Lección 02
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PROPULSIÓN DE AERONAVES Profesores Juan Manuel Tizón Pulido (ATA) [email protected] José Javier Álvarez García (NSA) [email protected] Departamento de Motopropulsión y Termofluidodinámica Lección 2a: Desarrollo de los motores a reacción • • • • Antecedentes Nacimiento del motor a reacción Desarrollo tecnológico Panorama actual © J. M. Tizón ANTECEDENTES 250 AC Siglo XI 1687 Siglo XIX 1876 1896 1903 1908 1929 1937 1939 ….. Herón de Alejandría. Wu Ching Tsung Yao Isaac Newton. Congreve, Nobel, Carnot, … N. A. Otto crea el motor de cuatro tiempos. El motor de Daimler propicia el primer vuelo propulsado. Wilbur y Orbile Wright vuelan por primera vez en Kitty Hawk. Rene Lorin propone un sistema tipo ramjet. Frank Whittle patenta un turborreactor. Hans von Ohain realiza las primera pruebas. Vuela el primer avión propulsado por un turborreactor. © J. M. Tizón ANTECEDENTES Hero 250 AC Wan Hu 1232 Carro de vapor de Newton 1687 © J. M. Tizón Turbina de Branca 1629 Nacimiento del turborreactor Frank Whittle • • Nació en Coventry, Inglaterra el 1 de Junio de 1907 Murió en Baltimore, Maryland, EEUU el 9 de Agosto de 1996 Hans von Ohain • • © J. M. Tizón Nació en Dessau, Alemania el 14 de Diciembre de 1911 Murió en Melbourne, Florida, EEUU el13 de Marzo de 1998 La carrera 1930 Patente de Frank Whitte 1936 1937 1938 1939 Constitución de “Jet Ltd”. PRIMERAS PRUEBAS Segundo y tercer motor. Contrato con el Air Ministry para la fabricación y mejora del W1. 1935 Patente de Hans von Ohain 1936 Ernst Heinkel contrata a von Ohain 1937 PRIMERAS PRUEBAS 1939 PRIMER VUELO Motor S-3b en el He-178 1940 Comienza el desarrollo del Jumo 004. 1941 PRIMER VUELO Motor W1 en el Gloucester E28/39 1942 Primer vuelo del Me 110 propulsado por el Jumo 004 (tambien Me 262). 1943 El motor Welland en el Meteor 1945 Derwent, Nene, Goblin, .... © J. M. Tizón Prototipos: Arquitectura Motor de Frank Whittle Motor de Hans von Ohain © J. M. Tizón La patente de F. Whitlle Extract from the January 16, 1930 patent application 1521 by Sir Frank Whittle: “Improvements relating to propulsion of aircraft and other vehicles… The main objet of this invention is to provide means whereby the principle of obtaining propulsive force in the one sense of direction by the reaction caused by expelling fluid in the opposite sense of direction, may be applied efficiently to aircraft and other vehicles. It is believed that an embodiment of this invention will provide a large thrust in proportion to its weight, that it will perform at greater altitudes than are at present obtainable, that it makes possible higher speeds than have up to the present been obtained, that it will operate with any fuel now in use and that it will have a reasonably low consumption. Further that simplicity and convenient external form is achieved…” © J. M. Tizón El “mototurbocompresor” español Virgilo Leret • • © J. M. Tizón Nació en Pamplona el 23 de agosto de 1902. Murió en Melilla el18 de julio de 1936. W1 El primer motor experimental, funcionó en Abril de 1937 Primer motor experimental, después de la segunda reconstrucción en 1938 © J. M. Tizón He. 3 © J. M. Tizón Características del W1 • Compresor centrífugo de un escalón de 48 cm de diámetro. • Turbina axial de un escalón de 42 cm de diámetro. • Velocidad de giro: 17750 r.p.m. • G = 12 kg/s; c = 4:1; Wc = 3000 CV • El Gloster, en Mayo de 1941, alcanzó los 595 km/h en vuelo nivelado, con 4448 N de empuje. © J. M. Tizón Primer vuelo alemán Motor He S-3 usado para propulsar el avión He-178, que voló en 1939 © J. M. Tizón Primer vuelo británico Turborreactor W.1 usado para propulsar al avión Gloster E28/39 que voló en 1941 © J. M. Tizón Jumo 004 Caza a reacción Messerschmitt Me 262, primer avión a reacción producido, propulsado por dos turborreactores Jumo 004B. El primer vuelo del Me 262 fue el 18 de Julio de 1942. El Jumo 004 fue diseñado y fabricado por el Dr. Anselm Franz de la Junkers Engine Company en un tiempo record. © J. M. Tizón Características del Jumo 004 Empuje = 10 kN; Gasto = 22 kg/s Relación de compresión = 3.14 Temperatura de entrada de turbina = 1100 K Consumo específico = 4.0 10‐5 kg/Ns Peso = 825 kg; Diámetro = 76 cm; Longitud = 3.8 m; Rendimientos: 78% compresor. 95% cámara de combustión. 79.5% turbina. • El Me 262 alcanzaba los 805 km/h. • • • • • • © J. M. Tizón Motores históricos Marbore Olympus Nene © J. M. Tizón Evolución técnica 1945-1950: LA POSGUERRA Soluciones tecnológicas Compresores axiales Producción en serie 1950-1960: LA DECADA PRODIGIOSA Intenso I+D. Se desarrolla el JT-3 para el B-707. Nace la aviación comercial (DC-3 y -4). 1960-1970: LOS TURBOFANES El JT-3 se rediseña como JT-3D. El Blackbird y el Concord. Se fabrican el JT8D y el JT9D. © J. M. Tizón La lucha por propulsar el Jumbo A lo largo de los años 60’s del siglo pasado fue madurando la tecnología que desemboco en la generación de grandes turbofanes. A principios de los 7`´s las tres grandes compañías mundiales de motores a reacción, Rolls Royce, Pratt & Whitney y General Electric, optaban a propulsar el mítico Boeing 747 Jumbo con sus recientemente diseñados turbofanes de alta relación de derivación. Quizás la propuesta mas arriesgada fue la británica que asumió el riesgo de un desarrollo novedoso: diseñar un motor con tres ejes en vez de la configuración clásica bieje. Las ventajas argüidas eran conseguir mejores rendimientos en la fase de compresión, mejorar la respuesta en actuaciones del motor, aumentar la modularidad mejorando así el mantenimiento e incluso obtener pesos de motor competitivos. Los inconvenientes el aumento del numero de piezas, el precio y la complejidad. RB211-5324 JT9D © J. M. Tizón CF6-50 JT9D © J. M. Tizón Evolución técnica 1970-1980: LA CRISIS DE PETROLEO Segunda generación de turbofanes Consorcios internacionales 1980-1990: MADUREZ TECNOLOGICA Nuevos conceptos: UDF, UHBR Tercera generación de turbofanes (pequeños y eficientes o enormes) 1990-2000 En producción Trent, GE90, PW4000 Ausencia de nuevos paradigmas Sanger (turbo-ramjet), X-30 NASP (scramjet) © J. M. Tizón CFM56 © J. M. Tizón Programas años 90´s Consideraciones El desarrollo completo de un turborreactor supone un alto riesgo, primero en el ámbito tecnológico, pues su éxito en el mercado es una consecuencia directa de sus cualidades técnicas que solo se pueden alcanzar mediante una fuerte inversión, lo que compromete el aspecto financiero del proyecto. El alto nivel de especialización de cada modulo del motor(compresor, turbina, cámara de combustión, etc.) lleva a las empresas a crear grupos especializados soportados por instalaciones experimentales especificas. No obstante, las aerolíneas de cabecera son sensibles a criterios políticos a la hora de motorizar sus flotas y establecer sus programas de mantenimiento con lo que los consorcios multinacionales gozan de un paraguas comercial muy importante. PROGRAMA EMPRESAS RB-199 Rolls-Royce (Gran Bretaña), MTU (Alemania), Fiat (Italia), CFM-56 General Electric (EEUU), SNECMA (Francia), RJ-500 Rolls-Royce (UK), IHI, Kawasaky y Mitsubishi (Japón) MTM-380-385 MTU, Turbomeca (Francia) Spey RB-168-62 Rolls-Royce, Allison (EEUU) Adour MK, RTM Rolls-Royce, Turbomeca PW 2037 Pratt & Whitney (EEUU), MTU, Fiat (Italia) Larzac 04 SNECMA, MTU, Turbomeca, KHD (Holanda) TFE-1042 Garret (USA), Volvo Flygmotor (Suecia) PW-F-100 FN Herstal (Bélgica), Philips (Holanda), Kongsberg (Noruega) V-2500 Pratt & Whitney, Rolls-Royce, MTU, Fiat, JAE (Japón) Costes de desarrollo (C) El desarrollo de un motor es una inversión muy importante cuya magnitud depende de muchos factores en los que la potencia juega un papel predominantes: CG € © J. M. Tizón EkN 10 En la expresión se ve que el coste de desarrollo escala con la raíz cuadrada del empuje y el factor vale 1/2 para motores derivados y entre 1 a 2 para desarrollos desde cero. DESARROLLOS AVANZADOS © J. M. Tizón Propfan Un proyecto inacabado Los motores de alto rendimiento propulsivo que responde a una variada nomenclatura (propfan, UDF, UHB, etc.) fueron motivo de intenso estudio en la década de los 90’s pero no fue posible superar los problemas de ruido en cabina y, probablemente, de certificación ante fallos estructurales para los cuales los motores a reacción tienen que ser capaces de auto-contener cualquier pieza que se pueda romper en el interior del motor. En la actualidad se observa en los aeropuerto turbohélices de cuidado diseño aerodinámico de las palas que presentan rendimiento de hélice muy buenos pero que no son capaces velocidades de vuelo en el rango subsónico alto en el que operan los turbofanes convencionales. El único ejemplo en vuelo de un turboprop es el avión ruso An70 cuyo generador de gas de dos ejes, el D-27, se compone de un compresor axial de baja presión, un compresor centrifugo de alta presión, una cámara de combustión anular, una turbina de alta presión de una sola etapa, y una sola etapa de turbina de baja presión. El propfan contra-rotativo está impulsado por una turbina de cuatro etapas a través de un eje conectado a una caja de engranajes planetaria. Prototipo experimental de GE de “contrarotating fan”.. Avión militar Antonov An-70 con motores propfan Progress D-27. © J. M. Tizón RR Trent 900 Peso = 6500 kg Gasto = 1000 kg/s Empuje = 375 kN Diámetro = 3 m © J. M. Tizón GE 90 Peso = 7550 kg Gasto = 1000 kg/s Empuje = 338-514 kN Diámetro = 3.1 m Precio = 24 M$ © J. M. Tizón © J. M. Tizón Evolución de los motores de RR © J. M. Tizón MATERIALES UTILIZADOS Titanio Niquel Acero © J. M. Tizón Aluminio Compuestos Eurojet EJ 200 Motor del caza Eurofighter Typhoon. EL Eurojet EJ-200 es un turbofan con postcombustión en el rango de los 110 kN de empuje y capacidad de supercrucero con una relación de derivación de 0.4 y una relación de presiones total de 26:1. El consorcio Eurojet (RR 33%, MTU 33%, Fiat Avio 21% e ITP 13%) se formó en 1986 para coordinar y gestionar un proyecto basado fundamentalmente en la tecnología del XG-40 (un proyecto pionero de RR). La tecnología del EJ200 permite un motor más pequeño y sencillo mientras reduce el consume de combustible y aumenta la relación empuje-peso, por lo que mejora el rendimiento y efectividad de un avión de combate. © J. M. Tizón Pratt & Whitney F119 Motor del caza Lockheed Martin F-22 Raptor. Este motor genera un empuje de 160 kN, y está diseñado para vuelo supersónico, proporcionando casi un 22% más de empuje con un 40% menos de partes que los motores de aeronaves militares de cuarta generación convencionales, que le permite mantener velocidades de supercrucero (postquemador apagado) de hasta Mach 1,72. Las toberas del F119 incorporan tecnología de empuje vectorial que son capace de orientar el empuje del motor hasta ±20° en el eje de cabeceo dándole mayor maniobrabilidad al F-22. © J. M. Tizón Lockheed SR‐71 (J58) El Lockheed SR-71, conocido como Blackbird y por sus tripulantes como Habu, era (1964-1998) un avión de reconocimiento estratégico de largo alcance capaz de superar la velocidad de Mach 3 desarrollado por el grupo Skunk Works de la compañía Lockheed en el que Clarence Johnson fue el diseñador principal de muchos de los conceptos que utilizaba el avión. El SR-71 fue uno de los primeros aviones diseñados con tecnologías furtivas para reducir su firma en el radar. © J. M. Tizón Garrett ATF3 Este singular turbofan se ha empleado en la prolusión de RPVs destacando por su alta esbeltez a causa de la colocación de todos los accesorios en la parte trasera del motor, es decir, sin ocupar espacio en el diámetro exterior. La salida del primario se conduce a través de unas troneras que lo incorporan en el camino del flujo del fan produciéndose una premezcla de los flujos. Se trata de un turbofan con tres ejes, con una relación de derivación de 2.8, una relación de compresión de 22:1 y una moderada temperatura fin de combustión (1300 K). © J. M. Tizón Rolls‐Royce Pegasus Es un motor aeronáutico turbofán originalmente diseñado por Bristol Siddeley, y posteriormente fabricado por RollsRoyce. Tiene la capacidad de dirigir el empuje hacia abajo para elevar la aeronave y luego girar las toberas hacia atrás para propulsar el avión de reacción hacia adelante. Con poca carga y ayudado por un sistema de inyeccion de agua en camara de combustión, el Pegasus permite que el avión pueda realizar despegues y aterrizajes verticales de forma similar a un helicóptero. © J. M. Tizón Olympus 593 El Rolls-Royce Olympus, también conocido como Bristol Olympus, es un turborreactor británico, diseñado y fabricado por Bristol Aero Engines en 1950 (tomando el nombre de la mitología griega, una tradición implantada en la compañía), posteriormente por Bristol Siddeley tras la fusión de las compañías, y finalmente por RollsRoyce tras la adquisición de Bristol Siddeley en 1966. El diseño original fue empleado como planta motriz de un bombardero y después de varias modificaciones se empleó como planta motriz para el Concorde. Se ha realizado numerosas variantes del motor y, también, en versiones para propulsión marina y como turbina de gas industrial. © J. M. Tizón
