Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Alumna: Navarrete Reyes Yehilly Ivonne

Boleta. 2015370140

Grupo:4AV1

PORTAFOLIO DE EVIDENCIAS 1ER DEPARTAMENTAL

SISTEMAS PROPULSIVOS

Materia: sistemas propulsivos

Profesor: Ing. Vaca

Semestre: Enero- Agosto

Clasificación de los sistemas propulsivos

La historia de la aviación va íntimamente ligada a los sistemas de propulsión aeronáuticos. Dichos sistemas, los motores, permiten suministrar el empuje necesario para crear una velocidad tal que la aeronave se sustente en el aire. Básicamente en propulsión aeronáutica se utilizan todos los tipos de motores térmicos que existen, también se utilizan en las aeronaves motores eléctricos pero su uso se restringe a actividades de menor potencia que la de la propulsión, tales como motores de arranque o el movimiento de algunos sistemas menores (de momento, aunque hay mucha inversión destinada a la investigación de motores eléctricos para suministrar empuje a las aeronaves). Los tipos de motores más utilizados en la propulsión aeronáutica son: motor alternativo y el motor de reacción.

El motor alternativo es el de pistones de cuatro tiempos, típico de los coches, motos y barcos y se utiliza en algunos aviones pequeños, avionetas y helicópteros. No proporciona gran empuje y en general su eficiencia disminuye mucho con la velocidad y la altura. Hasta la segunda guerra mundial este es el único motor utilizado en las aeronaves.

La técnica de propulsión consiste básicamente en obtener potencia del motor alternativo, transmitirla a un eje, el cual iba solidariamente unido a una hélice tallada de tal forma que diera la máxima eficiencia para su perfil típico de velocidades. Esta hélice es en último término, la responsable de la propulsión ya con su movimiento empuja al aire hacia detrás del avión y como reacción el avión se mueve hacia delante.

 

El motor más usado en aeronaves desde que nace en la segunda guerra mundial es el motor de reacción. Los motores de reacción se pueden clasificar de la siguiente forma:

Motores de reacción formados por:

 •    Motores no autónomos (aerorreactores): necesitan masas exteriores al sistema para propulsarse (aire).

Con sistema de compresión: Sin sistema de compresión:- turborreactor- turbohélice- turbofán - con postcombustión

- estatorreactor- pulsorreactor

 

•    Motores autónomos (motores cohete): no necesitan ningún aporte de masa exterior para propulsarse y por lo tanto eyectan una parte de su propia masa al exterior en el sentido contrario al de su movimiento.

- propulsión química- propulsión nuclear- propulsión eléctrica- propulsión iónica  

Lo que dice la ecuación de la cantidad de movimiento aplicada al aerorreactor es que la diferencia de velocidades del fluido (aire) entre la entrada y la salida da lugar a una fuerza, que es el empuje que permite el movimiento de la aeronave: E= (G + c)Vs – G Vo , donde E es el empuje, G y c son gasto másico, es decir, la masa de aire y combustible que el motor consume por unidad de tiempo, y Vo y Vs son la velocidad de entrada y salida de los gases del aerorreactor. Por tanto, este proceso en el cual se eleva la presión y temperatura del aire para eyectarlo a gran velocidad, tiene como consecuencia la generación de la fuerza necesaria para mover la aeronave. 

Turborreactor: es el más simple de los aerorreactores, tiene las partes ya comentadas antes: compresor, cámara de combustión, turbina y tobera. La turbina se instala en la zona de expansión de los gases y su función es restar potencia a los gases de salida empleándola en mover gratis (sin consumo) el compresor y disminuir el consumo de combustible. En la imagen 2 se puede observar un turborreactor típico.

Turbohélice: Se trata de un turborreactor al que se le ha incorporado una hélice. Normalmente en la turbina se tiene exceso de potencia que se invierte en mover además del compresor, la hélice (utilizando reductores de revoluciones, pues la hélice trabaja a menores velocidades que la turbina).

La hélice es un sistema de rendimiento alto, en torno a 0,8, que genera tracción y aumenta el empuje. Hay que tener cuidado en el diseño de la hélice dado que si la longitud de la pala es grande (lo cual es necesario para obtener tracción) se producen velocidades supersónicas en la punta de la pala que producen mucha resistencia aerodinámica y además se comprime poco el aire y baja la tracción. El rango de velocidades en que se utilizan motores turbohélices es en el subsónico bajo (hasta M= 0.6) que serían 400-500 km/h dependiendo de la altura.

 

 

Turbofán: Se trata de otra variante de turborreactor al que se le añade un fan (ventilador en inglés), cuya función es similar a la de la hélice en el TH, generar mayor empuje, pero la diferencia reside en que el fan va encapsulado dentro del motor y da lugar a dos flujos el primario y el secundario, cada uno con su propio ciclo y generando su propio empuje.

El flujo primario evoluciona igual que en el turborreactor mientras que el flujo secundario pasa por la entrada, fan y tobera de salida. Hay dos tipos de turbofanes: los que tienen el fan en serie (antes del compresor) y los que tienen el fan en paralelo, después de la turbina. Los primeros son los más utilizados y en ellos el fan colabora en la compresión, mientras que en los de fan paralelo colabora en la expansión, en la extracción de energía. Este tipo de motor se utiliza en el rango de velocidades del subsónico alto en torno a M=0.8. 

   Postcombustión: la postcombustión consiste en quemar de nuevo los gases justo antes de la salida para generar mayor impulso. Se utiliza en aviones militares y se usa en momentos determinados en que las necesidades propulsivas son excepcionales. El precio que se paga por el encendido del postcombustor es un consumo de combustible muy alto. 

Otra forma de aumentar el empuje es añadir vapor de agua en alguna parte del ciclo para aumentar el gasto.  Estatorreactor: se trata de otro motor de reacción que carece de compresores y turbinas. El aire es comprimido por la geometría del motor y pasa directamente a la cámara de combustión donde se quema, y de aquí ya a la tobera de salida, para ser expulsado a gran velocidad. 

 

Pulsorreactor: motor que tampoco consta de turbina ni compresor; el aire entra y se le mezcla con el combustible a través de un conjunto de válvulas e inyectores, y acto seguido pasa a la cámara de combustión donde se quema y ya se eyectan los gases al exterior, como se observa en la figura.

El combustor actúa de forma intermitente, se enciende y apaga continuamente, por eso se denomina pulsorreactor, porque combustiona de forma pulsada.

Los motores cohete, como se comentó anteriormente son motores autónomos que expulsan su propia masa para su propulsión. Los motores cohete se diferencian en su sistema de combustión, los de propulsión química simplemente se mezcla dos reactivos y los productos de la mezcla dan lugar a gases que son eyectados a gran velocidad. Los de propulsión nuclear usan un reactivo nuclear para generar la potencia.

Los de propulsión eléctrica consiguen la combustión haciendo pasar una corriente eléctrica en presencia del combustible. Los de propulsión iónica consisten en generar iones a través de reacción química y acelerarlos haciéndolos pasar por campos magnéticos, antes de la eyección. 

1.1 Descripción de las secciones principales de los sistemas propulsivos

En el tema anterior se explicó los diferentes tipos de motores que existen en la aviación y cuál es su propósito de cada uno por que están diseñados de tal manera y conforme a sus especificaciones cual le va mejor a cada avión (dependiente también de su misión).

En este trabajo se explicarán los principales componentes de los aviones y cómo funcionan; también es importante tener presente que existen componentes primarios los cuales los vamos a tener presentes en todos los motores puesto que su principio es el mismo y solo se van haciendo pequeñas variaciones.

Turbohélice

En los turbohélices de turbina libre existen al menos dos turbinas: una conectada a la hélice y otra al compresor. Esta última gira a una velocidad casi constante, independientemente del paso de la hélice y su velocidad, mientras que la primera tiene su propio engranaje reductor.

La principal ventaja de la turbina libre es que reduce la carga de par motor durante el arranque del motor, puesto que no es necesario mover la hélice y los engranajes reductores, sino únicamente la turbina y el compresor.

Turborreactor

Para la fase de compresión, se usan compresores axiales o centrífugos que comprimen grandes volúmenes de aire a una presión de entre 4 y 32 atmósfera. Una vez comprimido el aire, se introduce en las cámaras de combustión donde el combustible es quemado de forma continua.

El aire a alta presión y alta temperatura (es decir, con más energía que a la entrada) es llevado a la turbina, donde se expande parcialmente para obtener la energía que permite mover el compresor (similar al funcionamiento del turbocompresor que se encuentra en los automóviles).

Después, el aire pasa por una tobera en la que es acelerado hasta la velocidad de salida.

En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por la variación de la cantidad de movimiento según la Tercera Ley de Newton, que establece que toda acción conlleva una reacción igual de sentido contrario. Al propulsar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. Actualmente, estos motores alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.

Motor turborreactor flujo centrifugo.

Motor turborreactor de flujo axial.

GE-J85 flujo axial usado en F5

Doble flujo de aire

En un motor Turbofan paste del aire es desviado a un flujo lateral.

La mayoría de los aviones modernos, tanto civiles como militares, usan una versión modificada del turborreactor denominada turbofan, que posee las siguientes ventajas.

Evita las pérdidas por compresibilidad que limitan la velocidad de crucero a la que se puede volar de forma eficiente en los aviones de hélice.

El peso por unidad de potencia es significativamente menor, o lo que es lo mismo, aumenta la relación empuje a peso.

Es capaz de producir una cantidad enorme de potencia sin restricciones mecánicas importantes.

La eficiencia es aproximadamente la misma que la de los motores alternativos más eficientes diseñados para aviación, con la ventaja de que este rendimiento máximo se consigue a una velocidad mayor.

Es más fiable y puede operar más horas que otros motores sin un mantenimiento exhaustivo.

La relación de compresión se ha ido incrementando progresivamente desde los primeros turborreactores (en 1930 era de entre 3:1 y 6:1, mientras que los más recientes varían entre 40:1 y 50:1).

Esto aumenta la eficiencia del ciclo termodinámico según la

ecuación  ,

siendo   el rendimiento,   y   las presiones a la entrada y salida del compresor respectivamente y   el coeficiente de dilatación adiabática (en el aire es aproximadamente 1,4).

Turbofan

Componentes:

Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire.

Ventilador: situado al frente del motor, es un compresor de mayor tamaño que los demás, lo que permite dividir el aire entrante en dos flujos. La corriente primaria pasa a través de los compresores de baja y alta presión.

Compresores: con un diseño similar al ventilador frontal pero más pequeños, su función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de combustión. Se suelen utilizar compresores de baja y alta presión que giran alrededor de ejes concéntricos, lo que permite ajustar la velocidad de rotación en cada etapa para incrementar el rendimiento.

Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire presurizado se mezcla con el combustible y se quema. El resultado de esta combustión son gases de escape calientes que mueven las turbinas.

Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara pasa a través de los alabes de varias turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador. En los

motores de bajo índice de derivación el compresor de baja presión y el ventilador se mueven mediante un mismo eje, mientras que en los de índice alto se dispone de un eje para cada componente: ventilador, compresores de baja presión y compresores de alta presión.

Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido al principio de acción y reacción. En general, un aumento en la

relación de derivación trae como consecuencia una menor participación de la tobera en el empuje total del motor.

Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape del flujo primario.

Diagrama de funcionamiento de un turbofan

Alto índice de derivación. Sistema de baja presión en verde y sistema de alta presión en púrpura.

Turboeje

El diseño general de un motor turbo eje es similar al de un turbohélice. La principal diferencia radica en que el segundo produce algún empuje de propulsión residual que complementa el empuje del eje propulsor.

Para la potencia que desarrolla, comparado con un motor de pistón equivalente, el turboeje es extremadamente compacto y, por tanto, ligero.

Postcombustión

El postquemador de un motor a reacción es una sección que contiene inyectores de combustible adicionales, y dado que el flujo anterior a la turbina emplea poco oxígeno, el postquemador es, en esencia, un tipo de estatorreactor. Cuando el posquemador se enciende, el combustible es inyectado, entrando en ignición fácilmente debido a la relativamente alta temperatura de los gases. El proceso de combustión resultante incrementa la temperatura a la salida del postquemador (entrada de la tobera) significativamente, lo que resulta en un incremento brusco del empuje neto del motor y de la masa térmica proponente.

Para acomodar el incremento resultante de flujo de salida del postquemador, la superficie de la garganta de la tobera debe de incrementarse. De otra forma, el flujo en la turbo maquinaria se remezclaría (causando probablemente tensión en el ventilador o fan de un turbofan).

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