasto de aire. Datos : cP = 1004.3 J/kg K, = 1.4, L = 41.85 MJ/kg Nota: para la resolución del apartado 2 tenga en cuenta lo que ocurre con la línea de funcionamiento y, consecuentemente, con el punto de funcionamiento en las actuaciones de un turborreactor cuando la tobera esta en condiciones críticas. Calificación : Planteamiento y ecuaciones apartado 1 (totalmente bien) : 4ptos. Planteamiento y ecuaciones apartado 2 (totalmente bien) : 3 ptos. Resultados numéricos apartado 1 bien : 2 ptos. Resultados numéricos apartado 2 bien : 1 ptos. Tiempo : 60 minutos Solución: Apartado 1: T2t = T0 = 288 K P2t = P0 = 101.235 kPa T5t = 1297.45 K P5t = 303.705 kPa (tobera crítica) T3t = 440.5 K 23 = 4.42699 P3t = 448.1408 kPa P8 = 160.4418 kPa T8 = 1081.2 K V8 = 658.9 m/s Apartado 2: Hipótesis : la tobera sigue critica lo cual supone que la línea de funcionamiento es única y el punto de funcionamiento del motor depende de un solo parámetro. Al ser la relación T4t/T2t constante, el punto de funcionamiento es el mismo y todos los parámetros adimensionales del motor permanecen constantes. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Examen de Motores de reacción 4º 22.06.2004 Problema 2 De un turborreactor de flujo único monoeje se conocen las siguientes características en banco : 23 = 20 T4t = 1500 K ec = 0.88 et=0.88 q = 1 02=1 58=1 A8 = 0.2 m 2 M1 = 0.6 tobera convergente Calcular en banco: 1. el impulso y consumo específico 2. el área de entrada al motor A1 Datos: L = 43.1 MJ/kg, cP = 1004.3 J/kg K, = 1.4, R = 287 J/kg K Banco : M0 = 0, T0 = 288 K, P0 = 101.325 kPa Hipótesis : c<<G, propiedades del gas constantes Calificación : Planteamiento y ecuaciones apartado 1 (totalmente bien) : 3 ptos. Planteamiento y ecuaciones apartado 2 (totalmente bien) : 2 ptos. Resultados numéricos apartado 1 bien : 3 ptos. Resultados numéricos apartado 2 bien : 2 ptos. Tiempo : 50 minutos Solución : Apartado 1 Apartado 2 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Motores de reacción 4º 23.06.2003 Problema 1 Un turborreactor de flujo único mono eje con postcombustor presenta en vuelo de crucero a una altura de 10000 m y M0 = 0.85 con el postcombustor apagado los siguientes valores: Calcular los valores de la relación de compresión (23), temperatura fin de combustión (T4t) y empuje correspondientes a esa condición de vuelo, si el área de salida de la tobera es, A8 = 0.214 m 2 . A esa altura y velocidad de vuelo, se enciende el postcombustor elevando la temperatura de remanso en la tobera (T7t) a 1950 K, manteniendo constante la temperatura fin de combustión (T4t). Un fallo en el actuador de la tobera obliga a mantener A8 constante e igual al valor que tenía con el postcombustor apagado. Suponiendo que la turbina trabaja critica en todo momento (antes y después de encender el postcombustor), calcular los nuevos valores de T5t , (P5t/P2t) y empuje. Hipótesis: Ciclo ideal C (consumo de combustible principal)<<G Cpc (consumo de combustible postcombustor)<<G Tobera convergente Cp y constantes en todo el motor Datos: Altura 10000 m : P0 = 26436 Pa, T0 = 223.15 K = 1.4 cP = 1004.3 J/kg K L = 43 MJ/kg Tiempo : 80 min. Puntuación : Primer apartado: con resultados numéricos correctos : 5 ptos. Segundo apartado: con resultados numéricos correctos : 5 ptos. Solución: Cálculos previos: Apartado 1º : Ecuación de acoplamiento de potencia compresor-turbina: 3 ptos.(2+1) Cálculo del empuje: Funcionamiento de la tobera convergente: 2 ptos (1+1) Apartado 2º : Premisas : Suponemos que la tobera se mantiene critica después de encender el postcombustor y al ser A8 constante: tiene el mismo valor antes y después de encender el postcombustor. Postcombustor apagado (off): Postcombustor encendido (on): 3 ptos (2+1) Comprobación de hipótesis tobera critica : 2 ptos (1+1) ESCUELA TÉCNICA DE INGENIEROS AERONÁUTICOS. Examen de Motores de Reacción 4º(95) 1 7.09.2002 En un turborreactor de flujo único monoeje de geometría fija (salvo el área de salida de la tobera) cuyas características de diseño en banco son: 23 = 9:1 T4t = 1700 K G = 50 kg/s Tobera convergente se quiere estimar la posibilidad de variar el área de salida de la tobera, de forma que cuando cambien las condiciones de funcionamiento del motor (altura y velocidad de vuelo, y régimen) laentrada del motor trague su propia imagen, es decir el área de captura (A0) sea igual al área de entrada (A1). Sabiendo que para una altura de 10000 m y M0 =0.9, con T4t = (T4t)banco y A8 = (A8)banco se cumple que A1=A0, calcular los parámetros que se indican en la tabla, con la condición A0 = A1 y T4t = (T4t)banco , y las siguientes hipótesis y datos Hipótesis : Turbina y tobera críticas Ciclo ideal Propiedades del gas constantes c<<G Datos : Banco (M0=0) : T0 = 288 K , P0 = 101.235 kPa altura = 10000 m : P0 = 26.462 kPa, T0 = 223 K cP = 1004.3 J/kg K, = 1.4, L = 41.85 MJ/kg Solución: Datos : CP = 1004.3 J/kg K, = 1.4 Banco: T2t = T0 = 288 K ; P2t = P0 = 101235 Pa P3t = 911115 Pa ; T3t = 539.55 K P4t = P3t = 911115 Pa ; T4t = 1700 K T5t = 1448.45 K ; P5t = 520193 Pa Turbina crítica Tobera crítica Cálculo de A1: Altura = 10000 m (T0 = 223 K, P0 = 26462 Pa), M0 = 0.9 T2t = 259.13 K, P2t = 44755 Pa Geometría fija A4 =constante = 0.055975 m 2 Condición de operación A8 = (A8)banco =0.090497 y T4t = (T4t)banco= 1700 K Turbina y tobera critica T5t = 1448.45 K T3t=T4t –T5t +T2t=510.68 K 23=10.745 P4t=P3t = 480.892 kPaP5t = 274.560 kPa Variación de A8 Altura = 10000m, M0 = 0.3 y M0 = 1.5 Geometría fija A4 y A1 fijas Condición A0 = A1 = 0.236899m 2 y T4t = 1700 K M0 = 0.3 : T2t = 227.01 K, P2t = 28166.95 Pa, V0 = 89.79 m/s G=8.79kg/sP3t = 160175.2 Pa 23 = 5.687 T3t = 373 KT5t=1554.01KP5t=116980.2Pa A8 = 0.07328m2 M0 = 1.5: T2t = 323.35 K, P2t = 97142.8 Pa, V0 = 448.95 m/s G = 43.98 kg7sP3t=800694Pa23=8.24 T3t=590.7KT5t=1432.6KP5t=439932 Pa A8=0.0936m 2 ESCUELA TÉCNICA DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Examen especial de Motores de Reacción (alumnos MIT) 13.06.2002 (9,00 h) Un turborreactor monoeje con postcombustión presenta las siguientes características de diseño en banco: 23 = 16:1 T4t = 1500 K T7t = 1900 K G = 50 kg/s Tobera convergente (geometría variable) Se pide : 1. Calcular la variación del área de salida de la tobera (A8) en función del parámetro T4t/T2t y M0 para que la línea de funcionamiento de puntos en equilibrio del turborreactor con el postcombustor apagado sea la misma cuando se enciende el postcombustor a la temperatura T7t de diseño en banco. 2. Con la condición anterior y sabiendo que T4t/T2t permanece constante e igual a su valor de diseño en banco, calcular el empuje y consumo específico cuando vuela a una altura de 9000 m y M0 = 1.6 con el postcombustor encendido. Hipótesis : ciclo ideal (02=23=45=8=1 ; 34=56=67=1 ; q=pc=1) cP, y R constantes e iguales en todas las fases Cámara combustión y postcombustor : combustión diluida c y cpc despreciables frente a G Datos : Banco : M0 = 0, T0 = 288 K, P0 = 101.325 kPa Altura 9000 m : M0 = 1.6 ; T0 = 229.73 K , P0 = 30 kPa cP = 1004.3 J/kg K, = 1.4 ; R = 287 J/kg K L = 43 MJ/kg Solución : Línea de funcionamiento: Turbina crítica : Ciclo ideal : Banco : T2t = T0 = 288 K P2t = P0 = 101.325 kPa P3t = 1621.2 kPa T3t = 635.95 K T4t = 1500 K P4t = P3t T5t = 1152.04 K P5t = 643.664 kPa P7t = P6t = P5t Tobera crítica Postcombustor apagado : Postcombustor encendido : Misma línea funcionamiento T7t = 1900 K 2.- Altura = 9000 m, M0 = 1.6, T4t/T2t = cte. La misma línea de funcionamiento y T4t/T2t = cte. 23 = 16 :1 T2t = 347.35 K P2t = 127.512 kPa T4t = (T4t/T2t)*T2t = 1809.11 K P3t = 2040.199 kPa T3t = 767.01 K T5t = 1389.45 K P5t = 810.019 kPa P7t = P6t = P5t T7t = 1900 K T8 = 1583.33 K P8 = 427.918 kPa V8 = 797.61 m/s V0 = 486.1 m/s Los apartados 1 y 2 corresponden a los cursos 4º (95) y 5º C- D (74) Los apartados 1,2 y 3 corresponden al curso 5ºB (74) ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS Examen de Motores de Reacción 21.0 6.2002 (16.00 h) En un turbofán bieje esquematizado en la figura, y cuyo flujo primario presenta las siguientes características de diseño en crucero (altura = 11000 m , M0 = 0.85) : T4t = 1400 K 23 = 29 1. Calcular la relación de compresión del fan que optimiza el CE si el valor de la relación de derivación escogido por motivos de interferencia es = 5, (para la optimización suponer toberas adaptadas). 2. Calcular el CE e I para ese valor de la relación de compresión del fan y las características de diseño en crucero (23, T4t y ) en el supuesto de toberas adaptadas y en el caso de toberas convergentes 3. Suponiendo que las turbinas funcionan en condiciones críticas en todo momento, y que las toberas son convergentes, calcular el valor de M0 en el que se desbloquea la tobera del flujo primario para el valor T4t/T2t de diseño y el valor del CE e I en esa condición de funcionamiento volando a una altura de 3000 m. Hipótesis: ciclo ideal cP, y R constantes e iguales en todas las fases c despreciable frente a G Datos: R = 287 J/kg K, = 1.4, cP = 1004.3 J/kg K, L = 43 MJ/kg Altura 11000 m : T0 = 216.77 K , P0 = 22 kPa Altura 3000 m : T0 = 268.65 K, P0 = 70.109 kPa Solución : 1.- Crucero : T2t = 248.09 K P2t = 35.284 kPa P3t = 1023.236 kPa T3t = 649.29 K (T8)adaptada = 467.4 K V0 = 250.85 m/s (f)optimo para : (CE minimo) con (P8=P18=P0)V8 = V18 T13t =331.43 K 1213 = 2.7559 :1 2.- Crucero : T5t = 582.1 K P5t = 47.426 kPa f = 0.017533 Supuesto adaptadas : CE = 1.2757 10 -5 kg/Ns Supuesto convergentes: Tobera primario crítica Tobera secundario crítica P8 = 25.054 kPa T18 = 276.191 K P18 = 51.369 kPa V18 = 333.13 m/s CE = 1.3276 10 -5 kg/Ns 3.- el punto de funcionamiento del motor se mantiene constante igual relación de compresión, de expansión, relación de derivación, todo igual En el punto en el que comienza el desbloqueo de la tobera del primario se cumple: 23 = 29 Altura = 3000 m, M0 =0.7168 T2t = 296.26 K T3t = 775.34 K T4t = 1671.8 K T5t = 695.11 K T13t = 395.69 K P2t = 98.736 kPa P4t = P3t = 2863.34 kPa P5t = 132.713 kPa P13t = 271.871 kPa T8 = 579.26 K P8 = 70.109 kPa = P0 V8 = 482.43 m/s T18 = 329.74 K P18 = 143.624 kPa V18 = 363.99 m/s f = 0.02094 V0 = 235.5 m/s 1554.78 m/s CE = 1.3468 10-5 ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONAUTICOS Examen de Motores de Reacción y Turbinas de Gas 15.09.03 1º Apellido__________________________2º Apellido__________________________ Nombre__________________________ Nº______ ________ Datos e hipótesis comunes para todos los ejercicios: cP = 1004.3 J/kg K = 1.4 L = 43 MJ/kg Altura = 0 m : P0 = 101.325 kPa, T0 = 288 K Altura = 10000 m : P0 = 26.436 kPa, T0 = 223.15 K Despreciar consumos de combustible frente al gasto de aire en todas las ecuaciones Propiedades delgas constantes Normas: Cada ejercicio deberá realizarlo en el espacio reservado para ello Puntuación de cada ejercicio: Cada ejercicio se puntuara: 0, 0.5 ó 1 Planteamiento y ecuaciones correctas: = +0.5 Resultado numérico correcto: +0.5 No se tendrán en cuenta resultados numéricos que no estén acompañados por un planteamiento y ecuaciones correctas. Valoración de cada ejercicio en la nota global: Ejercicio 1: 3/20 Ejercicio 2: 3/20 Ejercicio 3: 4/20 Ejercicio 4: 4/20 Ejercicio 5: 6/20 Tiempo total : 2 h. Problemas 1.- Un turborreactor bieje tiene en banco una relación de compresión y rendimiento adiabático de compresión globales de 18 y 0.84 respectivamente. Sabiendo que la temperatura entre ambos compresores (T25t) vale 430 K y que el rendimiento politrópico se puede considerar constante en toda la fase de compresión, calcular las relaciones de compresión y los rendimientos adiabáticos de los compresores de baja y alta. 2.- Un turborreactor de flujo único monoeje equipado con tobera convergente (A8 = 0.2 m 2) volando a M0 = 0.8 y altura 10000 m tiene las siguientes condiciones en la sección de salida de la tobera: T8 = 860 K, P8 = 84000 Pa. Sabiendo que el mach en la sección de entrada del motor vale M1 = 0.7 y suponiendo flujo unidimensional e ideal, calcular la resistencia adicional en dichas condiciones. Dad =31.20 N 3.- En un turborreactor con postcombustor equipado con una tobera convergente-divergente de geometría variable (y que mantiene A8/A9 = cte en toda condición de funcionamiento), al encender el postcombustor volando a M0 = 0.8 y 10000 m se obtiene un incremento de empuje . Sabiendo que la tobera está adaptada cuando el turborreactor vuela con el postcombustor apagado, y que al encender el postcombustor es necesario aumentar el área de la garganta un 40% para mantener el gasto constante, calcular el impulso del turborreactor con el postcombustor encendido. (NOTA: Suponga funcionamiento ideal en todo el turborreactor). 4.- Un turborreactor bieje funcionando en banco tiene las siguientes características nominales en banco: 2-25 = 5 25-3 = 4 T4t = 1500 K Sabiendo que en el turborreactor equipado con tobera convergente las turbinas funcionan en condiciones críticas en todo momento, calcular las relaciones de compresión cuando el turborreactor vuela a 10000 m y M0 = 0.8 con una temperatura T4t = 1400 K. (NOTA: Suponga ciclo ideal). Suponemos que la tobera sigue critica La tobera sigue critica (hipótesis correcta) 5.- En un turborreactor de flujo único monoeje con tobera convergente y valores nominales en banco 23 = 19 y T4t = 1500 K, se ha observado que el acoplamiento de los elementos de motor hace que el punto de funcionamiento en condiciones nominales en banco esté muy próximo a la línea del surge del compresor. Suponiendo ciclo ideal, y con el resto de la geometría fija, calcular la variación del área de la tobera necesaria para disminuir la relación de compresión un 10% para el mismo gasto nominal de funcionamiento en banco. (NOTA: Turbina y tobera funcionando en condiciones criticas en todo momento) Igual parámetro de gasto
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