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Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 5 – Propulsión Aérea
Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez
Parte I: Introducción a la propulsión
Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Contenido
Introducción a la propulsión Principios de la propulsión Empuje Balance energético Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Inicios de la propulsión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Herón de Alejandría: aeolipile
s. I Aeolipile (Herón de Alejandría) s. XII Primeros motores cohete en China s. XV Hélices de Leonardo da Vinci s. XVII Leyes de Newton 1903 Primer vuelo con hélice Wright Flyer I MC Químico de Tsiolkovsky (1903) 1928 Primer vuelo con motor cohete Lippisch
Ente 1939 Primer vuelo con turborreactor Heinkel
He 178 1945 Primer vuelo con turbohélice Gloster
Trent Meteor EE227 1959 Primer vuelo con turbofán Boeing 707 Turborreactor:
Coandă (1910) Whittle (1941) Hans von Ohain (1939)
Tsiolkovsky
Heinkel He 178
Lippisch Ente
Video (efecto Coanda)
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Inicios de la propulsión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Gloster E28-39
Me - 262 Turborreactor: Whittle (1941) Hans von Ohain (1939)
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Contenido
Introducción a la propulsión Principios de la propulsión Empuje Balance energético Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Principios de la propulsión
Propulsión: Ciencia que estudia la generación de la fuerza necesaria para acelerar un
vehículo (o vencer la fuerza de resistencia), así como los sistemas que generan dicha fuerza.
3ª ley de Newton: la fuerza propulsiva lleva consigo la existencia de otra fuerza igual aplicada en otro medio: propulsante.
Sistemas de propulsión usados en Ingeniería Aeroespacial:
Propulsión por chorro: Aerorreactores Motores cohete
Propulsión por hélice Motor alternativo + hélice Turboeje + hélice
Propulsión mixta Turbohélice
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Clasificación General de los sistemas de propulsión
El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente: PROPULSIÓN POR HÉLICE
Motor alternativo + Hélice Turboeje + Hélice
PROPULSIÓN POR CHORRO Aerorreactores
Con compresor: Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor)
Sin compresor Estatorreactores Pulsorreactores
Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje
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Propulsión por chorro Aerorreactores
Con compresor: Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor)
Sin compresor: Estatorreactores Pulsorreactores
Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante
sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos,
electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Turboreactor Tipo de turbina de gas, que a diferencia de los motores de ciclo alternativo que tienen un
funcionamiento discontinuo (explosiones), tiene un funcionamiento continuo. Consta de las mismas fases que un motor alternativo: admisión, compresión,
expansión y escape. Los gases generados por la turbina de gas, al ser expelidos, aportan la mayor parte
del empuje del motor. Los turbojet fueron los primeros motores a reacción empleados en la aviación
comercial. Elevada sonoridad Bajo rendimiento de combustible
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Turborreactores
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Turboreactor
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Chorro (jet). Aerorreactores
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Chorro (jet). Aerorreactores
Compresor centrífugo
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Turbofan
Los motores de aviación tipo turbofan, son la nueva generación de motores a reacción que reemplazó a los motores turborreactor.
Se caracterizan por tener un ventilador (fan) en la parte frontal del motor desde el cual el aire se divide en dos tipos: Aire de bypass y aire primario.
Este tipo de motores tiene las ventajas de consumir menos combustible (aerokerosene JPA1) más económico para el operador contaminan menos el aire reducen la contaminación sonora.
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Turbofanes
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Turbofanes
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A. Low pressure spool B. High pressure spool C. Stationary components
1. Nacelle 2. Fan 3. Low pressure compressor 4. High pressure compressor 5. Combustion chamber 6. High pressure turbine 7. Low pressure turbine 8. Core nozzle 9. Fan nozzle Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Aerorreactores sin compresor
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Estatorreactor (ramjet)
Scramjet (supersonic combustion ramjet)
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Estatorreactor Motor a reacción que carece de compresores y turbinas (Ramjet). La compresión se efectúa debido a la alta velocidad a la que ha de
funcionar. El aire ya comprimido, se somete a un proceso de combustión en la cámara de
combustión y una expansión en la tobera de escape. El régimen de trabajo de este motor es continuo.
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ScramJet Scramjet (supersonic combustion ramjet) es una variación del estatorreactor
(ramjet) con la gran diferencia que la entrada del flujo en el combustor es supersónica. En velocidades elevadas es necesario el hacer la combustión de forma supersónica para
maximizar la eficiencia del proceso de combustión Se preveee que con los scramjets podamos volar a velocidades entre Mach 12 y Mach
24 (orbital velocity).
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Video (Hyper X-43)
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Clasificación General de los sistemas de propulsión
El sistema de propulsión de cada vehículo será el adecuado al régimen de vuelo y/o a la misión que deba desempeñar. Una clasificación general clásica, con fines meramente introductorios es la siguiente: PROPULSIÓN POR HÉLICE
Motor alternativo + Hélice Turboeje + Hélice
PROPULSIÓN POR CHORRO Aerorreactores
Turborreactores (con o sin postcombustor) Turbofanes (con o sin postcombustor) Estatorreactores Pulsorreactores
Motores cohete MC Químicos (propulsante líquido, propulsante sólido) MC Eléctricos (termoeléctricos, electrostáticos, electromagnéticos) MC Nucleares (termonucleares)
PROPULSIÓN MIXTA (hélice + chorro) Turbohélices Turboeje
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Propulsión por hélice
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Motor alternativo Turboeje
Turbohélice
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Turbohélice Los gases de la turbina se emplean en su totalidad para mover en este
caso una hélice que genera el empuje necesario para propulsar la aeronave. Presentan una mayor eficiencia aunque no permiten alcanzar velocidades
muy elevadas por lo que su uso se limita a pequeñas aeronaves o aviones de tipo regional que no han de cubrir grandes distancias.
También se utilizan en aviones de carga y transporte militares como el Lockheed C-130 'Hercules' o el nuevo Airbus A400M
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Propulsión por hélice II
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Propulsión por hélice III
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Propulsión por hélice IV
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Turboeje Un motor turboeje (en inglés: turboshaft) es un motor de turbina de gas que entrega su
potencia a través de un eje. Es similar al motor turbohélice pero, a diferencia de éste, no mueve directamente una
hélice, sino un eje motor independiente. Normalmente se utiliza como motor de aviación para propulsar helicópteros.
Más compacto y ligero que un turbohélice
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Turboeje + Hélice
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Pulsoreactores
Son motores de combustión discontinua (similares a los de automoción) Los primeros diseños tenían un juego de válvulas que regulaba la entrada de
aire a la cámara de combustión. Presentaban poca fiabilidad por la fatiga de las válvulas (ejemplo, motor V1)
Posteriormente se desarrollaron pulsorreactores sin válvulas. Poseen vidas útiles superiores a la mayoría de los demás motores de aviación.
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Aerorreactores sin compresor
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Pulsorreactor (pulse jet)
Video (V1)
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Motores Cohete - I
Tipos de Cohetes Químicos Eléctricos Nucleares
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Motores Cohete - II Ventajas de los motores de cohete
Es el motor más potente en relación a su peso No tiene partes móviles lo que lo hacen muy resistente No requiere lubricación ni enfriamiento Es el motor más fiable en cuanto a fallos mecánicos Su reacción es instantánea No pierde potencia con el uso y siempre es la misma aún después de
múltiples usos No utiliza oxígeno atmosférico por lo que la altitud no afecta su potencia Es el más sencillo de los motores en su funcionamiento
Desventajas Es el motor que más combustible consume Es el motor que más ruido produce, ya que es el único que su escape es
supersónico En los motores de propulsante sólido, una vez comenzada la reacción esta no
se puede detener
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Motores Cohetes Cohetes químicos líquidos
Cohetes químicos sólidos Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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34
Contenido
Introducción a la propulsión Principios de la propulsión Empuje Balance energético Integración motor-avión
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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Generación Empuje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
¡¡La geometría interna de un aerorreactor es muy complicada !!
Tubo cerrado: no existe empuje Tubo abierto: empuje instantáneo
Chorro de salida -> Empuje no estacionario 𝑝 < 𝑝𝑎𝑎𝑎
Suministro de gas para mantener 𝑝 = 𝑝0 < 𝑝𝑎𝑎𝑎 Existe empuje estacionario
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Geometría Compleja
Pratt & Whitney GP7000
F404
F100
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Generación Empuje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Métodos globales de análisis Aplicación de las leyes de conservación en un volumen
de control
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Empuje
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Truborreactor
Turbofan
Motores cohete
Hélice
E – empuje G – gasto de aire c – gasto de combustible Vs – velocidad de salida V0 – velocidad del aire
c<<G (2%)
Gf – gasto de aire flujo secundario Vsf – velocidad de salida flujo secundario
�̇� → gasto de propulsante
Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo
Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del aire por unidad de tiempo Para G y 𝑉𝑠 conocidos → 𝐸
Hay que considerar el empuje generado por el chorro secundario
Propulsión fluidomecánica
Empuje es igual a la variación de la cantidad de movimiento del propulsante por unidad de tiempo
Empuje es la tracción de la hélice -> problema de alas giratorias
Vs – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas abajo de la hélice V0 – velocidad del aire de la vena fluida (tubo de corriente) aguas arriba de la hélice
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Balance energético
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Rendimiento motor
Rendimiento propulsivo
Rendimiento motopropulsor
Balance energético permite analizar la eficiencia del sistema que genera la fuerza propulsiva
No toda la energía calorífica se transforma en mecánica-> energía térmica de los gases de salida
No toda la energía mecánica neta se transforma en útil -> energía cinética del propulsante
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40 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Integración Motor-Avión
Motores en góndola bajo las alas: Representan un seguro en caso de incendio (están
separados del ala). Tomas de entrada y de salida cortas -> mejor rendimiento
del motor. El peso de los motores ayuda a reducir el momento flector
en el ala. Los motores son mucho más accesibles. En caso de fallo, generan una resistencia aerodinámica
elevada, así como un momento de guiñada que hay que compensar.
Se requiere un tren de aterrizaje más largo (y pesado) para que los motores no impacten en el suelo.
Generan efectos de soplado que ayudan a evitar el desprendimiento en algunas zonas del ala
Motores fusionados en el ala: Mejoran la eficiencia aerodinámica del avión. En caso de fallo de motor, producen una reducida
resistencia y un reducido momento de guiñada. Son menos accesibles y más difíciles de mantener. Pueden suponer un peligro en caso de incendio.
A 380
Handley Page Victor
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41 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Integración Motor-Avión
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Integración Motor-Avión
Motores en el fuselaje: Apenas generan momento de guiñada en caso de fallo. Mejoran la estabilidad longitudinal del avión. Permiten acortar el tren de aterrizaje, haciendo este más
pequeño y menos pesado: Se acerca el avión al suelo, lo que facilita las tareas de handling.
Se ven afectados por la capa límite del fuselaje. Aumentan el ruido en cabina. Accesibilidad más reducida.
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Interacción motor-avión
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Interacción motor-avión
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Interacción motor-avión
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Bibliografía [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de
2007.
[And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000.
Wikipedia (imágenes): http://es.wikipedia.org http://en.wikipedia.org
Airliners (imágenes):
http://www.airliners.net
The 2007 Russian Industry Air Show (imágenes).
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