PROPULSIÓN DE
AERONAVES
Profesores
Juan Manuel Tizón Pulido (ATA)
José Javier Álvarez García (NSA)
Lección
1a:
Principios
de
la
propulsión
y
Clasificación
•
Introducción
•
Principios
de
la
Propulsión
Algunas
consideraciones
El grueso de la propulsión de aeronaves
tiene lugar con motores a reacción (ciclo
Brayton).
Los turborreactores son los sistemas que
presentan la mejor relación peso/potencia.
Tiene 70 años de vida y en este tiempo han
multiplicado/dividido por tres (de 3 a 5) sus
cualidades
(consumos,
potencias,
emisiones, ..).
El mercado mundial produce alrededor de
25000 unidades al año con un precio
medio de 1M€/ud.
Típicamente, los costes de operación y
mantenimiento triplican el de adquisición.
Introducción
a
la
Propulsión
RAE(Vigésima segunda edición) propulsión.
1.f. Acción y efecto de propulsar. ~a chorro.
1. f. Procedimiento empleado para que un avión, proyectil, cohete, etc., avance en el espacio, por efecto de la reacción producida por la descarga de un fluido que es expulsado a gran velocidad por la parte posterior.
propulsar.(Del lat.propulsāre). 1. tr. Impeler hacia adelante. 2. tr. Rechazar, repulsar.
turborreactor.
1. m.Aer.Motor de reacción del que es parte funcional una turbina de gas.
turbohélice.
1. m. Motor de aviación en que una turbina mueve la hélice.
Claves
• La tercera ley de Newton establece la imposibilidad de que existanfuerzas aisladas, siempre van en parejas. • Que Arquímedes mencionase las palabras “punto de
apoyo” implica la intervención de, al menos, dos cuerpos.
• El hecho de la propulsión de un cuerpo, busca el cambio en el estado de movimiento de éste e implica el de, al menos,dos cuerpos.
• Debe suministrarse energía al sistema para el cambio sufrido por todos los cuerpos implicados, lo que supone un exceso, respecto a la estrictamente utilizada por móvil de interés.
Permite expresar que la variación de la cantidad de movimiento que experimenta el vehículo es igual y contraria la que sufre el resto del sistema, que se comporta como un segundo cuerpo de masa
m
y velocidadv
:
En concreto, el valor del modulo de la velocidad del vehículo,
V
, es proporcional a la del centro de masas del resto del sistema,v
, pero téngase en cuenta la relación de masas entre ambos cuerpos, (m/M
), que pondera la proporcionalidad, pues va a ser de suma importancia en lo que sigue.Principios
de
la
Propulsión
1 N ext i i id MV
d
F
m v
dt
dt
i i
0
MV
m v
Si el sistema esta aislado del exterior (Fext= 0) al integrar la ecuación partiendo de una situación inicial de reposo (todas las velocidades iniciales de las partículas del sistema son nulas) se tiene para un instante genérico:
Conservación de la cantidad de movimiento
Consideremos un sistema formado por un vehículo de masa
M
yN
partículas de masasm
i. La variación de la cantidad de movimiento total del sistema respecto al tiempo es igual a la suma de fuerzas exteriores:,
i i i
m
m
v
m v m
Tomando las definiciones habituales para el movimiento del centro de masas del sistema de N partículas:
,
0(
)
0
MV
mv
V
v m M
Sii N
un solo cuerpo
V
i
v
V
im
M
extF
En un análisis simplista de la situación, si nuestra intención era dotar de movimiento al cuerpo de masa M, esperábamos emplear al menos la energía cinética que adquiere (1/2MV2), sin embargo, la energía mecánica
puesta en juego incluye al inevitable movimiento del resto de partículas del sistema (reacción) y la energía total empleada por supuesto excede a la mecánica generada (segundo principio):
Principios
de
la
Propulsión
2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 1 1 0 2 2 1 1 21
21
N N i i i i i iU
Q
MV
m v
MV
mv
m u
MV
v V
MV
M m
Conservación de la energía
El incremento de energía mecánica del sistema será consecuencia de la liberación de cierta cantidad de energía interna (
U
) que no será aprovechada completamente (-Q
) en forma de trabajo individual sobre cada particula:i
v
V
im
M
0
extF
2 1 2 2 1 2 2 1 21
1
M Total Total ME
MV
E
MV
M m
U
E
E
MV
v V
Propulsión
Segundo principio
Principios
de
la
Propulsión
Conclusiones
Las leyes de la Mecánica Clásica muestran que las fuerzas (propulsivas), único camino para cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, se manifiestan por parejas actuando sobre cuerpo diferentes:
Siempre intervienen DOS CUERPOS
La energía mínima a necesaria es la suma de energía mecánica de todos los cuerpos
La propulsión perfecta no existe, siempre se debe emplear más energía de la imprescindible.
El consumo energético se puede manipular mediante un diseño adecuado (m, M, v)
2 2 2 1 2
1
1
Total M Total MU
E
E
v
M
E
E
MV
V
m
© J. M. TizónQ
agua
cL
Fuerza
Potencia
Sistema motopropulsor
La energía se consigue del calor liberado en la combustión de combustibles.
Los sistemas que producen potencia mecánica a partir de la energía interna de un combustible se denominan MOTORES.
Los sistemas que generan una fuerza propulsiva a partir de potencia mecánica s se denominan PROPULSORES.
Los Motores a Reacción generan una fuerza propulsiva a partir de la energía interna contenida en un combustible y se denominan MOTOPROPULSORES.
Ejemplos
de
propulsión
Definiciones
previas.
Glosario
Empuje,
Fuerza propulsiva proporcionada por el motor.
Gasto de combustible,
En sistemas no-autónomos el único propulsor transportado por el vehículo es el reductor (combustible), el oxidante lo proporciona el aire atmosférico.
Gasto de aire,
Es la cantidad de masa de aire que atraviesa el motor por unidad de tiempo. Su papel es primordial constituyendo “el segundo cuerpo” implicado en el fenómeno propulsivo
Impulso,
En motores cohete, se define como el empuje dividido por el gasto de propulsante. En sistemas no-autónomos admite dos definiciones.
Consumo específico,
Es el gasto de combustible dividido por el empuje. Es una variable de calidad muy monetaria.
Velocidad de salida,
Velocidad, relativa al motor, en la sección de salida.
Radio de acción y autonomía
Las variables típicas que caracterizan la misión de un avión. Será de especial interés la ecuación de Breguet:
Relación empuje-peso,
Es una de las variables de calidad del motor más importantes ( y también difícil de anticipar).
Rendimiento motor
También llamado térmico, es el cociente entre la potencia mecánica obtenida y la calorífica suministrada.
Rendimiento propulsivo
Es el cociente entre la potencia útil empleada en volar y la mecánica suministrada por el motor.
Rendimiento motopropulsivo
Es inversamente proporcional al consumo especifico.
G
V n dA kg s
s spI
E G
V
I
E c
m s
s 0
E
G V
V
N
0 1 dW g dtc
kg s
EC
c E kg sN
E W
max s sV
RT
T
m s
0 1 0 E gdR
V L D C
dW W
2 2
1 2 0 MG V
sV
cL
2 2
1 2 0 0 PEV
G V
sV
MP M P
Motores
a
reacción:
Clasificación
Sistemas no-autónomos
Producen fuerza propulsiva empleando el aire atmosférico como propulsante en el doble papel de reactante en un proceso de liberación de energía química mediante la combustión de un combustible y como “segundo cuerpo” implicado en el principio de acción-reacción que proporciona una fuerza propulsiva al vehículo de interés.
Sistemas autónomos
La fuerza propulsiva aparece como reacción a la descarga, a gran velocidad, de propulsantes almacenados previamente en el vehículo, sin necesitar la intervención de ninguna sustancia externa.
