SISTEMAS DE PROPULSION Tema IV-1 Descripción general de los

SISTEMAS DE PROPULSION
Tema IV-1
Descripción general de los Aerorreactores
Ingeniero aeronáutico
Segundo año de carrera
Curso 2.007÷2.008
1
INTRODUCCION (1)
Los sistemas de propulsión por chorro no autónomos, es decir, que necesitan
propulsar aire exterior, fundamentalmente, son denominados Aerorreactores.
Naturalmente estos sistemas, por su naturaleza, tienen limitada su actuación al espacio
que abarca la atmósfera terrestre.
Tras la “captura” del gasto de aire necesario la primera etapa es conseguir
una compresión del mismo a fin de elevar su presión y temperatura y poder realizar así
una combustión mucho mas eficiente del combustible inyectado. En función del modo en
que se logre esta compresión se pueden clasificar los aerorreactores de la manera
siguiente:
Si la compresión es “activa”, es decir, mediante la actuación de un compresor:
Turborrectores
Turbofanes
Si la compresión se “pasiva” es decir, se logra por condicionamientos aerodinámicos en
alta velocidad:
Estatorreactores
Pulsorreactores,
Curso 2.007÷2.008
2
INTRODUCCION (2)
Las investigaciones sobre la propulsión a chorro comenzaron
simultáneamente en Alemania (Dr. Hans von Ohain, 1.936) y en Inglaterra (Sir Frank
Whittle, 1.930) en los años anteriores a la II Guerra Mundial si bien el modelo alemán
voló ANTES (1.939) que el británico (1.941) y con motivo de la entrada en guerra de
ambos países, impulsó enormemente la puesta en funcionamiento y producción en serie a
partir de los prototipos existentes.
Whittle y Von Ohain
(hacia 1.978)
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3
INTRODUCCION (3)
Tripulación: 1
Envergadura: 13.11 m
Longitud: 12.57 m
Alto: 3.96 m
Peso Máx.: 5332 kg
Motores: 2 x Rolls Royce W1
Velocidad Máx.: 793 km/h
Velocidad Crucero: 570 km/h
Techo servicio: 9145 m
Autonomía: 1 hr. 15´
Armamento: 4 de 20 mm
Adicional: cañón en morro
Gloster METEOR
1er vuelo : 5-3-1.943
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4
INTRODUCCION (y 4)
Heinkel He 178
1er vuelo : 27-8-1.939
Función primariaAvión experimental.
Fabricante: Ernst HEINKEL Flugzeugwerke AG de
Warnemünde (Pomerania Occ)
Motorización Un motor He S3 B
Empuje: 450 kg
Longitud: 7,48 m
Alto: 2,10m
Envergadura: 7,20 m
Velocidad: 584 km/h (crucero) - 700 km/h (máx.)
Altura: ND
Peso máximo al despegue: 1998 kg
Alcance: ND
Tripulación: 1
Despliegue: Nunca
Unidades constrídas: 1
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5
TURBORREACTORES (1)
,
Hoy en día solamente se pueden encontrar en modelos civiles
muy antiguos o con sistemas de aplicación militar dotados ó no de postcombustor
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6
TURBORREACTORES (2)
,
De Havilland “Ghost” (1950´)
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7
TURBORREACTORES (3)
,
De Havilland “Ghost” (1950´)
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8
TURBORREACTORES (4)
,
Jumo 004-B (1943)
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9
TURBORREACTORES ( 5)
MESSERSCHMIDT ME-262
,
Original 1944
Réplica
(Festival ILA-Berlín)
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10
TURBORREACTORES (6)
MESSERSCHMIDT ME-262
,
MASA KG
Vacío
3795
Máximo 6387
TIPO
Caza de superioridad aerea
TRIPULACION
1 hombre
MOTOR
Dos turboreactores de flujo axial Junkers Jumo 004B-1 a 900 kg de empuje
estatico
VELOCIDAD MAXIMA
830 Km/h a nivel del mar/ 870 Km/h a 6000 m
VELOCIDAD DE
TREPADA
1200 m/min
AUTONOMIA
1050 Km
TECHO DE SERVICIO
12200m
ARMAMENTO
Cuatro cañones Mk 108A-3 de 30mm en la nariz
CARACTERISTICAS TECNICAS
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TURBORREACTORES (y 7)
Primer vuelo Supersónico (NASA-Dryden1.947)
BELL X-1
Máximo peso al despegue: 5.557 kg
Planta motriz: Motor cohete Reaction Motors XLR-11-RM3 de 26,7 kN de empuje
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TURBOFANES (1)
Turbofan, voz inglesa derivada de una
mezcla de Turbo y de “Fan” ,ventilador, no
es más que un reactor puro al que se le han
prolongado los alabes de la primera etapa del
compresor de baja (rotor + estator) y se le
ha dotado de una carena exterior, a fin de
producir un flujo de aire secundario que NO
esta sometido a la mezcla y combustión con
combustible (como el flujo primario) y que al
expandirse genera un empuje auxiliar de
manera análoga a como ocurriría con una
hélice carenada.
,
La disposición más habitual es la de “colgar”
estos motores debajo de las alas
R & R TRENT 900
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TURBOFANES (2)
Anclaje sobre fuselaje
,
MD-90
IL-62 MK en Budapest/Ferihegi (5-3-2007)
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L-1011 “TRISTAR”
14
TURBOFANES (3)
,
R & R TRENT 900 v.s. EJ200
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15
TURBOFANES (4)
El datos geométrico principal que define a un Turbofan es el INDICE DE
DERIVACION (Λ
Λ) que es la relación de gastos entre el flujo secundario respecto del
primario.
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TURBOFANES (5)
,
Aviación Civil
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R&R RB211-535E4
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TURBOFANES (6)
Aviación Militar
,
EJ-200 para el EF2000 Eurofighter
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TURBOFANES (7)
El empleo de Turbofanes se generalizó rápidamente , sobre todo en
aviación comercial, debido a las enormes ventajas que presentan frente a los
Turborreactores tradicionales, tales como:
,
Periodos de mantenimiento más espaciados
Menores costes de mantenimiento
Menores consumos específicos
Menor nivel de ruidos
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TURBOFANES (8)
Así pues, la variable fundamental del diseño de un Turbofan es el
Índice de derivación y el mayor empeño de los grandes fabricantes (GE y P&W)
es incrementar su valor el máximo posible.
,
En la actualidad P&W lidera el programa “Geared engine” que trata
de aumentar el mejorando los mecanismos de transmisión de actuación del
ventilador principal.
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TURBOFANES (9)
El empleo de de aleaciones metálicas de ultima generación ha potencia
el aumento de temperaturas interiores operativas del motor. La introducción
de materiales compuestos es bastante mas limitada que en el caso de las
estructuras de avión y se centran, fundamentalmente, en Materiales
Compuestos de Matriz Metálica
,
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TURBOFANES/Ensayos (10)
ENSAYOS EN BANCO
P&W Experimental
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TURBOFANES/Ensayos (11)
INTA
Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
“Esteban Terradas”
R&R TRENT 700
CELDA DENSAYOS DEL INTA (E ≤ 140,000 LB)
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TURBOFANES/Ensayos (12)
Curso 2.007÷2.008
24
TURBOFANES/Ensayos (13)
Ensayos del P&W F-135 para el JSF (“Joint Strike Fighter”)
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TURBOFANES/Ensayos (14)
ENSAYOS EN VUELO
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TURBOFANES/Ensayos (y 15)
Ensayos del GE-90 utilizando un B-747 como banco volante
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TURBOHELICES (1)
Estas ventajas no son de aplicación en el caso de los turbohelices, en los que
el eje de giro de la turbina de alta presión esta conectada con una hélice a través del
desmultiplicador, por lo que suelen emplear motores sin derivación.
Dado que la propulsión se realiza por hélice no es fundamental aprovechar
todas la ventajas que ofrece el turbofan ya que en principio el motor esta menos
, exigido (gira mas lento) y su góndola ofrece menor superficie frontal.
R & R AE 2100
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TURBOHELICES (2)
,
Esquema general
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TURBOHELICES (3)
,
Un turbohélice formado por la
combinación de un motor, derivado de un
aerorreactor, y por lo tanto mas
revolucionado de lo aconsejable con una
hélice de baja velocidad conduce a
diseños muy desproporcionados
El PT6 (PRATT & WHITNEY de Canadá)
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TURBOHELICES (4)
Las aplicaciones principales de este tipo de motores se centran en la
aviación general, los “commuters” y los transportes militares, dado que sus velociades
de vuelo son bastante menores que los aviones transoceanicos ó transcontinentales y
los aviones de combate.
,
Lockeed C-130 “HERCULES”
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TURBOHELICES (5)
La antigua URSS alcanzo un magnifico nivel en el campo de los Turbohélices
en general, y en particular, en las aplicaciones de hélices contra-rotatorias.
La Compañía KUNETZOV produjo, en los años 50´, la familia del modelo
NK-12 que desarrollaba 8,948 kW (12,000 ehp) y que equipo a muchas aeroanves de la
familia Tupolev , entre ellas el TU-95, el TU-142 , el TU-114, etc
,
TU-24 BEAR “A” (1.951)
TUPOLEV 95 MS BEAR (actual)
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TURBOHELICES (6)
El TP-400, ahora en desarrollo, será el mayor turbohélice jamás construido (10,000 SHP)
TP400 de Europrop equipará al A400M
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TURBOHELICES/Ensayos(7)
ENSAYOS EN BANCO
TP400 para el A400M
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TURBOHELICES/Ensayos (y
8)
AE 2100 para el ATR72
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TURBOEJES (1)
Una variante de los Turbohélices lo constituyen los Turboejes (ó
Turboshaft) que fueron desarrollados y se emplean, fundamentalmente,
para propulsar los rotores principales de los Helicópteros.
,
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TURBOEJES (2)
(P&W Canadá)
,
PT6 “Twin Pack”
PW206B
R&R 250
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TURBOEJES (3)
El mayor turboeje existente es el TF53 de Allison 25.000 ÷ 40.,000 SHP
,
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TURBOEJES (4)
Ahora mismo, el turboeje más conocido y famoso en España es MRT 390 2C
fabricado por el consorcio SNECMA/MTU que equipa al helicóptero de combate
EUROCOPTER ”Tigre”
,
MRT 390 2C
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TURBOEJES (5)
,
Predator (UAV)
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TURBOEJES/Ensayos (1)
El ensayo de un Turboeje requiere una instalacion dotada de
un potente freno hidráulico para absorber la potencia generada.
,
R & R GEM
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TURBOEJES/Ensayos (y 2)
,
KAHN Mod. T700
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PULSORREACTORES (1)
Desarrollado por el ingeniero alemán Paul SCHMIDT de la década de 1,920
consiste en un reactor sin compresor de funcionamiento abierto y continuo pero
de combustión intermitente en 1.920
La estructura de un Pulsorreactor se compone de tres partes fundamentales:
1.
Sistema de válvulas de admisión y cierre
2.
Cámara de combustión
3.
Tobera de salida de gases
El esquema de funcionamiento se muestra en la figura siguiente:
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PULSORREACTORES (2)
El
Su funcionamiento depende de un flujo de aire (1) que entra a través de las
válvulas situadas en la parte frontal del reactor donde se mezcla con el
combustible (2) que sale de un conjunto de inyectores situados en el sistema de
válvulas. Una bujía hace explotar la mezcla (3), haciendo que la fuerza de la
explosión acelere los gases en ambas direcciones lo cual provoca que las válvulas de
admisión de aire se cierren haciendo que el gas se vea forzosamente obligado a
salir por el tubo de salida de gases (4), produciendo el Empuje necesario y luego
crea un vacío haciendo que las válvulas de admisión vuelvan a abrirse para
posteriormente repetir ciclicamente esta operación.
Un reactor de este tipo presentaba una ventaja principal, la SENCILLEZ ,
pero presentaba también muchos inconvenientes:
Alto consumo
Altisimo nivel de ruido
Fatiga termica de los materiales
Dificil control
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PULSORREACTORES (3)
El
Un reactor de este tipo, el “ARGUS” euipo a las famosa V-1 que empleo el II
reich para bombardear Londres en la ultima fase de la II Guerra mundial
Lanzamiento desde rampa
Lanzamiento desde un He-111
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PULSORREACTORES (4)
En vuelo
El
-
En la rampa de lanzamiento desde Holanda
Longitud: 8,22 metros
Diámetro: 1,50 metros
Envergadura: 5,50 metros
Peso: 2170 kilogramos (De estos 900 pertenecían a la cabeza de guerra compuesta TNT y
nitrato amónico)
Velocidad máxima: 643 Km/h
Techo operacional: 2100 metros
Alcance: 400 kilómetros
Horas de trabajo empleadas por unidad: 280
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PULSORREACTORES (y 5)
El
Ensayos en vuelo de un Argus con un Ghota Go-145 (~ 1.941)
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ESTATORREACTORES (1)
El Ramjet es un tipo de reactor sin partes móviles, en el que debido a la
propia velocidad de entrada del aire, y el diseño interior, este se comprime en la
cámara de combustión permitiendo alcanzar velocidades supersónicas superiores a
Mach 15.
La idea original del hiperreactor nace a principios del siglo XX, en 1913
(fecha de la patente) de las manos de René Lorin. Este ingeniero francés pone las
bases teóricas, bajo el simple ciclo termodinámico de 3 etapas, compresión,
combustión, y expansión, pero no fue si no hasta décadas más tarde, 1933, que
René Leduc redescubrió las ideas de René Lorin, y entonces el Ramjet apareció
como el reactor ideal, de gran potencia, máxima eficiencia y mínimo coste de
producción, pues al desaparecer las partes mecánicas quedaba como un mero tubo,
de muy fácil manufactura.
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ESTATORREACTORES (2)
Pero el Ramjet tiene el inconveniente de que es incapaz de despegar por sí
mismo. Un avión con una propulsión hipersónica de este tipo necesita ser acelerado
por otro hasta una velocidad mínima (Mach 3) o estar equipado con un motor híbrido
que pudiera funcionar como un turboreactor para el despegue y aterrizaje, que no
existe por el momento; y permitiera un modo Ramjet, durante el vuelo . Para tener
una idea del salto entre este reactor y el resto debemos tener en cuenta que el
propulsor atmosférico más rápido es el SR-71 “Blackbird” que alcanza Mach 3,
mientras el Ramjet podría alcanzar Mach 10.
.
SR-71 “Blackbird”
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ESTATORREACTORES (3)
.
Equemas
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ESTATORREACTORES (4)
.
LEY DE EMPUJE
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ESTATORREACTORES (5)
.
Aplicación al Misil “METEOR”
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ESTATORREACTORES (6)
.
NASA X-15
El X-15 fue un avión-cohete experimental que fue ensayado a
partir de 1.959 del cual se hicieron 3 prototipos que
totalizaron unos 200 vuelos tripulados y el tercero de ellos
fue destruido en un accidente en Noviembre de 1.967. Llegó a
alcanzar Mach 10
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ESTATORREACTORES (7)
Si la combustión se realiza TAMBIEN
en régimen Supersónico , el Ramjet se
denomina SCRAMJET (“Supersonic
Combustion RAMJET”)
.
NASA Hyper X-43A (5/3/07)”
HyFly-Mach 6
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ESTATORREACTORES (8)
.
NASA Hyper X-43A (5/3/07)
Perfil de vuelo del ensayo
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Imagen
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ESTATORREACTORES (y 9)
.
Proyecto de avión futurista hipersónico francés
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