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2013 JEMB Prancha 1

PROPULSÃO II Análise de Ciclo

TurboFan com Correntes Misturadas e Pós-queimador Prof. José Eduardo Mautone Barros

[email protected] www.mautone.eng.br

mailto:[email protected]

http://www.mautone.eng.br/

2013 JEMB Prancha 2

Turbofan de CM com Pós-queimador

Definições e Nomenclatura

ARP 755A SAE Gas Turbine Engine Notation

0

1 2

3 4

7 8 9

CC

5

6

13

4a

16

0 – escoamento livre

1 – entrada de ar

2 – entrada do fan (compressor de baixa pressão)

13 – saída do fan

3 – saída do compressor

4 – saída do queimador

4a – saída da turbina de alta pressão

5 – saída da turbina de baixa pressão

16 – saída do duto do fan

6 – entrada do pós-queimador

2013 JEMB Prancha 3




0

1 2

3 4

7 8 9

CC

5

6

13

4a

16

6 – entrada do pós-queimador

7 – saída do pós-queimador

8 – garganta da tubeira

9 – saída da tubeira

Escoamento livre, seção 0

Recuperação de pressão (r), seções 0-1

Entrada de ar (d), seções 1-2

Fan (f), seções 2-13

Compressor de alta pressão (c), seções 2-3

Queimador (b), seções 3-4

2013 JEMB Prancha 4




0

1 2

3 4

7 8 9

CC

5

6

13

4a

16

Duto do fan , seções 13-16

Turbina (t), seções 4-5

Turbina de alta pressão (tH), seções 4-4a

Turbina de baixa pressão (tL), seções 4a-5

Misturador (M), seções 5 e 16–6

Pós-queimador (AB), seções 6-7

Tubeira (n), seções 7-9

2013 JEMB Prancha 5


Modelo do misturador (M)

Para um misturador subsônico : (condição de contorno de Kutta)

𝜏𝑀 =𝑇𝑡6𝑇𝑡5

𝜋𝑀 =𝑃𝑡6𝑃𝑡5

𝜋𝑀 = 𝜂𝑀𝜋𝑀𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

𝑃16 = 𝑃5

16

5

6 Misturador

𝑇𝑡16𝑇𝑡5

𝑃𝑡16𝑃𝑡5

𝛼′ =𝑚 16𝑚 5

𝑜𝑢 𝐴16𝐴5

Dados do misturador:

𝑀16 =2

𝛾16 − 1

𝑃𝑡16𝑃𝑡5

1 +𝛾5 − 1

2𝑀5

2𝛾5/(𝛾5−1)

(𝛾16−1)/𝛾16

− 1

Obs: o subíndice t na pressão (P) e temperatura (T) indica condição de estagnação

Razões de temperatura t

e pressão p no componente

2013 JEMB Prancha 6


Modelo do misturador (M)

Pela conservação de energia :

𝜏𝑀 =𝑇𝑡6𝑇𝑡5

=𝑐𝑝5

𝑐𝑝6

1 + 𝛼′ 𝑐𝑝16/𝑐𝑝5 𝑇𝑡16/𝑇𝑡5

1 + 𝛼′

16

5

6 Misturador

Considerando as áreas constantes: 𝐴5 + 𝐴16 = 𝐴6

Pela conservação de massa : 𝑚 5 +𝑚 16 = 𝑚 6

Para gases perfeitos : 𝑐𝑝6 =𝑐𝑝5 + 𝛼′𝑐𝑝16

1 + 𝛼′

𝑅6 =𝑅5 + 𝛼′𝑅161 + 𝛼′

𝛾6 =𝑐𝑝6

𝑐𝑝6 − 𝑅6

2013 JEMB Prancha 7


Modelo do misturador (M) Pela conservação de quantidade de movimento :

𝑀6 =2Φ

1 − 2𝛾6Φ+ 1 − 2(𝛾6 + 1)Φ

16

5

6 Misturador

𝜋𝑀𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =𝑃𝑡6𝑃𝑡5

=(1 + 𝛼′) 𝜏𝑀1 + 𝐴16/𝐴5

𝑀𝐹𝑃(𝑀5, 𝛾5, 𝑅5)

𝑀𝐹𝑃(𝑀6, 𝛾6, 𝑅6)

Φ =1 + 𝛼′

1

𝜙(𝑀5, 𝛾5)+ 𝛼′

𝑅16𝛾5𝑅5𝛾16

𝑇𝑡16/𝑇𝑡5𝜙(𝑀16, 𝛾16)

2𝑅6𝛾5𝑅5𝛾6

𝜏𝑀

𝜙(𝑀, 𝛾) =𝑀2 1 + 𝛾 − 1 /2 𝑀2

1 + 𝛾𝑀2 2

2013 JEMB Prancha 8

Análise de Ciclo - Exemplo • TurboFan, F414G, GE

• Aeronave: Gripen, SAAB


2013 JEMB Prancha 9

Análise de Ciclo • TurboFan, M88-2, SNECMA (SAFRAN)

• Aeronave: Rafale, Dassault


2013 JEMB Prancha 10

Análise de Ciclo • TurboFan

correntes misturadas, com pós-queimador M88-2 SNECMA (SAFRAN)

• Aeronave: Rafale

• www.snecma.com

• Calcular o funcionamento com pós-queimador no ponto de projeto

Turbofan de CS com Pós-queimador

Motor M88-2

Tração com pós-queimador (wet) 17000 lbf

Tração sem pós-queimador (dry) 11250 lbf

TSFC com pós queimador (wet) 1,70 lbs/s

TSFC com pós queimador (wet) 0,80 lbs/s

Razão de diluição (bypass ratio) 0,30

Razão de compressão total 24,5

Vazão de ar 143 lbs/s

Diâmetro de entrada 27,5 in

Área de entrada de ar 594 in^2

Comprimento do motor 139 in

Número de estágios do fan 3

Número de estágios do compressor 6

No. de estágios da turbina de alta pressão 1

No. de estágios da turbina de baixa pressão 1

Temperatura de entrada da turbina 2871 °F

Peso do motor 1978 lbs

Relação tração/peso 8,6

http://www.snecma.com/


Análise de Ciclo - Projeto

Estudo de viabilidade técnica • Fan de 2 ou 3 estágios acionado por motor elétrico sem escovas

• Razão de compressão de cada estágio igual a 1,1

• Limite de temperatura do pós-queimador (AB) de 600°C

• Diâmetro da entrada 70 mm

• Calcular a vazão mássica de ar em kg/s, para P9/P0=1

Fan Elétrico com Pós-queimador

0

1 2 3 76

9


Análise de Ciclo – Projeto HybridFan Calcular o empuxo estático (a 0,03 Mach), a potência

elétrica requerida para o Fan, o consumo de combustível do AB e a área da seção de saída para as seguintes cinco configurações: • Fan puro com 1 estágio

• Fan puro com 2 estágios

• Fan puro com 3 estágios

• Fan com 2 estágios com pós-queimador

• Fan com 3 estágios com pós-queimador

Comparar os resultados, calcular o ganho de empuxo e indicar a melhor configuração para máxima velocidade

Fan Elétrico com Pós-queimador

0

1 2 3 76

9


Bibliografia MATTINGLY, J. D. Elements of Gas Turbine Propulsion. New York:

MCGraw-Hill, 1996. 960p.

OATES, G. C. Aerothermodynamics of Gas Turbine and Rocket Propulsion,

AIAA Education Series, AIAA, Washington, DC, 1988. 456p.

ROLLS-ROYCE. The Jet Engine. Derby: The Technical Publications

Department, Rolls-Royce plc, 1986. 278p.

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