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Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 5 – Propulsión Aérea

Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez

Parte I: Introducción a la propulsión

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Contenido

Introducción a la propulsión Principios de la propulsión Empuje Balance energético Integración motor-avión


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Inicios de la propulsión


Herón de Alejandría: aeolipile

s. I Aeolipile (Herón de Alejandría) s. XII Primeros motores cohete en China s. XV Hélices de Leonardo da Vinci s. XVII Leyes de Newton 1903 Primer vuelo con hélice Wright Flyer I MC Químico de Tsiolkovsky (1903) 1928 Primer vuelo con motor cohete Lippisch

Ente 1939 Primer vuelo con turborreactor Heinkel

He 178 1945 Primer vuelo con turbohélice Gloster

Trent Meteor EE227 1959 Primer vuelo con turbofán Boeing 707 Turborreactor:

Coandă (1910) Whittle (1941) Hans von Ohain (1939)

Tsiolkovsky

Heinkel He 178

Lippisch Ente

Video (efecto Coanda)

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Inicios de la propulsión


Gloster E28-39

Me - 262 Turborreactor: Whittle (1941) Hans von Ohain (1939)

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Contenido



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Principios de la propulsión

Propulsión: Ciencia que estudia la generación de la fuerza necesaria para acelerar un

vehículo (o vencer la fuerza de resistencia), así como los sistemas que generan dicha fuerza.

3ª ley de Newton: la fuerza propulsiva lleva consigo la existencia de otra fuerza igual aplicada en otro medio: propulsante.

Sistemas de propulsión usados en Ingeniería Aeroespacial:

Propulsión por chorro: Aerorreactores Motores cohete

Propulsión por hélice Motor alternativo + hélice Turboeje + hélice

Propulsión mixta Turbohélice


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Clasificación General de los sistemas de propulsión

El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente: PROPULSIÓN POR HÉLICE

Motor alternativo + Hélice Turboeje + Hélice

PROPULSIÓN POR CHORRO Aerorreactores

Con compresor: Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor)

Sin compresor Estatorreactores Pulsorreactores

Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)

PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje


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Propulsión por chorro Aerorreactores

Con compresor: Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor)

Sin compresor: Estatorreactores Pulsorreactores

Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante

sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos,

electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)


Turboreactor Tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de ciclo alternativo que tienen un

funcionamiento discontinuo (explosiones), tiene un funcionamiento continuo. Consta de las mismas fases que un motor alternativo: admisión, compresión,

expansión y escape. Los gases generados por la turbina de gas, al ser expelidos, aportan la mayor parte

del empuje del motor. Los turbojet fueron los primeros motores a reacción empleados en la aviación

comercial. Elevada sonoridad Bajo rendimiento de combustible

9 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Turborreactores


Turboreactor


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Chorro (jet). Aerorreactores

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Chorro (jet). Aerorreactores

Compresor centrífugo

Turbofan

Los motores de aviación tipo turbofan, son la nueva generación de motores a reacción que reemplazó a los motores turborreactor.

Se caracterizan por tener un ventilador (fan) en la parte frontal del motor desde el cual el aire se divide en dos tipos: Aire de bypass y aire primario.

Este tipo de motores tiene las ventajas de consumir menos combustible (aerokerosene JPA1) más económico para el operador contaminan menos el aire reducen la contaminación sonora.


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Turbofanes


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Turbofanes


A. Low pressure spool B. High pressure spool C. Stationary components

1. Nacelle 2. Fan 3. Low pressure compressor 4. High pressure compressor 5. Combustion chamber 6. High pressure turbine 7. Low pressure turbine 8. Core nozzle 9. Fan nozzle Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Aerorreactores sin compresor


Estatorreactor (ramjet)

Scramjet (supersonic combustion ramjet)

Estatorreactor Motor a reacción que carece de compresores y turbinas (Ramjet). La compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de

funcionar. El aire ya comprimido, se somete a un proceso de combustión en la cámara de

combustión y una expansión en la tobera de escape. El régimen de trabajo de este motor es continuo.


ScramJet Scramjet (supersonic combustion ramjet) es una variación del estatorreactor

(ramjet) con la gran diferencia que la entrada del flujo en el combustor es supersónica. En velocidades elevadas es necesario el hacer la combustión de forma supersónica para

maximizar la eficiencia del proceso de combustión Se preveee que con los scramjets podamos volar a velocidades entre Mach 12 y Mach

24 (orbital velocity).


Video (Hyper X-43)

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Clasificación General de los sistemas de propulsión

El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente: PROPULSIÓN POR HÉLICE

Motor alternativo + Hélice Turboeje + Hélice

PROPULSIÓN POR CHORRO Aerorreactores

Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor) Estatorreactores Pulsorreactores

Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)

PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje


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Propulsión por hélice


Motor alternativo Turboeje

Turbohélice

Turbohélice Los gases de la turbina se emplean en su totalidad para mover en este

caso una hélice que genera el empuje necesario para propulsar la aeronave. Presentan una mayor eficiencia aunque no permiten alcanzar velocidades

muy elevadas por lo que su uso se limita a pequeñas aeronaves o aviones de tipo regional que no han de cubrir grandes distancias.

También se utilizan en aviones de carga y transporte militares como el Lockheed C-130 'Hercules' o el nuevo Airbus A400M


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Propulsión por hélice II


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Propulsión por hélice III


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Propulsión por hélice IV


Turboeje Un motor turboeje (en inglés: turboshaft) es un motor de turbina de gas que entrega su

potencia a través de un eje. Es similar al motor turbohélice pero, a diferencia de éste, no mueve directamente una

hélice, sino un eje motor independiente. Normalmente se utiliza como motor de aviación para propulsar helicópteros.

Más compacto y ligero que un turbohélice


Turboeje + Hélice


Pulsoreactores

Son motores de combustión discontinua (similares a los de automoción) Los primeros diseños tenían un juego de válvulas que regulaba la entrada de

aire a la cámara de combustión. Presentaban poca fiabilidad por la fatiga de las válvulas (ejemplo, motor V1)

Posteriormente se desarrollaron pulsorreactores sin válvulas. Poseen vidas útiles superiores a la mayoría de los demás motores de aviación.


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Aerorreactores sin compresor


Pulsorreactor (pulse jet)

Video (V1)

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Motores Cohete - I

Tipos de Cohetes Químicos Eléctricos Nucleares


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Motores Cohete - II Ventajas de los motores de cohete

Es el motor más potente en relación a su peso No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente No requiere lubricación ni enfriamiento Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos Su reacción es instantánea No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de

múltiples usos No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento

Desventajas Es el motor que más combustible consume Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es

supersónico En los motores de propulsante sólido, una vez comenzada la reacción esta no

se puede detener


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Motores Cohetes Cohetes químicos líquidos

Cohetes químicos sólidos Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Contenido



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Generación Empuje


¡¡La geometría interna de un aerorreactor es muy complicada !!

Tubo cerrado: no existe empuje Tubo abierto: empuje instantáneo

Chorro de salida -> Empuje no estacionario 𝑝 < 𝑝𝑎𝑎𝑎

Suministro de gas para mantener 𝑝 = 𝑝0 < 𝑝𝑎𝑎𝑎 Existe empuje estacionario

Geometría Compleja

Pratt & Whitney GP7000

F404

F100

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Generación Empuje


Métodos globales de análisis Aplicación de las leyes de conservación en un volumen

de control

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Empuje


Truborreactor

Turbofan

Motores cohete

Hélice

E – empuje G – gasto de aire c – gasto de combustible Vs – velocidad de salida V0 – velocidad del aire

c<<G (2%)

Gf – gasto de aire flujo secundario Vsf – velocidad de salida flujo secundario

�̇� → gasto de propulsante

Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo

Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del aire por unidad de tiempo Para G y 𝑉𝑠 conocidos → 𝐸

Hay que considerar el empuje generado por el chorro secundario

Propulsión fluidomecánica

Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo

Empuje es la tracción de la hélice -> problema de alas giratorias

Vs – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas abajo de la hélice V0 – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas arriba de la hélice

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Balance energético


Rendimiento motor

Rendimiento propulsivo

Rendimiento motopropulsor

Balance energético permite analizar la eficiencia del sistema que genera la fuerza propulsiva

No toda la energía calorífica se transforma en mecánica-> energía térmica de los gases de salida

No toda la energía mecánica neta se transforma en útil -> energía cinética del propulsante


Integración Motor-Avión

Motores en góndola bajo las alas: Representan un seguro en caso de incendio (están

separados del ala). Tomas de entrada y de salida cortas -> mejor rendimiento

del motor. El peso de los motores ayuda a reducir el momento flector

en el ala. Los motores son mucho más accesibles. En caso de fallo, generan una resistencia aerodinámica

elevada, así como un momento de guiñada que hay que compensar.

Se requiere un tren de aterrizaje más largo (y pesado) para que los motores no impacten en el suelo.

Generan efectos de soplado que ayudan a evitar el desprendimiento en algunas zonas del ala

Motores fusionados en el ala: Mejoran la eficiencia aerodinámica del avión. En caso de fallo de motor, producen una reducida

resistencia y un reducido momento de guiñada. Son menos accesibles y más difíciles de mantener. Pueden suponer un peligro en caso de incendio.

A 380

Handley Page Victor



Motores en el fuselaje: Apenas generan momento de guiñada en caso de fallo. Mejoran la estabilidad longitudinal del avión. Permiten acortar el tren de aterrizaje, haciendo este más

pequeño y menos pesado: Se acerca el avión al suelo, lo que facilita las tareas de handling.

Se ven afectados por la capa límite del fuselaje. Aumentan el ruido en cabina. Accesibilidad más reducida.

Interacción motor-avión

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Bibliografía [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de

2007.

[And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000.

Wikipedia (imágenes): http://es.wikipedia.org http://en.wikipedia.org

Airliners (imágenes):

http://www.airliners.net

The 2007 Russian Industry Air Show (imágenes).


http://es.wikipedia.org/

http://en.wikipedia.org/

http://www.airliners.net/

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