FECHA: 22 de junio de 2012
PROGRAMA: INGENIERA AERONUTICA, INGENIERA MECATRNICA
AUTOR(ES):
MENDOZA MALAGN, Carls Andrs
MENDOZA OSORIO, Diego Felipe
TTULO
REDISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOTOR A REACCIN DE BAJO FLUJO MSICO DE 180 NEWTONS DE EMPUJE E
IMPLEMENTACIN DE UN SISTEMA DE CONTROL ELECTROMECNICO
PALABRAS CLAVES
Microturbina, Aeronutica, Mecatronica, Control, Combustible,
Centrifugo, Axial, Combustin, Precarga, Difusor, CNC, turbine
,inyectores, cobre, Casing, Diesel, Jet A1, Empuje, Elctrico,
RPM, Termocupla, Control , Elecromecnico, sensor, diesel
DESCRIPCIN
Motor trmico el cual genera un aumento de energa interna en el aire ,seguido de un aumento de volumen en una
cmara de combustin a partir de adicin de combustible y una expansin volumtrica de los gases para obtener
como resultado energa propulsiva, fue implementado un sistema de control electromecnico para comparar los
resultados tericos con los prcticos en la experimentacin
FUENTES BIBLIOGRFICAS
ABBOTT .IRA H; VON DOENHOFF ALBERT E. En: THEORY OF WING SECTIONS Including a Summary of Airfoil Data: Canada Toronto, Ontario. General Publishing Company, Ltd, 1959.
Andrew Samuel; John Weir En: Introduction to Engineering Design. United States of America: Elsevier Science; A Butterworth-Heinemann, 1999
BEER, Ferdinand P. En: Mecnica De Materiales 5 Ed: Mxico D.F: McGraw-Hill Interamericana
Editores S.A, 2010.
BHARGAVA A.K. En: Elastomers and engineering materials en: Engineering Materials: Polymers Ceramics and Composites. New Delhi; Prentice-hall of India private limited, 2004.p109
BUDYNAS Richard G.; NISBETT J. Keith. Diseo por resistencia a la fatiga En: Diseo en ingeniera
mecnica de Shigley. 8ed. Mxico D.F: McGraw-Hill Interamericana Editores S.A de C. V, 2008. p 228
KLAUSE HUNECKE. En: Engines fundamentals of theory, design and Operation. United States of
America; Motorbooks International Publishers, 1997.
MATTINGLY, Jack D. En: Elements of propulsion Gas Turbines and Rockets 3ed Blacksburg, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006.
Merle C. Potter, Ph.D. En: Thermodynamics Demystified. London: McGraw-Hill, 2009.
MICHAEL F. Ashby. En: MATERIALS SELECTION IN MECHANICAL DESIGN 2ed. Linacre House,
Jordan Hill, Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999.
PIOTROSWSKI John .En: shaft alignment Handbook. 3 Ed. Boca Raton: CRC Press-Taylor & Francis Group, 2007.
RANGWALA A. S. En: TURBO-MACHINERY DYNAMICS Design and Operation. United States of
America; the McGraw-Hill Companies, 2005.
S. L. Dixon, B.Eng., Ph.D. En: Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. 6ed. United States of America: Elsevier ButterworthHeinemann, 2010.
SARAVANAMUTTOO. Herbert Ian; ROGERS G. F. C.; Cohen H. En: Gas Turbine Theory. 6ed. England:
Person Education, 2009.
STECKIN, B. S.; Kazandzan P. K. y otros. Teora de los motores de reaccin: procesos y caractersticas. Traducido por Claudio mataix plana. Madrid: Dossat ,1964. p153.
TIMOTHY C. Lieuwen; Vigor Yang. En: Combustion Instabilities in Gas Turbine Engines: Operational
Experience, Fundamental Mechanisms and Modeling, Arlington, Texas: American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 2005.
YAHYA S.M; AXIAL TURBINE CASCADE En: TURBINES COMPRESSORS AND FANS.3Ed.New Delhi.
India. The McGraw-Hill Companies,2005.P291
Documentos y vnculos de internet:
http://es.wikipedia.org
http://books.google.com.co
http://www.turbocharged.com
www.skf.com
www.bocabearings.com
www.bergab.ru
http://www.efunda.com
http://www.worldofkrauss.com
http://www.miliarium.com
http://www.engineeringtoolbox.comy
https://.repsol.com
http://www.matweb.com
http://media.merchantcircle.com
www.activescalemodels.co.uk
http://www.chromalox.com/catalog/resources/technical-
information/Reference-Data-Properties-of-Air-sp.pdf
www.ti.com
www.fairchild.com
www.irf.com
http://www.italquartz.it
www.atmel.com
PROGRAMA: INGENIERA AERONUTICA, INGENIERA MECATRNICA
LISTA DE TABLAS
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE ANEXOS
GLOSARIO
INTRODUCCIN 3.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4.
1.1. ANTECEDENTES 4.
http://es.wikipedia.org/http://books.google.com.co/http://www.turbocharged.com/http://www.skf.com/http://www.bocabearings.com/http://www.bergab.ru/http://www.efunda.com/http://www.worldofkrauss.com/http://www.miliarium.com/http://www.engineeringtoolbox.comy/https://.repsol.com/http://www.matweb.com/http://media.merchantcircle.com/http://www.activescalemodels.co.uk/http://www.chromalox.com/catalog/resources/technical-information/Reference-Data-Properties-of-Air-sp.pdfhttp://www.chromalox.com/catalog/resources/technical-information/Reference-Data-Properties-of-Air-sp.pdfhttp://www.ti.com/http://www.fairchild.com/http://www.irf.com/http://www.italquartz.it/http://www.atmel.com/1.2. DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA 4.
1.3. JUSTIFICACIN 5.
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 5.
1.4.1. Objetivo General 5.
1.4.2. Objetivos Especficos 6.
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 6.
1.5.1. Alcances 6.
1.5.2. Limitaciones 7.
2. MARCO DE REFERENCIA 8.
2.1. MARCO CONCEPTUAL 8.
2.1.1. Ecuacin de continuidad del flujo o de conservacin de la masa 8.
2.1.2. Primera ley de la termodinmica 8.
2.1.3. Entalpia H 8.
2.1.4. Entropa S 9.
2.1.5. Ecuacin de Bernoulli 9.
2.1.6. Ecuacin de momentum 9.
2.1.7. Segunda ley de la termodinmica 9.
2.1.8. Ley de los gases ideales 10.
2.1.9. Calor especifico a presin constante 10.
2.1.10. Temperatura y presin en funcin del nmero Mach 10.
2.1.11 Leyes de Movimiento. 11.
2.1.12 Ley de Ohm 11.
2.1.13 Leyes Electromagnticas 12.
2.1.13.1 Ley de Ampre 12.
2.1.13.2 Ley de Faraday 12.
2.1.14 Microcontroladores. 13.
2.1.15 Instrumentacin Electrnica 13.
2.1.16 Medidores de Temperatura 13.
2.1.17 Mediciones de Velocidad angular 14.
2.1.18 El amplificador operacional. 14.
2.1.19 Sistemas de control. 14.
2.1.19.1 Sistema de control en lazo abierto 15.
2.1.19.2 Sistema de control en lazo cerrado 15.
3. METODOLOGA 16.
3.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN 16.
3.2. LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD /CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA.
16.
3.3. TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN 16.
3.4. HIPTESIS 17.
3.5. VARIABLES 17.
3.5.1. Variables Independientes 17.
3.5.2. Variables Dependientes 18.
4. DESARROLLO INGENIERIL PRESENTACIN DE ANLISIS Y RESULTADOS 18.
4.1. CLCULOS TRMICOS Y DINMICOS DE GASES 18.
4.2. SELECCIN DEL COMPRESOR 24.
4.2.1. Compresores centrfugos del mercado 24.
4.2.1.1 Garrett T3 24.
4.2.1.2 Garrett T04B 25.
4.2.1.3 Garrett T04E 26.
4.2.1.4 Garrett serie T 28.
4.2.1.5 Garrett Upgrades 30.
4.3 PUNTO DE DISEO 30.
4.4 DISEO DEL COMPRESOR O IMPELLER 31.
4.5 SELECCIN DE RODAMIENTOS 38.
4.6 PRECARGA DE LOS RODAMIENTOS 45.
4.6.1 Diseo del resorte 47.
4.7 DISEO DEL DIFUSOR 50.
4.8 DISEO DE LA TURBINA 57.
4.8.1 ngulos del Blade segn el Angulo del gas 71.
4.9 SELECCIN DEL PERFIL AERODINMICO 77.
4.10 ENTORCHA MIENTO DEL BLADE 79.
4.11 SELECCIN DEL COMBUSTIBLE 83.
4.11.1 Balance Estequiomtrico 84.
4.12 DISEO DE LA CMARA DE COMBUSTIN 86.
4.13 DISEO DEL EJE 94.
4.14 DISEO DE LA CAMISA DEL EJE 100.
4.15 DISEO DE LA TOBERA 101.
4.16 DISEO DEL CASING EXTERIOR 103.
4.17 SELECCIN DE MATERIALES 103.
4.17.1 Seccin Caliente 103.
4.17.2 Seccin fra 105.
4.18 BALANCEO DINMICO DEL CONJUNTO ROTOR 106.
4.19 SELECCIN DE ACCESORIOS 107.
4.19.1 Bomba de Combustible 107.
4.19.2 Sellos y Siliconas 108.
4.19.3 Sensor de temperatura 108.
4.19.4 Fuente de Voltaje 108.
4.19.5 Sensor de presin 109.
4.19.6 Generador de chispa 109.
4.20 DISEO DEL TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD ANGULAR 109.
4.20.1 Diseo del acondicionador de la seal del transductor de velocidad angular 112.
4.21 DISEO DEL SISTEMA DE ADQUISICIN DE DATOS Y VISUALIZACIN DE TEMPERATURA
114.
4.22 PARAMETRIZACION DEL SISTEMA DE CONTROL 117.
4.22.1 Modelo matemtico de la bomba de combustible 119.
4.22.2 Diseo del acondicionador de la seal de entrada de la bomba de combustible 123.
4.22.3 Diseo del acondicionador de potencia de la bomba de combustible 126.
4.22.4 Diseo de la Etapa de Precalentamiento de la cmara de combustin 134.
4.22.4.1 Clculos de Inercia del conjunto rotor 136.
4.22.5 Diseo del sistema de medicin de presin 140.
4.23 DIAGRAMA DE FUNCIONAMIENTO 144.
4.24 PRUEBAS DE ENCENDIDO 147.
4.25 RECOMENDACIONES 148.
5. CONCLUSIONES 149.
BIBLIOGRAFA
METODOLOGA
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN
emprico-analtico: cuyo inters es el tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del mundo material; proporciona una estructura particular a la metodologa de investigacin en tanto que orienta el trabajo a la contrastacin permanente de las aseveraciones tericas con la verificacin experimental, de manera que los clculos generados a travs de modelos matemticos y simulaciones computacionales se deben retroalimentar con la experimentacin, en la bsqueda de informacin cada vez ms confiable y prctica para la solucin del problema. Esta simbitica debe llevar consigo una relacin terica al menos presumible entre variables, de manera que se puedan establecer relaciones funcionales entre ellas; igualmente y de acuerdo con los medios experimentales, tambin se deben establecer los parmetros experimentales convenientes.
LNEA DE INVESTIGACIN DE USB/ SUBLINEA DE FACULTAD/ CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA
a) Lnea de Investigacin de la Institucin: Tecnolgicas actuales y sociedad.
b) Sub-lnea de Investigacin de la Facultad: Automatizacin y control de procesos.
c) Campo Temtico del Programa: Diseo y construccin de motores ; Automatizacin de procesos
TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN
Para el desarrollo de este trabajo y la construccin del motor fue empleada la tcnica de observacin y recoleccin de datos tcnicos, para ello fueron consultados libros especializados dentro y fuera de la universidad , papers , fichas tcnicas , libros electrnicos , imgenes, programas de computacin , internet , experiencias de tcnicos mecnicos , ingenieros y compaeros a partir de preguntas abiertas, tutoras especializadas, herramientas calibradas y revistas ,las cuales proporcionaron la informacin necesaria para
que se llevaran a cabo los diferentes clculos , diseos , valoraciones y decisiones que llevaran a la concepcin del motor.
POBLACIN Y MUESTRA
THOMAS KAMPS JET TURBINE; GIMOC JP1; GIMOC MTL-41; JETCAT; SIMJET, AMT AEROENGINES
HIPTESIS
A partir de las caractersticas de rendimiento del motor que se desean obtener se deber seleccionar un compresor que proporcione la energa suficiente al sistema para satisfacer las condiciones de rendimiento descritas en los clculos trmicos y dinmicos de gases previos a dicha seleccin, una vez seleccionado el compresor ser ubicado un punto de diseo en el mapa de compresor de este componente, obteniendo las primeras variables independientes como lo son las RPM, el flujo msico, la eficiencia del compresor, el nmero de alabes y su geometra para as continuar con el diseo del difusor pre cmara de combustin, el cual reducir la velocidad axial del flujo manteniendo la presin a la salida del compresor guiando las corrientes de aire a la cmara de combustin donde el aire se mezclara con el combustible seleccionado que viaja atreves de tuberas de cobre con el propsito de aumentar la temperatura del combustible y lograr vaporizarlo antes de salir a la zona primaria de combustin, para ser mezclado con el aire el cual contiene oxgeno y en presencia de una fuente de ignicin accionada por el sistema de control tendr cabida una expansin volumtrica la cual tratara de salir de la cmara, es entonces cuando se dirigir el flujo a los vanes del estator de turbina, ellos aceleraran el fluido y lo redirigirn a los Blades del disco rotor de turbina los cuales generaran una fuerza lo suficientemente grande para mover el conjunto turbina, eje , compresor hasta lograr que el sistema llegue a IDLE o punto en el cual el motor se mantiene girando solo gracias al ciclo termodinmico que describe su funcionamiento, en este punto la cantidad de combustible suministrada al motor ser garantizada por una bomba de combustible manejada por el sistema de control , indicando en un display la cantidad de combustible que se est suministrando , las revoluciones del sistema y la temperatura a la salida de los gases.
VARIABLES
VARIABLES INDEPENDIENTES
RPM
Slip factor
Flujo msico
Eficiencias isotrpicas
Power input factor
Constante universal de los gases
Constante adiabtica del aire
Atmosfera estndar
Temperatura a la entrada de la turbina
Composicin qumica del combustible
VARIABLES DEPENDIENTES
Velocidad en la punta del compresor
Relacin de compresin
Temperatura de la etapa de compresin
Velocidad axial y radial del aire en el compresor
Geometra del compresor y del difusor
Angulo de salida del aire del compresor
Calor especifico del aire
Cada de temperatura y presin en la turbina
Relacin de expansin
Coeficiente de perdida de la tobera
Coeficiente de flujo de la turbina
ngulos del gas en la turbina
ngulos de los vanes y los Blades en la turbina
Nmero de Blades de la turbina
Balanceo estequiomtrico de la mezcla
Gasto msico de fuel
Volumen de la cmara de combustin
Geometra del difusor
Geometra de la cmara de combustin
Geometra de la etapa de turbina
Geometra de la tobera
CONCLUSIONES
El compresor seleccionado tiene menores RPM manteniendo el mismo rango de flujo msico y relacin de compresin que los usados generalmente en este tipo de motores lo que reduce los esfuerzos del conjunto rotor
La geometra de intake fue tomada del caracol original del compresor para no alterar su rendimiento. Debido a la complejidad de la geometra obtenida, para su manufactura se implement el corte CNC.
La relacin pitch/cuerda establecida por Saravanamutto no es aplicable para diseo de microturbinas puesto que resultara en Blades grandes alturas y cuerdas muy pequeas.
El bajo nmero de Reynolds del fluido en la turbina limito la seleccin de un perfil aerodinmico estndar a uno de alto coeficiente de sustentaron para bajos nmeros Reynolds.
El numero mach local a la salida del estator y rotor de turbina axial depende en gran medida del coeficiente de flujo que se elija, este aumenta con coeficientes de flujo bajos
La distribucin del nmero de Blades depende del radio a la raz y no del radio medio como lo explica Saravanamutto, debido a que el radio medio tiene un permetro mucho ms grande permitiendo una cantidad de Blades mayor a la que el permetro de la raz permite.
La disminucin de la diferencia de temperatura en la turbina aumenta la temperatura de los gases de salida, pero disminuye el factor de carga, requiriendo menos trabajo para moverse
La expansin termina del disco de turbina modifica 1,6 mm su dimetro, indicando una limitacin de ciclaje del componente para evitar la falla por fatiga
El maquinado CNC de los discos de turbina hace ms prximo el valor de eficiencia calculada a la real.
Se demostr una buena distribucin de las zonas de combustin en la cmara basada en la coloracin interna en sus correspondientes zonas y por el rastro de holln adherido a sus paredes.
La conmutacin de energa mediante mosfet, es un mtodo eficaz para realizar control de elementos de potencia, en este caso para bombas de combustible de tipo solenoide. Pero siempre es necesario realizar pruebas sobre la forma en la que el dispositivo conmuta la energa cuando no se conocen las caractersticas del elemento a controlar.
El control de bombas de combustible electromecnicas tipo solenoide mediante pwm, est limitado a bajas frecuencias de conmutacin y n presentan una respuesta lineal. Estos dispositivos funcionan de forma lineal con un rango amplio sobre un punto de operacin, ante variaciones de Frecuencia en la seal de entrada.
Los conversores Frecuencia voltaje y Voltaje frecuencia implementados mediante el dispositivo Lm331, son elementos sensibles a la variacin de los componentes con los que se parametrizan, debido a que en principio son circuitos digitales accionados mediante comparadores que reciben seales de voltaje filtradas y por tanto, si en la entrada existen componentes de frecuencia, puede comportarse de forma errnea dependiendo las
frecuencias de corte de los filtros. Los dispositivos electrnicos embebidos para medir temperatura no son verstiles para
aplicaciones de campo de altas temperaturas, los termopares (transductores analgicos) presentan una ventaja en cuanto a manipulacin de la seal y el montaje. La implementacin de esta clase de dispositivos requieren un estudio sobre el espacio en el cual van a ser implementados, la precisin en la aplicacin y el nmero de manipulaciones que tendr la seal. Para este proyecto, la implementacin de una termocupla tipo k result adecuada debido a el rango de operacin, niveles de error, y flexibilidad en el montaje.
La medicin de velocidad angular en motores a reaccin (microturbinas), est limitado al espacio libre del motor en bajas temperaturas, y aunque la velocidad alcance un valor muy alto, las mediciones mediante encoder no presentan dificultad para la velocidad con la que operan los circuitos electrnicos modernos tales como conversores de frecuencia voltaje. Fue importante determinar el tipo de montaje del sensor sobre el proceso y determinar la variabilidad en el desgaste debido a las desalineaciones.
Los Microcontroladores de popular comercializacin como los Atmega, Freescale, Texas Instruments, y de montaje dip, aunque son dispositivos que realizan operaciones de forma secuencial, permiten realizar mltiples tareas de forma efectiva siempre y cuando ni los tiempos de las instrucciones ni el nmero de instrucciones interfieran con el tiempo de cada tarea. A su vez presentan una desventaja en cuanto al nmero de tareas, el nivel del lenguaje de programacin, y organizacin de circuitera. Son utilizables en aplicaciones de manejo y manipulacin de energa como las microturbinas, y se recomienda implementar tantos como tareas independientes en estos casos.
Debido a que las microturbinas en un ambiente acadmico en la Universidad de San Buenaventura no han sido profundamente estudiadas, es necesario, que ms all de la estandarizacin de los procesos de diseo, una instrumentacin adecuada sea implementada para recolectar informacin sobre el comportamiento de estos elementos ante diferentes entradas, cargas o interferencias y de este modo detectar fallas, o predecir comportamientos, como efectivamente se produjo en este trabajo.
REDISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOTOR A REACCIN DE BAJO FLUJO MSICO DE 180 NEWTONS DE EMPUJE E IMPLEMENTACIN DE UN
SISTEMA DE CONTROL ELECTROMECNICO
DIEGO FELIPE MENDOZA OSORIO CARLOS ANDRS MENDOZA MALAGN
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERA MECATRNICA PROGRAMA DE INGENIERA AERONUTICA
BOGOT D.C. 2012
REDISEO Y CONSTRUCCIN DE UN MOTOR A REACCIN DE BAJO FLUJO MSICO DE 180 NEWTONS DE EMPUJE E IMPLEMENTACIN DE UN
SISTEMA DE CONTROL ELECTROMECNICO
DIEGO FELIPE MENDOZA OSORIO CARLOS ANDRS MENDOZA MALAGN
Trabajo de investigacin para optar por el ttulo de ingeniero Mecatrnico e Ingeniero Aeronutico
Director Jorge Alberto Lobo Pico
MSc. Spec. Aeronautical Engineer Universidad San Buenaventura
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA
PROGRAMA DE INGENIERA MECATRNICA PROGRAMA DE INGENIERA AERONUTICA
BOGOT D.C. 2012
Nota de aceptacin:
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
Presidente del jurado
_______________________________
Ing. Sandra Milena Crdenas Buitrago.
_______________________________
Ing. Rafael Mauricio Cerpa Bernal.
_______________________________
Ing. Jorge Alberto Lobo Pico
Bogot D.C. Junio 22 del 2012
Dedicado A:
Este trabajo se lo dedico a mis Familiares ms cercanos, que ms que los
principales inversores econmicos, han sido el verdadero soporte anmico y moral
que permiti el desarrollo y la culminacin de este proyecto.
Diego Felipe Mendoza Osorio
Agradecimientos
Primero, a mi Dios que es el principal motor de la vida. Para el desarrollo y
culminacin de este proyecto, fue de vital importancia los conceptos dados por mis
compaeros de estudio de carrera, y adems el soporte claro y desinteresado de
los Ingenieros Heraldo Moya Martnez, Antonio Albarracn y el Ingeniero Roberto
Bohrquez, todos docentes de la Universidad de San Buenaventura. Al Ingeniero
Alcy Blanco, que contribuy en el proceso de acompaamiento en el desarrollo. A
los miembros del laboratorio Hangar de la universidad de San Buenaventura que
contribuyeron con su conocimiento en el proceso de manufactura.
A todos ellos Mil gracias.
Diego Felipe Mendoza Osorio
Dedicado A:
A Dios por hacer de un sueo toda una realidad, a mis padres por apoyarme siempre y querer para m lo mejor y solo lo mejor, a mis abuelos por sus enseanzas, su cario y su paciencia, a mi familia por confiar en m, por darme la mano en todo momento, a mi novia hermosa que amo inmensamente, a mi hermano por sus tiernos y buenos deseos siempre, sin el apoyo de ustedes nada hubiese sido igual, a mi universidad por permitirme explorar y explotar el conocimiento ,a mis profesores, amigos y compaeros.
Carlos Andrs Mendoza Malagn
Agradecimientos
A Dios, a mis padres, a mi familia, a mi novia, a la universidad de san buenaventura por su continuo apoyo hacia el desarrollo de nuevas tecnologas, por instituirme profesional y humanamente, al equipo de trabajo del hangar, Orlando, el ingeniero Luis, Nelson y Oscar quienes con su experiencia, especialidad y profesionalismo lograron un hito en el desarrollo de estas mquinas en el pas. A la facultad de ingeniera aeronutica, a mis tutores, amigos y compaeros que apoyaron fuertemente el desarrollo de este proyecto,
Carlos Andrs Mendoza Malagn
CONTENIDO
pg.
LISTA DE TABLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE ANEXOS GLOSARIO INTRODUCCIN 3.
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4.
1.1. ANTECEDENTES 4.
1.2. DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA 4.
1.3. JUSTIFICACIN 5.
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 5.
1.4.1. Objetivo General 5.
1.4.2. Objetivos Especficos 6.
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 6.
1.5.1. Alcances 6.
1.5.2. Limitaciones 7.
2. MARCO DE REFERENCIA 8.
2.1. MARCO CONCEPTUAL 8.
2.1.1. Ecuacin de continuidad del flujo o de conservacin de la masa 8.
2.1.2. Primera ley de la termodinmica 8.
2.1.3. Entalpia H 8.
2.1.4. Entropa S 9.
2.1.5. Ecuacin de Bernoulli 9.
2.1.6. Ecuacin de momentum 9.
2.1.7. Segunda ley de la termodinmica 9.
2.1.8. Ley de los gases ideales 10.
2.1.9. Calor especifico a presin constante 10.
2.1.10. Temperatura y presin en funcin del nmero Mach 10.
2.1.11 Leyes de Movimiento. 11.
2.1.12 Ley de Ohm 11.
2.1.13 Leyes Electromagnticas 12.
2.1.13.1 Ley de Ampre 12.
2.1.13.2 Ley de Faraday 12.
2.1.14 Microcontroladores. 13.
2.1.15 Instrumentacin Electrnica 13.
2.1.16 Medidores de Temperatura 13.
2.1.17 Mediciones de Velocidad angular 14.
2.1.18 El amplificador operacional. 14.
2.1.19 Sistemas de control. 14.
2.1.19.1 Sistema de control en lazo abierto 15.
2.1.19.2 Sistema de control en lazo cerrado 15.
3. METODOLOGA 16.
3.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN 16.
3.2. LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD /CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA.
16.
3.3. TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN 16.
3.4. HIPTESIS 17.
3.5. VARIABLES 17.
3.5.1. Variables Independientes 17.
3.5.2. Variables Dependientes 18.
4. DESARROLLO INGENIERIL PRESENTACIN DE ANLISIS Y RESULTADOS
18.
4.1. CLCULOS TRMICOS Y DINMICOS DE GASES 18.
4.2. SELECCIN DEL COMPRESOR 24.
4.2.1. Compresores centrfugos del mercado 24.
4.2.1.1 Garrett T3 24.
4.2.1.2 Garrett T04B 25.
4.2.1.3 Garrett T04E 26.
4.2.1.4 Garrett serie T 28.
4.2.1.5 Garrett Upgrades 30.
4.3 PUNTO DE DISEO 30.
4.4 DISEO DEL COMPRESOR O IMPELLER 31.
4.5 SELECCIN DE RODAMIENTOS 38.
4.6 PRECARGA DE LOS RODAMIENTOS 45.
4.6.1 Diseo del resorte 47.
4.7 DISEO DEL DIFUSOR 50.
4.8 DISEO DE LA TURBINA 57.
4.8.1 ngulos del Blade segn el Angulo del gas 71.
4.9 SELECCIN DEL PERFIL AERODINMICO 77.
4.10 ENTORCHA MIENTO DEL BLADE 79.
4.11 SELECCIN DEL COMBUSTIBLE 83.
4.11.1 Balance Estequiomtrico 84.
4.12 DISEO DE LA CMARA DE COMBUSTIN 86.
4.13 DISEO DEL EJE 94.
4.14 DISEO DE LA CAMISA DEL EJE 100.
4.15 DISEO DE LA TOBERA 101.
4.16 DISEO DEL CASING EXTERIOR 103.
4.17 SELECCIN DE MATERIALES 103.
4.17.1 Seccin Caliente 103.
4.17.2 Seccin fra 105.
4.18 BALANCEO DINMICO DEL CONJUNTO ROTOR 106.
4.19 SELECCIN DE ACCESORIOS 107.
4.19.1 Bomba de Combustible 107.
4.19.2 Sellos y Siliconas 108.
4.19.3 Sensor de temperatura 108.
4.19.4 Fuente de Voltaje 108.
4.19.5 Sensor de presin 109.
4.19.6 Generador de chispa 109.
4.20 DISEO DEL TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD ANGULAR 109.
4.20.1 Diseo del acondicionador de la seal del transductor de velocidad angular
112.
4.21 DISEO DEL SISTEMA DE ADQUISICIN DE DATOS Y VISUALIZACIN DE TEMPERATURA
114.
4.22 PARAMETRIZACION DEL SISTEMA DE CONTROL 117.
4.22.1 Modelo matemtico de la bomba de combustible 119.
4.22.2 Diseo del acondicionador de la seal de entrada de la bomba de combustible
123.
4.22.3 Diseo del acondicionador de potencia de la bomba de combustible 126.
4.22.4 Diseo de la Etapa de Precalentamiento de la cmara de combustin 134.
4.22.4.1 Clculos de Inercia del conjunto rotor 136.
4.22.5 Diseo del sistema de medicin de presin 140.
4.23 DIAGRAMA DE FUNCIONAMIENTO 144.
4.24 PRUEBAS DE ENCENDIDO 147.
4.25 RECOMENDACIONES 148.
5. CONCLUSIONES 149.
BIBLIOGRAFA
LISTA DE TABLAS
Pg.
Tabla 1 Variacin de los ngulos del gas respecto al radio 71
Tabla 2. Constantes de balanceo estequiomtrico 85
Tabla 3. Masa de combustible 86
Tabla 4. Esfuerzo cortante de la primera seccin y deformacin del eje por torsin
milmetro a milmetro 97
Tabla 5. Esfuerzo cortante de la segunda seccin y deformacin del eje por torsin
milmetro a milmetro 98
Tabla 6. Esfuerzo cortante de la tercera seccin y deformacin del eje por torsin
milmetro a milmetro 99
LISTA DE FIGURAS
Pg.
Figura 1. Mapa de compresor Garrett T3 Trim 40 25
Figura 2. Mapa de compresor Garrett T3 Trim 60 25
Figura 3. Mapa de compresor Garrett T04B Trim S3 26
Figura 4. Mapa de compresor Garrett T04B Trim 62-1 26
Figura 5. Mapa de compresor Garrett T04E Trim 40 27
Figura 6. Mapa de compresor Garrett T04E Trim 50 27
Figura 7. Mapa de compresor Garrett T04E Trim 54 28
Figura 8. Mapa de compresor Garrett serie T-70 29
Figura 9. Mapa de compresor Garrett serie T-76 29
Figura 10. Punto de diseo sobre el mapa de compresor 30
Figura 11 .Velocidades y geometra de los impeller 31
Figura 12. Diagrama de fuerzas, momentos y cortantes en el eje. 41
Figura 13. Corte transversal de un rodamiento de contacto angular 43
Figura 14. Rodamiento GRW D608/602839 44
Figura 15. Precarga de rodamientos de contacto angular de tipo espalda a espalda. 45
Figura 16. Precarga de rodamientos de contacto angular de tipo cara a cara 45
Figura 17. Precarga de rodamientos de contacto angular de tipo tndem 46
Figura 18. Precarga de rodamientos de contacto angular de tipo precarga en posicin 46
Figura 19. Precarga de rodamientos de contacto angular de tipo precarga a presin
constante 47
Figura 20. Geometra del difusor cnico 54
Figura 21. Rendimiento del difusor cnico 56
Figura 22. Difusor pre cmara de combustin 57
Figura 23. Nomenclatura etapa de turbina de Saravanamuttoo 57
Figura 24. ngulos de entrada y salida del gas vs ngulo de entrada y salida 72
Figura 25. Efecto de la incidencia sobre Yp 77
Figura 26. Perfil aerodinmico NACA 8516 High CL low Re 78
Figura 27. Coeficiente de sustentacin Vs coeficiente de resistencia al avance 78
Figura 28. Coeficiente de sustentacin vs Angulo de ataque 79
Figura 29. ngulos de camber, ngulos del Blade y ngulos del gas de una turbina axial.
80
Figura 30. Stagger incidence and deviation angles 81
Figura 31. Entorchamiento del perfil aerodinmico NACA 8516 81
Figura 32. Divisin del arco formado por la lnea tangente y perfil aerodinmico
entorchado 82
Figura 33. Perfil aerodinmico del estator de turbina. 82
Figura 34. Perfil aerodinmico para el rotor de turbina 83
Figura 35. Slido de disco rotor de turbina 83
Figura 36. Slido de disco estator de turbina 83
Figura 37. Punto de ebullicin de los combustibles 84
Figura 38. Grfica para determinar el gasto relativo de combustible en una cmara de
combustin con la metodologa de Steking 89
Figura 39. Grfica para determinar el calor especfico convencional del proceso de adicin
de calor en la cmara de combustin con la metodologa de Steking 90
Figura 40. Camara de combustion en solid edge 94
Figura 41. Camisa del eje en Solid Edge 100
Figura 42. Tobera Convergente en Solid Edge 102
Figura 43. Casing del motor en Solid Edge. 103
Figura 44. Balanceadora de turbos Heinz Balancing Systems Inc. 107
Figura 45. Diagrama de implementacin de un motor elctrico como generador para medir
RPM 110
Figura 46. Rueda de interrupcin del sistema de encoder. 111
Figura 47. Tubo de interrupcin para el encoder 112
Figura 48. Circuito de aplicacin del dispositivo Lm331 como F-V 113
Figura 49. Grfica del Voltaje de salida en el lm331 ante una entrada variable de
frecuencia. 114
Figura 50. Medicin del voltaje en la termocupla cuando la platina de acero inoxidable
est al rojo 115
Figura 51. Configuracin del amplificador operacional doble lm 358 (U4.1 y U4.2) con
ganancia 200 115
Figura 52. Modelo de amplificador operacional. 116
Figura 53. Diagrama representativo del ciclo de funcionamiento del motor 118
Figura 54. Diagrama de bloques del sistema de control 119
Figura 55. Diagrama de funcin de transferencia en bloque del actuador. 119
Figura 56. Esquema del experimento de variacin de ciclo til para observar el caudal en
estado estable. 120
Figura 57. Grfica del Caudal con respecto al ciclo til en la entrada (gate) del mosfet con
frecuencia fija de 60 hz. 120
Figura 58. Grfica del Caudal con respecto al ciclo til en la entrada (gate) del mosfet con
frecuencia fija de 20 hz. 121
Figura 59. Grfica del Caudal con respecto al ciclo til en la entrada (gate) del mosfet con
frecuencia fija de 40 hz. 121
Figura 60. Grfica del Caudal con respecto al ciclo til en la entrada (gate) del mosfet con
frecuencia fija de 60 hz. 122
Figura 61. Grfica del Caudal con respecto al ciclo til en la entrada (gate) del mosfet con
frecuencia fija de 80 hz 122
file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397350file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397350file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397361file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397361Figura 62. Diagrama esquemtico del componente en V-F 123
Figura 63. Diagrama interno del Lm331 125
Figura 64. Diagrama del modelo trmico del MOSFET aplicado 127
Figura 65. Circuito de Aplicacin de MOSFET. 128
Figura 66. Grfica del voltaje estacionario en el drenado del Mosfet, ante una entrada de
voltaje en la compuerta con carga resistiva. 128
Figura 67. Grfica de La resistencia equivalente estacionaria del Mosfet, ante una entrada
de voltaje en la compuerta con carga resistiva. 129
Figura 68. Grfica de la corriente estacionaria en la carga resistiva, ante una entrada de
voltaje en la compuerta del Mosfet. 129
Figura 69. Grfica del voltaje estacionario en la carga resistiva, ante una entrada de
voltaje en la compuerta. 130
Figura 70. Circuito de aplicacin para motores y bombas del Mosfet. 130
Figura 71. Grfica del voltaje estacionario en la Bomba, ante una entrada de voltaje en la
compuerta. 131
Figura 72. Grfica de la Resistencia equivalente estacinaria del Mosfet, ante una entrada
de voltaje en la compuerta. 131
Figura 73. Grfica de la corriente estacionaria en la bomba, ante una entrada de voltaje en
la compuerta. 132
Figura 74. Grfica del voltaje estacionario en el drenado, ante una entrada de voltaje en la
compuerta. 132
Figura 75. Grfica de la corriente estacionaria en la bomba, ante una entrada de voltaje en
la compuerta. 133
Figura 76. Grfica del caudal estacionario suministrado por la bomba ante una entrada de
frecuencia y ciclo til del 50% (2.5 v) en la compuerta. 133
Figura 77. Diagrama de flujo del ciclo de arranque. 135
Figura 78. Diagrama de anlisis de inercia del conjunto rotor. 136
Figura 79. Grfica de dimensiones de anlisis del disco de compresor con respecto al eje
de giro. 138
Figura 80. Grafica de comportamiento transitorio de la velocidad de un motor dc. 139
Figura 81. Voltaje en el sensor MPX 5700Ap a presin atmosfrica 141
Figura 82. Diagrama de interferencias trmicas y acople del sensor de presin en el
motor. 142
Figura 83. Diagrama de funcionamiento del sistema de control. 143
file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397369file:///C:/Users/usuario/Desktop/documento%20final%20domingo%2024%20noche.docx%23_Toc328397388LISTA DE ANEXOS
pg.
Anexo A Caractersticas del Diesel y del jet A1 DVD
Anexo B Serie galvnica de la USAF DVD
Anexo C Balanceo dinmico del conjunto rotor DVD
Anexo D Programas Excel DVD
Anexo E Planos y slidos en 3D del motor DVD
Anexo F Simulacin de esfuerzos en los discos de turbina DVD
Anexo G Simulacin de esfuerzos en el eje DVD
Anexo H simulacin de esfuerzos en la cmara de combustin DVD
Anexo I simulacin de flujo de aire sobre el estator de turbina DVD
Anexo J simulacin de flujo de aire sobre el rotor de turbina DVD
Anexo K costos DVD
Anexo L Fotos y videos DVD
Anexo M Diagramas de flujo DVD
Anexo N Diagrama Esquemtico de circuito electrnico DVD
Anexo O Prueba rango de medicin de la Termocupla tipo K DVD
Anexo P Prueba rango de medicin sensor MPX 5700Ap DVD
GLOSARIO
Adiabtico: proceso en el cual no existe transferencia de calor con el ambiente en el cual est operando dicho proceso
Isotrpico: proceso en el cual la transferencia de calor es mxima
Isotrmico: proceso termodinmico en el cual la temperatura permanece constante.
Isobrico: proceso termodinmico en el cual la presin permanece constante
Gas generator: Turbomaquina compuesta por 1 etapa de compresin, cmara de combustin y una etapa de turbina
Turbo jet: configuracin bsica de un motor a reaccin compuesto por una etapa de compresin, una etapa de combustin y una etapa de turbina
Turbo fan: es un motor a reaccin cuya caracterstica principal es su gran ventilador o FAN en la parte frontal del motor, est compuesto por mltiples etapas de compresin y de turbina es usado comnmente en aviones que van a realizar largos recorridos
Turboprop: motor a reaccin cuya caracterstica principal es una caja de reduccin y una hlice caracterstica de aviones que desarrollan operaciones regionales.
Turboshaft: motor a reaccin cuya caracterstica principal es una caja de reduccin la cual transmite potencia a una transmisin de 90 y 45 grados en helicpteros; tambin son usados para generar potencia en las turbinas de grandes barcos.
Fuel/Air ratio: es la relacin entre el gasto msico de combustible y el gasto msico de aire.
Relacin de compresin: relacin entre la presin a la salida y la presin a la entrada
Empuje: Fuerza ejercida por los gases de un motor a reaccin
SFC: medida que describe la eficiencia en el consumo de combustible respecto al empuje del motor
Empuje especfico: se define como la relacin entre el empuje neto del motor y el flujo msico a la entrada del motor que proporciona el empuje neto
3
INTRODUCCIN
Las microturbinas son pequeas maquinas trmicas que generalmente han destinado su uso a propulsar aeromodelos jet, han evolucionado y se producen en masa para el mismo fin en la unin europea y los estados unidos de amrica, sin embargo recientemente la compaa jaguar en su 75 aniversario ha exhibido el CX-75 un automvil elctrico deportivo concepto que recarga sus bateras rpidamente a partir de dos microturbinas Bladom jets de fabricacin inglesa que a base de diesel proporcionan energa suficiente para que el automvil avance 560 millas. Iniciando como concepto y al portas de una produccin en masa el CX-75 se postula como uno de los automviles ms eficientes del mundo reduciendo las emisiones contaminantes por kilmetro y transformando el consumo de energa en el mundo; Atrados por esta invencin e Impulsados por proveer un nuevo medio o recurso energtico y dando continuidad a los avances existentes en este campo en el pas, fue diseada y construida la microturbina Toro, con el propsito de continuar explotando estas pequeas maquinas grandes fuentes de energa que comnmente han proporcionado empuje y transmisin de calor a travs del tiempo, pero que hoy tienen otro pequeo gran potencial al ser una fuente rica en energa elctrica almacenada y aun oculta a las ms altas RPM que un cuerpo pueda alcanzar; avance, adelanto y progreso energtico es el compromiso ineludible y uno de los hitos ms grandes que ha trado la ciencia a travs del tiempo, que solo a travs de ella misma se puede lograr, ciencia fecundada desde la academia en las diferentes naciones para el bien colectivo; perfeccionamiento y evolucin energtica que puede ser lograda unificado las ciencias antes del agotamiento de los recursos fsiles venciendo la barrera del tiempo y trascendiendo en la proteccin del planeta.
4
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. ANTECEDENTES
1980 -1993 los Estados Unidos de Amrica necesitan motores jet miniatura para propulsar sus misiles dado que los motores cohete representaban una gran inversin ,estos misiles vean limitada su operacin a la capacidad de carga de combustible que permitiera mantener encendido el motor1,1994 Kurt Schreckling es reconocido mundialmente como el Orvile Wright de los motores Jet para aeromodelos su diseo fue el primer diseo casero en tener xito, de all se public su libro Gas Turbine Engines for Model Aircraft,1995 Thomas Kamps es reconocido como el segundo diseador de motores para aeromodelos en tener xito, de su invencin fue publicado el libro Model Jet Engines traducido al ingls por Keith thomas,2011 Bladom jets es una compaa inglesa que posee una de las microturbinas ms avanzada; instaladas como twinpack en el CX75 Jaguar el carro elctrico desarrollado por la compaa en su 75 aniversario, este par de microturbinas proporcionan la energa suficiente para recargar las bateras de cada uno de los motores elctricos de este carro permitiendo que se desplace 560 millas ms.
1.2. DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA
Diferentes universidades en Colombia han desarrollado valiosos avances directa o indirectamente dirigidos a la optimizacin de los componentes de una microturbina, pocas han construido sus avances y puesto a prueba los mismos para validar la informacin que se obtuvo de cada una de las investigaciones ya sean simulaciones, clculos, teoras o metodologas. Tecnologa y diferentes recursos informticos permiten predecir el comportamiento de estas mquinas en computador antes de construirlas sin embargo estas herramientas no van a determinarnos en todas las ocasiones la reaccin del conjunto construido ,es precisamente este ltimo factor el que trasciende y da un valor agregado a la investigacin ya que se pondr a prueba no solo la metodologa con la cual se procedi, sino con el componente como tal ya que tenerlos construido permitira evaluar aspectos de la metodologa con la cual se lleg a construir, este es el gran problema al cual se enfrenta cualquier investigacin, y con la que generalmente se ha enfrentado el diseo y la construccin de motores de bajo flujo msico en nuestro pas. La concepcin de nuevas metodologas cada vez ms detalladas representa un paso ms en el camino a la puesta a punto de estos motores, el perfeccionamiento de estas mquinas trmicas pondr a prueba el talento
1 Leyes Richard A., Fleming William A . . . Miniature and model turbine engines en .The history of North American small gas turbine aircraft engines. EEUU, American Institute of Aeronautics and Astronautics.1999.p730
5
nacional igualmente la capacidad de anlisis para cada nuevo desarrollo y subsecuentemente brindara soluciones energticas en nuestro continente
1.3. JUSTIFICACIN
El proyecto TORO propone tener acceso total a cada una de las etapas de diseo, para lo cual los futuros diseadores tendrn una nocin bsica de la concepcin de cada diseo a partir de las ecuaciones seleccionadas de diferentes metodologas encontradas en mltiples fuentes bibliogrficas para crear su motor, por ejemplo del por qu y cmo el difusor tiene esas dimensiones y del por qu y cmo la cmara de combustin tiene ms o menos orificios, la construccin de un motor a reaccin de bajo flujo msico brindara acceso a una mejor conceptualizacin de las clases de motores dentro de la universidad, y permitir poner a prueba la metodologa de diseo comparando lo que est escrito y lo que realmente pasa cuando el motor opera, Una nueva metodologa atrada por la exploracin de los proyectos Turbofan y Turboprop de la universidad de san buenaventura pretende corregir errores cometidos en el pasado para lograr con ello que el motor TORO sea el motor base y que a partir de este las futuras generaciones desarrollen motores 100% operativos, que sean diseos, eficientes confiables y sostenibles, producto del talento nacional, que puedan ser puestos a prueba en diferentes condiciones y que de ser desarrollados en una cadena de produccin suplan la demanda del pas del continente y las industrias en general. El desarrollo del TORO como motor base permitir que a partir de este, los estudiantes y docentes se encuentren con procesos reales que permitan incentivar el desarrollo del conocimiento y de la mquina, generndose debates personales los cuales atraen la solucin a limitantes existentes en los campos ingenieriles aplicados en este proyecto, Lo que incentiva que se conciban modificaciones dependiendo del propsito para el cual vaya a ser utilizado un motor , ya sea potencia a un eje, potencia por propulsin a chorro, generacin de energa elctrica o calefaccin. El diseo y construccin de una microturbina y con ella la creacin de una nueva metodologa para su diseo permitir obtener al final un paso a paso detallado de cmo disear y construir un motor a reaccin teniendo en cuenta las diferentes variables incluidas en el proceso , el TORO es la evolucin de todos los motores a reaccin de bajo flujo msico desarrollados en la Universidad de San Buenaventura Bogot, es un turbo bsico el cual permitir que generaciones venideras desarrollen las otras configuraciones ms comunes de los motores a reaccin actuales
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
1.4.1. Objetivo General
Redisear y construir un motor a reaccin de bajo flujo msico de 180 Newton de empuje e implementacin de un sistema de control electromecnico.
6
1.4.2. Objetivos Especficos
Seleccionar y adquirir un compresor centrifugo y su mapa de compresor
Disear el difusor pre cmara de combustin , el eje del motor , la cmara de combustin y la turbina axial del motor a reaccin
Modelar en 3D los componentes mecnicos del motor a reaccin en Solid Edge
Analizar los esfuerzos y deformaciones presentes en el eje y la etapa de turbina implementando el software Ansys
Seleccionar los materiales apropiados, construir y ensamblar los componentes mecnicos del motor a reaccin
Disear un control electromecnico para el precalentamiento de la cmara
de combustin.
Disear la instrumentacin para el sensado de la temperatura en la salida
de la turbina y un sistema de visualizacin respectivo.
Disear el sistema de suministro de combustible (jet).
Disear la instrumentacin para el sensado de presiones de la entrada y la
salida del compresor y un sistema de visualizacin respectivo.
Disear la instrumentacin para el sensado de las RPM del eje y un
sistema de visualizacin respectivo.
Ensamble y puesta en marcha del motor.
Puesta en marcha del motor
1.5. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1. Alcances El motor TORO ser concebido a partir de las diferentes leyes fsicas, ecuaciones y teoras existentes para el diseo de cada uno de sus componentes ,adems cada uno de ellos ser construido en el material ms conveniente teniendo en cuenta las opciones que se encuentran en el mercado
7
para este propsito, precisando en todo momento que se deber garantizar la operacin segura del mismo, acto seguido sern analizados los esfuerzos en los componentes con mayor probabilidad de fallar, estos son los discos de turbina y el eje. No todos los componentes del motor van a ser diseados y construidos como es el caso del compresor centrifugo, los rodamientos, la bomba de combustible y los diferentes dispositivos electrnicos para controlar el motor, estos sern seleccionados del mercado de acuerdo a las necesidades encontradas en cada etapa de la concepcin del motor, Una vez se tengan todos los componentes construidos se ensamblara el motor y ser encendido poniendo a prueba la teora que dio forma a su diseo descrita en este documento. 1.5.2. Limitaciones Como primera limitacin para la concepcin del motor, el proyecto se ve en la necesidad de adquirir un compresor del mercado que proporcione las caractersticas de rendimiento necesarias para el correcto funcionamiento del motor. Teniendo en cuenta que el empuje del motor debe ser de 180 Newton, es necesario aportar al sistema una presin de aire la cual satisfaga los clculos trmicos y dinmicos de gases. La mejor opcin para este tipo de motores son los compresores centrfugos gracias a su alta relacin de compresin en una sola etapa; la construccin de estos compresores no es fcil por ende, no se construir esta pieza. Al girar a tan altas revoluciones el eje estar sometido a diferentes esfuerzos y estos limitaran la vida del mismo, el diseo del eje se desarrollara teniendo en cuenta los esfuerzos a los cuales estar sometido por torsin; se simulara en ANSYS corroborando los datos tericos, asumiendo que este se encuentra correctamente balanceado. La seleccin de los rodamientos ser acorde a los requerimientos del motor y de cada una de las condiciones que exija el diseo de los dems componentes. La cmara de combustin estar sometida a la presin, la temperatura del aire que viene del difusor, al ambiente corrosivo y a la exposicin de cidos como resultado de la combustin, esto generara esfuerzos y deformaciones plsticas o elsticas dependiendo del material; acorde a este comportamiento y a su operacin se har el diseo y la seleccin del material. El disco de turbina es el componente que ms sufrir esfuerzos, su diseo se desarrollara con base a la teora aerodinmica de Saravanamuttoo, y a un anlisis preliminar de cargas y esfuerzos en ella, no se har un anlisis por fatiga para determinar la vida lmite del componente debido a que este requiere y merece un estudio detallado y minucioso del ambiente de operacin. El motor no tendr lneas de lubricacin o lneas de flujo hidrulico debido a su reducido tamao. El motor no est limitado por peso ya que no ser instalado en una aeronave sino que estar en un banco de pruebas en tierra. No se har un anlisis predictivo de la corrosin que se pueda presentar en los componentes, No obstante la seleccin de los materiales tendr en cuenta este fenmeno. No se har un anlisis acstico predictivo del ruido que el turborreactor pueda generar en sus condiciones de operacin. Una vez desarrollado el motor se describir un paso a paso de cmo se debe operar el componente y como no se debe operar con el fin de mantener la vida til de motor y la seguridad operacional. No se desarrollara un anlisis cinemtico del comportamiento del turborreactor. El
8
diseo y desarrollo del turborreactor no estar estrictamente ligado a los cdigos y normas de las diferentes asociaciones internacionales de estandarizacin. No se desarrollara un anlisis de flujo de fluidos. Para el perfeccionamiento del motor ser de vital importancia la mecanizacin del material en la fabricacin de cada una de sus piezas, los mtodos de manufactura de estos sern desarrollados de tal forma que se modifique el diseo en su mnima expresin. El Diseo de cada uno de los componentes estar limitado a la informacin recolectada para dicho propsito. Los materiales seleccionados para la construccin del motor estarn limitados a los existentes en cada una de las empresas proveedoras de aceros en la ciudad de Bogot, Los accesorios del motor en ningn caso estarn limitados a ser accesorios aeronuticos con lo que se podr adquirir accesorios estndar para la operacin del motor. Los elementos electrnicos usados en el sistema de control electromecnico sern adquiridos para que desarrollen correctamente una funcin y en ningn caso usaremos elementos de ltima tecnologa para controlar el motor.
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. MARCO CONCEPTUAL
2.1.1 Ecuacin de continuidad del flujo o de conservacin de la masa Esta
ecuacin establece una igualdad de masa tanto a la entrada como a la salida de
una tubera o ducto, sin embargo el fluido suele sufrir cambios de densidad y de
velocidad en presencia de alteraciones de la seccin transversal por al cual est
viajando, la ecuacin que describe esta condicin es Donde es el
flujo msico, es la densidad es la velocidad axial de fluido y es el rea de la
seccin transversal por la cual viaja el flujo.
2.1.2 Primera ley de la termodinmica La primera ley de la termodinmica
incluye las leyes de energa potencia y energa cintica directamente relacionadas
pero adems adicionan los efectos de la transferencia de calor y los cambios de
energa interna de un sistema, as entonces la ley de la conservacin de la energa
dice que la transferencia neta de calor es igual al trabajo neto realizado, se
expresa como Esto quiere decir que podemos agregar energa al
sistema produciendo trabajo o hacer un trabajo y agregar energa al sistema
2.1.3 Entalpia H Describe la variacin de energa cedida por un sistema
termodinmico es decir la cantidad de energa que un sistema puede conferir con
su entorno2
2 Disponible en :< http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp%C3%ADa>
9
2.1.4 Entropa S Es una magnitud fsica que permite, mediante clculo,
determinar la parte de la energa que no puede utilizarse para producir trabajo. Es
una funcin de estado de carcter extensivo y su valor, en un sistema aislado,
crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa
describe lo irreversible de los sistemas termodinmicos. 3
2.1.5 Ecuacin de Bernoulli Describe el comportamiento de una partcula fluida
movindose a lo largo de una lnea de corriente. Expresa que en un fluido ideal
(sin viscosidad ni rozamiento) en rgimen de circulacin por un conducto cerrado,
la energa que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La
energa de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
Cintica: es la energa debida a la velocidad que posea el fluido.
Potencial gravitacional: es la energa debido a la altitud que un fluido posea.
Energa de flujo: es la energa que un fluido contiene debido a la presin
que posee.
El trinomio de Bernoulli dicta la ecuacin de presin total as
O lo que es ms claro Presin dinmica + presin esttica = presin
total o presin de estancamiento
Dnde: = velocidad del fluido,
= densidad del fluido. La presin esttica del sistema, la presin total, g =
aceleracin gravitatoria z = altura en la direccin de la gravedad desde una cota
de referencia.
2.1.6 Ecuacin de momentum El momentum est asociado a la cantidad de
masa que posee un cuerpo y la velocidad con que este se mueve aplicando una
fuerza, por ejemplo el flujo msico tiene una velocidad y este al atravesar los
Blades del disco rotor transmite una fuerza de impacto igual a la masa por la
velocidad. Esta fuerza la adquiere el Blade y a su vez el disco rotor hacindolo
girar, la fuerzas en el sistema se igualan a cero dado que se anulan entre s
llegando a un punto de equilibro en el cual la cantidad de movimiento es cero es
decir cuando el disco rotor ya no gira ms, El momentum se define como
( ) Ec 2.1
2.1.7 Segunda ley de la termodinmica La energa no se crea ni se destruye
solo se transforma, este es el principio fundamental de la segunda ley de la
termodinmica , esta ley impone restricciones para la transferencia de energa
3 Disponible en :< http://es.wikipedia.org/wiki/Entrop%C3%ADa>
10
,describe la direccin de los procesos termodinmicos y la irreversibilidad de estos
procesos, describe tambin la imposibilidad de transformar la energa sin tener
prdidas en dicha transformacin, promulga que la energa siempre se transmite
de los cuerpos ms calientes a los ms fros hasta lograr un equilibrio trmico el
ejemplo ms comn es el motor trmico , tambin se describe como la relacin
entre el calor transmitido y la temperatura a la que se transmite ,solo suele
definirse para estados de equilibrio Se expresa como
2.1.8 Ley de los gases ideales Es una ecuacin cuantitativa de las relaciones
entre las propiedades de un gas ideal que puede ser usada para los gases reales
a presiones bajas, de acuerdo a la observacin el volumen es inversamente
proporcional a la presin y directamente proporcional a la cantidad del gas y la
temperatura absoluta4 Donde: = Presin absoluta, = Volumen, =
Moles de Gas, = constante universal de los gases ideales, = Temperatura
absoluta
2.1.9 Calor especfico a presin constante El calor especfico de una sustancia
es la cantidad de calor medida en caloras necesaria para aumentar en un grado
centgrado la temperatura por unidad de peso del cuerpo, si es calentado un gas
dejndolo expandir libremente aumentar su volumen manteniendo una presin
constante , en este caso el gas deber efectuar un trabajo mecnico para vencer
la presin atmosfrica el calor especfico a presin constante es mayor al calor
especfico a volumen constante dado que para mantener el mismo aumento de
temperatura es necesario suministrar ms calor al sistema5
2.1.10 Temperatura y presin en funcin del nmero Mach La velocidad del
sonido en un gas ideal est dada por: El nmero mach es la relacin
entre la velocidad del elemento y la velocidad del sonido local as:
Estas
ecuaciones proveen las presiones y temperaturas de una corriente libre para un
determinado nmero mach, las ecuaciones son:
4 Disponible en :< http://books.google.com.co/books?id=0JuUu1yWTisC&pg=PA135&dq=ley+de+los+gases+ideales&hl=es&ei=MQXCTpG5F4mJgweKtsHmDg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&sqi=2&ved=0CDEQ6AEwAA#v=onepage&q=ley%20de%20los%20gases%20ideales&f=false> 5 Disponible en internet en :< http://books.google.com.co/books?id=7QPvXIWH0XUC&pg=PA60&dq=calor+especifico+a+presion+constante&hl=es&ei=2AHCTsWrPNLhgge4qq39Dg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CCoQ6AEwAA#v=onepage&q&f=false>
11
(
)
Y
(
)
Ec 2.2
2.1.11 Leyes del movimiento El anlisis del movimiento de los cuerpos se realiza
mediante las leyes de Newton, trabajo que realiz basado en trabajos de Galileo y
Descartes (en su primera ley):
1era: "Todo cuerpo permanecer en su estado de reposo o movimiento uniforme y
rectilneo a no ser que sea obligado por fuerzas externas a cambiar su estado".
2da: "El cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motrz externa y ocurre
segn la lnea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime".
3era ley: "Con toda accin ocurre siempre una reaccin igual y contraria; las
acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentidos
opuestos".
De estas expresiones se extraen ecuaciones aplicables en el anlisis de los
sistemas de cuerpos en movimiento, delineando el concepto de equilibrio
mecnico:
Para movimientos rectilneos. Donde es el vector de fuerza, m
es la masa del cuerpo y es vector de aceleracin.
Para movimientos rotacionales. Donde es el vector de torque, I
es el momento de inercia del cuerpo y es el vector de aceleracin
angular.
.Condicin de equilibrio para sistemas rectilneos.
.Condicin de equilibrio para sistemas rotacionales.
2.1.12 Ley de Ohm La ley de ohm indica que una diferencia de potencial elctrico
aplicado en un conductor con resistencia elctrica finita produce sobre este una
corriente proporciona la esa diferencia de potencial.
Ec 2.3
De forma general se dice que el voltaje (Diferencia de potencial) es directamente
proporcional a la corriente que circula por un conductor de resistencia finita.
12
Ec 2.4
Los elementos con resistencia infinita (muy grande) se les llaman aislantes debido
a que se requiere una gran cantidad de voltaje para producir una mnima cantidad
de corriente sobre ellos. En la prctica no existen elementos con resistencia
infinita, pero si los hay con valores tan grandes como para despreciar cualquier
valor practico de voltaje que puedan producir corrientes considerables,
dependiendo del contexto.
2.1.13 Leyes electromagnticas.
2.1.13.1 Ley de Ampre La ley de ampere indica que en todo conductor que porta
una corriente elctrica se genera un campo magntico alrededor. Esta ley es de
suma importancia para el anlisis de motores elctricos y el desarrollo de
sensores de magnticos.
Ec 2.5
Donde el la magnitud del campo magntico B es directamente proporcional a la
corriente I que circula un alambre infinito e inversamente proporcional a la
distancia r, la cual se mide desde el centro de la lnea de corriente que
correspondiente al centro de la seccin transversal del alambre hasta el punto de
inters.
2.1.13.2 Ley de Faraday La ley de Faraday indica que la fuerza electromotriz
inducida en un conductor con forma de espira es proporcional a la variacin de la
densidad de flujo magntico en el tiempo. Se puede describir mediante la siguiente
ecuacin:
Ec 2.6
Donde E es la fuerza electromotriz inducida en la espira, n es el nmero de
espiras en serie que forma el conductor y es el flujo magntico. Esta expresin
se utiliza en el anlisis de mquinas elctricas y bobinas, y a su vez se utiliza en
medidores de flujo magntico.
13
2.1.14 Microcontroladores Son dispositivos digitales, compuestos por millones
transistores, capaces de realizar tareas lgicas secuenciales. Se componen, al
igual que los computadores, de una unidad central de procesamiento, memoria
RAM y ROM. Su funcionamiento es programado mediante instrucciones
codificadas que se guardan en la memoria RAM y que el procesador ejecuta de
manera secuencial. Adems de tener puertos de entrada y salida digitales tiene
algunos dispositivos auxiliares o perifricos embebidos como conversores A/D,
Mdulos de comunicacin digital, temporizadores entre otros, que permiten
realizar rutinas de control de variables anlogas y digitales y realizar mediciones
de tiempo relativo a la frecuencia de trabajo. Dado que es un componente que
tiene tantos elementos integrados, es importante tener en cuenta que no es un
dispositivo instantneo, y que adems adquiere algunas de las caractersticas de
sus componentes internos, como los son la impedancia y capacitancia.
2.1.15 Instrumentacin Electrnica La instrumentacin es el proceso mediante
el cual se disean o se implementan instrumentos para medir o controlar variables
fsicas. Debido a los avances en la tecnologa de fabricacin de los dispositivos
electrnicos, la mayor parte de la instrumentacin de procesos se hace por medio
de seales elctricas. Dado que la variable que se desea medir o controlar no
siempre es elctrica, es necesario implementar sistemas mixtos llamados
Transductores electrnicos o sensores, los cuales transforman una variable fsica
en una variable electrnica usualmente aprovechando las propiedades tanto
elctricas como magnticas de los materiales. Adems de la medicin de las
variables, la instrumentacin incorpora tambin la visualizacin y transmisin de
esa informacin para tomar decisiones con respecto a su comportamiento.
2.1.16 Mediciones de temperatura Existen varios dispositivos electrnicos que
transforman la energa que se transmite por medios trmicos usualmente un
potencial elctrico. Existen ciertos materiales los cuales producen un potencial por
induccin de calor. Si existen 2 materiales diferentes que al estar sometidos a
esfuerzos trmicos por la misma fuente de calor producen una corriente elctrica
uniforme que fluye en su interior, por la ley de ohm existe un potencial en cada
material, por lo tanto una diferencia de potencial que puede ser medido en sus
extremos. Este principio es el principio de funcionamiento de los Termopares, y
estn basados en el efecto Seebeck, el cual relaciona la carga elctrica con la
diferencia de temperatura en un material.
Ec 2.7
14
Donde Q es la constante de proporcionalidad que representa la variacin cintica
de los electrones respecto de la temperatura, es el vector potencial elctrico y
es el gradiente de temperatura6
2.1.17 Medidores de Velocidad angular Dado que la velocidad angular no es
una propiedad intrnseca de ningn material, es necesario hacer un anlisis de la
fuente del movimiento y del componente sobre el cual se va a medir. Los
transductores ms usados son los encoders y los sensores magnticos. Los
encoders son dispositivos opto electrnicos los cuales producen una seal
elctrica cuya frecuencia es directamente proporcional a la velocidad angular.
Para lograr esto, acoplan un dispositivo que interrumpe de manera cclica el link
ptico entre un emisor y receptor, generando en el receptor una variacin de
estado de estar recibiendo a no estarlo durante el periodo de tiempo en el cual el
dispositivo interrumpe el haz de luz. Los sensores magnticos realizan una labor
similar, pero aprovechan la presencia o no de un campo magntico (normalmente
aportado por un imn) sobre un conductor. Durante la presencia del campo
magntico en el conductor, se induce una corriente proporcional a travs de l, por
lo tanto existe un voltaje finito. En la ausencia de este campo magntico no existe
corriente sobre el conductor y por lo tanto no hay voltaje inducido. Entonces se
obtiene una seal elctrica que vara su frecuencia proporcionalmente a la
velocidad angular. Estos dispositivos basan su funcionamiento en el efecto Hall.
2.1.18 Amplificador Operacional Este dispositivo electrnico compuesto por 1
puerto de entrada (2 pines) y 1 pin de salida. Su funcin es, como su nombre lo
indica, realizar operaciones matemticas o amplificaciones de seal. Es
comnmente utilizado para hacer seguidores o amplificadores de seal debido a
su alta impedancia de entrada (la perdida de potencia en el dispositivo es muy
pequea) asegurando precisin. La limitacin de este dispositivo es que no puede
entregar potencia a dispositivos perifricos de gran consumo de corriente. Son
elementos manipuladores de seal ampliamente utilizados en instrumentacin.
2.1.19 Sistemas de control El propsito de la mayor parte de los desarrollos en
tecnologa es tener el control de una o ms variables envueltos en el sistema.
Para esto se debe conocer el comportamiento del sistema ante cualquier
6 Disponible en internet en: < http://books.google.com.co/books?id=Jxz0jR2BriMC&pg=PA53&dq=efecto+seebeck&hl=es&ei=GBDDTun9GoeFtge3oPDSDQ&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=4&ved=0CD8Q6AEwAw#v=onepage&q=efecto%20seebeck&f=false. >
15
eventualidad, y con eso predecir un estado futuro o corregir un estado presente.
Todos los sistemas existentes se desgastan, cambian constantemente sus
propiedades y debido a esto es difcil predecir el comportamiento de un sistema
fielmente ante el mismo experimento del cual se modelo (el mismo experimento
tiene variabilidad). A pesar de esto, hay algunos elementos o conjuntos que
cambian sus propiedades en menor medida que otros, y esta condicin permite
que en algunos casos los errores en la medida sean vistos en menor medida en
experimentos consecutivos. Si el error en las medidas se puede despreciar el
sistema se puede medir, y dependiendo de ciertas condiciones se puede controlar.
Esta condicin se llama linealidad. Por lo tanto, es de inters conocer siempre el
grado de linealidad necesario para que se pueda medir y controlar el sistema.
2.1.19.1 Sistema de control en lazo abierto Los sistemas en los cuales la salida
no afecta la accin de control se denominan sistemas de control en lazo abierto.
En otras palabras, en un sistema de control en lazo abierto no se mide la salida ni
se realimenta para compararla con la entrada. En cualquier sistema de control en
lazo abierto, la salida no se compara con la entrada de referencia. Por tanto, a
cada entrada de referencia le corresponde una condicin operativa fija; como
resultado, la precisin del sistema depende de la calibracin. Ante la presencia de
perturbaciones, un sistema de control en lazo abierto no realiza la tarea deseada.
En la prctica, el control en lazo abierto slo se usa si se conoce la relacin entre
la entrada y la salida y si no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente
que estos sistemas no son de control realimentado. Observe que cualquier
sistema de control que opere con una base de tiempo es en lazo abierto. Por
ejemplo, el control del trnsito mediante seales operadas con una base de tiempo
es otro ejemplo de control en lazo abierto7
2.1.19.2 Sistema de control en lazo cerrado Los sistemas de control
realimentados se denominan tambin sistemas de control en lazo cerrado. En la
prctica, los trminos control realimentado y control en lazo cerrado se usan
indistintamente. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al
controlador la seal de error de actuacin, que es la diferencia entre la seal de
entrada y la seal de realimentacin (que puede ser la seal de salida misma o
una funcin de la seal de salida y sus derivadas y/o integrales), a fin de reducir el
error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El trmino control en
7 Tomado de Ogata Katsuhiko. Introduccin a los sistemas de control en: Ingeniera de control moderna. 3era edicin.
Mxico: Prentice-Hall, 1998.Pag 7
16
lazo cerrado siempre implica el uso de una accin de control realimentado para
reducir el error del sistema.8
3. METODOLOGA
3.1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN emprico-analtico: cuyo inters es el tcnico, orientado a la interpretacin y transformacin del mundo material; proporciona una estructura particular a la metodologa de investigacin en tanto que orienta el trabajo a la contrastacin permanente de las aseveraciones tericas con la verificacin experimental, de manera que los clculos generados a travs de modelos matemticos y simulaciones computacionales se deben retroalimentar con la experimentacin, en la bsqueda de informacin cada vez ms confiable y prctica para la solucin del problema. Esta simbitica debe llevar consigo una relacin terica al menos presumible entre variables, de manera que se puedan establecer relaciones funcionales entre ellas; igualmente y de acuerdo con los medios experimentales, tambin se deben establecer los parmetros experimentales convenientes. 3.2. LNEA DE INVESTIGACIN DE USB / SUB-LNEA DE FACULTAD /CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA. Lnea De Investigacin
Tecnologas Actuales Y Sociedad Sub-Lnea De Facultad
Instrumentacin Y Control De Procesos Campo Temtico De Los Programas
Mecatronica Automatizacin De Procesos
Aeronutica Diseo Y Construccin De Motores
3.3. TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN Para el desarrollo de este trabajo y la construccin del motor fue empleada la tcnica de observacin y recoleccin de datos tcnicos para ello fueron consultados libros especializados dentro y fuera de la universidad , papers , fichas tcnicas , libros electrnicos , imgenes, programas de computacin , internet , experiencias de tcnicos mecnicos , ingenieros y compaeros a partir de preguntas abiertas, tutoras especializadas, herramientas calibradas y revistas ,las cuales proporcionaron la informacin necesaria para que se llevaran a cabo
8 Tomado de Ogata Katsuhiko. Introduccin a los sistemas de control en: Ingeniera de control moderna. 3era edicin. Mxico: Prentice-Hall, 1998.Pag 7
17
los diferentes clculos , diseos , valoraciones y decisiones que llevaran a la concepcin del motor.
3.4. HIPTESIS
A partir de las caractersticas de rendimiento del motor que se desean obtener se deber seleccionar un compresor que proporcione la energa suficiente al sistema para satisfacer las condiciones de rendimiento descritas en los clculos trmicos y dinmicos de gases previos a dicha seleccin, una vez seleccionado el compresor ser ubicado un punto de diseo en el mapa de compresor de este componente, obteniendo las primeras variables independientes como lo son las RPM, el flujo msico, la eficiencia del compresor, el nmero de alabes y su geometra para as continuar con el diseo del difusor pre cmara de combustin, el cual reducir la velocidad axial del flujo manteniendo la presin a la salida del compresor guiando las corrientes de aire a la cmara de combustin donde el aire se mezclara con el combustible seleccionado que viaja atreves de tuberas de cobre con el propsito de aumentar la temperatura del combustible y lograr vaporizarlo antes de salir a la zona primaria de combustin, para ser mezclado con el aire el cual contiene oxgeno y en presencia de una fuente de ignicin accionada por el sistema de control tendr cabida una expansin volumtrica la cual tratara de salir de la cmara, es entonces cuando se dirigir el flujo a los vanes del estator de turbina, ellos aceleraran el fluido y lo redirigirn a los Blades del disco rotor de turbina los cuales generaran una fuerza lo suficientemente grande para mover el conjunto turbina, eje , compresor hasta lograr que el sistema llegue a IDLE o punto en el cual el motor se mantiene girando solo gracias al ciclo termodinmico que describe su funcionamiento, en este punto la cantidad de combustible suministrada al motor ser garantizada por una bomba de combustible manejada por el sistema de control , indicando en un display la cantidad de combustible que se est suministrando , las revoluciones del sistema y la temperatura a la salida de los gases.
3.5. VARIABLES
3.5.1. Variables Independientes
RPM
Slip factor
Flujo msico
Eficiencias isotrpicas
Power input factor
Constante universal de los gases
Constante adiabtica del aire
Atmosfera Standard
Temperatura a la entrada de la turbina
18
Composicin qumica del combustible
3.5.2. Variables Dependientes
Velocidad en la punta del compresor
Relacin de compresin
Temperatura de la etapa de compresin
Velocidad axial y radial del aire en el compresor
Geometra del compresor y del difusor
Angulo de salida del aire del compresor
Calor especifico del aire
Cada de temperatura y presin en la turbina
Relacin de expansin
Coeficiente de perdida de la tobera
Coeficiente de flujo de la turbina
ngulos del gas en la turbina
ngulos de los vanes y los Blades en la turbina
Numero de Blades de la turbina
Balanceo estequiomtrico de la mezcla
Gasto msico de fuel
Volumen de la cmara de combustin
Geometra del difusor
Geometra de la cmara de combustin
Geometra de la etapa de turbina
Geometra de la tobera 4. DESARROLLO INGENIERIL PRESENTACIN DE ANLISIS Y
RESULTADOS
4.1 CLCULOS TRMICOS Y DINMICOS DE GASES
Los clculos trmicos y dinmicos de gases permitirn determinar algunas magnitudes de los parmetros de flujo en las diferentes estaciones del motor, para ello los parmetros para empezar a calcular el rendimiento del motor fueron el flujo msico dado que este es directamente proporcional al empuje, la temperatura a la entrada de la etapa de turbina ya que las propiedades de los materiales limitan este valor, la relacin de compresin la cual fue estimada teniendo en cuenta los compresores a los cuales se tiene acceso, la eficiencia del compresor, parmetro que se obtuvo del mapa de compresor del compresor TO4E13 seleccionado y la
19
atmosfera estndar internacional siendo este un modelo atmosfrico invariable que permitir comparar fcilmente las caractersticas del motor con los de su tipo
Para llevar a cabo este clculo se asumi que al aire como un gas ideal, el ciclo termodinmico es el ciclo Breton en el cual la presin se mantiene constante, la entropa es cero ya que el proceso es reversible y adiabtico es decir que no intercambia calor con el entorno y as se procedi con los clculos
Presin a la entrada de la cmara de combustin
Ec 4.1
Ec 4.1.1
Ec 4.1.2
Temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin
(
)
( )
Ec 4.2
Despejando se tiene entonces
(
)
( )
Ec 4.2.1
(
) ( )
Ec 4.2.2
Ec 4.2.3
El Heat input o la adicin de calor al sistema de la energa proveniente del combustible es
20
( ) Ec 4.3
( ) Ec 4.3.1
Ec 4.3.2 Ec 4.3.3
La eficiencia trmica es entonces
Ec 4.4
Ec 4.4.1
Ec 4.4.2
El useful work es entonces
Ec 4.5 Ec 4.5.1 Ec 4.5.2
Teniendo en cuenta la eficiencia del compresor se recalculo la temperatura a la
entrada a la cmara de combustin
(
)
+ Ec 4.6
( )
) Ec 4.6.1
Ec 4.6.2
El trabajo del compresor es entonces
( ) Ec 4.7
Dnde: es el flujo msico en
, es el calor especifico a presin constante a
( ) Ec 4.7.1
Ec 4.7.2 Ec 4.7.3
Se igualo el trabajo del compresor y el trabajo de la turbina con el propsito de garantizar que la energa extrada por esta sea la mnima necesaria para poder mover el eje y el compresor
21
Ec 4.8 Ec 4.8.1
Despejando as la temperatura a la salida de la cmara de combustin se tiene
Ec 4.9
(
)
Ec 4.9.1
Ec 4.9.2
Fue asumido por las condiciones termodinmicas del ciclo Breton que la presin a
la entrada de la cmara de combustin es la misma presin a la salida de la cmara de combustin o la entrada de la turbina as
Ec 4.9.3
Asimismo entonces determinamos la presin a la salida de la etapa de turbina
(( ( (
)
))
, Ec 4.10
(( ( (
)
)+
) Ec 4.10.1
Ec 4.10.2
Se precedi a recalcular la relacin total de expansin que deber ser igual a la relacin de compresin mxima del compresor
Ec 4.11
Ec 4.11.1
Ec 4.11.2
La relacin de expansin en la tobera es entonces
Ec 4.12
Ec 4.12.1
Ec 4.12.2
La relacin de expansin deber ser igual a la relacin de compresin as
22
Ec 4.13 Ec 4.13.1 Ec 4.13.2
Es necesario redireccinar los gases de tal forma que la energa del flujo msico aumente y proporcione una diferencia de velocidades la cual generara el empuje requerido, este cambio de energa es forjado por una tobera convergente, debido a que esta geometra permitir acelerar el flujo msico para alcanzar una alta velocidad limitados por el numero mach donde las ondas de choque se hacen presentes y podran generar un taponamiento antes de la garganta o en la garganta, Primero fueron determinadas las caractersticas del flujo as
(
)
( )
Ec 4.14
Siendo la presin a la salida de la tobera, la cual deber ser igual a la presin atmosfrica, para garantizar que la diferencia de presin sea cero, esto eliminara la posibilidad de tener un comportamiento no deseado de la tobera en la cual el flujo msico se expanda fuera de ella o que la tobera se bloquee, se determin entonces la presin total o de estancamiento y la temperatura total o temperatura de estancamiento a la mxima velocidad es decir Mach 1 as:
( ((
) *)
(
)
Ec 4.15
Ec 4.15.1
( (
) )
Ec 4.16
Ec 4.16.1
No obstante las ondas empiezan a afectar el sistema desde una velocidad menor, es por esto que fueron limitados estos valores a una velocidad de 0,8 Mach, as la relacin de presiones y temperaturas son:
Ec 4.16.2
Ec 4.16.3
23
La temperatura total a la entrada de la tobera ser
Ec 4.16.4
La presin total a la entrada de la tobera ser
Ec 4.16.5
Se procedi a calcular los parmetros de temperatura y presin estticos as:
(
)
( )
Ec 4.17
(
)
( )
Ec 4.17.1
Ec 4.17.2
Con esta temperatura es despejada la velocidad a la salida de la tobera as
( Ec 4.18
( Ec 4.18.1
Ec 4.18.2
De la ecuacin de continuidad fue despejada la densidad, la cual ayudara a determinar el rea a la salida de la tobera as.
Ec 4.19
Ec 4.20
Ec 4.20.1
Ec 4.20.2
El rea es entonces
Ec 4.21
Ec 4.21.1
Ec 4.