2 Realización de prácticas de laboratorio -...

2 Realización de prácticas de laboratorio

Dado que se espera que uno de los primeros usos del banco de ensayos sea la real-

ización de prácticas de laboratorio, se ha visto necesario incluir un capítulo en el que se

propusiese una posible práctica y se incluyesen una serie de resultados obtenidos para el

turborreactor Olympus HP ES y el Olympus HP AS (arranque por aire) en otros bancos

de ensayos.

Enunciado de la práctica

La práctica que se enuncia a continuación tiene como objetivo determinar las cur-

vas características del turborreactor Olympus HP ES y comparar estos resultados con

resultados teóricos obtenidos, por ejemplo, mediante un programa de simulación de tur-

borreactores como Gasturb.

Introducción

El objetivo de la práctica es medir las curvas características de un turborreactor y

posteriormente, basándose en diferentes parámetros medidos, ajustar un programa de

simulación para obtener teóricamente dichas curvas.

Para la realización práctica se dispone del turborreactor monoeje Olympus HP ES

(gura IV 2.1) cuyas curvas características se muestran en la gura IV 2.2.

Los parámetros nominales de funcionamiento son a 288 K y nivel del mar:

Relación de compresión máxima: 4:1

Revoluciones máximas: 108000 rpm

Temperatura de salida: 700 oC

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Figura IV 2.1: Esquema del turborreactor

Figura IV 2.2: Curvas del compresor del Olympus HP ES

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Temperatura de salida máxima: 750 oC

Gasto máximo: 450 g/s

Empuje máximo: 230 N

Consumo de combustible máximo: 640 g/min

Tipo de fuel: Jet A-1

Diámetro de salida: 65 mm

La instrumentación montada (gura IV 2.1), permite obtener las siguientes variables

uidodinámicas: P0, T0,P3t, T3t, P4t, T4t, P5t, T5t y de funcionamiento: N, c y E que

permitirán determinar las actuaciones del motor. Evidentemente, esta instrumentación

producirá pérdidas que provocarán una deciencia de funcionamiento en términos de

empuje y consumo.

Realización práctica

Una vez encendido el turborreactor, se obtendrá una línea de funcionamiento; para ello,

se irán aumentando las revoluciones desde las de arrranque hasta las máximas, recogiendo

el valor de las variables antes mencionadas. Una vez terminado el proceso de aceleración

se procederá de igual forma decelerando el motor desde las revoluciones máximas hasta

las de arranque, apagando nalmente el motor.

Presentación de resultados

A Análisis y procesamiento del archivo de datos, eliminación de falsas medidas, valores

medios, etc.

B Dibujar y comentar el transitorio de arranque, presentado en el perl de temper-

aturas que da la unidad de control, el cual queda registrado en el archivo de datos.

C Presentar grácamente los valores de las variables uidodinámicas y de funcionamien-

to en función de las revoluciones.

D Presentar, también de forma gráca, los parámetros adimensionales del empuje,

consumo y consumo especíco en función del parámetro del régimen T4t/T2t. Hacer

lo mismo entre el parámetro de vueltas y el del régimen.

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E A través de los valores experimentales, estimar los rendimientos adiabáticos del

compresor y turbina, y las pérdidas de presión de remanso en la cámara de com-

bustión, en función del parámetro del régimen. Realizar una crítica razonada de los

resultados obtenidos.

F A régimen máximo, y utilizando el programa de actuaciones GASTURB, tratar

de simular el funcionamiento del turborreactor. Para simular las pérdidas de la

instrumentación es recomendable introducir una pérdida de presión en el conducto

de salida. Variando esta pérdida y el gasto de aire es posible ajustar el programa

para obtener el empuje y consumo medidos.

G Con el programa ajustado, obtener una línea de funcionamiento teórica. Comparar

los valores de los parámetros adimensionales de empuje y consumo con los obtenidos

experimentalmente.

H Comentar los resultados obtenidos.

Resultados

Evidentemente, dado que el banco de ensayos no ha entrado aún en funcionamiento,

no ha sido posible realizar esta práctica, sin embargo, se muestran aquí los resultados

aportados por el fabricante para este motor y también los obtenidos en una práctica de

laboratorio similar realizada con el turborreactor Olympus HP de arranque por aire.

El Olympus HP AS tiene unas características muy parecidas al Olympus HP ES, siendo

sus parámetros nominales de funcionamiento a 288 K y nivel del mar los siguientes:

Relación de compresión máxima: 4:1

Revoluciones máximas: 110000 rpm

Temperatura de salida: 650 o C

Temperatura de salida máxima: 700 o C

Gasto máximo: 400 g/s

Empuje máximo: 190 N

Consumo de combustible máximo: 550 g/min

Tipo de fuel: Jet A-1

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Diámetro de salida: 62 mm

En este caso las curvas del compresor se muestran en la gura IV 2.3.

Los resultados para el Olympus HP AS a T0= 289 K y P0= 94300 Pa aparecen en

las gura IV 2.4 mientras que los resultados del fabricante para el modelo con arranque

eléctrico en condiciones de atmósfera estándar son los mostrados en la gura IV 2.5.

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Figura IV 2.3: Curvas del compresor del Olympus HP AS

151


Figura IV 2.4: Resultados para el Olympus HP AS

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Figura IV 2.5: Resultados para el Olympus HP ES

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3 Simulación con Gasturb

Denidos los pasos necesarios para poner en funcionamiento el banco de ensayos y

planicada una práctica para comenzar su uso, sólo falta un aspecto por plantear, el

estudio teórico de los resultados que se obtendrán en el banco de ensayos.

El problema de actuaciones de un turborreactor sencillo, como el Olympus HP ES,

se puede estudiar de forma teórica mediante la realización de diversas hipótesis y el

planteamiento de ecuaciones, sin embargo, existen actualmente una amplia gama de

programas informáticos, como Gasturb, dedicados exclusivamente al estudio de motores

que incorporan aproximaciones más realistas en cuanto al proceso de combustión y de

diseño de los elementos. Hay que decir, que su uso mayoritario es en el prediseño de

motores, aunque puede usarse en el estudio de actuaciones de motores ya fabricados,

como en este caso.

Gasturb permite obtener, a partir de una serie de datos de entrada, las actuaciones del

turborreactor aportando, además, grácos que relacionan prácticamente cualquier par

de variables como la temperatura, presión, entropía o entalpía de cada etapa del ciclo.

Facilita, también, el cálculo del punto de operación a partir de los mapas del compresor

y turbina así como de líneas de operación.

Evidentemente, las opciones del programa mejoran conforme más datos de entrada se le

ofrezcan y se detalle con más exactitud el motor. En nuestro caso no podrá aprovecharse

todo su potencial dado que sólo se tienen unos datos iniciales del turborreactor, una vez

que se realicen los ensayos experimentales, podrán usarse nuevas funciones del programa.

De cualquier forma, antes de estudiar el ciclo con este programa de actuaciones se

recomienda realizar un análisis preliminar del ciclo que permitirá conocer los órdenes de

magnitud y facilitará la comprensión del estudio con Gasturb, para lo que se remite al

anexo D.

Todos los resultados obtenidos son comparados con los datos aportados por el fabri-

cante que aparecen en el capítulo 1 de la parte I de descripción del turborreactor.

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Ciclo real

El primer paso en la utilización del programa, sea cual sea el estudio a realizar, es

la denición del tipo de motor. Puede optarse entre turbohélices, turbofanes, turborre-

actores, estatorreactores y turbinas de potencia, escogiéndose un turborreactor monoeje

para nuestro estudio. Una vez hecho esto, se introducen los datos de entrada mínimos

que requiere el programa y que se enumeran a continuación:

Datos básicos (Aunque existe una opción para motores en banco, está más recomen-

dada para plantas de potencia; en el caso de bancos de ensayos de propulsión, se

elige la opción de motores en vuelo):

• Altura: 0 m

• Temperatura: ISA (288.15 K)

• Presión: ISA (101325 Pa)

• Humedad: 0%

• Mach: 0

• G = 0.45 Kg/s

• π12= 0.91

• π23= 4

• T4t=1400 K, este valor ha sido escogido de forma estimativa a partir de los

valores obtenidos con Matlab (anexo D sobre análisis preliminar de ciclo) en

los ciclos reales (cicloreal.m y cicloreal2.m) donde se alcanzaban unas temper-

aturas de salida de la cámara de combustión de 1462.4 K y 1273 K y a partir

de los resultados obtenidos con Gasturb para distintas temperaturas.

• ηq= 0.99

• Constante de carga de combustión: Dado que es un dato desconocido, el propio

programa recomienda usar el valor por defecto de 1.6. Este valor no afecta al

cálculo del ciclo, sólo interviene en el punto de diseño.

• L = 43 · 106J/kg

• Sangrado exterior: 0

• Potencia extraída: 0

• ηm= 0.98

• π34 = 0,9

• π58 = 0,9

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Sistema de sangrado: Se mantienen los valores por defecto dado que suele existir

siempre un porcentaje de aire que se sangra para la refrigeración del propio motor

(gura IV 3.1).

Figura IV 3.1: Sistema de sangrado y etapas del turborreactor

Eciencia del compresor: Se selecciona la evolución isentrópica frente a la politrópi-

co o a otra que puede denir el propio usuario.

• ηc = 0,67

Diseño del compresor: Permite seleccionar una opción de diseño avanzado donde se

introducen valores sobre el diseño de los alabes y las etapas. Dado que en este caso

estos valores son desconocidos se opta por la opción de diseño básico.

• rpm: 108000

Eciencia de la turbina: Igual que con el compresor se elige la evolución isentrópica.

• ηt = 0,87

Selección de la tobera: Tobera convergente.

Diseño de la tobera: Se dejan los valores por defecto.

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Postcombustor: No existe en este motor.

Combustible: Genérico.

Con todos estos datos se procede a ejecutar el programa para obtener el ciclo real del

turborreactor. En el diagrama siguiente (gura IV 3.2) se representan los resultados del

ciclo T-S:

Figura IV 3.2: Diagrama T- S inicial

Las variables de salida correspondientes a este ciclo son:

Ps=101325 Pa

Ts=1038.997 K

Vs =466.70 m/s

E =190 N

c= 0.00937 Kg/s

Evidentemente, los resultados son del orden de los previstos mediante el análisis pre-

liminar (anexo D), pero en este caso, no es posible jar la temperatura de salida ni el

consumo de combustible.

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Punto de operación

Una de las ventajas de este programa es que evita el tener que introducir las ecuaciones,

pero la ventaja mayor que ofrece, es que permite un proceso de optimización variando

hasta 7 variables, con hasta 7 restricciones y maximizando o minimizando cualquiera de

las variables del problema. De esta forma se puede realizar un proceso de optimización

minimizando la temperatura de salida con las restricciones del consumo (al que se le per-

mite variar entre el valor obtenido en el ciclo inicial y el valor aportado por el fabricante) y

el empuje y con la variación de las irreversibilidades ya mencionadas (π12, π34, π58, ηc, ηt)

y de la temperatura de salida de la cámara de combustión T4t.

Los rangos de variación se denen a continuación:

Restricciones:

c ε (0,00936, 0,0107)

E ε (0,1911, 0,25)

Variables:

π12 ε (0,85, 0,99)

π34 ε (0,85, 0,99)

π58 ε (0,85, 0,99)

ηc ε (0,65, 0,8)

ηt ε (0,7, 092)

Tras el proceso de optimización, realizado 46 veces para comprobar que el mínimo es

global y no local (lo que equivale a unos 40000 ciclos) se llega a que el ciclo más cercano

al denido por el fabricante es el siguiente:

Datos de las variables modicadas:

• π12= 0.99

• T4t=1340.59 K

• π34 = 0,9813

• π58 = 0,9218

• ηc = 0,6516

• ηt = 0,7794

Datos de salida:

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• Ms<1

• Ps= 101325 Pa

• Ts= 963.956 K

• Vs = 496.01 m/s

• E = 220 N

• c= 0.00937 Kg/s

Este resultado concuerda de forma bastante precisa con los datos aportados por el fabri-

cante tomando, por tanto, éste como punto de operación del turborreactor, de forma que

puede pasarse a calcular los mapas del compresor y turbina. Previamente se presentan

los diagramas T-S, H-S y P-V correspondientes este punto de operación (guras IV 3.3,

IV 3.4, IV 3.5).

Figura IV 3.3: Diagrama T- S en el punto de operación

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Figura IV 3.4: Diagrama H-S del punto de operación

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Figura IV 3.5: Diagrama P- V del punto de operación

Línea de operación: mapas del compresor y turbina

Una vez denido el punto de operación (correspondiente a las máximas rpm del tur-

borreactor), se sitúa en los mapas del compresor (gura IV 3.6) y la turbina (gura IV

3.7), obtenidos a partir de los datos del problema y de los valores usuales que recomienda

Gasturb.

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Figura IV 3.6: Mapa del compresor y punto de operación

Figura IV 3.7: Mapa de la turbina y punto de operación

Se han representado los mapas en su forma más usual, aunque Gasturb permite cambiar

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las variables que aparecen en ambos ejes para modicar la representación.

A partir de estos mapas, puede estudiarse, también, la operación del turborreactor

si se disminuye la velocidad del eje, obteniéndose una línea de operación; en las guras

siguientes se representa la línea de operación entre las revoluciones máximas, 108000 rpm,

y un valor intermedio de 67500 rpm (guras IV 3.8 y IV 3.9).

Figura IV 3.8: Línea de operación en el mapa del compresor

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Figura IV 3.9: Línea de operación en el mapa de la turbina

El programa permite elegir cualquiera de los puntos a lo largo de la línea de operación

para conocer las variables que lo denen. Tomando, por ejemplo, el último punto de 67500

rpm, podemos obtener de nuevo el ciclo real T-S para ese punto y obtener los datos de

salida que corresponderían, en este caso, a 40 N de empuje, un consumo de combustible

de 0.00362 Kg/s y una velocidad de salida de 215,52 m/s.

A partir de esta línea de operación Gasturb facilita la elaboración de grácas con

cualquier par de variables para observar su evolución a lo largo del funcionamiento del

motor. Como ejemplo se representa la evolución del consumo especíco frente al empuje

a lo largo de la operación de nuestro motor (gura IV 3.10).

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Figura IV 3.10: Consumo especíco de combustible frente a empuje

Todos estos resultados podrán ser comparados con los resultados experimentales obtenidos

a partir del software dedicado a la adquisición de datos que tomará sus valores de los

sensores distribuidos en el turborreactor. El fabricante aporta un mapa del compresor

experimental (gura IV 2.2), mostrado en el capítulo anterior, para servir de referencia

en los resultados obtenidos.

Como ya se ha mencionado, variando el valor de las irreversibilidades podrá obtenerse

un comportamiento prácticamente idéntico del motor real y de su simulación con Gasturb,

por lo que resulta muy interesante el conocimiento de este programa.

165

4 Conclusiones

Este proyecto, eminentemente experimental, ha tenido una dicultad previa de des-

conocimiento de la materia. Por tanto, el paso inicial a su desarrollo ha sido la búsqueda

de información.

En lo que concierne al turborreactor y sus sistemas, esta información ha sido extraída

del propio manual de funcionamiento aportado por el fabricante, del contacto directo con

el mismo y de los datos obtenidos del personal encargado de los bancos de ensayos de las

Escuelas de Madrid y Valencia.

En cuanto a la celda de ensayos, la información se ha obtenido de la normativa vi-

gente mientras que en lo que se reere al estudio de la bancada ha sido de gran ayuda

el programa Nastran-Patran, los conocimientos previos de cálculo de estructuras y la

documentación aportada por los fabricantes de estructuras.

El sistema de adquisición ha sido, sin duda, el tema más complicado de tratar al no

haberse encontrado bibliografía propia, por lo que para su denición se ha recurrido a

trabajos anteriores (artículos, tesis y proyectos) y para la selección, la base principal han

sido las especicaciones de los fabricantes y el trato directo con estos.

Una vez superada la fase de diseño, la fase de instalación ha sido bastante sencilla

dentro de la falta de un taller de montaje. Éste habría agilizado la instalación de los

elementos y habría permitido realizar ciertas acciones que hubieran mejorado la calidad

del montaje como la soldadura de la unión de la célula de carga o de muchas de las

conexiones electrónicas realizadas (como las conexiones con las resistencias, la conexión

del medidor de rpm o las conexiones con la fuente de alimentación).

Estas carencias, junto con la ausencia de una celda de ensayos adecuada, han im-

posibilitado la instalación nal del banco de ensayos, lo que ha redirigido este proyecto,

de forma que su objetivo nal no ha sido la puesta en marcha del turborreactor, sino

el tratamiento de todos los aspectos que intervienen en la instalación de un banco de

ensayos.

Desde este punto de vista, el proyecto es bastante completo, dado que además del diseño

del banco y el premontaje realizado, se ha incluido una parte dedicada al desarrollo

futuro del banco (parte IV) donde, además de describirse todos los pasos necesarios

166

4 Conclusiones

para la puesta a punto del banco, se ha planteado una práctica de laboratorio y se ha

realizado un estudio teórico del funcionamiento del turborreactor mediante Gasturb. De

este programa hay que resaltar que es bastante fácil de usar (gracias a sus archivos de

ayuda), dentro de que sólo se han usado las opciones más básicas, y ofrece resultados

muy interesantes por lo que realmente es muy recomendable su uso posterior durante los

experimentos que se realicen una vez que se ponga en funcionamiento el turborreactor.

En los anexos se han incluido todos los temas que no se enmarcan directamente dentro

de los objetivos del proyecto pero que son de utilidad para la utilización del banco de

ensayos como el sistema de radio control del motor, los aspectos de mantenimiento y el

análisis de ciclo preliminar con Matlab.

Desde mi punto de vista, a pesar del interés y la extensión del contenido de este

proyecto, uno de sus atractivos principales es, sin duda, que abre la posibilidad de realizar

experimentos con turborreactores de bajo nivel de empuje bien sea para prácticas de

laboratorio o para ensayos previos a la instalación de este tipo de motores en modelos.

167

Parte V

ANEXOS

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A Elementos del turborreactor

A continuación se describen todos los elementos necesarios para el montaje del motor

Olympus HP ES que proporciona su fabricante:

Lata de aceite para el motor: Mobil Jet Oil II según la norma MIL-PRF-23699F

STD.

Figura A 1: Lata de aceite

Válvula solenoide para el propano de 6 V DC.

Figura A 2: Válvula para el propano

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Válvula solenoide para el queroseno de 6 V DC.

Figura A 3: Válvula para el queroseno

Clip de seguridad (para el sensor de rpm).

Figura A 4: Clip de seguridad

Cable de la bujía y conexión: Tras estimar la longitud de cable necesaria se corta

a la medida y se suelda la conexión en su terminación.

Figura A 5: Cable para la bujía

Bujía: Glowplug R8 extra cold.

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Figura A 6: Bujía glowplug

Llave para la bujía.

Figura A 7: Llave para la bujía

Filtro de combustible: se coloca entre el depósito y la bomba.

Figura A 8: Filtro de combustible

Cable para el cargador de la ECU.

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Figura A 9: Cable para cargar la ECU

Interruptor CTF.

Figura A 10: Interruptor CTF

Tuercas y arandelas.

Figura A 11: Tuercas y arandelas

Agarradera delantera para el motor.

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Figura A 12: Agarredera delantera

Agarradera trasera para el motor.

Figura A 13: Agarradera trasera

ECU V2.0: Unidad de control electrónica. Versión 20G de software y 2.11 analógica

de hardware.

Figura A 14: ECU

Placa con tornillos (para el interruptor de la ECU).

Batería: Ni-Cd 12 V 1700 mAh.

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Figura A 15: Placa para interruptor

Figura A 16: Batería Nicad

Bomba de combustible.

Figura A 17: Bomba de combustible

Tubo pp3 (3 metros).

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Figura A 18: Tubo pp3

Tubo pp4 (2 metros).

Figura A 19: Tubo pp4

Sensor de temperatura: termopar de tipo K.

Figura A 20: Termopar

175


Cable de la ECU al ordenador.

Figura A 21: Cable ECU-ordenador

EDT.

Figura A 22: EDT

Cable para cargar la EDT.

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Figura A 23: Cable carga EDT

Caja analógica de control.

Figura A 24: Caja analógica de control

177

B ECU V2 controlada por un sistema

Transmisor/Receptor

La ECU V2 puede estar controlada por un sistema analógico de control destinado a

usos estáticos del motor o puede controlarse mediante un sistema de radiocontrol para

montaje en modelos de avión. En este anexo se tratará este segundo caso estudiando sus

peculiaridades.

Sistema de transmisión

En general hay dos sistemas de transmisión disponibles en el mercado, el sistema más

antiguo llamado PPM (Pulse Position Modulation) o el PCM (Pulse Code Modulation).

Se aconseja usar un sistema PCM. Cuando se usa este tipo de sistema es necesario

comenzar estudiando las opciones de seguridad al fallo de la radio, para ello lo mejor es

encender el transmisor (TX), conectar dos servos y una batería al receptor y acostum-

brarse a la radio. Haciendo esto, se puede observar a simple vista por el movimiento de

los servos como las señales se transmiten a la ECU.

Si se usa la operación de canal dual (que se explicará más adelante en este epígrafe),

hay que programar el recorrido de los canales de encendido y empuje al 100% en ambos

lados de cada canal. Además, se debe apagar el ajuste del canal de empuje, y si no es

posible se debe dejar el ajuste en su posición intermedia y no usarlo durante la calibración

o más tarde cuando se opere con la turbina.

Una vez hecho esto se recomienda ir al menú de fallo seguro del transmisor, ajustar

la función de fallo seguro para el empuje y programar el canal para ir a ralentí en caso

de que haya condición de fallo seguro. Se puede provocar esta condición para apagar el

transmisor, encendiendo el transmisor de forma que el servo se moverá de nuevo a la

posición de empuje real.

Después de que el fallo seguro se programe y se compruebe, el recorrido del canal de

empuje tiene que ajustarse al 50% en el lado de ralentí del canal de empuje. El otro

lado del canal, el lado de empuje total debe permanecer en el 100%.

178

B ECU V2 controlada por un sistema Transmisor/Receptor

Hay que comprobar el canal de empuje con un servo conectado al receptor y comprobar

si el fallo seguro efectivamente va unos 10-20 grados mas allá de la posición de ralentí.

Más tarde la ECU detectará esta posición de fallo seguro y apagará el motor después

del tiempo programado para este fallo en esta unidad. Por defecto está programado a 1

segundo.

Canales

Como se vió en la sección dedicada a la ECU V2, dentro del capítulo 3 de transmisión y

control de datos, la unidad consta de 6 canales de entrada y 6 de salida que se recuerdan

a continuación:

Canales de entrada

A EGT: Temperatura de salida de los gases

B RPM: velocidad de rotación del eje

C Receptor: canal del empuje

D Entrada CTF : operación como canal simple o dual

E Receptor: Canal de encendido

F Telemetría (puerto serie)

Canales de salida

A Conexión de la válvula de combustible

B Conexión bujía glowplug

C Conexión de la válvula de gas

D Conexión para el arranque eléctrico

E Conexión para la bomba de combustible

F Batería: Nicad

Sin embargo por no resultar repetitivos sólo nos centramos en los canales claramente

diferenciadores del sistema que nos ocupa respecto al de caja analógica.

D. El canal del CTF permite operar con un sólo canal o con canal dual según se conecte

al canal de encendido E o no se conecte, respectivamente, como se observa en la

gura B 1.

179


Figura B 1: Operación simple o dual

E. Este canal de entrada de encendido enseña a la ECU el ancho de pulso del sistema

de radio.

a) Operación como canal dual: Para programar el ancho de pulso hay que conec-

tar el cable CTF (enchufe Futaba) a la entrada CTF de la ECU y dejar el

cable JR del interruptor CTF desconectado. Para programar la operación del

motor con dos canales hay que seguir los siguientes pasos:

1) Conectar el cable de empuje al canal correcto del receptor.

2) Conectar el cable de encendido al canal correcto del receptor.

3) Encender el transmisor y el receptor.

4) Pulsar el botón de CTF y mantenerlo pulsado.

5) Encender la ECU, tras unos segundos se oirá un pitido.

6) Soltar el botón CTF.

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7) Poner el interruptor de tres posiciones en la posición o y pulsar y

liberar el botón CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

8) Poner el interruptor de tres posiciones en la posición middle y pulsar y


9) Poner el interruptor de tres posiciones en la posición Start y pulsar y


10) Poner el mando de empuje en la posición idle y pulsar y soltar el botón

CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

11) Poner el mando de empuje en la posición max throttle y pulsar y soltar

el botón CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

Tras el paso 11 la ECU dará un pitido de conrmación de que todos las

anchos de pulso se han grabado en la ECU. Si no se cambia la programación

del empuje o de los canales de encendido en el transmisor no habrá que volver

a repetir esta secuencia. Una vez hecho esto se puede desconectar el cable

CTF.

Cuando se usa un sistema PCM se puede comprobar la rutina de fallo seguro

apagando el transmisor. Cuando el tiempo de fallo seguro pasa, la ECU emite

un tono alto/bajo. Este tono tiene que ser reajustado como un error del motor.

El fabricante recomienda usar el motor con la operación de canal dual porque

aporta las mejores posibilidades para la operación de la turbina, usando,

además, un interruptor diferente para arrancar y parar el motor.

b) operación como canal simple: Hay que conectar el cable CTF (enchufe Futaba)

a la ECU y enchufar la otra parte del cable CTF (enchufe JR) a la entrada del

canal de encendido de la ECU. En el momento en que se conecta la entrada

del canal de encendido de la ECU al lado JR del cable CTF, la ECU comien-

za a operar en modo de canal simple (Combined Throttle Function). Para

programar la operación del motor con un canal hay que seguir los siguientes

pasos:

1) Conectar el cable de empuje al canal correcto del receptor.

2) Conectar el cable de encendido de la ECU al cable CTF (enchufe JR).

3) Encender el transmisor y el receptor.

4) Pulsar el botón de CTF y mantenerlo pulsado.

5) Encender la ECU, tras unos segundos se oirá un pitido.

6) Soltar el botón CTF.

7) Poner el mando de empuje en la posición idle y poner el ajuste del canal

de empuje del transmisor en la posición o, que debe estar en la misma

181


dirección que la posición idle del mando de empuje, y pulsar y soltar el

botón CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

8) Poner el ajuste del canal de empuje en el transmisor en la posición mid-

dle y pulsar y soltar el botón CTF (la ECU dará un pitido de conrma-

ción).

9) Poner el ajuste del canal de empuje del transmisor en la posición on,

que debe estar en la misma dirección que la posición full throttle del

mando de empuje, y pulsar y soltar el botón CTF (la ECU dará un pitido

de conrmación).

10) Dejar el mando de empuje en la posición idle y pulsar y soltar el botón

CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

11) Poner el mando de empuje en la posición max throttle y pulsar y soltar

el botón CTF (la ECU dará un pitido de conrmación).

Tras el paso 11 la ECU dará un pitido de conrmación de que todos las anchos

de pulso se han grabado en la ECU. Si no se cambia la programación del empuje

o de los canales de encendido en el transmisor no habrá que volver a repetir esta

secuencia. Es importante dejar conectado el cable CTF a la ECU.

Hay que asegurarse de que hay suciente recorrido en el ajuste de empuje cuando el

mando de empuje está situado en las posiciones idle y max. Se puede comprobar

con un servo conectado al canal de empuje del receptor.

La palanca de ajuste del canal de empuje actúa como un interruptor de tres posi-

ciones cuando el mando de empuje está en la posición idle. Lo mejor es ir al ralentí

con el mando de empuje y sólo entonces usar el ajuste como interruptor.

Cuando se usa un sistema PCM se puede comprobar la rutina de fallo seguro

apagando el transmisor. Cuando el tiempo de fallo seguro pasa la ECU emite un

tono alto/bajo. Este tono tiene que ser reajustado como un error del motor.

.

Características extra

Cada versión mejorada del software incluye nuevas funciones. Están disponibles cuando

se trabaja en el modo de canal dual donde el interruptor de tres posiciones y el mando

de empuje tienen una única posición.

Lo que hace el fabricante, es hacer corresponder cada posición del mando de empuje con

una de estas funciones extra. Para localizar la posición exacta del mando de empuje que

182


corresponde a la función deseada, se necesita una EDT o un ordenador con el programa

adecuado de telemetría.

Una vez decidida la función que quiere seleccionarse, hay que realizar los siguientes

pasos para activarla:

Encender el transmisor, receptor y la ECU.

Calibrar la ECU para modo dual.

Poner el interruptor de tres posiciones en la posición o.

Poner el mando de empuje en la posición deseada (por ejemplo, las funciones extra

para la versión V24):

30% Glowplug encendido.

50% Función primaria: Abre la válvula de combustible y activa la bomba.

80% Activa el motor de arranque eléctrico.

90% Comprobación del clutch: Se enciende y apaga en intervalos de 0.5 se-

gundos.

100% Función de enfriado rápido: El motor eléctrico mantiene el eje de la

turbina girando, incluso con el botón CTF no pulsado, hasta que la

temperatura de enfriado se alcance. En caso de daño del sensor de EGT

el motor se para en 1 minuto.

Pulsar el interruptor CTF, tras 2 segundos la característica seleccionada se activará.

Dejar el interruptor CTF desactivará la función.

183

C Mantenimiento

Para asegurar el buen funcionamiento del turborreactor deben realizarse de forma

periódica ciertas acciones de mantenimiento:

Tras cada hora de funcionamiento de la turbina debe realizarse:

• Una inspección visual de la carcasa exterior de la turbina, buscando espe-

cialmente cambios de color que indican que se han alcanzado temperaturas

extremas de funcionamiento.

• Inspección de los enganches de montaje a la bancada en busca de posibles

grietas.

• Búsqueda de daños en las etapas de entrada al compresor.

• Comprobación de que la bomba y los tanques de combustible siguen sellados

y no tienen fugas.

• Comprobar que las etapas giran con normalidad (sin obstrucciones).

Vericar y limpiar el ltro de combustible al menos cada 30 litros de combustible.

Se recomienda cambiarlo cada 50-60 litros.

En cuanto a los rodamientos, su buen estado puede comprobarse sin mas que girar el

eje del motor manualmente y observar o bien que la turbina genera mucho más ruido

que antes o que existen zonas en que el giro es desigual, o abrupto, entonces uno o

ambos cojinetes están probablemente dañados debidos a suciedad en el combustible

(lubricación) o en el aire ingerido (aproximadamente un 1% del aire que toma el

motor pasa a través de los cojinetes como refrigeración pudiendo llevar partículas

de tierra, grava o polvo).

En todos estos casos se recomienda cambiar el combustible (y/o el ltro) y hacer

una prueba de funcionamiento en un área libre de polvo. Si ahora la actuación es

normal no es necesario cambiar los cojinetes aunque deberán comprobarse con más

frecuencia.

También existen una serie de recomendaciones en cuanto al almacenaje y lubricación del

motor:

184

C Mantenimiento

Si el motor no va a usarse durante 3 meses o más, es recomendable aplicarle una

lubricación adicional formada por una mezcla de queroseno y aceite Aeroshell 500

al 20%. Esto facilitará la prevención de cualquier posible corrosión de los cojinetes

que es bastante probable si se guarda el motor en un lugar húmedo.

Si el periodo de descanso del motor es superior (6 - 12 meses) se recomienda colo-

carlo en posición vertical con el compresor hacia arriba y cubrir tanto la entrada

como la tobera de salida para evitar que polvo u otras partículas entren en el mo-

tor. Después de este periodo de almacenamiento debe realizarse un prelubricado

del motor antes de volver a ponerlo en funcionamiento.

Para este procedimiento de lubricación es necesario quitar la tapa delantera siguiendo

los siguientes pasos. Primero hay que quitar los conectores rápidos azules de aire y gas

usando una llave hexagonal de 2.5 mm y girando en el sentido opuesto de las agujas del

reloj. No se debe intentar quitar el conector para el combustible. Después se desaojan

siete de los ocho tornillos que sujetan el casco al motor girando media vuelta. No debe

aojarse el tornillo sellado. El siguiente paso es aojar la tapa delantera que puede

quitarse insertando dos llaves hexagonales en dos de los agujeros usados para asegurarla

al motor y levantándola hacia arriba. Hay que tener cuidado para no dañar el cable

del sensor de rpm. Posteriormente se debe quitar el tubo pp3 del codo de combustible

(marcado en la gura C 1 con una F) empujando el aro de plástico azul hacia el elemento

y empujando el tubo hacia fuera.

Usando una jeringa hipodérmica y un tubo pp3 corto, inyectar 5 o 6 cc de la mezcla de

queroseno y aceite Aeroshell 50 al 20% en el tubo de lubricación (marcado con una L).

Reconectar el tubo pp3 entre las entradas de combustible y de lubricación y recolocar la

tapa delantera siguiendo los pasos inversos. Girar la turbina durante unos 10 segundos

para distribuir el aceite por el interior. Para hacer esto puede conectarse en el conector

para el arrancador eléctrico un generador de DC de 4.8 o 6 voltios. Otra forma de con-

seguir la distribución es conectando aire comprimido (8-12 bar) al conector de aire con

un tubo pp3 y dar 2 o 3 inyecciones de aire cortas de forma que gire el eje. Para terminar,

debe colocarse la turbina en posición vertical, con el compresor hacia arriba y dejar que

cualquier exceso de aceite salga durante 15 minutos antes de sellar la salida con su tapa

de plástico.

Otras advertencias importantes, basadas en la experiencia de las reparaciones de este

tipo de turborreactores, son éstas:

185

C Mantenimiento

Figura C 1: prelubricación

No apretar más de lo necesario los ocho tornillos que sujetan la carcasa exterior o

los cuatro que mantienen la tapa delantera. No es necesario usar ningún adhesivo

para jar ninguno de los tornillos.

Comprobar que el sensor de rpm no toca el rotor del compresor. La holgura debe

ser de unos 0.25-0.3 mm. Si hay que cambiar el sensor, no usar pegamento sobre

los pequeños tornillos M2 que sujetan el bloque de montaje del sensor a la entrada.

Asegurarse de que todos los tubos y cables, especialmente el cable del sensor de

rpm y los cables del conector del glowplug, están adecuadamente colocados delante

del motor de forma que no puedan ser succionados dentro del compresor.

Cuando se conecten los tubos pp3 mediante los conectores de conexión rápida Festo

para el combustible, gas o aire delante del motor hay que asegurarse que el tubo

está cortado de forma limpia a 90 grados y que no hay imperfecciones en el extremo

del tubo que puedan dañar el mecanismo de sellado interno de la instalación.

En general no modicar los cables, conectores e interruptores de la ECU, bomba

de combustible y batería dado que disminuiría su abilidad y probablemente su

durabilidad.

Aparte de todo esto, es muy recomendable realizar un registro con cada uso del tur-

borreactor en el que se detallen las características del ensayo, la fecha, la duración, las

186

C Mantenimiento

condiciones ambientales y las posibles anomalías presentadas.

187

D Análisis de ciclo

Antes de obtener datos experimentales con el turborreactor que permitan comprobar

las características aportadas por el fabricante y sacar las curvas características del motor,

y antes de realizar un estudio teórico con el programa de simulación Gasturb que permi-

tirá obtener datos muy similares a los que se obtendrán experimentalmente, se realiza un

análisis teórico preliminar de ciclo para tener una idea de los órdenes de magnitud en los

que trabajará el motor. Este estudio resultará también muy útil a la hora de seleccionar

los rangos de los sensores.

Para ello, primero se estudia un ciclo ideal del turborreactor (suponiendo que no se

producen pérdidas en ninguno de los elementos) y posteriormente se añaden irreversibil-

idades que nos acercarán más al comportamiento real del motor.

Para llevar a cabo este estudio se realizan una serie de hipótesis:

Movimiento casi-estacionario del gas (St<<1)

Fuerzas másicas despreciables (Fr>>1)

Efectos viscosos y de conducción de calor despreciables (Re>>1, Pe=Re·Pr>>1)

Gas ideal y calorícamente perfecto

Características del ujo (Cp y γc) constantes a lo largo del ciclo

Atmósfera en calma

Evoluciones de compresión y expansión adiábaticas

Análisis con valores medios

Ciclo ideal

El ciclo ideal de este turborreactor se divide en 7 tramos, en cinco de ellos se trabajará

con variables de remanso mientras que en el primero y en el último, correspondientes a

las condiciones de entrada y salida, será donde se mezclen las variables de remanso con

188


Figura D 1: Estaciones del ciclo

las estáticas. Las cinco estaciones interiores se reeren a la evolución desde el punto 0 al

2 (tubo de corriente de entrada y difusor), la evolución 2-3 (compresor), la evolución 3-4

(cámara de combustión), la evolución 4-5 (turbina) y la evolución 5-8 (tobera de salida),

como se muestra en la gura D 1.

Esta evolución ideal implica otras hipótesis, además de las generales:

Evoluciones de expansión y compresión isentrópicas y adiabáticas, es decir, evolu-

ciones en el difusor, tobera, compresor y turbina.

Sin pérdidas de presión de remanso en la cámara de combustión.

Además de los datos que se especican en cada paso, son necesarias conocer las carac-

terísticas del ujo que vendrán dadas por dos de estas cuatro variables:

Cp: el calor especíco a presión constante

Cv: el calor especíco a volumen constante

γc: la relación entre el calor especíco a presión constante y a volumen constante (γc =Cp

Cv)

R: la relación de J.R. Mayer (R = Cp − Cv = NmRg), donde Nmes el número de moles

por unidad de masa y Rg la constante universal de los gases.

189


Entrada

Datos de entrada: altura de vuelo P0, T0 y velocidad de vuelo V0.

Datos de salida: P0t, T0t (y M0). Obtenidos a partir de las ecuaciones D.4, D.5 y D.6.

Por denición de las variables de remanso y del Mach de vuelo:

M0 =V0√γcRT

(D.1)

Tot = T0

(1 +

γc − 12

M20

)(D.2)

P0t = P0

(1 +

γc − 12

M20

) γcγc−1

(D.3)

En este caso, al tratarse de un banco de ensayos, esta formulación se simplica dado

que V0 = 0, de forma que queda:

M0 = 0 (D.4)

T0t = T0 (D.5)

P0t = P0 (D.6)

Evolución 0-2

Datos de entrada: P0t, T0t.

Datos de salida: P2t, T2t. Obtenidos a partir de las ecuaciones D.8 y D.10.

A partir de la ecuación de la energía:

h0t = h0 +V 2

0

2= CpTot = h2t = CpT2t (D.7)

0t = T2t (D.8)

E incluyendo la condición ideal de comportamiento isentrópico:

T2t

T0t=(

P2t

P0t

) γc−1γc

(D.9)

⇒ P2t = P0t (D.10)

190


Evolución 2-3

Datos de entrada: P2t, T2t y la relación de compresión πc.

Datos de salida: P3t, T3t. Que se obtienen a partir de las ecuaciones D.12 y D.13.

De la denición de relación de compresión:

πc =P3t

P2t(D.11)

⇒ P3t = πcP2t (D.12)

E incluyendo la condición ideal de comportamiento isentrópico:

T3t = T2t

(P3t

P2t

) γc−1γc

= T2tπγc−1

γcc (D.13)

El trabajo especíco del compresor viene dado por la ecuación de la energía:

τc = Cp (T3t − T2t) (D.14)

Evolución 3-4

Datos de entrada: P3t, T3t y las características de la combustión: gasto de combustible

(c), gasto de aire (G) , poder caloríco del combustible (L) y rendimiento de la combustión

(ηq). El dosado viene dado directamente a partir de f = c/G.


De la conservación de la energía:

(G + c) h4t −Gh3t = ηqcL (D.15)

⇒ (1 + f) CpT4t − CpT3t = ηqfL (D.16)

4t =ηqL

Cp

f

(1 + f)+

T3t

(1 + f)(D.17)

Dado que es un proceso isóbaro:

P4t = P3t (D.18)

191


Evolución 4-5

Datos de entrada: P4t, T4t, el trabajo especíco del compresor τc, que se obtiene de la

ecuación D.14, y el rendimiento mecánico ηm.


El trabajo especíco de la turbina viene dado por la ecuación de la energía:

τt = Cp (T4t − T5t) (D.19)

Puesto que existe una igualdad de trabajo del compresor y turbina (dado que están

sobre el mismo eje mecánico):

c = ηm (G + c) τt ⇒ τc = ηm (1 + f) τt (D.20)

Sustituyendo de D.14 y D.19:

Cp (T3t − T2t) = ηm (1 + f) Cp (T4t − T5t) (D.21)

⇒ T5t = T4t −T3t − T2t

ηm (1 + f)(D.22)

Incluyendo la condición de proceso isentrópico:

T5t

T4t=(

P5t

P4t

) γc−1γc

⇒ P5t = P4t

(T5t

T4t

) γcγc−1

(D.23)

Evolución 5-8

Datos de entrada:P5t, T5t .


Suponiendo un proceso adiabático, de la ecuación de la energía:

T5t = T8t (D.24)

De la condición de proceso isentrópico:

P5t = P8t (D.25)

192


Salida

Datos de entrada: P8t ≡ Pst, T8t ≡ Tst y una condición de salida para una tobera

convergente donde nos encontramos con dos casos:

salida subsónica ⇒ Ps = P0

Datos de salida: Ts, Ms, Vs. Obtenido de las ecuaciones D.29, D.31 y D.28.

salida sónica ⇒ M s = 1

Datos de salida: Ts, Ps, Vs. Obtenido de las ecuaciones D.33, D.29 y D.34.

De nuevo debe recurrirse a la denición de las variables de remanso y del Mach:

Tst = Ts

(1 +

γc − 12

M2s

)(D.26)

Pst = Ps

(1 +

γc − 12

M2s

) γcγc−1

(D.27)

Ms =Vs√

γcRTs(D.28)

A partir de las ecuaciones D.26 y D.27, se llega a la relación isentrópica que relaciona

las variables de remanso con las variables estáticas:

Ts

Tst=(

Ps

Pst

) γc−1γc

⇒ Ts = Tst

(Ps

Pst

) γc−1γc

(D.29)

No hay más que particularizar para cada caso y despejar:

Salida subsónica

Ps = P0 (D.30)

A partir de D.27, D.28 y D.29:

Vs =

√√√√√2CpTst

1−(

Ps

Pst

) γc−1γc

(D.31)

Salida sónica

193


Ms = 1 (D.32)

Sustituyendo en la ecuación D.27:

Ps = Pst

(γc + 1

2

)− γcγc−1

(D.33)

Obteniendo Ts de la ecuación D.29 se puede despejar Vs:

Vs = Ms

√γcRTs (D.34)

Empuje

Es evidente que para completar la denición de las variables del turborreactor, al igual

que se hizo a la hora de determinar los sensores del motor, es necesario denir una variable

más, el empuje, que viene dado por la ecuación:

E = (G + c)Vs −GV 0 + (Ps − P0)As (D.35)

Donde se han hecho las siguientes hipótesis, además de las generales:

Ejes ligados al motor.

Sin intercambio de calor ni trabajo con el exterior.

Vuelo subsónico.

Particularizando para el caso del banco de ensayos:

E = (G + c)Vs + (Ps − P0)As (D.36)

Ecuación que se simplica aún más cuando la tobera está adaptada, es decir, cuando

Ps = P0:

E = (G + c)Vs (D.37)

Ciclo real

Existen irreversibilidades que separan el comportamiento real del motor del ideal,

empeorando su funcionamiento. Se miden por medio de distintos parámetros que son

194


datos de diseño, como son los rendimientos adiabáticos y las pérdidas de presión de

remanso.

Entrada

La evolución desde las variables estáticas a las de remanso no se ve afectada por

irreversibilidades dado que por denición esta evolución es isentrópica, por tanto no

varían las ecuaciones respecto al caso ideal.

Datos de entrada: altura de vuelo P0, T 0 y velocidad de vuelo V0.

Datos de salida: P0t, T 0t (y M0). Obtenidos a partir de las ecuaciones D.4, D.5 y D.6.

Evolución 0-2

Datos de entrada: P0t, T0t,π12.


En este caso es conveniente separar la evolución en dos tramos:

Evolución en el tubo de corriente (0-1). Al tratarse de una entrada subsónica la

evolución coincide con la ideal T1t = T0t, P1t = P0t.

Evolución en el difusor (1-2). Aparece una pérdida de presión de remanso que

depende del diseño de la toma: π12 = P2tP1t

y que suele oscilar entre 0.95 y 0.99.

De forma que T2t = T1t, P2t = π12P1t.

Por tanto la evolución 0-2 vendrá determinada por las siguientes ecuaciones:

T2t = T0t, (D.38)

P2t = π12P0t (D.39)

Evolución 2-3

Datos de entrada: P2t, T2t, la relación de compresión πc y el rendimiento adiabático

del compresor ηc.

Datos de salida: P3t, T3t. Que se obtienen a partir de las ecuaciones D.12 y D.41.

El rendimiento adiabático del compresor se dene como la relación entre la potencia

ideal y la real que debe dar el compresor para alcanzar la presión P3t y suele ser del orden

de 0.7-0.8 en el caso de compresores centrífugos (0.8-0.88 en compresores axiales):

195


ηc =Wc ideal

Wc real=

τc ideal

τc real=

T3′t − T2t

T3t − T2t=

πγc−1

γcc − 1T3tT2t− 1

(D.40)

Donde T3′t es la temperatura a la salida del compresor en el caso ideal y T3t en el caso

real, cumpliéndose que T3′t ≤T3t dado que Wc ideal ≤ Wc real .

La presión P3t vuelve a determinarse a partir de la relación de compresión D.12 mien-

tras que T3t se obtiene a partir de la denición del rendimiento:

T3t = T2t

1 +π

γc−1γc

c − 1ηc

(D.41)

El trabajo especíco del compresor viene dado de nuevo por la ecuación D.14, aunque

como ya se ha dicho será mayor que el trabajo especíco ideal.

Evolución 3-4

Datos de entrada: P3t, T3t, la pérdida de presión de remanso π34(π34 = P4tP3t

) y las

características de la combustión: gasto de combustible (c), gasto de aire (G) , poder

caloríco del combustible (L) y rendimiento de la combustión (ηq).

Datos de salida: P4t, T4t. Obtenidos a partir de las ecuaciones D.17 y D.42

Ahora la temperatura vuelve a venir dada por la ecuación de conservación de la energía

D.17, mientras que la presión disminuye respecto al caso ideal al existir pérdidas por

fenómenos de fricción y por la mezcla de combustible-aire, estas pérdidas suelen estar

entorno al 0.94-0.96:

π34 =P4t

P3t⇒ P4t = π34P3t (D.42)

Evolución 4-5

Datos de entrada: P4t, T4t, el trabajo del compresor, que se obtiene a partir de la

ecuación D.14, el rendimiento mecánico ηm y el rendimiento adiabático de la turbina ηt.


Por analogía con el compresor, el rendimiento adiabático de la turbina es la relación

entre la potencia real y la ideal cuando el gas expansiona hasta una misma presión P5t y

suele estar en torno a 0.92:

196


ηt =Wt real

Wt ideal=

τt real

τt ideal=

T4t − T5t

T4t − T5′t=

1− T5tT4t

1−(

P5tP4t

) γc−1γc

(D.43)

Donde T5′t es la temperatura a la salida de la turbina en el caso ideal y T5t en el caso

real, cumpliéndose que T5′t ≤ T5t dado que Wt idealt real.

La temperatura T5t volverá a sacarse a partir de la igualdad de trabajo de compresor y

turbina, ecuación D.22, mientras que la denición del rendimiento de la turbina permitirá

obtener la presión de salida de la turbina P5t:

P 5t = P4t

(1−

1− T5tT4t

ηt

) γcγc−1

(D.44)

Evolución 5-8

Datos de entrada:P5t, T5t .

Datos de salida: P8t, T 8t. Obtenidos a partir de las ecuaciones D.24 y D.45.

En este caso, en que los gradientes de presión son favorables, las pérdidas son despre-

ciables excepto que, como ocurre en este caso, exista instrumentación que agrave estas

pérdidas. Por tanto, también en la tobera se dene una pérdida de presión de remanso

π58 = P8tP5t

.

De forma que T 8t vendrá dada por la ecuación de la energía D.24, mientras que la

evolución de las presión vendrá dada por la ecuación siguiente:

P8t = π58P5t (D.45)

Salida

Al igual que ocurría en la entrada, esta evolución de variables de remanso a variables

estáticas no se ve afectada por las irreversibilidades del ciclo dado que la evolución es

isentrópica por denición.

Datos de entrada: P8t ≡ Pst, T8t ≡ Tst y una condición de salida para una tobera

convergente donde nos encontramos con dos casos:

salida subsónica ⇒ Ps = P0

Datos de salida: Ts,Ms, Vs. Obtenido de las ecuaciones D.29, D.31 y D.28.

salida sónica ⇒ M s = 1

Datos de salida: Ts, Ps, Vs. Obtenido de las ecuaciones D.33, D.29 y D.34.

197


Empuje

Igual que sucedía en el caso ideal, cuando la salida es subsónica, el empuje vendrá

dado por la ecuación D.37, mientras que si la salida es sónica se obtendrá a partir de la

ecuación D.36.

Resultados1

Implementando estas ecuaciones en Matlab, puede estudiarse el empuje teórico que

debería obtenerse del turborreactor suponiendo los siguientes datos iniciales tomados

a partir de valores típicos de la atmósfera y de las características del aire y teniendo

en cuenta los datos aportados por el fabricante en caso de funcionamiento a máximas

revoluciones (datos tomados del capítulo 1 de descripción general del turborreactor):

T0= 288 K

P0= 101325 Pa

V0= 0

γc= 1.4

Cp= 1012 J/kg·K

π23= 4

ηq= 0.99

L = 43 · 106J/kg

G= 0.45 Kg/s

c= 0.0107 Kg/s

ηm= 0.98

Radio de salida = 0.0325 m

Donde lo que se imponen son las condiciones ambiente y en cuanto a los parámetros del

motor, la relación de compresión, el gasto de aire y el consumo de combustible.

A partir de estos valores se obtienen los siguientes resultados para el caso ideal (obtenidos

a partir del archivo cicloideal.m):

1En este apartado, en el que se realizarán comparaciones entre distintos resultados, se utilizarán las

unidades del S.I.

198


Ms = 1

Ps= 148076 Pa

Ts= 1046.26 K

Vs= 650.79 m/s

E = 454.95 N

Donde la salida es sónica.

Si ahora estudiamos el caso real, deberemos estimar unos rendimientos para cada

elemento en base a los rangos usuales ya denidos, pero teniendo además en cuenta

que las pérdidas serán ligeramente mayores de lo habitual debido a la instrumentación

distribuida a lo largo del motor que perturba la corriente. Tomando, por tanto, los valores

siguientes:

π12 = 0,91

ηc = 0,67

π34 = 0,9

ηt = 0,87

π58 = 0,9

Se obtiene una salida subsónica con los siguientes valores (con el programa cicloreal.m):

Ms = 0.8097

Ps=101325 Pa

Ts=1108.8 K

Vs =542.425 m/s

E =249.895 N

Como se dicho, se ha supuesto la relación de compresión, el gasto de aire y el consumo de

combustible, cuando lo normal en propulsión es usar como datos de entrada la relación de

compresión, la temperatura máxima en la turbina ( o de forma equivalente la temperatura

de salida de los gases) y el gasto de aire. Por tanto se genera otro programa de Matlab

199


(cicloreal2.m), que parte de las mismas ecuaciones, en el que se mantienen jos la relación

de compresión, la temperatura de salida de los gases (973 K) y el gasto de aire, de forma

que será necesario iterar con distintos valores del consumo de combustible hasta obtener

dicha temperatura. En este caso los datos de salida son:

Ms =0.6837

Ps=101325 Pa

Ts=973 K

Vs =429.04 m/s

E =196.74 N

c= 0.00856 Kg/s

Estos resultados se comparan con los parámetros nominales de funcionamiento dados por

el fabricante en la siguiente tabla:

datos fabricante ciclo ideal ciclo real 1 ciclo real 2

Ms <1 1 0.8097 0.6837

Ps (Pa) 101325 148076 101325 101325

Ts(K) 973-10232 1046.26 1108.8 973

c (Kg/s) 0.0107 0.0107 0.0107 0.00856

Vs (m/s) - 650.79 542.425 429.04

E (N) 230 454.95 249.895 196.74

Donde se observa que, como era esperable, el ciclo ideal se separa bastante del com-

portamiento real predicho por el fabricante mientras que los ciclos reales se ajustan más

en cuanto al valor del empuje y a la condición de salida subsónica. Sin embargo, tampoco

coinciden con los valores experimentales, de hecho, si se ajusta el consumo de combustible

(ciclo real 1), la temperatura máxima es muy superior a la soportada por el turborre-

actor, mientras que si se ajusta esta temperatura, el consumo disminuye notablemente.

Estas discrepancias se deben, más que a las hipótesis realizadas en estos cálculos, a los

valores estimativos que se han tomado de los rendimientos y las pérdidas.

Una vez que se realicen ensayos con el turborreactor, gracias a la instrumentación

montada, será inmediato obtener los valores experimentales de dichas irreversibilidades

de forma que usando el mismo programa de Matlab se obtendrán unos valores que deberán

ser mucho más parecidos a los de los ensayos.

200


Sin embargo, hasta obtener los valores experimentales de todas las irreversibilidades,

se generan otros programas de Matlab, en los que se intenta alcanzar unos valores más

cercanos a los aportados por los fabricantes, por medio de iteraciones en las que se varían

los valores de estas irreversibilidades. De esta forma se jan los valores del consumo de

combustible, el gasto y la relación de compresión y se dejan varíar la temperatura de salida

de los gases y el empuje según el valor que se le dé a estos términos de irreversibilidad.

Sin embargo, este sistema tiene la limitación de que sólo permite varíar dos variables al

mismo tiempo. Escogiendo, por ejemplo, el rendimiento del compresor y las pérdidas en

la tobera de salida, y variando sus valores entre 0.5-0.9 y 0.7-0.95 respectivamente, se

llega a los siguientes resultados (optimizacion.m y gracas3d.m) expresados grácamente

(guras D 2 y D 3):

Figura D 2: Empuje frente a la variación del rendimiento del compresor y las pérdidasen la tobera

201


Donde se observa que el empuje disminuye conforme aumentan las irreversibilidades

(disminuyen su valor en valor absoluto) de forma continua y suave. Hay que notar que en

esta gráca se ha representado el valor absoluto del empuje para evitar valores negativos

que no tendrían sentido; si se hubiera representado como una variable continua, la gráca

no tendría la discontinuidad que aparece para irreversibilidades muy grandes.

En esta misma gráca se ha representado el plano que correspondería a un empuje

constante de 230 N, de forma que se observa que corta a la supercie curva, existiendo,

por tanto, valores del rendimiento del compresor y de las pérdidas de la tobera que

implican un empuje igual al predicho por el fabricante.

Figura D 3: Temperatura de salida frente a la variación del rendimiento del compresor ylas pérdidas en la tobera

En este caso se representa la temperatura de salida de los gases frente las mismas ir-

reversibilidades así como el plano que correspondería a la temperatura de salida deseada

202


de 973 K. Ahora se observa, como era esperable, que la temperatura aumenta conforme

aumentan las irreversibilidades de forma continua y suave, y se presenta un problema, in-

cluso con unas pérdidas mínimas se supera la temperatura máxima admisible, siendo por

tanto imposible alcanzar los valores experimentales variando estas dos irreversibilidades.

Minimizando el error cometido en temperatura y empuje, se obtiene, como mejor re-

sultado posible, el siguiente:

Ts=1046 K

E =299.8 N

Para unos valores de ηc=0.879 y π58= 0.95.

Repitiendo este proceso con las pérdidas en el difusor y las pérdidas en la tobera de

salida (optimizacion2.m y gracas3d2.m), de forma que varíen entre 0.7-0.95, se obtienen

los resultados siguientes (guras D 4 y D 5):

Figura D 4: Empuje frente a la variación de las pérdidas en el difusor y en la tobera

203


Figura D 5: Temperatura de salida frente a la variación de las pérdidas en el difusor yen la tobera

Donde se repite el comportamiento anterior, el empuje disminuye conforme aumentan

las irreversibilidades de forma continua y suave y existen valores de las pérdidas que

permiten alcanzar un empuje igual al de los resultados experimentales mientras que la

temperatura de salida de los gases aumenta conforme aumentan las irreversibilidades

siendo siempre superior a la temperatura deseada.

Minimizando el error cometido en temperatura y empuje, se obtiene, como mejor re-

sultado posible, el siguiente:

Ts=1078.4 K

E =274.7 N

Para unos valores de π12=0.95 y π58= 0.95.

204


A la vista de estos resultados, las hipótesis realizadas en este análisis preliminar im-

posibilitan el obtener los valores aportados por el fabricante aún cuando se obtengan los

valores reales de las irreversibilidades a partir de los experimentos. Sin embargo, hay que

recordar que este análisis sólo se ha realizado para obtener unos datos aproximados del

ciclo que permitan realizar la selección de los sensores y faciliten la simulación con el

programa Gasturb.

205

Bibliografía

[1] 3

[2] Manual del turborreactor Olympus HP ES. AMT Netherlands. 2005

[3] Baterías Ni-Cad. Tutoriales electrónica fácil. http://electronicafacil.net/tutoriales/

[4] Especicaciones técnicas baterías recargables Sanyo modelo Cadnica KR1700AU.

[5] Real Decreto 286/2006 de 10 de marzo, sobre la protección de la salud y la seguridad

de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición al ruido.

[6] Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos Laborales.

[7] Convenio de la Organización Internacional del Trabajo número 155, de 22 de junio

de 1981, sobre seguridad y salud de los trabajadores y medio ambiente de trabajo.

[8] Artículo 137.2 del Tratado constitutivo de la Comunidad Europea.

[9] Directiva 2003/10/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 6 de febrero de

2003, sobre las disposiciones mínimas de seguridad y de salud relativas a la exposición

de los trabajadores a los riesgos derivados de los agentes físicos.

[10] Decreto 326/2003, de 25/11, de la Junta de Andalucía. Reglamento de Protección

contra la Contaminación Acústica, incluido en el BOJA número 243 del 18 de di-

ciembre de 2003.

[11] UNE-EN 12354-1:2000, norma española sobre acústica de la edicación.

[12] UNE-EN 12758:2002, sobre determinación de vidrios para la construcción en casos

de acristalamiento y aislamiento al ruido aéreo.

[13] UNE-EN 352:2003, sobre protecciones auditivas individuales.

3Las referencias bibliográcas se encuentran ordenadas según el orden de aparición del tema al que

hacen referencia en el texto.

206

Bibliografía

[14] UNE 74023:1992 Acústica. Determinación de la exposición al ruido en el trabajo y

estimación de las pérdidas auditivas inducidas por el ruido.

[15] UNE-EN ISO 16080:2001. Código de ensayo para la medición del ruido aéreo emitido

por máquinas eléctricas rotativas.

[16] UNE-EN ISO 5135:1999. Determinación de los niveles de potencia acústica induci-

dos por salidas de gases.

[17] UNE-EN ISO 7779:2002. Medida del ruido aéreo emitido por los equipos de tec-

nología de la información y de telecomunicaciones.

[18] UNE-EN ISO 15667:2001. Directrices para el control del ruido por medio de cer-

ramientos y cabinas.

[19] UNE 82501:2004, sobre instrumentos de medida destinados a emisiones de gases de

escape de motores.

[20] UNE-EN ISO 8178:1997, sobre medidas de los gases de escape de motores alterna-

tivos.

[21] Protocolo de Kioto.

[22] Anexo 16 de la OACI Volumen II, sobre las emisiones de elementos aeronáuticos.

[23] Nociones básicas sobre adquisición de señales. Diciembre de 2000. Juan Antonio

Rubia Mena.

[24] Lubricantes y combustibles. Antonio García Rivas. Motores de turbina de gas.

http://www.antoniogarciarivas.com/wp-content/upload/LUBRICOMB.pdf

[25] Productos de petróleo. Queroseno de aviación (Jet A-1). Especicaciones. Anexo

Resolución No. 142-2005 (COMIECO- XXXII). Reglamento Técnico Norteameri-

cano.

[26] Ficha de datos de seguridad Jet A-1. Shell España, S.A. Agosto 1999

[27] Sensata. Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

http://www.sensata.com

[28] AST American Sensor Technologies. Suministrador de sensores y otros elementos

del sad. http://www.astsensors.com

207

Bibliografía

[29] Silge. Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

http://www.silge.com.ar/hojtec/gefran/castella/sp831e.pdf

[30] National Instruments. Suministrador de sensores y otros ele-

mentos del sad. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/5922,

http://zone.ni.com/devzone/cda/ph/p/id/194

[31] Hummel. Suministrador de sensores y otros elementos del sad. http://www.hummel-

group.com/english/les/kapitel/het_1/chap_01_p12-14.pdf

[32] Kyhe.com. Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

http://www.kyheingenieria.com/catalogo29.htm

[33] HBM. Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

https://webshop.hbm.com/search.htm

[34] Aerocon. Información general de sensores y otros elementos del sad.

http://www.aeroconsystems.com/electronics/index.htm

[35] Aerocon. Información sobre transductores de pre-

sión. Documento aportado por Transtonics, Inc.

http://www.aeroconsystems.com/electronics/Pressure_transducer_basics/Transducer_primer.htm

[36] QuimiNet.com. Información general sobre sensores y otros elementos del sad.

www.quiminet.com.mx

[37] Direct Industry. Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

http://www.directindustry.com

[38] RS Amidata, lial de RS.Suministrador de sensores y otros elementos del sad.

http://www.amidata.es

[39] Addi-data. Suministrador de sensores y otros elementos del sad. http://www.addi-

data.com

[40] IDM Instrumentos de medida, SL. Suminstrador español de addi-data. www.idm-

instrumentos.es

[41] Gefran. Suministrador de sensores y otros elementos del sad. http://www.gefran.com

[42] Minco. Suministrador de sensores y otros elementos del sad. http://www.minco.com

[43] Kracht. Suministrador de medidores de ujo. www.kracht-hydraulik.de

208

Bibliografía

[44] AW Company. Suministrador de medidores de ujo.

www.awcompany.com/turbine.htm

[45] Cameron. Suministrador de medidores de ujo. www.kracht-hydraulik.de

[46] Hidrospack. Suministrador de medidores de ujo. www.hidrospack.es

[47] Nuotech. Suministrador de medidores de ujo. www.nuotech.com

[48] Key Instruments. Suministrador de medidores de ujo. www.keyinstruments.com

[49] Cole Parmer Technical Library. Documento : Selecting the right owmeter (Part 1 &

2). http://www.coleparmer.com/techinfo/techinfo.asp?htmlle=SelectingFlowmeter1.htm&ID=667,

http://www.coleparmer.com/techinfo/techinfo.asp?htmlle=SelectingFlowmeter2.htm&ID=668

[50] Tuthill Corporation. Suministrador de medidores de ujo.

http://transfer.tuthill.com/SP/Products/FlowMeters/index.asp#FppFlowMeters

[51] SMC. Fabricante de racores de unión para tubos. http://www.smceu.com

[52] Especicaciones técnicas del medidor de ujo Gems Sensors serie FT-110 modelo

173936 (referencia RS 446-8286).

[53] Especicaciones técnicas de los acondicionadores de temperatura ABBA modelo

1SVR011702R2600 CC-E/TC (referencia RS 442-8777).

[54] Especicaciones técnicas de los acondicionadores de presión Gems Sensors modelo

2200RGA6001A3UA002 (referencia RS 348-8087).

[55] Especicaciones técnicas de la célula de carga de 30 Kg de Tedea Huntleigh modelo

1042 (referencia RS 443-8190).

[56] Especicaciones técnicas del acondicionador de la célula de carga de Tedea Huntleigh

modelo 437 (referencia RS 455-5059).

[57] Especicaciones técnicas de la fuente de alimentación Coulant Lambda Ltd de 24V

(referencia RS 173-1654).

[58] Especicaciones técnicas del registrador de datos y tarjeta de terminales de Pico

Technology ADC-24 (referencia RS 536-8834).

[59] Especicaciones técnicas de las resistencias Arcol HS10 3k3 10W, 10k 10W y 120Ω(referencias RS 2522568, 2522596 y 160360).

209

Bibliografía

[60] Circuitos resistivos. Universidad Nacional de Colombia. 2005

[61] Teoría de redes. Lección 13. ETSIT Madrid. 2007

[62] Divisor de Tensión. Luis González. 23 Agosto 2004

[63] Circuitos equivalentes. Ifent.org .2005

[64] Aerocon. Información sobre células de carga aportada por Massload.

http://www.aeroconsystems.com/loadcells/index.html

[65] Aerocon. Artículo Load Cell Technology in practice aportado por RT (Revere Trans-

ducers). http://www.aeroconsystems.com/electronics/Load_cell_primer.pdf

[66] Dinacell Electronica, SL. Suministrador de células de carga.

http://www.dinacell.com

[67] Mutronic, SA.Suministrador de células de carga.

http://www.hotfrog.es/Empresas/Mutronic-S-A

[68] El sitio de Cohetería Experimental Amateur de Juan Parczewski. Información sobre

bancos de ensayos. http://www.jpcoheteria.com.ar/BancoEnsMot2.htm

[69] Ejemplos de bancos de ensayos de motores de turbina de gas y de combustión interna.

http://www.armeld.co.uk/cm4_datasheet.html

[70] Examples of Test Stands for Solid, Liquid, and Hybrid Motor Testing.

http://www.aeroconsystems.com/ts_pics/ts_pics.htm

[71] Banco de ensayos de un turborreactor similar al Olympus HP. .Axial ow gas turbine

engine CM4. http://www.armeld.co.uk

[72] Banco de pruebas para motores CT300. http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1

[73] Guidelines for Designing and Building an Experiment for the A300 ZERO-G. Enero

2006.Novespace

[74] Catálogo de perles de aluminio de RexRoth Bosh Group. Basic Mechanic Elements

Version 10.0

[75] Catálogo de perles de aluminio y accesorios de Proteam.

[76] Página del laboratorio de propulsión de la ETSIA. Gregorio Lopez Juste.

http://labprop.dmt.upm.es

210

Bibliografía

[77] Fundamentals of jet propulsion with applications. Ronald D. Flack. University of

Virginia. Oxford University Press.

[78] Mechanics and Thermodynamics of Propulsion. Second edition. Hill & Peterson

[79] Apuntes de las asignaturas de Sistemas de Propulsión y Propulsión Aérea y Espacial.

ETSI, Universidad de Sevilla. Damián Rivas Rivas. 2007

[80] PFC de la ETSI. Diseño y especicaciones de un banco de demostración de motores

diesel para ensayo de ltros y catalizadores monolíticos de carbón en la desnitri-

cación de los gases de escape. María Piera Alberola, dirigido por J. Olivares del

Valle. 2003

[81] PFC de la ETSI. Diseño de control y comunicaciones para banco de ensayo de pila

de combustible. Edgar Villarreal Torrico, dirigdo por Carlos Bordons Alba. 2005

[82] PFC de la ETSI. Puesta a punto de un banco de ensayos de impactos en mecanismos

exibles y realización de ensayos de impacto axial. Francisco José Macías Benigno.

2002

[83] PFC de la ETSI. Diseño e implantación de un banco de ensayos de bombeo solar.

Mónica Sánchez Astillero, dirigido por Isidoro Lillo Bravo. 2002

[84] PFC de la ETSI. Banco de ensayos de transmisión de potencia. Rafael Serrano Bello,

dirigido por Alfredo Navarro Robles. 2003

[85] PFC de la ETSI. Banco de ensayos de placas : diseño, construcción y software de

operación. Manuel del Pozo Villalobos. 1993

[86] PFC de la ETSI. Diseño y construcción de un banco de ensayos para rodamientos.

David Domínguez Sanjuán. 2006

211

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