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Gregorio L. Juste , ETSI Aeronáuticos, UPM

[email protected]; http://labprop.dmt.upm.es

Evolución 3-4 : Cámara de combustión

En la cámara de combustión es donde se inyecta una cantidad de combustible en la unidad de

tiempo, c, al aire comprimido por el compresor y se produce una combustión adiabática con el

consiguiente aumento de temperatura. La temperatura al final de la evolución será la temperatura

de combustión adiabática correspondiente.

Energía liberada por unidad de volumen y tiempo) es mucho más alta en los aerorreactores 4,5·105

kW/m3 que en las plantas de vapor 3·102 kW/m3

- Combustión completa.

- Pocas pérdidas de presión de remanso.

- Estabilidad de los procesos de combustión.

- Adecuada distribución radial de temperatura y ausencia de puntos calientes.

- Pequeñas longitudes y áreas frontales.

- Ausencia de apagados de llama

- Capacidad de reencendido.

- Buen funcionamiento bajo diferentes gastos másicos, presiones y temperaturas.

Propiedades más deseadas de estos combustores de aplicaciones aeronáuticas

(T4t)max <=2000 K < (T4t)estequiometricas =2200-2500K

f=c/G < festequiometrica =0,063



0

Apagado de

llama

Apagado

de llama

Combustión

estable

1

Parámetro de Carga de la Cámara de

Combustión, I

f

0

f = 1



Geometría y distribución de flujos



Estabilización de zona primaria



Configuración de cámara y flujos



TUBULARES

TUBO-ANULARES

ANULARES

Tipos de cámaras

Flujo directo



Tipos de cámaras

Flujo invertido



TUBULAR TUBO-ANULAR ANULAR

Relación de presiones de remanso

0.93 0.94 0.95

Homogeneidad de perfiles MALO REGULAR BUENO

Coste BARATA MEDIA CARA

Refrigeración MALO MALO BUENO

Compacidad ACEPTABLE ACEPTABLE BUENA

Características típicas de cámaras de combustión de aerorreactores



Combustión adiabática a presión

constante

Ecuación de la energía:

Entalpía reactantes=Entalpía productos

HR = HP

(1-g)G+c (reactantes)

(1-g)G+c (productos)

Modelo

REACTANTES : masa por unidad de

tiempo “G” de aire + masa por unidad

de tiempo “c” de combustible

PRODUCTOS : masa por unidad de

tiempo “G+c” de productos de

combustión

Datos: P3t, T3t y f ó T4t

4 3

3 4R P

V V

G c h G c h

=



3 3

4 4

( )R a t f iny

P i i t

i t i t i ref i ref

h h T fh T

h Y h T

h T h T h T h T

sensible formación

=

=

=

CpRT

CpPT

3

4 r r

r 4 r 3

R Rref Rref

P P ef P ef

Rref P ef P P ef R Rref

G c h h h

G c h h h

h h h h h h

=

=

=

Suponiendo gas caloríficamente

perfecto y tomando un cP medio

para productos y reactantes 4 3298 298reaP pP t pR tQ G c c T c T =



Combustión completa : CO2, H2O QreaP = cL

Combustión real: CO2, H2O,CO, HC, OH, H, NOx, …….etc. QreaP

4 3

:

298 298

q

reaPq

q pP t pR t

rendimiento decombustión

Q

cL

cL G c c T c T

h

h

h

=

=

Calor aportado : cL

c gasto de combustible

L : poder calorífico inferior del

combustible

Calor aportado real hqcL

Suponiendo un cp medio constante (combustión diluida): el proceso es semejante a un

proceso de adición de calor a presión constante

4 3

4 3

1

1

q t t productos

q pe t t

cL g G c h h

fL f C T T

h

h

=

=



Presión de remanso a la salida de la cámara de combustión :

Perdidas de presión de remanso por fricción, mezcla y adición de calor

434

3

tcc

t

P

P = =

2

3 33 4 41 2

3 3 3 3

1,49 1tt t t

t t t

G TP P TK K

P T A P

=

pérdidas aerodinámicas („frías‟) + pérdidas fundamentales („calientes‟)

1

2

40

2,4

K

K

=

=



Evolución 4-5 : expansión en la turbina

Datos: P4t, T4t

c auxiliart c auxiliar disipa

m

W WW W W W

h

= =

4 5

4 5

1

1

1

t t

t t

pe t t

W g f G

g f G h h

g f G C T T

= =

=

545

4

tt

t

P

P = =

45 4 5 5 445

45 4 5 5 4

5 4 5 4

1 1

5 445

1 /

1 /

1 / 1 /

1 / 1

real

ideal

e e

e e

pe t treal t tt

ideal pe t t t t

t t t t

t t

C T TW T T

W C T T T T

T T T T

P Pg g

g g

h h

= = = = = =

= =



/ideal

pe t pereal t real t tt

ideal t t t t t

C dT CW dh P dTe

W dh dP R T dP

= = = =

rendimiento politrópico, et

1

5 5

4 4

e t

e

e

t t

t t

T P

T P

g

g

=

1

4545 1

45

1

1

e t

e

e

e

eg

g

g

g

h

=



1

45 1

45

1 1 1

1

e

e

e

e

N

ej ej

g

g

g

g

h

h

=

Rendimiento adiabático total función del rendimiento adiabático de cada escalón, hei

donde 45 ei =

y N es el nº de etapas



MORFOLOGÍA DE LAS TURBINAS AXIALES



TURBINAS AXIALES: Aerodinámica



Triángulos de velocidades en un escalón de turbina axial



Turbina de acción Turbina de reacción



T4t Refrigeración y materiales



Materiales Efecto de la temperatura



Fabricación



+ Refrigeración



Técnicas de refrigeración



Fabricación compleja == costos elevados



T4t elevadas == necesidad de elevados gastos de

refrigeración y esquemas complejos



g

g

h

=

= =

4 5 5

1

5

4

4

1

1 1

real t t ct t

realtt

idealideal t ct

t

W T T T T

WP

WW T TP

El flujo de refrigeración afecta al rendimiento en tres sentidos:

Cambiando la resistencia de los álabes, probablemente incrementándola.

Produciendo una presión de remanso a la salida más baja, debido a la pérdida de

presión que el flujo de refrigeración sufre a través de los pasajes del sistema de

refrigeración.

Incrementando la entropía del flujo total como un todo por la transferencia de calor

que tiene lugar.

un 2,5% de gasto de refrigeración del

rotor producen una reducción del

rendimiento de la turbina de un 6,5%.

Definición del

rendimiento con

refrigeración



Evolución 7-8/9. Tobera de salida

P9 = P0

PRIMER PRINCIPIO

Proceso isoentálpico:

59 59

5 8 9 5 8 9

0

t t t t t t

q

h h h T T T

= =

= = = =

gradientes favorables de presión

pérdidas muy pequeñas

La tobera de salida de un motor actúa como un controlador del área del flujo en los

cálculos de actuaciones.

La tobera se trata más fácilmente como un artilugio unidimensional. Después se utilizan

correcciones a sus actuaciones ideales (unidimensionales e isentrópicas) en forma de

coeficientes de gasto (descarga) y de velocidad (empuje). Su comportamiento no ideal

se debe a:

capas límite;

perfiles de la corriente (presión y temperatura);

convergencia o forma

ondas de choque (toberas con-di).



TIPOS DE TOBERAS

TOBERAS

(por geometría) CONVERGENTES

CONVERGENTES-

DIVERGENTES

AUTOADAPTABLES

ALTO e

(motores cohete)

BAJO e CON-DIV

(aerorreactores)

BIDIMENSIONALES

AXILSIMÉTRICAS



TOBERA CONVERGENTE

M8 < 1 P8 = P0

P8t = P5t

g = = =

= =

2

28

5 8 8 8 8

8

8 5 8 5

5

11

2 2

2 2 1

t t

P

P t P t

t

VT T T T M

c

TV c T T c T

T

g g

g g

= =

1 1

8 0 8 0

8 8 5 5t t t t

T P T P

T P T P

g

g

=

1

0

8 5

5

2 1P t

t

PV c T

P



g g

g g

g

g

g

g

g

g

g g

g

g g

gg

g

=

= = =

= =

= =

= =

=

8

1 1

5 8 8 8

15 5

8 0 8

0 8

5

8 52

8

15

8 5

12

8

8 8 8

1

1 11

2 2

11

2

2

1 11

2

2

11

12

t t

t t

tt

tt

g

M

P P P P

P PP P M

P P

TT T

M

PP P

M

V M R T

TOBERA

CONVERGENTE



Flujo cuasi-unidemensional

TOBERA CONVERGENTE-DIVERGENTE : CON-DI



TOBERA CONVERGENTE-DIVERGENTE : CON-DI

g

g

g

g

g

g

g g

gg

g

g

g

g

= = = =

=

= = =

= = =

= =

=

=

=

= =

9 8 5 9 8 5

8

5

8 52

8

15

8 5

12

8

8 8 8

12

9 9 9

2

9 9 9

9 9 9

9 9 9

1

2

1 11

2

2

11

12

11

2

11

2

t t t t t t

tt

tt

g

t

t

g

h h h T T T

M

TT T T

M

PP P P

M

u V M R T

P P M

T T M

P R T

u V M RT

P0 = Pt

P = Ps



1 1

9 09 9 5

9 5

1

99 5

5

9 0

0

9 5

1

09 5

5

2 1

2 1

e e

e e

t t

t t

p t

t

t t

p t

t

P PT T T

P P

PV c T

P

Tobera adaptada P P

P Presión ambiente

donde descarga la tobera

Evolución isentrópica P P

PV c T

P

g g

g g

g

g

g

g

= =

=

=

=

=

9 0 89 8 1P P M

V V= =

1

2 15 2

5

11

2

t

t

G RTF M M M

AP

g

ggg

= =

NÚMERO DE MACH (M)

F(M)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 1 2 3 4 5



Movimiento en toberas (flujo isentrópico)

../lec02/V11_4.mov



Toberas Reales

Gasto RealCoeficiente de Descarga=

Gasto IdealDC =

Área Geométrica de la Tobera CD = Área Efectiva de la Tobera.

Velocidad Media Real Empuje RealCoeficiente de Velocidad (empuje)=

Velocidad Ideal Empuje Ideal con Gasto RealVC = =

CD depende de:

•El ángulo de la parte convergente,

•Corriente externa (corriente libre alrededor de la góndola),

•La proximidad de los cuerpos exteriores (alas, soportes...).

CV depende de:

•La forma de la tobera,

•Rugosidad de la superficie.



Toberas vectoriales



TOBERAS: EMPUJE VECTORIAL



TOBERAS: GEOMETRIA VARIABLE



Ruido



Inversores de empuje



Evolución PROCESO DATOS DE

DISEÑO

DATOS DE

ENTRADA

DATOS DE

CALIDADES

CÁLCULO

0-2 DIFUSOR V0, T0, P0 d T2t, P2t

2-3 COMPRESOR c T2t, P2t hc T3t, P3t , c

3-4 CÁMARA DE

COMBUSTIÓN T4t T3t, P3t hq, cc f, P4t

4-5 TURBINA T4t, P4t ht, hm T5t, P5t

5-9 TOBERA T5t, P5t T9, V9, M9

Resumen del cálculo del ciclo



CONDICION DE VUELO (V0,H)

CALIDADES

(hIJ)

EMPUJE

Variables de calidad

0 0 0s s s sE G V G V A P P=

EI E G C c E= =

c tT4

COMPORTAMIENTO POPULSOR

0 P u m uW W W EVh = =

COMPORTAMIENTO MOTOR

2 2102

M m m sW cL W G V Vh = =

SISTEMA MOTOPROPULSOR

MP M Ph h h=



E = GsVs – G0V0 +As(Ps – P0)

Eb = GsVs + As(Ps – P0)

CE = c/G0 I = E/G0



Problem-Solving Techniques (Fluid Mechanics, Frank M. White, Chapter 1 Introduction)

1. Gather all the given system parameters and data in one place.

2. Find, from tables or charts, all needed fluid property data: , , cp, k, , etc.

3. Use SI units (N, s, kg, m) if possible, and no conversion factors will be

necessary.

4. Make sure what is asked. It is all too common for students to answer the wrong

question, for example, reporting mass flow instead of volume flow, pressure

instead of pressure gradient, drag force instead of lift force. Engineers are

expected to read carefully.

5. Make a detailed sketch of the system, with everything clearly labeled.

6. Think carefully and then list your assumptions. Here knowledge is power; you

should not guess the answer. You must be able to decide correctly



7. Based on steps 1 to 6 above, write out the appropriate equations, data correlations,

and fluid state relations for your problem..

8. Report your solution clearly, with proper units listed and to the proper number

of significant figures (usually two or three) that the overall uncertainty of the

data will allow.

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