Propulsió

INGENIERÍA AERONÁUTICA
PROPULSIÓ
Guia de l’assignatura
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30034 Propulsió. Guia de l’assignatura.
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
1
Crèdits: 7,5 (4,5 teoria + 3 pràctiques)
Crèdits ECTS: 6
Tipus: Troncal
Coordinador: Oriol Lizandra Dalmases
Altres professors:
Departament: ETSEIAT
Presentació
Coneixements previs
Mecànica, Física, Química, Termodinàmica, Mecànica de Fluids, Transmissió de Calor, Motors.
Camps professionals
Propulsió per coet i propulsió a doll, considerades a un nivell més detallat que en l’assignatura de
Motors prèvia.
Relació amb altres assignatures
L'enginyeria de Propulsió exigeix l'aplicació d'una àmplia gamma de coneixements, i un motor coet o
a doll pot considerar-se pròpiament un sistema, on la termodinàmica proporciona els balanços
globals, la mecànica de fluids dilucida els detalls de la geometria i la dinàmica, les estructures i els
materials limiten els paràmetres operatius, i les consideracions econòmiques i mediambientals
constrenyen el disseny i forcen de vegades limitacions en les prestacions. L'assignatura utilitza, per
tant, ben sovint els conceptes bàsics que l'estudiant ha adquirit prèviament, en Matemàtiques, Fluids,
Termodinàmica, etc., i les descripcions més detallades dels sistemes propulsius introduïdes en
Tecnologia Aeroespacial i en Motors, sobre els quals s'aprofundeix en certs temes clau.
Objectius generals
Explicar amb cert detall l’operació i limitacions de diversos tipus de coet i de motor a reacció.
Capacitar l’alumne per a l’execució de dissenys preliminars d’aquests motors.
Capacitar l’alumne per a un anàlisi crític de motors existents i de les seves prestacions.
Fomentar una apreciació del paper determinant dels condicionants externs (requisits de missió,
consideracions econòmiques, regulacions mediambientals) en las decisions de disseny.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30034 Propulsió. Guia de l’assignatura.
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
2
Temari

Mòdul 1. MOTORS A REACCIÓ
Tema 1. Anàlisi global d’un motor per a avió comercial.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
(10 hores)
La missió i els seus requisits.
Equació de Breguet. Selecció de l’empenta. Pes del motor, consum.
Cicles per a motors a reacció. Eficiències. Propietats del gas.
Turboreactor, turbofan, turbohèlix. Formulació analítica per al turboreactor.
Selecció de la deriva i de la relació de velocitats de doll. Formulació analítica del
turbofan. Efectes d’instal·lació.
Escalat, anàlisi adimensional. Paràmetres pràctics.
Dimensionat, incloent fallada d’un motor.
Tema 2. Components per a un motor comercial.
2(a). Components estàtics. (4 hores)
2a.1
2a.2
2a.3
2a.4
Preses d’aire subsòniques. Toveres de sortida.
Cremadors. Descripció. Nocions de combustió.
Velocitat de flama. Estabilització (obstacles, recirculació). Escalat.
Emissions i la seva regulació. Limitacions físiques i tecnològiques.
2(b). Compressors.
(5 hores)
2b.1 Compressors, turbines. Equació d'Euler. Triangles de velocitat. Desviació, coeficients de
pèrdues.
2b.2 Eficiència d'una etapa a partir de dades sobre pèrdues.
2b.3 Disseny aproximat de compressors multietapa.
2b.4 Distribucions radials. Disseny de vòrtex lliure. Variacions.
2b.5 Pales d'entrada. Velocitat de rotació. Nombre d'etapes.
2b.6 Presentació de resultats. Mapes d'actuació de fan i de compressor. Problemes
d’arrencada.
2b.7 Limitacions de la compressió. Pèrdua rotativa, pèrdua global (“surge”).
2(c). Turbines.
(5 hores)
2c.1 Turbines. Característiques típiques. Grau de reacció. Disseny amb R=0, 0’5. Relacions
per a sortida axial.
2c.2 Ús de factors de pèrdua.
2c.3 Càlcul d'una etapa de turbina amb pèrdues.
2c.4 Esforços en rotors. Refrigeració de turbines.
Tema 3. Funcionament fora de disseny.
3.1
3.2
3.3
(4 hores)
El turboreactor simple fora de disseny.
El turboreactor de dos eixos fora de disseny.
El turbofan d'alta deriva amb dos eixos fora de disseny.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30034 Propulsió. Guia de l’assignatura.
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
3
Tema 4. Consideracions addicionals.
4.1
4.2
4.3
4.4

(4 hores)
Elements de soroll de doll i de turbomaquinària.
Regulació i control del soroll.
Elements de rotodinàmica del motor.
Fabricació i elements d'economia dels motors.
Mòdul 2. MOTORS COET
Tema 5. Introducció.
5.1
(1 hora)
Empenta, classificació, tipus de model usats.
Tema 6. Fluid-dinàmica, disseny i actuacions de toveres.
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Actuacions en 1D. Efectes de separació.
Efecte de les partícules en suspensió.
El Mètode de Característiques (MC)
Disseny 2D de toveres usant el MC.
Extensions a tovera axisimètrica i a ones de xoc febles.
Altres tipus de tovera.
Actuacions amb flux “congelat” i “equilibrat”. Ús del codi CEC.
Tema 7. Protecció tèrmica.
7.1
7.2
7.3
7.4
(4 hores)
Fluxos tèrmics per convecció: Correlació de Bartz.
Refrigeració regenerativa: disseny.
Esforços tèrmics deguts a la refrigeració.
Refrigeració ablativa i per capa freda.
Tema 8. Elements de combustió de propergols líquids.
8.1
8.2
Atomització, combustió de gotes líquides.
Longitud de la cambra de combustió.
Tema 9. Sistemes de pressurització.
9.1
9.2
9.3
9.4
(10 hores)
(4 hores)
Pressurització per gas.
Cicles de pressurització per turbomaquinària.
Bombes i turbines per a la pressurització.
Integració del cicle pressuritzador.
Tema 10. Coets de combustible sòlid.
(2 hores)
10.1 Coets de combustible sòlid: repàs ràpid.
10.2 Elements de combustió d'un propulsant granular.
(2 hores)
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30034 Propulsió. Guia de l’assignatura.
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
4
Objectius específics dels mòduls
Mòdul 1.
En aquest mòdul es combina l’anàlisi global del cicle d’un motor a reacció amb el del funcionament
dels seus components principals, de forma que es possibiliti una comprensió real, amb un mínim
d’empirisme, del disseny del motor, les seves possibilitats i les seves limitacions. L’objectiu és que
l’alumne assoleixi una capacitació que el permeti executar un disseny preliminar, i si ho desitja,
accedir a mètodes per al disseny de detall, bé siguin numèrics o experimentals.
Mòdul 2.
Aquest mòdul està orientat menys al disseny i més als fonaments de la propulsió coet, tot i que també
s’estudien mètodes encaminats al disseny preliminar. Es pretén que l’alumne quedi capacitat a més
per abordar innovacions i tipus diferents de coet, situació que es presenta amb més freqüència en
aquesta àrea que en la més madura dels motors a reacció.
PRÀCTIQUES, LABORATORIS
Està prevista la realització de dues pràctiques, que poden ser de laboratori o treballs de simulació, en
grups de com a màxim 2 alumnes. Les pràctiques de laboratori requeriran la realització d’un informe.
Cada pràctica/treball tindrà un pes del 8% sobre la nota final, i podran versar sobre aspectes com els
següents:
Càlcul d’actuacions d’un motor de turbina mitjançant models numèrics.
Càlcul d’actuacions de components de motor.
Mesurament d’actuacions i paràmetres interns (empenta,
temperatures, velocitat de rotació) d’un reactor de laboratori.
fluxos,
pressions,
Anàlisi de les dades de l’L2 i identificació dels paràmetres desconeguts del motor.
Disseny i càlcul de les actuacions d’un motor coet.
Metodologia de treball
La presentació teòrica s'alleugerirà mitjançant referències contínues al llibre de text o a les notes de
classe (distribuïdes o accessibles en la xarxa). Es reserva una hora setmanal a la resolució de
problemes numèrics a classe, i una altra hora setmanal (com a mitjana) a exercicis de laboratori.
Cadascun d'aquests anirà precedit d'una hora de suplements teòrics per facilitar la presa i correlació
de les dades. Els grups de treball experimental al laboratori no passaran de 10 estudiants cadascun.
ENGINYERIA AERONÀUTICA
30034 Propulsió. Guia de l’assignatura.
Aprovada en CAA de data 16/07/07
Modificada en CAA de data 27/06/08
Modificada en CAA de data 27/05/09
Modificada en C.A.A de data 4/06/2010
5
Organització en mòduls i temps de dedicació de l’estudiant
Temps de
classe (h)
Temps d’estudi
(h)
Temps de
laboratori (h)
Temps
total (h)
MÒDUL 1. MOTORS A
REACCIÓ.
24+8
48
11
91
MÒDUL 2. MOTORS COET
18+5
32
4
59
Mòdul
Materials
Per al mòdul 1 el material docent de referència són els apunts del professor Manuel Martínez
Sánchez, elaborats pel curs 2007-08, i complementats amb els llibres Jet Propulsion, de Nicholas
Cumpsy (Cambridge University Press, second edition, reprinted 2005), i el llibre Elements of Gas
Turbine Propulsion, de Jack D. Mattingly, AIAA Education Series, 2005.
Per al mòdul 2 (coets) s’usaran els apunts preparats per Manuel Martínez Sánchez per al curs 16.512
del MIT (Rocket Propulsion), accessibles a la pàgina web del MIT, secció de Open CourseWare
(OCW).
Bibliografia bàsica
Nicholas Cumptsy, Jet Propulsion, Cambridge University Press, second edition, reprinted 2005.
Jack D. Mattingly, Elements of Gas Turbine Propulsion, AIAA Education Series, 2005.
Manuel Martínez Sanchez, Open CourseWare (OCW), apunts per al curso 16.512 Rocket Propulsion.
Accessibles a http://ocw.mit.edu/index.html.
Bibliografia complementària
Jack L. Kerrebrock, Aircraft Engines and Gas Turbines, MIT Press, second edition, 1992.
George Sutton & Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, Wiley Intersciences, 2000.
P. G. Hill and C. R. Peterson, Mechanics and Thermodynamics of Propulsion, Addison Wesley, 2nd
Ed. 1992.
Avaluació
Nf =(0.42)N1p +(0.42)N2p +0.16 Npract
Nf : nota final.
N1p : nota 1er parcial.
N2p : nota 2on parcial.
Npract : nota de pràctiques.