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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.
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Andrew Samuel; John Weir En: Introduction to Engineering Design.
United States of America: Elsevier Science; A
Butterworth-Heinemann, 1999
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McGraw-Hill Interamericana
Editores S.A, 2010.
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Prentice-hall of India private limited, 2004.p109
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fatiga En: Diseo en ingeniera
mecnica de Shigley. 8ed. Mxico D.F: McGraw-Hill Interamericana
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2005.
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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/
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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.
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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_Toc328397361
-
Figura 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_Toc328397388
-
LISTA 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.
