25 de Febrero del 2010

Pablo Alejandro Arizpe C.Egresado:

I.P.N. Ingeniería Aeronáutica con especialidad en Aeronáutica y

Térmica.M.A.I Maestría en Ingeniería

AeroespacialM.G.U. Ph.D en Transferencia de calor en materiales compuestos

Contenido de esta presentación:

• Áreas de desempeño

• Breve presentación de turbinas de gas con aplicación a turbinas para uso en aviación (turboreactor)

• Aplicación de energía renovable (energía eólica)

Áreas de desempeño• Termodinámica – Teoría y diseño

termodinámico aplicado a turbo maquinaría• Diseño de naves espaciales – Fundamentos

para el diseño de naves y transferencia de calor satelital.

• Estructuras y materiales – Diseño de estructuras por análisis teórico y numérico.

• Aerodinámica – Fundamentos y Teoría• Transferencia de calor por conducción.

•Breve presentación de turbinas de gas con

aplicación a turbinas para uso en aviación

(turborreactor)

Breve presentación de turbinas de gas con aplicación a turbinas para uso en aviación (turboreactor)

• Las turbinas de gas se pueden agrupar en 3 grupos.

1) Turbinas de gas para uso industrial Básico ideal o real, con combustible, con regenerador, con doble

cámara de combustión, con pre-refrigeración, etc.

2) Turbinas de gas para uso en aviaciónTurboreactor, turbo fan (turbo ventilador), Turboprop (Turbo

Hélice), turbo shaft (turbo eje).

3) Turbinas aeroderivadas.

TURBOREACTOR

Esquema básico Aplicación: comercial y militar

TURBOREACTOR Análisis de componentes

• Difusor: Puede ser subsónico, sónico o supersónico.

• Admisiones supersónicas: Pueden ser externas, internas o mixtas.

• Compresor: Axial mas que centrifugo• Cámara de combustión: Anular, de bote y

mixta• Turbinas: Axial• Tobera: Subsónica, sónica o supersónica.

Difusor y Admisiones supersónicas• El difusor es aquel elemento cuya función es producir el efecto ariete, es

decir elevar la presión estática de fluido que pasa en este conducto disminuyendo implícitamente la velocidad conservando la energía total.

• Geometría: uniendo la ley de la conservación de la masa y energía podemos llegar a la ecuación que nos determina la variación de área transversal de un conducto a diferentes magnitudes de numero de mach.

(1)

(2)

12 MC

dC

A

dA

OTO

OTD PP

PP

1

• Las admisiones supersónicas se utilizan en aeronaves que viajan a velocidades mayores a la velocidad del sonido, no se puede emplear un difusor supersónico a velocidades muy elevadas ya que no alcanzaría a desacelerar al fluido para que entre al compresor a velocidades moderadas.

Externas

Internas

• De manera ideal:• Flujo isentrópico (Adiabático-reversible)• Presión total se conserva ( Eficiencia del componente = 1)• Calores específicos constantes• Gas ideal

• De manera real:• Flujo adiabático e irreversible • Perdidas por fricción.• Calores específicos variables.• Viscosidad variable• Flujo transitorio• Flujo turbulento• Flujo compresible (= variable)

Ondas de choque• Las ondas de choque son extremadamente delgadas y se

generan cuando se alcanzan velocidades muy altas, cercanas a la velocidad del sonido en un medio fluido provocando discontinuidades irreversibles en las propiedades del campo de velocidades del fluido y no se pueden visualizar a simple vista, se debe ser capaz de estudiar y calcular dichos cambios en las propiedades del fluido antes y después de la onda de choque

• Las ondas de choque oblicua se utilizaran única y exclusivamente para el cálculo de las admisiones externas.

(2)

12

212

2

kkM

MkM

X

XY

Compresor• Motores a reacción: compresor axial y compresor centrifugo.

• Características del compresor axial

El área frontal se reduce para un mismo flujo másico de aire a comparación de un compresor centrifugo.

Se debe suministrar una energía al motor casi invariable en la cámara de combustión, para que se estabilice el compresor siendo esta causa la principal limitante para el uso de un compresor axial.

La eficiencia de un compresor axial es mayor(hay menor perdida de temperatura y presión de estancamiento) para relaciones de compresión elevadas que la de un compresor centrifugo debido principalmente al estator de cada compresor.

• Características del compresor centrifugo

Tiene una mayor relación de compresión por etapa por lo que se nos reduce la longitud del motor.

Tiene una buena estabilidad en condiciones fuera de diseñoMayor facilidad de mantenimiento y mayor vida útil.Una menor adherencia de contaminación en los alabesDebido a la desviación de flujo es ideal poner un regenerador antes de

la cámara de combustiónEs mas eficiente en relaciones de compresión bajas (baja potencia )

Trabajo(w) y eficiencia del compresor(n)

(3)

(4)

(5) (6)

11

1k

k

C CpTw

C

k

k

C

CpT

w

1

'

1

1

2 1

2 1'C

T T

T T

'PC

Wc vdp

Wc dh

Cámara de CombustiónExisten 3 tipos de cámara de combustión

• a) Tipo tubular, múltiple o bote son pequeñas cámaras que se encuentran distribuidas en el radio del motor,

comúnmente se usan con compresores centrífugos debido a principalmente a su direccionamiento, el área es mucho mayor y por lo tanto la cantidad de aire para su enfriado mayor.

• b) Anular Es en su totalidad el radio del motor, se usa comúnmente para compresores

axiales, pero tienen problemas de debilidad estructural térmica, se crea el fenómeno de derretimiento a lo largo de las paredes, así como posee una distribución no uniforme de la relación combustible-aire lo cual crea una depresión y un frente de flama no homogéneo y gasta grandes cantidades de combustible en las pruebas y la practica.

• c) Combinadas son las mas empleadas, es la combinación de las caras anulares y tubulares

Factores importantes en la combustión

(7) Por conservación de la energía (energía entrante = energía saliente) se tiene la siguiente

ecuación (donde el calor suministrado lo provee un combustible con poder calorífico inferior PCI)

(8)(9)

(10)

(11)(12)

a

f

m

mf

3 2f a f am PCI m m h m h

3 2

3

gCp T CpTf

PCI h

STOICH

CICLO

f

f

COMB

ff

'

PCIfq COMB'32

Turbina• En las turbinas se tienen 2 tipos, las turbinas axiales y las radiales, las

axiales son las mas comunes y se emplean en casi todas las turbinas de gas para uso en aviación.

Los gases productos de la combustión llegan a la turbina en donde se expanden transmitiendo trabajo y disminuyendo su temperatura y presión para regresar a la atmósfera, el trabajo que se formo en la turbina es transmitido para mover el eje que esta acoplado al compresor para la propulsión (para uso en aviación) también sirve para mover un generador y generar energía útil (eléctrica - uso industrial).

Trabajo(w) y eficiencia de turbina(n)(13)

(14)

(15)

(16)

'1

1'1' 13 CTb

k

kgT wTCpfwg

g

43

43 '

TT

TTTb

'TPT

T

W dh

W vdp

C

k

kT wCpTw

13

11

Tobera• Sirve para acelerar al fluido y proporcionar el

empuje.

Parámetros generales de un turborreactor(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

. . FEMQ dH dE C dE P dE W

5 5 5( )a f a o om m C m C P P A

2 2 55 51 ' ( )

2 '

o o

T

Af C C P P

maf PCI

.f c

m KgSFC

N h

2 25

2

1 'o

Po

C

f C C

Algoritmo de diseño básico de un turborreactor

1.- El uso que se le va a dar(industrial, aeronáutico, otro.) 2.-Tener a la mano las normas internaciones (FAA, JAA) y

nacionales(DGAC) de aviación así como el impacto ambiental 3.- En caso de ser aeronáutico se deberá contar con las características de

la aeronave, es decir su coeficiente de resistencia al avance y sustentación, factor de carga, velocidad de crucero, techo operativo, etc. Para tener una estimación del empuje necesario.

4.-Se deben proponer las eficiencias del compresor, la turbina, de la combustión, la tobera y difusor, relación de presiones, la temperatura máxima y seleccionar el tipo de combustible a emplear (se pueden elegir haciendo iteraciones, barrido de datos, problemas inversos, graficas o por experiencia y factores de seguridad)

5.-Proponer las configuraciones del motor(tipo de tobera, de difusor, de cámara de combustión, compresor, etc.) si no se esta seguro se deberá hacer los cálculos para distintas configuraciones o verificar en el mercado las configuraciones usuales.

6.- Realizar el(los) calculo(s) termodinámico(s) del ciclo de acuerdo a las configuraciones y valores elegidos o valores de iteración, calculando el empuje, el consumo especifico de combustible S.F.C, eficiencias globales, gastos, etc. .

7.-Graficar la potencia requerida, empuje y S.F.C en relación a la altitud y a la temperatura máxima.

8.-Realizar una primera selección(tipo de difusor y tobera, altitud optima, temperatura máxima, tipo de compresor y cámara de combustión, relación de presiones)

9.- Regresamos al paso 6.10.-Realizamos un calculo preliminar del dimensionamiento del

motor(diámetro de entrada y salida)

11.-Con ello se empieza diseñar cada parte por separado, la admisión, el compresor, cámara de combustión, turbina, postquemador, tobera.

12.- Para el paso 11 se tienen criterios diferentes. Por ejemplo a grandes rasgos para el compresor, primeramente se debe tener en cuenta el techo operativo, la condiciones de entrada de temperatura y presión, velocidad a la entrada, el flujo másico de aire que entra. Se proponen (por experiencia o iteración) incrementos de temperatura por etapa, relaciones adimensionales, velocidad tangencial, revoluciones por minuto del motor y en consecuencia su velocidad angular, factores de perdida, grado de reacción y relaciones geométricas (perfil aerodinámico, relación altura/cuerda, etc. ). Con ello se diseña el triangulo de velocidades(ángulos del perfil para todos los radios y para el radio medio), se determinan criterios de radio medio, altura, relación cubo-cabeza de acuerdo al tipo de teoría para el calculo, con todo lo anterior se grafican los resultados, se diseñan los alabes, se proponen el numero de ellos para el estator y para el rotor, se obtiene la eficiencia global y relación de presiones del compresor(se regresa al paso 8).

13.-Se realiza el acoplamiento de componentes de turbina, compresor, cámara de combustión, para ello se utilizan graficas que se diseñan o se deberán tener en cuenta en caso de hacer alguna reingeniería o mejora a motores anteriores por medio de parámetros constantes o números a dimensionales para su mejor manejo. En caso de algún ajuste se regresa a el paso 11 y dependiendo al 4.

Aplicación y propuesta de

energía renovable(Energía Eólica)

Energía Renovable• Hidráulica• Geotérmica• Biomasa y Biocombustible• Energía Eólica(aerogeneradores)• Solar(Plantas de energía y celdas solares)• Etc.

Las energías renovables son recursos limpios y seguros para el medio ambiente.

Por ejemplo!!!• Biomasa y biocombustibles(empleados y en vías de desarrollo en

aeronáutica a partir del maíz y de la caña de azúcar o a partir del carbón con mezcla de combustible que reduce el % de hidrocarburos a usar)

• La licuefacción directa consiste en el tratamiento del carbón con hidrógeno bajo la presencia de un catalizador. La tecnología para convertir carbón en combustible líquido transforma al carbón en gas de síntesis, una sustancia compuesta mayormente por monóxido de carbono e hidrógeno.

Con posterioridad, el hidrógeno y el monóxido de carbono se reelaboran y recombinan para desarrollar hidrocarburos líquidos, en el marco de un proceso que libera dióxido de carbono. Sin embargo, como el nuevo proceso no requiere la gasificación de todo el carbón, permite emitir una menor cantidad de CO2 y agua alcanzar una mayor eficiencia energética.

• CO + H2 -(CH2)n- + H2O

• La energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores

• Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar entre el 1 y 2%

• La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operativas, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador

Propuesta de una línea de investigación

• Aerogenerador de doble hélice con celdas solares para aprovechar tanto la energía solar como la

energía eólica.

Aerogenerador• Es un conjunto de palas las cuales son usadas para convertir

la energía que posee el aire en una forma útil que se puede aprovechar, en la propulsión se utiliza una hélice, en la cual es necesario tener un torque que mantenga la rotación de las palas y un reacción del aire sobre las mismas para dar una tracción en el eje axial de rotación en una misma dirección, en cambio en un aerogenerador el torque y el empuje se pueden revertir, y la reacción aerodinámica del aire sobre las palas da un arrastre o resistencia al avance que tiende a incrementar el torque. por lo que un aerogenerador se puede utilizar como un recurso de energía en ambos sentidos de rotación.

• Una hélice actúa como un aerogenerador cuando el factor de avance es tan alto que el empuje y el torque de ambos son negativos ya que la incidencia de el viento relativo sobre las palas es muy alto, teniendo ángulos de incidencia negativos. El ángulo de incidencia se puede definir como el ángulo que se forma desde el eje axial con respecto a la inclinación de la pala, el aerogenerador funciona eficientemente para ángulos muy pequeños.

(2.1) Las palas de un aerogenerador son diseñadas cuando tienen

superficies muy pequeñas para corrientes de aire relativamente grandes. se encuentra colocado estáticamente en la tierra y presenta la ventaja de que el arrastre no es de importancia a menos que la estructura no se encuentre bien diseñada y la eficiencia no es una medida factible para dicho aerogenerador, ya que es alta

nD

VJ

Características aerodinámicas y estructurales.

En un aerogenerador los términos comúnmente empleados son la velocidad de la punta (wR), la velocidad relativa del viento (V), solidez el cual es la relación total de las palas respecto al disco, la relación wR /V.Los aerogeneradores dependiendo la relación wR/V que operan se han clasificado en diferentes grupos: los de baja velocidad (wR) donde wR/V es de el orden de 1 o 2 y los de alta velocidad (wR) en donde wR/V es del orden de 4.Un aspecto importante es que los aerogeneradores de alta velocidad requieren una menor solidez que los de baja para una misma potencia y es más simple su construcción, así como hay menor interferencia entre las palas.

En los aerogeneradores de baja velocidad deben ser ajustadas las palas debido a efectos de vibración. Los de alta velocidad tienen la ventaja de tener una alta relación de régimen de rotación y requiere menor transmisión pero por otra parte la resistencia al avance es alta debido al régimen de rotación y una alta fuerza centrífuga en las palas. Un aerogenerador de alta velocidad requiere también de un cuidado estructural y aerodinámico.Otro punto importante es el torque experimentado por el aerogenerador cuando llega una corriente de aire repentina ya que la pala experimenta un esfuerzo.

Aerogeneradores idealesPara un aerogenerador ideal se calculan la resistencia al avance, la potencia, la eficiencia, la potencia máxima, la relación de potencias y la energía cinética de el aire a través del discos según teoría de Rankine-Froude de la siguiente manera: (también se utiliza las teorías del elemento de pala y elemento combinado)

32

32

232

22

2

1max

227

8max

1

)1(2

.)1(2

VRE

P

P

VRP

a

aaVRP

aaVRD

Algoritmo de diseñoEntrada: Angulo de

paso(q)CLCd

Solidez (s)

VariarAngulo de paso(75%)

Variar Factor de avance

(J)

Angulo de velocidades(F)

Angulo inducido(Fo) y

Angulo de ataque(a)

Velocidades inducidas(a,b)

Rutina de integraciónCt y Cq

Cs, n

Propuesta de celdas solares• Convertidores de energía ffotoeléctricos (celdas

solares) Fotoeléctricos: son las baterías eléctricas o las celdas solares,

como se componen de diferentes capas de micro cristales y se pueden ver en el siguiente diagrama (12-15Kg/)

• Convertidores eléctricos: los mas utilizados son aquellos que:

Por su costo los podemos clasificar en Silicio cristalino(Si)

Película amorfaGalio- Arsénico(GaAs)

Galio- arsénico, indio y germanio (GaAs/In/Ge)

Por su eficienciaSilicio cristalino(Si)----8-16.5% a 160W

Película amorfa----5-8-12%Galio- Arsénico(GaAs)----12-20% a 200W

Galio- arsénico, indio y germanio (GaAs/In/Ge)----16-26%

• Por su peso por unidad de área de convertidores eléctricos

Silicio cristalino(Si)1.25 / 1.35Кg/m2

Pelicula amorfa0.8 / 0.12Кg/m2

Galio - Arsénico(GaAs)1.6 / 1.7Кg/m2

Galio-arsenico, indio y germanio (GaAs/In/Ge)1.7 y mas Кg/m2

Conclusiones• Las energías renovables solucionan muchos problemas ambientales,

como el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas y la contaminación atmosférica. Las energías renovables podrían cubrir un tercio del consumo de electricidad y reducir las emisiones de dióxido de carbono.

• La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles.

• Usa, Alemania, Francia, España, China e India, los que mas la utilizan.• México ocupa el noveno lugar entre los países que emiten más gases

de efecto invernadero en el mundo a pesar de ser uno de los países con mayor energía renovable del planeta. Por lo que es una buena opción a mediano y largo plazo en el país y en el mundo.

Gracias por su atención