Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de MadridSISTEMAS INCREMENTADORES DE EMPUJE1. Introduccin, tipos de sistemas, sistemas de postcombustin.2. Estudio del postcombustor ideal, ganancia de empuje, incremento deconsuno y consumo especfico de combustible .3. Estudio del postcombustor real, planteamiento de las ecuaciones,resolucin y discusin.4. Expresiones aproximadas de la variables de salida y ganancia deempuje en el postcombustor real5. Otros sistemas. Inyeccin de agua en el compresor. Inyeccin deagua en la cmara11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero1Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero1. - Introduccin.2Necesidades puntuales de la misin a realizar por una aeronave pueden exigir empujes muygrandes comparados con el empuje requerido en el resto de la misin. Los aviones militaresdeben volar en rgimen subsnico alto durante la mayor parte de la misin y puntualmente enrgimen supersnico.Cmo resolver el problema?. Posibles solucionesPosibilidad de dimensionar el motor para esos casos puntuales. Sera un sistemacostoso y antieconmico. Mxime cuando la mayor parte del tiempo no corresponde aesos casos puntuales.Posibilidad de dimensionar el motor para las condiciones normales de la misin ydarle la posibilidad de incrementar, apreciablemente y de forma puntual, el empuje conel objetivo de cumplir esas necesidades puntuales. Esto nos lleva a la definicin de lossistemas incrementadores de empujeSistemas Incrementadores de Empuje son aquellos sistemas que incrementanapreciablemente y de una forma discontinua el empuje del motor.Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero3Cmo se puede incrementar el empuje?Supngase tobera adaptada por simplicidad. Entonces( )) ( )) ( )ssLos Sist. Incrementadores de EmpujE G Vs Voa SiV G cte EbSiG Vs ctee manejan ambas variables ( V y G) para E E= ((| = |((| = ||ambs p remremrem s s remPV c TP E(G=cte) Sist. de PostcombustionT V ; V T (| | (= | ( |\ . ( | 12 1remEntrada tobera Cmara Vs Eexisteoxgeno adicionalT(( | | |(( a) Sistema de postcombustin. b)Inyeccin de lquidos. remG Inyectar un liquido en E alguna seccion del motor P ( | | (| Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero4Sistema de postcombustin. Consideraciones de intersa) Necesidad dedifusor de entrada: Prdidas de presin de remanso Son proporcionales a la velocidad delfluido elevada al cuadrado (?) Estabilizacin de llama. Dependedelavelocidad. Si Vsube=>apagado de llama. Los estabilizadores establecen unarecirculacin =>estabilizacindellama=> perdidas de presin. Equilibrio entre prdidas en losestabilizadores ysu efectoestabilizador. Bloqueo trmico. La adicin de calor acelera el fluido hastaun lmite mximo de Mach unidad. El Machde entrad limita la adicin de calor.Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero5b) Necesidad de tobera con geometra variable. Necesaria para mantener el gasto ymantener fijo el punto de funcionamiento del generador de gas o la turbomaquinaria(grupo compresor-cmara de combustin-turbina)t pcpc pct pct t tpc t t t ttpct t tPAGRT AP T TA P T T PAGRTAP P TA7t5t( )( )( )( )y;2 .TTI I I I == ~=~ ~ ~ ~7 87 85 7 78 7 5 5 5 8585 7 782100 1 44t995t5t7t9pc9pcSTDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero6EJ200Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero72. - Estudio del postcombustor idealSe define postcombustor ideal como aquel en que el rendimiento en la expansin en latoberacomodelacmaradel postcombustor eslaunidad. Noexistenperdidasdepresin de remanso en la cmara (P7t=P5t) y se mantiene constante el gasto que circulapor l e igual al existente con postcombustor apagado.La condicin de gasto constante se traduce en que nada cambia aguas arriba delpostcombustor; es como si hubiese una pantalla que evitase que el motor viese si elpostcombustor esta encendido o apagado. El punto de funcionamiento del generadorde gas no cambia, consecuentemente el punto 5t es fijo.2 3 4415 6 8 7 9NGVCool.OverboardBleedHandlingBleedHPTCooling31 4t95t5t7t9pcSTDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero8a) Ganancia de empuje( ) ( ) ;pc pcE GV V E GV V = = 9 0 9 0Si se supone tobera adaptada: Epc= empuje con postcombustor encendidoE = Empuje con postcombustor apagado9 9 9 99 0 0 911A = = = pc pc pc pcE E E V V V VE E V V V VLa condicin de entalpa de remanso constante en la tobera permite calcular lavelocidad de salida. h5t=conste=h9t, h7t=conste=h9pct1909 7 77 795 7 7 5199 09 5 55 52 1 2 12 1 2 1 (| | | | (= = || (\ . \ . ( = = (| | | | (= = || (\ . \ . ( pcpc pe t pe tt tpct t t tpe t pe tt tTPV c T c TT PVP P T TVT PV c T c TT P4t95t5t7t9pcSTDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero9pc pc sp t t t tttV E I T T T TTTV E V V I V VA A = = = 9 7 5 7 5759 0 9 0 91 11 1Sustituyendo se obtiene la ganancia de empuje e impuso especifico, dada porImpulso Especfico (altitud = 0 m)T4t = 1800, tc = 25:1, T7t = 2200020040060080010001200140016000 1 2 3 4 5 6Mach de Vuelo, M0Isp (m/s)Isp_tbIsp_pcAparte de la gananciaimportante de impulso obtenidaes de resaltar: La ganancia relativa esmayor cuanto mayor es elMachdevuelo, cuandomsnecesario es, y Permitevolaravelocidadesde vuelo superiores. ElimpulsoseanulaparaMachde vuelo muy superiores alcaso del turborreactor base.Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero10Ganancia importante de empuje,mayor ganancia cuanto ms alto es elMach de vuelo. Por qu? El motor no ve si el postcombustorest encendido o apagado. Secomporta como si no existiese. Parafuncionamiento a T4t=conste, secumple que T5t~constante yV9~conste (ligera subida con V0). (?)Si M0=>V0/V91T7t se puede suponer constante conel Mach de vuelo. pc t tE T TSi M V VE V VA | = |7 50 0 90 9111pc pc sp t t t tttV E I T T T TTTV E V V I V VA A = = = 9 7 5 7 5759 0 9 0 91 11 1T4t = 1800, tc = 25:1, T7t = 2200altitud = 0 m00,511,522,530 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4Mach de Vuelo, M0AE/E, Ac/cDE/E AE/EDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero11b) Incremento de consumo de combustible: (( ) ) ;( ); ( )consumo en la cmara y consumo en el postcombust orpc pc pc pc pcpc pe t t pe t tpcc c c c c c cc L Gc T T cL Gc T Tc cA A = + = == = = =7 5 4 3( ) ( ) /

( ) ( )

/ ( ) ( ) ( )Epc pc Epc pc pc pc pc pcE p E pc c pc pcC c c E c c c c c c cE EC c E E c E EC cE E ccC E E EA AAAA A+ + + +=++= = = = + +1 11 1 11La aplicacin de la ecuacin de la energa, considerandocombustin adiabtica, permite obtenerEn consecuencia el incremento relativo de combustible viene dado porc) Incremento de consumo especfico de combustible:pc pct tt tpct t t tt t t t t tt t t t tt tpct tt tt t t tc cT Tc c T TcT T T TT T T T T Tc T T T TcT TTT T T Tc TTTTAA A= = = + = = = + ==

( ) ( ) ( ) ( ) /

( ) ( ) ( )7 54 37 5 7 54 3 4 57 55 34 3 5 2 53 2 255 325111 114t95t5t7t9pcSTDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero12( )( )7 5 7 50 9 2 511 11 1 1;;pc pc pc Epc t t t tt t E pcc c E c C T T T TE V V c T T C E EA A AA+ = = = +T4t = 1800, tc = 25:1, T7t = 2200altitud = 0 m00.511.522.533.540 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4Mach de Vuelo, M0AE/E, Ac/c1.21.251.31.351.41.45CEpc/CEDE/E Dc/c CEpc/CEImpulso Especfico (altitud = 0 m)T4t = 1800, tc = 25:1, T7t = 2200020040060080010001200140016000 1 2 3 4 5 6Mach de Vuelo, M0Isp (m/s)Isp_tbIsp_pc Para Mach de vuelo subsnicos el CEpcsube apreciablemente frente al CEconsecuenciadelabajadadel rendimientodepropulsinpor lasubidade Vsconpostcombutor encendido, an subiendoel rendimiento motor . Se aproximan cuando el Mach de vuelo sube consecuencia de la subida delrendimiento de propulsin, la Vs seaproxima a laV0Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero133. - Estudio del postcombustor real Prdidas de presin de remanso en el difusor, inyectores y estabilizadores dellama.Prdidas de presin de remanso por friccin y adicin de calor en elpostcombustor (fundamental losses). Globalmente se produce una cada t67 delorden del 4-8%.Combustin estequiomtrica o casi estequiomtrica. Combustin diluida no vlida=> Un menor rendimiento de combustin qq,pcBloqueo trmico. El proceso de adicin de calor acelera la corriente hasta alcanzarel Mach unidadLos efectos reales son debidos a:( )q pc pc pe t tc L Gc T T q = . 7 64t95t5t7t9pcST6tDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de MadridEntrada 6tSalida 7t11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero14Hiptesis de clculo:Fluido ideal Conducto de seccin constante conadicin de calor Los efectos friccin se introducenglobalmente mediante un coeficientede resistencia CD.Objetivo:Calcular las variables de remanso ala salida 7t, P7ty T7t, que permitanel clculo de las variables motorasintensivas con postcombustorencendido. Conocidas las variablesen la entrada, 6tPlanteamiento de las ecuaciones, resolucin y discusin.Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero15Ecuacin de continuidadEcuacin de cantidad de movimientoEcuacin dela energa = V V6 6 7 7 + = + + = + +DP V P V D P V VC2 2 2 26 6 6 7 7 7 7 7 7 6 612..q pc pct tpe t q pc pc pe t ft pe t tf LT Tc T f L c TT c T Tqq + = =+ =+7 76 76 6 61 1P = = ;P PRT RT6 76 76 7Ecuaciones del gasT7t/T6t?. De la ecuacin de la energa, conocido el parmetro de combustible Pf, seobtiene la relacin de temperaturas a la salida:. q pc pct tft pe t tf LT TT c T Tq=+ =+7 76 6 61 1PDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero16P7t/P6t?. Conocidos el M7y P7/P6, P7t/P6t podra obtenersecomo:,siy Mconocidost tt tMP P P PP P P PM | |+ |\ .= | |+ |\ .1277 7 7 776 6 6 6126112112P7/P6?. De la ec.de continuidadDe la ec.de cantidad de movimientottMPV M M T PV P TV VRT RT P M T M TM += = = =+266 6 6 6 7 7 7 7 76 6 7 726 7 6 7 6 7 67112 (I)112( ) { } { }( ) DDDP V P V D P V VCC MPP MP C M P M + = + + = + ++ =++ = +2 2 2 226 6 6 7 7 7 7 7 7 6 66722 26 76 6 7 711 1 22(II)11 1 2 1Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero17De las expresiones (I) y (II) se obtiene, igualando: y reagrupando trminos:( )( )ttDTM M M MMTM M M C | | | |+ ++ ||\ . \ .=+ + + 2 2277 7 6 6662 2 27 6 61 11 112 2 (III)1 1 1 1 2( )M MF MM | |+ |\ .=+221121Si llamamos F(M)a:( )( )( ) ( )ttDTMTFM FMM C+=+ 27667 6 261(IV)1 1 2Si en (IV) suponemos el caso sin friccin (CD/2=0), la expresin (IV) se convierte en:( ) ( )ttTFM FMT=77 66 (V)y sustituimos en (III)quedaDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de MadridF(M)00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50 1 2 3 4 5Nmero de Mach, M11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero18( ) ( )ttTFM FMT=77 66 LafuncinF(M)presentaunmximoparaM=1. Se conoce como bloqueo trmico. Si M6M6El mximo de T7t/T6to mximocombustible a quemar corresponde a M7=1(bloqueo trmico).Si M6>1 la corriente se decelera al calentar(subir T7t/T6t quemar combustible). Elmximo de T7t/T6t o mximo combustible aquemar corresponde tambin a M7=1(bloqueo trmico).Parmetro de Combustible Lmite05101520250 0.2 0.4 0.6 0.8 1Nmero de Mach a la entrada del postcombustor, M6Cd = 0Cd = 2Cd = 4( )( )( ) { },lim,limmax;DftftM CF MF M MTT (+ = ( = + ( | |= + |\ .226726 6761 1 2111 1PPLos efectos de friccin son equivalentea subir T7t/T6t, ver expresin (VI)F(M6)F(M7)Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero19Finalmente la expresin (IV), dados T7t/T6t, combustible quemado, variables en la seccin 6t,y geometra, CD, proporciona el Mach en la seccin de salida M7=> ecuacin de segundogrado en M72. El resto de ecuaciones proporcionan las dems variables de inters:( )( )( ) ( ) ( )ttDTMTFM FM FM k MM C+= = + 27667 6 7 7 261(IV)1 1 2( )DC MP PMP M P+ = +267 77 26 7 61 1 2(II) 1t tt tMP P P PP P P PM | |+ |\ . = | |+ |\ .1267 7 7 76 6 6 6127112 112. .)q pc pc q pc pct tf fpe t t pe t tf L f LT Tc T T c T Tq q =+ =+7 76 6 6 6 ( 1 1 P PDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero20Parmetro de Combustible Lmite05101520250 0.2 0.4 0.6 0.8 1Nmero de Mach a la entrada del postcombustor, M6Cd = 0Cd = 2Cd = 4Las dos figuras presentan: a) el parmetro de combustible limite (bloqueo trmico) omxima relacinT7t/T6t=1+Pf, y b) la cada de presin de remanso paraT7t/T6t=2. ParaM6=0.2, puede observarse: Una prdida de presin de remanso muy elevada (10%), lo que originara una cada noaceptabledel incrementodeempujepara(T7t/T6t=2). Si T7t/T6t=6, lasprdidasseranmucho ms grandes, peor situacin. Las prdidas suben con T7t/T6t como veremosLa relacin de temperaturas (T7t/T6t=1+Pf~6) sera muy superior a la alcanzable con unqueroseno estndar (T7t/T6t2)Lacadadepresin/estabilizacindellamasuelenfijarel MachM6 limite(condicincrtica)ynoel bloqueotrmico. EndiseoM6~0.1. NormalmentenuncasealcanzaelbloqueoDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero214. - Expresiones aproximadas de la variables de salida yganancia de empuje en el postcombustor real.El nmero de Mach aparece siempre comoM62y al mismo tiempoM6~0.1=>M62~0.01 subida de P5t => subida de P5t/P0 =>subida de VsTobera cr tica ( = gasto salida)Empuje subePara Emcurvas caracteristicas del Compresort tt t t S t S tt tS t SentradaP P (T / T cte T cte, cte, cte) G KP G kPP PG P GN conste G GV= => = = ~ => = =| |= + +4 44 5 5 5 35 330puje subecompresor se aproxima al surgeDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero25a) Inyeccin de agua en la cmaraEl agua se inyecta a la entrada de la cmara de combustin.Ecuacin de acoplamiento, sin inyeccin de agua,( ) ( )(1)c tc t cp tG G f fc Tq tt t t| |= + = + + | |\ .121 1 1Ecuacin de acoplamiento, con inyeccin de agua,( ) ( ) ( )(2)' ' ' c tc t c t cp tG G g f ' g f ' g f 'c Tq tt t t t t| |= + + = + + = + + + | |\ .121 1 1 1Dividiendo entre si las expresiones (2) por (1)( )( )( )( ) si>c t'p t ' cc cc tcp tg f 'c Tg f ' ffc Tq ttt tq tt| |+ + + | |= + + + > |+ + |\ .1221 11 11 1Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero26( )( ) > g f ' f ? + + + 1 1Ecuacin energa en la cmara, sin inyeccin de agua,( ) ( ) (3)q p t t q p t tcL (G c)c T T fL ( f )c T T q q = + = + 4 3 4 31Ecuacin de la energa en la cmara ,con inyeccin de agua,( ) ( )+ (4)calor latente de vapaorizacin;=fraccin de agua inyectadaq p t ' t q p t ' tc' L (G c' gG)c T T Ggq f ' L ( g f ')c T T gqq gq q = + + + = + + =4 3 4 31Al mismo tiempo debe cumplirse que (qcconste)( )(5)'p t ccp ' t tc Tc T Ttq| | | |\ .=123 21Dado el punto de funcionamiento sin inyeccin, g yq, las ecuaciones (2) , (4) y (5)permiten obtener de forma aproximada las incgnitas f, tcy T3tDepto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero27Si se hace la simplificacin conservativa de T3tT3t, esto permite( ) ( )( ) ( )q qq p t ' t p t t qfL fLf ' L ( g f ')c T T gq;c T T f ' L ( g f ') gqf fq qq q = + + = = + ++ ++ +4 3 4 31 11 1operando( ) ( )( )( )+

q q q'c c t Sgq gq gqf ' gf f f ' g f f ' fL L Lg f 'f ' f P Vfq q qt t| |= + + = + + + > | |\ .+ +> > > | |+31 1 1111En cuanto al gasto de salida se tiene que, suponiendo tobera crtica:Tobera crtica gasto sin inyeccingasto con inyeccintt tttttttgtw ' twg' tTconste T conste consteTT constePconsteconstePG TA f ( , R) constePGG TGA f ( , R) constePtq= = = = ` ==)= = = ` == = )4554450 55055El gasto de salida'c wcGGtt= >`|)01Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero28Qu ocurre con el gasto de aire en la entrada?gasto de aire sin inyeccin

gasto de aire con inyeccin (6)a aw aw aw aw' 'c aw aw aw aw c wc a a a cG G c GG G gG c' GG gG c' G G G g f ' fG G c G f G g f 't tt t= + = = + + =+ + + + += = = =+ + + +0 0 00 01 11 1La expresin (6) muestra la variacin del gasto de aire. La primera fraccin baja (1). El gasto de aire subir? Globalmente sube:El empuje sube debido a la subida de gasto.El gasto de salida sube ms que el gasto de aire a la entrada.El empuje tambinsube debido a la subida de la velocidad de salidaLas subida de empuje (25-30%) son superiores a las obtenidas en el caso deinyeccin de agua en el compresor.Depto de Motopropulsin y TermofluidodinmicaEscuela Tcnica Superior de Ingenieros AeronuticosUniversidad Politcnica de Madrid11/05/2011Motores de Reaccin/4 curso/G Corchero29Gasto salidaGasto de airetctctc