30047

ENGINYERIA AERONÀUTICA
AMPLIACIÓ DE
MOTORS A
REACCIÓ
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30047 Ampliació de Motors a Reacció. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 11/03/09
Modificada en CAA de data 18/07/2012
1
Crèdits: 6 ( 4,5 teoria + 1,5 pràctiques)
Tipus: Optativa
Crèdits ECTS: 4,8
Coordinador: Oriol Lizandra Dalmases ([email protected])
Altres Professors: N/A
Departament: Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial i Aeronàutica de Terrassa
Presentació
Coneixements previs
La comprensió d’aquesta assignatura requereix de coneixements previs en:
 Motors a reacció.
 Termodinàmica.
 Mecànica de fluids.
 Aerodinàmica.
Camps professionals
Disseny de motors, i disseny i càlcul d’actuacions d’avions supersònics.
Relació amb altres assignatures
Aquesta assignatura té connexió directa amb les assignatures, ja cursades per l’estudiant, de Motors
(3er B) i Propulsió (4t A), presentant continuïtat amb aquesta última. Per extensió, també està
relacionada amb totes aquelles que en constitueixen coneixements previs, ja indicades anteriorment:
Termodinàmica, Mecànica de Fluids i Aerodinàmica. Però a més, donat que el disseny d’avions (en
particular, els d’alta velocitat) passa per l’elecció i selecció del tipus de sistema propulsor, també
guarda relació amb l’assignatura de disseny d’avions.
Objectius generals
Aquesta assignatura pretén complementar la seva homòloga de 4t curs, que aprofundia en la teoria i
anàlisi de la propulsió a reacció, i en particular, pel que fa a aerorreactors, tenia un enfocament molt
concret: bàsicament motors per equipar avions de transport comercial a reacció. Donat el contingut
extens d’aquella assignatura, hi havia uns aspectes més específics que no estava previst tractar, i
que es deixaven per més endavant en una assignatura complementària. Alguns d’aquests aspectes
són virtualment exclusius de l’aviació d’alta velocitat: règim supersònic i hipersònic.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30047 Ampliació de Motors a Reacció. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 11/03/09
Modificada en CAA de data 18/07/2012
2
Temari
Mòdul 1. Preses d’aire.
Tema 0. Recordatori de dinàmica de gasos.
Fluxos ideals. Magnituds d’estancament (totals). Moviment quasi-unidimensional.
Paràmetre de flux màssic. Ones de xoc: normals i obliqües. Expansions. Efectes de la
viscositat: despreniment de capa límit.
Tema 1. Preses d’aire.
Objectiu.
Concepte de conducte aerodinàmic.
Factor de recuperació.
Resistència d’entrada i compromisos de disseny.
Tema 2. Preses d’aire subsòniques.
Diferents configuracions.
Pèrdues per fricció. Influència de la relació d’àrees.
Efectes transònics.
Tema 3. Preses d’aire supersòniques.
Preses de compressió externa.
Preses de compressió interna.
Preses de compressió mixta.
Pèrdues addicionals en preses supersòniques.
Mòdul 2. Propulsió en vol supersònic
Tema 4. La missió i els seus requisits.
Sustentació i resistència aerodinàmica a règim supersònic.
Perfils de vol típics: avions de caça i avions de transport supersònic.
Selecció del punt de disseny.
Tema 5. Aerorreactors pel vol supersònic.
Característiques generals dels motors pel vol supersònic. Classificació: turborreactor pur
i turbofan amb baixa relació de derivació (sense i amb sistema de post-combustió),
estatorreactor i turbo-estatorreactor.
Mòdul 3. Disseny d’Aerorreactors pel vol supersònic
Tema 6. Recordatori d’aerorreactors.
Model teòric preliminar: Cicle Brayton. Definicions de paràmetres operacionals i de
disseny. Equacions bàsiques.
Tema 7. Estudi de l’estatorreactor.
Generalitats. Rang d’utilització.
Corbes característiques: empenta i impuls específic en funció del número de Mach.
Tema 8. Disseny de turborreactors pel vol supersònic.
Turborreactor sense sistema de post-combustió.
Turborreactor amb sistema de post-combustió.
Tema 9. Disseny de turbofans pel vol supersònic.
Turbofan sense sistema de post-combustió.
Turbofan amb sistema de post-combustió.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30047 Ampliació de Motors a Reacció. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 11/03/09
Modificada en CAA de data 18/07/2012
3
Mòdul 4. Actuacions fora de disseny
Tema 10. Actuacions fora de disseny del turborreactor.
Anàlisi del comportament fora de disseny del turborreactor. Corbes característiques.
Tema 11. Actuacions fora de disseny del turbofan.
Anàlisi del comportament fora de disseny del turbofan. Corbes característiques.
Mòdul 5. Propulsió en règim hipersònic
Tema 12. Generalitats del vol règim hipersònic.
Característiques de l’aerodinàmica hipersònica. Requisits de propulsió i sistemes
adequats pel vol hipersònic.
Tema 13. Anàlisi del flux.
Preses d’aire per motors hipersònics.
Addició de calor a alta velocitat.
Calor alliberat per reacció química.
Flux de sortida.
Tema 14. Propostes de motors pel vol hipersònic.
El motor SCRAMJET.
El motor turbo-coet.
Objectius específics dels mòduls

Mòdul 1: Preses d’aire
Objectius de l’alumne:
La presa d’aire juga un paper fonamental en les prestacions d’un motor turborreactor, i sense un bon
disseny d’aquella no és possible assolir eficiències globals acceptables del sistema propulsor.
Els sistemes propulsors per equipar avions supersònics requereixen dissenys específics de les
preses d’aire, completament diferents als utilitzats en avions subsònics.

Mòdul 2: Propulsió en vol supersònic
Objectius de l’alumne:
El vol supersònic presenta uns trets específics derivats de la compressibilitat de l’aire, amb una major
resistència aerodinàmica, i una relació de finesa sensiblement menor.
El disseny del motor ha de respondre de forma global a uns requisits de missió (perfil de vol), i no
només atendre una fase concreta del perfil de vol. El motor òptim pot obeir a criteris diferents,
depenent de si es tracta d’un avió civil o un avió militar.

Mòdul 3: Disseny d’aerorreactors pel vol supersònic
Objectius de l’alumne:
Partint dels requisits de missió, és necessari fixar uns paràmetres (adimensionals) de motor òptims
(paràmetres de disseny), que, tenint en compte totes les fases d’aquella, millor satisfacin una d’elles
en particular.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30047 Ampliació de Motors a Reacció. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 11/03/09
Modificada en CAA de data 18/07/2012
4
En el cas d’avions militars el factor pes adquireix major rellevància que en avions civils, i convindrà
sacrificar eficiència en pro d’una elevada relació empenta/pes. Això influirà enormement en l’elecció
dels paràmetres de disseny.
Les relacions de compressió òptimes són tant més baixes com més alt sigui el número de Mach de
vol. A partir de certa velocitat, és millor no comprimir, el que justifica considerar l’estatorreactor com a
alternativa de sistema propulsor.

Mòdul 4: Actuacions fora de disseny
Objectius de l’alumne:
Un cop dissenyat el motor, és necessari avaluar el comportament d’aquest quan els paràmetres de
motor són diferents als de disseny, ja que el motor a la pràctica operarà dins un rang molt ampli.
Per qualsevol motor turborreactor (de flux simple o doble), sota unes hipòtesis que normalment
sempre es satisfan, els paràmetres de motor vénen únicament determinats per dos paràmetres
(també adimensionals).

Mòdul 5: Propulsió en règim hipersònic
Objectius de l’alumne:
El règim de vol hipersònic té lloc a números de Mach prou alts com perquè l’escalfament cinètic
produeixi efectes de dissociació molecular en l’aire, el que obliga a considerar efectes tèrmics i de
transferència de calor, i a revisar profundament la forma com té lloc la combustió, respecte els motors
aerorreactors convencionals.
Pel vol hipersònic a elevada alçada els dissenys basats en motors aerorreactors (estatorreactors de
combustió supersònica SCRAMJET, i similars) presenten l’avantatge respecte el motor coet de tenir
un impuls específic més elevat, ja que una part de la massa que expulsa el motor és agafada de fora
(aire ambient).
Metodologia de treball
Sessions teoria, problemes
Els continguts teòrics constitueixen aproximadament el 75% del temps de classe, i en aquells apartats
on sigui factible i adequat, s’impartiran amb ajuda de mitjans de projecció visual.
La part pràctica de tipus presencial consistirà en la realització de problemes com aplicació directa dels
continguts impartits a les classes de teoria.
Pràctiques, laboratoris
Està prevista la realització d’un treball pràctic, en grups de com a màxim 3 alumnes, que tindrà un pes
del 20% sobre la nota final.
En principi, no es contempla la realització de pràctiques de laboratori. No obstant, en cas que fos
factible i adequat realitzar alguna pràctica interessant, es requerirà la realització d’un informe, que a
tots els efectes tindrà la mateixa consideració que un treball.
A més, no es descarta la possibilitat que a l’examen presencial es faci referència a les pràctiques
mitjançant preguntes concretes.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30047 Ampliació de Motors a Reacció. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 11/03/09
Modificada en CAA de data 18/07/2012
5
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Mòdul
Mòdul 1: Preses d’aire
Mòdul 2: Propulsió en vol supersònic
Mòdul 3: Disseny d’aerorreactors pel vol supersònic
Mòdul 4: Actuacions fora de disseny
Mòdul 5: Propulsió en règim hipersònic
Temps de
classe
14 hores
4 hores
16 hores
14 hores
12 hores
60 hores
Materials
Bibliografia bàsica
Jack L. Kerrebrock, “Aircraft Engines and Gas Turbines”, MIT (1992)
J. Seddon & E.L. Goldsmith, “Intake Aerodynamics”, AIAA (1999)
Bibliografia complementària
Jack D. Mattingly, “Elements of Gas Turbine Propulsion”, AIAA (2005)
Avaluació
L'avaluació de l'assignatura es farà basada en dues proves.
La nota final es calcularà mitjançant la fórmula següent:
N f = 0.4·N1p + 0.4·Nef + 0.2·Ntp
Nf : Nota final
N1p : Nota 1r parcial
Nef : Nota examen final
Ntp : Nota del treball pràctic
Temps
d’estudi
14 hores
4 hores
16 hores
14 hores
12 hores
60 hores
Temps
total
28 hores
8 hores
32 hores
28 hores
24 hores
120 hores