PRP 42 - TÓPICOS PRÁTICOS EM PROPULSÃO DE AERONAVES. 2 Conceitos Relacionados a Motores Turbofan
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- Júlio César Canejo Salvado
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1 R 42 - ÓICOS RÁICOS EM ROULSÃO DE AERONAVES 2 Conceito Relciondo Motore urbofn
2 Mteril Bixr de ftp:// /lcv diretório R 42 rincipi Referênci Bibliográfic - he Jet Engine Roll Royce G urbine heory H. Cohen, GFC. Roger, HIH. Srvnmutoo - Mechnic nd hermodynmic of ropulion,. Hill, C. eteron. Contto plcv@it.br
3 urbin Gá como Sitem ropulivo. urbojto urbofn turbo hélice 3
4 Evolução tecnológic do uo d turbin gá (jto) n vição comercil. SFC Specific Fuel Conumption Conumo Epecífico de Combutível = mf/ 4
5 urbojto x urbofn Rendimento propulivo Empuxo p 2.u ( u u ) Gnho de energi cinétic que o ecomento dquire o pr pelo motor. u = velocidde d eronve u = velocidde do ge m r.( u u ) Vrição de fluxo de quntidde de movimento que o ecomento tinge o pr pelo motor. Rendimento propulivo x Empuxo epecífico = / m r p 2.m r.u 5
6 p é precio / m r. Aumentr o fluxo de r no motor. Aument o tmnho do motor. 2. Aumentr o fluxo de r celerdo pelo motor em que bo prte dele ecoe trvé do gerdor de gá. Funcionmento do urbofn 6
7 Componente do Motor urbofn entrd de r compreor de bix rotção ou booter bocl de exutão do r externo ou bocl do fn Generl Electric CF34-0 Embrer 90 / 95 bocl de exutão do ge quente Fn compreor de lt rotção câmr de combutão turbin de lt rotção turbin de bix rotção
8 Evolução e Vntgen Opercioni do Motor urbofn pr Aplicção n Avição Comercil Vntgen Opercioni que ornm o Motor Competitivo pr Avição Comercil de Médio e Longo Alcnce: ) Mior eficiênci ropuliv no lto ubônico; b) Envelope de operção dequdo pr o vôo comercil; c) Otimizção do lcnce d eronve d) Contínuo vnço tecnológico e) Redução de ruído 8
9 ) Eficiênci propuliv : rzão entre potênci de empuxo gerdo e o umento de energi cinétic experimentd pelo ecomento.u p 2 m.[( f).(u 2 2) u p (u 2 (u - u).u 2 2) (u 2) 2] 2.u/u u/u = forç de empuxo u = velocidde de vôo m = vzão de r que entr f = rzão combutível / r u = velocidde de decrg Do ge 9
10 b) Envelope de operção Altitude (ft) urbo Jto urbo Fn urbo Hélice Mch Motore que trblhm com mior fluxo de r ão limitdo menore ltitude redução d m epecífic do r influênci fortemente ee motore - o turbofn etão em um poição intermediári. 0
11 urbofn é Limitdo pel velocidde de voo no lto ubônico - Arrto devido à mior áre de pgem em relção o motor turbojto: GE F404 - urbojto Empuxo: 7 kn (6 lbf). Diâmetro de entrd Compreor: 0,79 m Roll-Royce - RB 2 - urbofn Empuxo: 92 kn Rzão de pgem:4 Diâmetro do Fn:,88 m
12 Mior umento do rm drg com velocidde pr o motor turbofn Empuxo Epecífico [kn./kg] Mch = 0 nível do mr r (totl) = 30 urbojto 300 K 500 K Limite opercionl do urbofn 700 K Empuxo Epecífico [kn./kg] perd de empuxo epecífico do turbojto Mch = 0, m r (totl) = 30 urbojto perd de empuxo epecífico do turbofn 300 K 500 K 700 K Limite opercionl do urbofn B m ( f).u B u - ( B).u f B rm drg 2
13 c) Alcnce d Aeronve: t. L D. C g ln m m 2 (34) = lcnce t = eficiênci do motor L = forç de utentção D = forç de rrto C = poder clorífico do combutível g = celerção d grvidde m = m n decolgem m2 = m no finl do trecho Otimizção do lcnce d eronve contece no lto ubônico 3
14 d) Contínuo vnço tecnológico 4
15 Ano 60 J8D W rção inicil de lb creceu té lb. BR de,78. Cerc de unidde form entregue. Doi conjunto rottivo. 5
16 Ano 80 W 4052 Evolução do J9. rção inicil de lb creceu té lb. BR de 5. Doi conjunto rottivo. rimeiro modelo tinhm controle hidro-mecânico, nov verõe têm controle eletrônico. 6
17 Ano 90 AE3007E Allion (hoje RR) rção inicil de lb creceu té lb. BR de 5. Cerc de 2000 unidde já form entregue. Doi conjunto rottivo. Controle eletrônico. Udo no E45/40/35, Legcy e SIVAM. 7
18 Ano 90 GE90 GE rção inicil de lb já creceu té lb. BR de 8. Doi conjunto rottivo. Controle eletrônico. 8
19 Ano 2000 FAN OGV Mount Combutor Ce H HC L Chevron Nozzle Center Body hrut Reverer CF34-8E GE rção inicil de lb creceu té lb. BR de 5. Doi conjunto rottivo. Controle eletrônico. Udo no E70. EBU 9
20 e) Redução de ruído d eronve 20
21 Modelo ropulivo do Motor urbofn 2
22 Como obter reultdo com precião pr o empuxo? -Modelo termodinâmico com comportmento médio típico. - Modelo termodinâmico com mp genérico de componente (Deck Genérico). - Modelo termodinâmico do fbricnte (Deck do Motor). Qulidde do reultdo - Enio etático do motor. - Enio do motor em voo (copldo um eronve de enio). Complexidde - Enio em voo n eronve de plicção.
![Equçõe do Empuxo e Conumo Epecífico u C u H / m [( f).u u] B.](/docs-images/69/61140382/images/23-0.jpg "(u H H C u) m m H C B m f = vzão de r que p n prte intern do motor = vzão de r que p n prte extern do motor m m H C =")
23 Equçõe do Empuxo e Conumo Epecífico u C u H / m [( f).u u] B.(u H H C u) m m H C B m f = vzão de r que p n prte intern do motor = vzão de r que p n prte extern do motor m m H C = Rzão de pgem = conumo de combutível f m f m H = rzão combutível/r
24 Definição d Etçõe de Análie: E e E tempertur e preão toti entre turbin
25 Modelo ermodinâmico do Componente do Motor Entrd de r D definição de tempertur de etgnção ou totl: 0 2 u 2Cp Definindo o número de Mch de vôo M u u γ.r. ( ) 02 ( M 2 2 ) r entrd de r, o rendimento dibático pode er definido como rzão d vrição d entlpi idel (ientrópic) pel rel durnte o proceo de difuão, pr mem rzão de preão, ou ej: d h h h h h Cp. Supondo Cp igul pr o doi co 25
26 d d d d r difuor ientrópico d 02 d d 02 d d Compreor e Fn A eficiênci dibátic do compreor, correponde à rzão entre o trblho de um compreor idel (ientrópico) e o trblho do compreor rel pr um mem condição de entrd e mem rzão entre preão de etgnção finl e inicil c h h h h W W rel comp ient comp rc A preão totl n íd do compreor é dd por: onde rc é rzão de umento de preão do compreor
27 c c c c rc c r o compreor ientrópico. ) ( c c c p rc r o fn: rf onde rf é rzão de umento de preão do fn. ) ( f f f p rf
28 Câmr de Combutão Blnço de energi no combutor: b.m f.c m.h 03 (m m f ).h 04 b.f.c h 03 ( f).h 04 energi liberd n combutão entlpi do r que entr n câmr de combutão entlpi do produto de combutão n íd d câmr de combutão Onde é eficiênci d câmr de combutão. Fzendo f <<< : b b.f.c h Aim: 03 ( f).h 04 b.f.c ( f).h04 h 03 Cp.( f).(04 03) f b.c C p Ob: 04 = 03 28
29 Ob. Definição de eficiênci de combutão 3 b (UHC 0,232CO).0 CO emião de monóxido de crbono em g de CO/kg de combutível UHC emião de hidrocrboneto não queimdo em g de UHC/kg de combutível motor CFM56-2A erie CFM Interntionl regime /O C/O App Idle UHC 0,04 0,04 0,08,3 CO 0,9 0,9 3,4 23,5 Ef. Comb 0, , ,9993 0,99348 mf,4 0,9 0,38 0,30 m UHC 0, , , ,469 m CO,0026 0,899,082 3,055 Ddo d ICAO 29
30 urbin Compreor Fzendo eguinte coniderçõe: ) o trblho relizdo pel turbin é o memo fornecido o compreor, 2) vzão d turbin é prticmente mem do compreor, 3) o clor epecífico Cp é o memo pr o doi componente: m turbin. Cpturbin.( 04 E ) m compreor. Cpcompreor.( 03 08) rblho produzido pel turbin rblho de cionmento do compreor E 04 (03 08) E 04 r um turbin ientrópic E 04 E 04 γt γ Eficiênci dibátic d turbin t W W turbinrel turbinientr h h t h h E E E E E γ t γ t E 04 t E 04 γt γ t - E 04 t E 04 30
31 urbin do Fn 05 E ( B )(08 02) 05 E t 05 E γ t γ t E e E 3
32 Bocl de Ge Quente Coniderndo o bocl como dibátic, energi cinétic pode er clculd como: u 2 n /2 07 u u h h 7 h h h 06 h h h 7 Cp.( γ 06 7 ) 06.Cp. r um bocl ientrópico e upondo que o ecomento expnde té preão mbiente: Cp.Cv R 2 2 Cp Cv n n γn γ n A eficiênci do bocl é definid como rzão entre energi cinétic pr o ecomento rel e energi cinétic pr o ecomento ientrópico. Fzendo ind: Cp R. γn u 2.n.R06. /p γ Finlmente combinndo o reultdo, pode-e clculr velocidde de íd do bocl n (γ n ) p 06 γ n γ
33 Bocl do Fn Fzendo um deenvolvimento imilr o nterior pr o bocl do ge quente: u f 2. ) fn fn. R08. / 08 fn ( fn p p fn OBS2: vlore típico de eficiênci d = 0,97 c = 0,85 f = 0,85 t = 0,90 n = 0,98 fn = 0,98 b = 0,999 33
34 M, e ( ) ( M d ) d d rf rf 03 f. 02 p rf ( f ) f rc f c b. p rc ( c) c.c 04 u f 04 C p ) fn fn. R08. / 08 fn rc 04 ( fn p p fn E 04 (03 08) E E 04 t 04 γt γ 05 E ( B )(08 02) γ γ t E t E t t γn u 2.n.R06. /p γ n (γ n ) p 06 γ n 34
35 Exemplo Clculr o empuxo epecífico e conumo epecífico (SFC) pr um motor turbofn operndo Mch 0,85 e m ( = 8,75 e = 26,7 K. Ur o ddo bixo pr eficiênci e rzõe de clor epecífico. Comprr com exemplo nterior pr o motor turbojto. eficiênci Entrd de r 0,97 Fn 0,85 Compreor 0,85 Câmr de combutão urbin do Compreor 0,9 urbin livre 0,9 Bocl de ge quente 0,98 Bocl do Fn 0,98 Componente do Motor Gm Entrd de r,4 Fn,4 Compreor,37 Câmr de combutão,35 urbin do Compreor,33 urbin Livre,33 Bocl de ge quente,36 Bocl do Fn,4 Ddo opercioni: empertur n áid d câmr de combutão 600 K Rzão de reão no compreor 20 Rzão de reão no Fn,5 Rzão de gem 5 oder Clorífico Inferior do Combutível kj/kg R médio 288,3 m2/(2.k) Cp no combutor, kj/(kg.k) 35
36 Reultdo: emp. totl no finl d entrd de r 248,03 K re. totl no finl d entrd de r 29,6748 k re. otl n íd do Fn 44,522 k emp. totl n íd do Fn 283,85 K re. otl n íd do Compreor 890,245 k emp. totl n íd do Compreor 699,879 K Rzão Combutível/Ar 0,0232 urbin do Compreor emp. totl n íd d turbin do compreor 83,97 K re. totl n íd d turbin do compreor 225,28 k urbin do Fn emp. totl n íd d turbin do Fn re. totl n íd d turbin do Fn Bocl de íd do Fn Velocidde de íd Bocl de íd do ge quente Velocidde de íd Velocidde de vôo Empuxo Epecífico Empuxo Epecífico Conumo Epecífico 968,945 K 90,8277 k 350,532 m/ 840,335 m/ 25,382 m/ 04,3 m/,043 kn./kg 0,02094 kg/(kn.) 36
37 Exemplo 2 (jute do modelo termodinâmico um motor rel) Motor urbofn rtt & Whitney W-4000 Ddo nível do mr: Empuxo: 252 kn Rzão de pgem: 4,8 Rzão de preão totl: 30,2: vzão de r: 773 kg/ Rzão de preão no Fn:,72: empertur (04): 628 K 37
38 Ddo de entrd Vzão de r 773 kg/ empertur n áid d câmr de combutão 628 K Rzão de reão no compreor 7,56 Rzão de reão no Fn,72 Rzão de gem 4,8 Mch de vôo 0 reão tmoféric 0,3 k empertur tmoféric 288,5 K oder Clorífico Inferior do Combutível R médio Cp no combutor Eficiênci do Componente do Motor Entrd de r 0,97 Fn 0,85 Compreor 0,85 Câmr de combutão urbin 0,9 Bocl de ge quente 0,98 Bocl do Fn 0,98 Componente do Motor Gm Entrd de r,4 Fn,4 Compreor,37 Câmr de combutão,35 urbin,33 Bocl de ge quente,36 Bocl do Fn, kj/kg 288,3 m2/(2.k), kj/(kg.k) Reultdo: emp. totl no finl d entrd de r 288,5 K re. totl no finl d entrd de r 0,3 k re. otl n íd do Fn 74,236 k emp. totl n íd do Fn 344,966 K re. otl n íd do Compreor 3059,58 k emp. totl n íd do Compreor 89,098 K re. otl n íd d câmr 3059,58 k emp. totl n íd d câmr com perd 628 K Rzão Combutível/Ar 0,02079 emp. totl n íd d turbin 824,334 K re. totl n íd d turbin 35,888 k Bocl de íd do Fn Velocidde de íd 32,94 m/ Bocl de íd do ge quente Velocidde de íd 362,827 m/ Velocidde de vôo 0 m/ Empuxo Epecífico 872,48 m/ Empuxo Epecífico,87248 kn./kg Vzão totl de r o nivel do mr 773 kg/ Vzão totl de r corrigid pel ltitude 773 kg/ Vzão máic de r do gerdor de gá 33,2 kg/ Vzão de r do bocl do Fn 639,8 kg/ Empuxo 249,45 kn Reultdo de,02% em relção o rel. Conumo Epecífico Conumo de combutível 0,0 kg/(kn.) 2,76892 kg/ 38
39 Outro reultdo: Empuxo epecífico do bocl quente 370,37 m/ Empuxo epecífico do bocl quente 0,37037 kn./kg Empuxo do bocl quente 49,3332 KN % do totl pr o bocl quente 9,77 % Empuxo epecífico do bocl do Fn,502 kn./kg Empuxo do bocl do fn 200,082 kn. % do totl pr o bocl do Fn 80,23 % 39
40 Futuro de evolução 40
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