Motors

ENGINYERIA AERONÀUTICA
MOTORS
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
1
Crèdits: 4.5 ( 3,5 teoria + 1 pràctiques)
Tipus: Troncal
Crèdits ECTS: 3,6
Coordinador: Ramon Carreras ([email protected])
Altres Professors
Departament: Màquines i Motors Tèrmics
Presentació
Coneixements previs
Mecànica, Física, Química, Termodinàmica, Fonaments de mecànica de fluids i de transmissió de
calor.
Camps professionals
Enginyeria aeronàutica de sistemes de propulsió. L’assignatura està orientada tant al futur usuari dels
motors tèrmics com al tècnic que ha de seleccionar els equips més idonis per a cada aplicació. Els
aspectes de disseny només s’introdueixen al nivell d’avantprojecte o com a casos resolts per
estudiar-ne la solució.
Relació amb altres assignatures
Assignatura interdisciplinària que possibilita l’anàlisi i la justificació de les característiques d’operació i
de disseny dels motors tèrmics d’aplicació aeroespacial basant-se en conceptes vistos en d’altres
assignatures com mecànica, termodinàmica, química i fisicoquímica.
Objectius generals
Comprendre els principis operatius i les limitacions dels motors tèrmics en general i dels motors
d’aplicació aeroespacial en particular.
Deduir les conseqüències derivades del tipus de combustió: Premescla, difusió, combustió permanent
o intermitent.
Identificar el tipus de motor més adient per a cada aplicació.
Conèixer les magnituds utilitzades en la caracterització dels motors. Saber interpretar les
especificacions tècniques d’un motor.
Saber justificar les raons d’un determinat disseny.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
2
Temari
Mòdul 1 ASPECTES COMUNS DELS MOTORS I PROPULSORS
Tema 1.
1.1
1.2
Tema 2.
Exigències per a la propulsió en el medi aeri i espacial. (2 hores)
Exigències derivades de la baixa densitat, viscositat i adherència del medi
Propulsió a reacció: hèlix (propeller) i doll (jet)
La font d’energia i la composició química del medi ambient.
1.2.1 Operant amb l’atmosfera terrestre: L’aire com a comburent. Combustibles
1.2.2 Per operar fora de l’atmosfera: Els propergols per coets (rocket propellants)
Principis operatius comuns en els motors
(3 hores)
2.1 Processos dels motors tèrmics: evolució del fluid motor. Representacions gràfiques p(v) i
h(s). Dels cicles ideals de referència a les evolucions cícliques reals.
2.2 Els motors de combustió interna aeroespacials: Combustió permanent i combustió
intermitent: Coets, Turboreactors i Motors alternatius de combustió interna.
2.2.1 Analogies i diferències
2.2.2 Breu ressenya històrica del seu desenvolupament
2.3 Balanç energètic: Treball en eix, transferència de calor, velocitat del doll, Importància
relativa dels termes. Rendiment, Treball específic. Empenta, impuls total i específic.
2.4 Concepte de consum específic de combustible en motors i en reactors.
2.5 Rendiment propulsiu i idoneïtat del motor per a cada aplicació/missió
Tema 3.
Combustibles i Combustió aplicada als motors
(4 hores)
3.1 Aire com a comburent. Composició i propietats de l’aire atmosfèric.
3.2 Els combustibles. Composició i propietats generals
3.2.1 Especificacions dels combustibles. Normes ASTM exemples
3.3 Processos de referència en combustió
3.3.1 Combustió estequiométrica. Generalització.
3.3.2 Termoquímica i energètica de la combustió. Combustió adiabàtica.
3.3.3 Espècies resultants. Composició d’equilibri a p i T
3.3.4 Predicció de la temperatura adiabàtica de combustió. .
3.3.5 Cinètica a la combustió. Fluxes reaccionants.
3.4 Ús de programaris per la resolució de casos.
3.5 Combustió homogènia (premesclada) i combustió heterogènia (difusió).
3.5.1 Concepte de velocitat laminar i turbulenta de flama.
3.5.2 Front de flama i massa cremada
3.5.3 Fenomenologia de la combustió de gotes
3.6 Ignició. Límits d’inflamabilitat.
Mòdul 2 EL MOTOR DE COET
Tema 4
Fonaments dels propulsors coet
4.1 Història i principi operatiu dels motors coet. Tipus bàsics.
4.2 Motors amb propulsant sòlid
4.2.1 Composició i geometria de la càrrega (grain)
4.2.2 Llei de combustió i actuació. Perfil d’empenta
4.3 Motors amb propulsants líquids
4.3.1 Propulsants criogènics i emmagatzemables
(4 hores)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
4.4
4.5
4.6
4.7
3
4.3.2 Sistemes d’alimentació.
4.3.3 Refrigeració regenerativa de la cambra de combustió
4.3.4 Micropropulsors pel control de posició: monopropulsants
Motors amb propulsants híbrids (possibilitats)
Programaris de predicció: PRO AIAA Propulsion Design Software (C.Brown),
IVTANTHERMO,
Geometria bàsica de les toveres dels coets. Programari NOZZLE,
Motors nucleotèrmics i electrotèrmics
Mòdul 3 LES TURBINES DE GAS AERONÀUTIQUES
Tema 5.
El turboreactor: elements, actuació i derivats
(3h)
5.1 El turboreactor elemental (turbojet)
5.2 Lay-out bàsic
5.2.1 Compressor. Tipus
5.2.2 Difusor
5.2.3 Cambra de combustió (distribució de l’aire).
5.2.4 Turbines. Tipus.
5.2.5 Toveres propulsives
5.2.6 Eixos múltiples.
5.2.7 Sistemes d’acotació.
5.3 Actuació i equació d’empenta.
5.4 Rendiment propulsiu i conseqüències per l’aviació civil i militar.
5.5 Els turboreactors amb derivació (by-pass): Turbofans. Relació de by-pass.
5.6 Els turboreactors amb postcombustió, aplicacions.
5.7 Els turboeix: Del turboprop al propfan. Contrarrotants. Turbines per helicòpters
5.8 Modificacions: Injecció d’aigua. Turbines regeneratives.
5.9 Les turbines de gas aeroderivades: Aplicacions terrestres i navals.
Tema 6
de gas.
6.1
6.2
6.3
6.4
Tema 7
7.1
7.2
7.3
7.4
.
Els cicles termodinàmics de referència en la predicció de l’actuació de les turbines
(3h )
Cicle ideal de Brayton i les seves modificacions: anàlisi paramètrica del rendiment i del
treball específic. Conclusions prèvies.
Correccions al cicles ideals. Solucions aproximades immediates.
Ús de rendiments politròpics de compressors i turbines. Optimització
Ús de Programaris docents: “Simulación Ingenieria Térmica” , GASTURB i GASTUSIM
Transferència de treball i d’energia a les turbomàquines
(1h )
Aplicació de l’equació d’Euler a les turbomàquines tèrmiques
Evolucions Termodinàmiques. Grau de reacció. Magnituds de repòs.
Cinemàtica de les turbines: Triangles de velocitat. Angle del corrent i angles d’incidència.
Grau de reacció i salts entàlpics.
Tema 8
Principals components de les turbines de gas aeronàutiques i la seva actuació 3h)
8.1 Els àleps
8.1.1 Criteris de disseny aerodinàmic d’aleps d’una turbina axial. Programari
“Simulación Ingenieria Térmica” CASCADA, TURBINA AXIAL...
8.1.2 Disseny geomètric, mecànic i tèrmic. Refrigeració d’un àlep de turbina
8.1.3 Materials i tècniques constructives. Fatiga i erosió.
8.2 La cambra de combustió.
8.2.1 Criteris de disseny: Temperatura dels gasos. Intensitat tèrmica. Estabilitat de
flama. Mapes de temperatures.
8.2.2 Solucions constructives: Cambra Tubular, Tub-anul·lar, Anul·lar
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
8.3 Auxiliars.
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.3.5
Tema 9.
4
Alimentació del combustible
Lubricació
Engegada i ignició
Controls i instrumentació
Sistemes de protecció: gel, foc.
Emissions de les turbines de gas
(1h)
9.1 Emissió de contaminants. Cas dels NOx
9.2 Emissions acústiques. Reducció del soroll.
Mòdul 4 EL MOTOR ALTERNATIU DE COMBUSTIO INTERNA
Tema 10
El motor alternatiu de combustió interna. Aspectes comuns
(4h)
10.1
Principi operatiu dels motors d’encesa provocada (Otto) i d’encesa per compressió
(Diesel). Les seves característiques d’operació i de regulació.
10.2
Aplicabilitat a la propulsió aèria.
10.3
Arquitectura i característiques dimensionals dels motors.
10.4
Elements i principi operatiu del motor de 4 temps i del de 2 temps.
10.5
Característiques operatives i efectives: Parell motor, pressió mitja efectiva, potència,
consum específic en funció del règim (càrrega i velocitat). Efecte de l’altitud.
10.6
Representacions gràfiques: Corbes i plànols acotats
10.7
Semblança mecànica i relacions pes/potència. Motors policilíndrics. Càrrega tèrmica.
10.8
El motor Wankel a l’aeronàutica
Tema 11
11.1
11.2
11.3
11.4
11.5
11.6
11.7
11.8
11.9
El motor Otto (Spark Ignition Engine)
(4h)
Importància històrica i actual.
L’alimentació d’aire i de combustible. Formació de la mescla i regulació.
La distribució en els motors de 4 i de 2 temps.
Rendiment volumètric i règim. Optimització de vàlvules i distribució.
Sobrealimentació d’altitud.
La ignició i la combustió. El picat. L’escapament. Modelitzacions.
Sistemes de refrigeració i de lubricació. Arrencada.
Sensors i control electrònic del motor.
Elements constructius del motor: Bloc de cilindres, culates i grup cigonyal. Reducció de
pes.
Tema 12
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
El motor Diesel aeronàutic
(2h)
Importància històrica, actual i futura.
Punts forts i punts febles del motor Diesel. Anàlisi de tendències.
La sobrealimentació del motor Diesel
La injecció de combustible i la regulació.
La ignició i la combustió. El picat en el motor Diesel
Bombes i injectors.
El motor diesel de 2t lleuger
Mòdul 5 MODELS I EXPERIMENTACIO
Tema 13
13.1
13.2
13.3
13.4
Modelització i assaig de motors i propulsors
(2h)
Models de diagnosi i models de predicció.
Tècniques experimentals a l’assaig de motors. Mesures externes i internes.
Bancs de proves i instrumentació d’adquisició i de tractament de dades.
Sensors i indicadors. Cadena de mesura.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
13.5
13.6
5
Exemples d’aplicació.
Presentació de resultats.
Objectius específics dels mòduls
n
Mòdul 1
Conèixer les característiques que ha de tenir un motor destinat a la propulsió aèria i espacial.
Comprovar la idoneïtat de diferents alternatives motopropulsors per a cada aplicació. Establir els
principis operatius comuns i els diferenciadors dels motors aeroespacials.. Efectuar un balanç
energètic i establir els rendiments .
Dominar els principis de la combustió necessaris per comprendre els aspectes d’actuació i control que
en depenen. Saber obtenir les dades necessàries pels càlculs i conèixer els programaris que els
faciliten.
Objectius de l’alumne
Utilitzar els coneixements adquirits en assignatures prèvies per aplicar-los a l’anàlisi dels motors
aeroespacials.
n
Mòdul 2
S’utilitza l’estudi del motor coet com a giny conceptualment més simple per introduir els conceptes de
propulsants i els seus requeriments.
Objectius de l’alumne
Conèixer el principi operatiu i l’adequació a una missió de cada tipus de motor coet.
Utilitzar les dades i especificacions d’un motor de coet real com a cas a analitzar amb els conceptes
de combustió del mòdul 1.
n
Mòdul 3
S’estudia conceptualment la turbina de gas aeronàutica introduint -la com una evolució d’un coet
atmosfèric i l’adopció de solucions procedents d’altres màquines tèrmiques. El fet bèl·lic com impulsor
dels desenvolupaments aeroespacials.
Es seleccionen els elements més característics de les turbines de gas per fer-ne una anàlisi més
aprofundida. Es presenten alguns vídeos històrics.
Objectius de l’alumne
Conèixer el principi operatiu i les característiques constructives de les turbines de gas aeronàutiques.
Conèixer els criteris de disseny d’aleps, cambres de combustió i d’altres elements principals i auxiliars
n
Mòdul 4
Es presenten els diferents principis operatius i orgànics dels motors alternatius Otto i Diesel en
modalitats de 2 temps i de 4 temps. S’analitzen les analogies i les diferències i l’aplicabilitat de cada
tipus de motor al camp aeronàutic.
Objectius de l’alumne
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
6
Conèixer el principi operatiu i les característiques constructives dels motors alternatius en les seves
diferents modalitats i aplicacions. Saber relacionar totes les seves característiques operatives partint
de l’equació del rendiment del motor i dels convenis d’especificacions.
n
Mòdul 5
Com tema d’aplicació recopilatori s’introdueixen les bases dels models predictius i de diagnosi
utilitzats en l’assaig i desenvolupament dels motors i dels propulsors.
Es presenten les característiques de les instal·lacions destinades a l’experimentació en motors i en
l’obtenció de les seves característiques. Es veuen els tipus de sensors i cadenes de mesura típics de
l’assaig de motors i propulsors.
Objectius de l’alumne
Conèixer les possibilitats de modelització analítica del funcionament d’un motor i dels processos i
sistemes més característics. Valorar la complementarietat de models i d’assaig experimental.
Metodologia de treball
Es treballen a classe els diferents mòduls i es reforcen els coneixements i les habilitats amb la
resolució i discussió de casos pràctics reals. Es potencien les habilitats informacionals per que
l’alumnat pugui mantenir els coneixements actualitzats i es puguin compartir els resultats de les
cerques. Es fa ús de projeccions estàtiques i dinàmiques per apropar l’aula al mon real. S’intenta fer
la classe participativa.
Sessions teoria, problemes
No hi ha una clara diferenciació entre sessions de teoria i de problemes, ja que s’avança introduint
conceptes i aplicant-los a resolució de casos en forma seqüencial. Hi ha problemes resolts i discutits
a classe, problemes proposats i problemes de síntesi que contemplen diferents aspectes. Es potencia
l’ús de programaris per poder dedicar més temps a l’anàlisi paramètrica que no pas a la resolució
numèrica carregosa o a l’excessiva simplificació.
Pràctiques, laboratoris
n Pràctica 1: Us de bases de dades i programaris per resoldre diferents problemes de combustió:
Turbina de gas (excés d’aire) motor coet (velocitat d’ejecció).
n
Pràctica 2: Balanç energètic en un motor. Assaig en banc de proves. Corbes característiques.
n
Pràctica 3. Elements constructius dels motors.
n
Sessions de projecció de vídeos comentats
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
7
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
Mòdul 1: ASPECTES
PROPULSORS
COMUNS
DELS
MOTORS
Temps de
classe (h)
Temps
d’estudi (h)
Temps
Total (h)
5
10
15
4
8
12
10
20
30
6
12
18
2
4
6
I
Mòdul 2: EL MOTOR DE COET
Mòdul 3: LES TURBINES DE GAS AERONAUTIQUES
Mòdul 4: EL MOTOR ALTERNATIU DE COMBUSTIÓ
INTERNA
Mòdul 5: MODELS I EXPERIMENTACIÓ
Materials
Les obres citades a la bibliografia no son llibres de text de l’assignatura però contenen informació útil
pel seguiment i l’ampliació de conceptes exposats a classe.
Bibliografia bàsica
Heywood, John B. , Internal Combustión Engines Fundamentals l, McGraw Hill. l (1988). ISBN: 0-07028637-X
Colin R. Ferguson, Allan T. Kirkpatrick Edition Wiley. (2000) Internal Combustion Engines: Applied
Thermosciences,
2nd ed ISBN: 0-471-35617-4
Stone, Richard
Introduction to Internal Combustion Engines . 2nd Ed. SAE (1992) ISBN: 1-56091390-8 Soft 574 pgs
Lumley, John L.
64489
Engines – An Introduction
Cambridge University Press (1999) ISBN: 0-521-
Herb Saravanamuttoo, Gordon Rogers, Henry Cohen, H. I. H. Saravanamuttoo, G. F. C. Rogers Gas
Turbine Theory (5th Edition) Prentice Hall
Existeix versió en castellà de la primera edició: Cohen, Rogers, Saravanamuttoo Teoria de las
Turbinas de Gas (1983) Marcombo
William W. Batlle Fundamentals of Gas Turbines 2nd ed. John Wiley1996 ISBN 0-471-31122-7
Rolls-Royce plc The Jet Engine. (1996) ISBN 0-902121-2-35
Bibliografia complementària
Cumpsty
N.,
Jet
Propulsion,
Cambridge
University
Press
2nd
ed.
(2003)
P. P. Walsh and P. Fletcher, Gas Turbine Performance Blackwell Science, (1998) ISBN 0 632 04784
Jeppesen's A&P Technician Powerplant Textbook ( 2004)
Kroes/Wild/Bent/McKinley Aircraft Powerplants Glencoe/MCGraw-Hill ()ISBN 0 07 035569
Dale Hurst A&P Powerplant Textbook – Avotek Aircraft Powerplant Maintenance
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30028 Motors. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 19/12/06
Avaluació
N f = 0,4 N1p + 0,4 Nef + 0,2 Nep
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial
N2p : Nota 2n parcial
Nep : Nota exercicis pràctics
8