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DISPOSITIVOS DE ADMISIÓN Y TOBERAS PROPULSIVAS
Los dispositivos de admisión tienen como objetivo captar el aire atmosférico y dirigirlo de forma óptima al compresor de la turbina a gas, asegurando condiciones de flujo estables, con mínima pérdida de presión y sin turbulencias perjudiciales. Aunque el conducto de admisión lo construye el fabricante de las turbinas, durante la operación en movimiento es muy importante para la actuación general del motor de reacción. Cuanto más rápido gira la turbina, más critico será el diseño del conducto. El empuje del motor puede ser alto solo si el conducto de admisión al motor con el flujo de aire requerido a la más alta presión posible. El conducto también debe permitir que el motor opere con las mínimas tendencias a la entrada en pérdida (stall) o inestabilidad (surge), así como admitir las amplias variaciones en ángulo de ataque y guiñada de la turbina. Figura 1. Flujo de aire en el conducto de admisión. (a) Flujo normal. (b) Flujo distorsionado, como resultado de actitudes de vuelo inusuales o acumulación de hielo.
Las toberas se encargan de expandir los gases de escape a alta velocidad, transformando la energía térmica y de presión en empuje (aeronáutica) o en una salida eficiente de gases (industria). Un sistema de propulsión es una máquina que produce un empuje para desplazar un objeto hacia adelante. Con estas definiciones, se puede concluir que el estudio de la propulsión incluye el estudio de la fuerza propulsora, el movimiento causado y los cuerpos involucrados. (U.S. Army Materiel Command, 1969, p.1-2). El generador de gases está formado por uno o varios compresores, la cámara de combustión, y finalmente la turbina de expansión de gases, en la que sólo se obtendrá la 6 potencia necesaria para mover los compresores. El objetivo de un generador de gases es proporcionar el gas a alta presión y temperatura. La unidad generadora de potencia es donde se obtendrá la potencia útil de la máquina, y dependiendo de lo que se busque, será otra turbina de expansión de gases, o bien en este caso, una tobera de propulsión. (Mattingly. J, 2006, p. 6) Figura 2. Generador de Gases. Turborreactor
suministrado en forma de potencia al ventilador. Generalmente los motores tipo turbofán son más 8 económicos y eficientes que los turborreactores en vuelos subsónicos. El turbofán acelera una masa de aire mayor a una velocidad inferior que los turborreactores para una mayor eficiencia propulsiva. El área frontal de un turbofán es bastante más grande en comparación con la de un turborreactor, y por esto aumenta la resistencia y su peso total. Figura 4. Turbofán. Estatorreactor Un estatorreactor está formado por una entrada de aire, una cámara de combustión y una tobera de expulsión. Este tipo de motores no tiene compresor ni turbina como los anteriores, por lo tanto no pueden ser considerados una turbina de gas. No obstante, se suelen añadir al mismo grupo debido a que son aerorreactores y su funcionamiento en sí son parecidos. En un estatorreactor, la entrada de aire tiene una forma aerodinámica especial, donde el aire que entra a gran velocidad es desacelerado y parcialmente comprimido, aumentando su temperatura por el efecto de presión dinámica. Cuanto más veloz sea el aire de entrada, mayor será la presión alcanzada. Es por esto que su rango de operación es mejor a velocidades supersónicas. A velocidades subsónicas es
ineficiente y para encender este tipo de motores, aire a relativamente mayor velocidad debe ser introducido por la entrada de aire. El proceso de combustión ocurre a velocidades subsónicas. Esta deceleración de velocidad puede provocar un aumento de temperatura, acercándose al límite establecido por los materiales y los sistemas de refrigeración. El estatorreactor de combustión supersónica es una variación del estatorreactor, donde la combustión ocurre a velocidades supersónicas y no es necesario desacelerar el aire a velocidades subsónicas. Con esto se reduce parte de la pérdida de presión y aumento de temperatura, maximizando su eficiencia en el proceso de combustión. Conocido en inglés como scramjet, estos motores son hoy en día los más rápidos sin aporte adicional de oxidante, con unas proyecciones de velocidad entre Mach 12 y Mach 24 (velocidad orbital). (Nicolai, Leland M.; Carichner, Grant E, p. 373, 2010). Figura 5. Estatorreactor en funcionamiento. General Electric: Es el mayor fabricante de TG. Entre estas se encuentra la 7F-7, usada en una CC, en la que se alcanza un η = 61%. La TG presenta una emisión de 9 (ppm/MWh) en la CC es de 2 (ppm/MWh). La TG arranca de 0 a carga nominal en 10 minutos, y tiene una tasa tomada de carga de unos 50 MW/min. El desarrollo alcanzado de la TG solo ha sido posible por:
- El caudal de fluido que se desplaza a lo largo de la tobera permanecerá constante todo a lo largo de la misma. Relación de presiones P/P 0 en función de la presión de descarga PB. PE = Presión de salida PB = Presión de descarga Distintos regímenes de descarga para una tobera convergente
Tobera Laval (convergente – divergente) Estudio del flujo supersónico en toberas y resuelve el problema de aceleración máxima dentro de la tobera llegando al diseño de toberas con sección convergente – divergente en las que se logra un flujo sónico M = 1 (M = número de Mach) en la garganta para posteriormente expandir la tobera y lograr flujos supersónicos M > 1. Estas toberas deben tener una expansión adecuada para evitar la generación de ondas de choque dentro de las mismas. La tobera es la encargada de convertir energía de presión en energía cinética adaptando las presiones y velocidades de los gases eyectados. Los flujos que recorren dicha tobera se consideran compresibles y se mueven a velocidades muy elevadas alcanzando valores supersónicos en la parte divergente. Las diferentes secciones transversales producen durante el avance de los gases variaciones en la densidad, presión y velocidad del fluido.
INTENSIFICACIÓN DEL EMPUJE
La intensificación de empuje en turbinas de gas, también conocida como postquemador o postcombustión, es una técnica utilizada para aumentar el empuje de un motor de turbina de gas. Este proceso se lleva a cabo añadiendo combustible adicional a la corriente de gas caliente proveniente de la turbina, antes de que entre a la tobera. Esta combustión adicional genera aún más energía y produce un chorro de gases de alta velocidad, lo que a su vez aumenta la fuerza propulsora. El proceso de intensificación de empuje:
1. La turbina genera energía: El motor de turbina de gas comprime aire, lo mezcla con combustible y quema la mezcla, generando una corriente de gases calientes y a alta presión. 2. La turbina extrae energía: La turbina utiliza parte de la energía de los gases calientes para hacer girar el compresor y la turbina, generando energía útil. 3. Postquemador adicional: La corriente de gases caliente que sale de la turbina pasa a una cámara de postcombustión, donde se agrega combustible adicional. 4. Aumento de la temperatura y presión: La combustión adicional en el postquemador aumenta aún más la temperatura y presión de la corriente de gases. 5. La tobera acelera el flujo:
Los gases calientes y a alta presión entran a la tobera, que está diseñada para acelerar el flujo y generar un chorro de gases a alta velocidad.
6. Empuje adicional: Este chorro de gases a alta velocidad genera un empuje adicional, aumentando la fuerza propulsora del motor. Beneficios de la intensificación de empuje: Aumento del empuje: Permite a los aviones lograr velocidades más altas y aceleraciones más rápidas. Mayor capacidad de carga: Ayuda a las aeronaves a transportar cargas más pesadas. Mejor rendimiento en vuelo: Facilita maniobras más exigentes y vuelos a altitudes más altas. Consideraciones: Consumo de combustible: La postcombustión consume una gran cantidad de combustible, lo que reduce la eficiencia del motor. Ruidos y emisiones: El postquemador puede generar más ruido y emisiones que el motor principal. Rendimiento en vuelo: El postquemador suele utilizarse en circunstancias específicas, como el despegue y el combate aéreo, para maximizar el rendimiento en esas situaciones. Consideramos que el gas que ingresa no introduce ningún momento en la dirección axial
Una turbina de gas funciona según un ciclo simple e ideal para unas condiciones ambientales de 18 °C y 1 bar. Si la relación de compresión es de 5/1 y la temperatura de entrada de gases a la turbina es de 650 °C, calcular: a) Trabajo específico útil b) Calor cedido en la cámara de combustión c) Rendimiento del ciclo d) Si la potencia de la instalación es de 3000 kN, calcular el gasto másico de aire Nota: suponer que se trata de un gas perfecto, que el origen de entalpías es 0 °C y tomar C (^) p = 1 kJ kG ∗ K y γ =1.37. La suposición de que el gas que evoluciona en la maquina es un gas perfecto implica que ∆^ h = C^ p ∗ ∆^ T^. SOLUCION: a) Trabajo específico útil
W u =( h 3 − h 4 )−( h 2 − h 1 )
Puesto que el origen lo tomamos a 0 °C: h 1 = C (^) p ∗ t 1
h 1 = 1 kJ / kG ∗ K ∗(^18 ° C )^ → h 1 = 18 kJ / kG h 2 = C (^) p ∗ t 2 ; t 2 se determinará por medio de la ecuacion adiabática T (^) 2 T (^) 1
P 2
P 1
γ − 1 γ T (^) 2 = T (^) 1 ∗( rc ) γ − 1 γ T (^) 2 =( 273 + 18 )∗ 5 1.37− 1
T (^) 2 =449.43 K t 2 =449.43− 273 =176.43 ° C h 2 =176.43 kJ / kG h 3 = C (^) p ∗ t 3 = 650 kJ / kG h 4 = C (^) p ∗ t 4 ; operando de forma análoga que para t 2 : T (^) 3 T (^) 4
P 3
P 4
γ − 1 γ T (^) 4 =
T 3
( rc ) γ − 1 γ T (^) 4 =
1.37− 1
T (^) 4 =597.63 K t 4 =597.63− 273 =324.63 ° C Por lo tanto, el trabajo útil será: W (^) u =( 650 −324.63)−(176.43− 18 ) W (^) u =166.94 kJ / kG
Consideraciones:
- Calores específicos constantes
- Regenerador ideal
- Turbinas y compresores isentrópicos Datos conocidos: Cálculo de T 2 y T 7 :
TASA DE ADICION Y RECHAZO DE CALOR
