Este documento presenta el sistema Splitter como una solución para hacer frente a la variación de la relación de derivación (BPR) en los motores de ciclo variable (VCE). El sistema Splitter consiste en lobulos móviles que pueden cambiar la relación de áreas en la entrada del motor para derivar más o menos flujo. El documento analiza el diseño conceptual y parametrico del sistema, y propone su aplicación para optimizar un VCE existente y mejorar su eficiencia de combustible. Los resultados indican que el sistema Splitter es viable técnica y económicamente
3. 1. Introducción
• Splitter: Solución al problema de la
variación del BPR en los VCE
• VCE del proyecto y de aplicación del
sistema
• Carencia de derivadores de flujo
eficientes
4. 2. Historia y motivación
• ¿Por qué un motor de ciclo variable?
5. 2.1. Historia de los VCE
• Aparición en los años 70
• Investigaciones de organizaciones de
seguridad y constructoras aeronáuticas
• Búsqueda del ATFE y del motor para
transportes supersónicos
• Actualmente: GE YF-120
6. 2.2. Historia de los derivadores
• Variación del BPR mediante distintos
sistemas de regulación de flujo
• VABI, Annular Inverter Valve, Front
VABI->Efecto en la zona de derivación
• Derivadores: O`Rourke 1978->No tuvo
éxito
• Ausencia hoy día de un sistema de
derivación eficiente
7. 2.3. Motivación
• Propósito de los VCE
• Motivación del sistema Splitter
Una variable mas->Rediseño en vuelo
BPR
ΠHPC
Ausencia de
un sistema
de derivación
eficiente
8. 3. Objetivos
• Idea original->Rediseño en vuelo
• Concepto
explorado por
los VCE
• Solución a la
variación del
BPR en los VCE
• Solución sencilla y eficiente->Splitter
9. 4. Definición y conceptos de VCE
• Desarrollo de los VCE y su tecnología
desde los 70
• Investigación de organizaciones y
empresas
• Conceptos Estadounidenses->NASA,
GE, P&W, DoD, Boeing, etc.
• Conceptos Europeos->MTU, MD de
Rep. Fed. de Alemania.
13. 5. Definición del sistema Splitter
• Criterios de definición:
Eficiencia aerodinámica y mínima perdida
de carga
Simplicidad del sistema
Mínimo peso
Dimensiones reducidas
Gran aplicabilidad y versatilidad
Gran rango de actuación (BPR)
Rapidez de actuación
14. 5.1. Principios básicos
• Derivación por cambio de relación de
áreas
• Sistema de control de gastos
• Comunicación entre sistema derivador
y sistema de control.
31. 6.2. Elección parámetros de
diseño
• Criterios
Minimización de la cuerda y del peso
Relaciones de radio y longitud aceptables
Minimización de fuerzas aerodinámicas
Minimización de esfuerzos por deformación
• Deformación del sistema
Deformación de lóbulos y cubiertas
Punto neutro de diseño
32. 6.2. Elección parámetros de
diseño
• Fuerzas aerodinámicas
Calculo inexacto de fuerzas y momentos
en etapa 18 de misión
Sobredimensionado de los cálculos
Orden de magnitud:
• Restricciones de longitud y radio
Restricción de longitud: del orden del 1%
Restricción de radio: aceptable para el
diseño del proyecto
33. 7. Aplicación del sistema
• Aplicación a los VCE
Sistema constructivo, NO aplicación
Medidas constructivas adicionales:
Sistema controlador de flujo: VABI o Tobera/s
Turbomaquinaria de geometría variable
• Aplicación a conceptos definidos
Single and Double Bypass simplification, Rear
VABI
VTF
Conceptos novedosos: 4 posible conceptos
novedosos
34. 8. Adaptación a un VCE
• Aplicación del sistema a un VCE
diseñado como motor del F-35A
• Concepto de VCE usado
F135 100 como base para optimización
según BPR variable
Incorporación de Splitter: Derivación
Sistema de control de gastos: VABI
Reparto de la expansión: Turbinas de
geometría variable
36. 8. Adaptación a un VCE
• Diseño de la aplicación Splitter
• Parámetros de radios obtenidos del diseño
del motor de base y del F135 100
37. 9. Viabilidad de un VCE
9.1. Objetivos y procedimiento
• Comparación de motor tipo de F35A
con su optimización
• Diseño de planta de potencia tipo:
Remotorización del F35A
• Optimización de este motor según
BPR variable. Definición del VCE
38. 9. Viabilidad de un VCE
9.2. Diseño de motor tipo de un F-35A
• Remotorización de
la nave
• Misión estándar
• Elección de ciclo
termodinámico:
Leg 13
• Consumo de
combustible
40. 9. Viabilidad de un VCE
• Elección de ciclo termodinámico: Leg
13
41. 9. Viabilidad de un VCE
• Consumo de combustible. Misión
estándar
42. 9. Viabilidad de un VCE
9.3. Optimización de un turbofán según
BPR variable. VCE
• Objeto de comparación con el anterior
motor
• Optimización del motor de base
• Optimización según unas pautas y un
método especifico
43. 9.3. Optimización de un turbofán
según BPR variable. VCE
• Metodología y soluciones técnicas
Pautas seguidas en la optimización
Rel. Compresión LPC constante y variación en
el core
Variación del BPR y variables secundarias
Metodología: Variación de la relación de
gastos y cambio en la compresión en HPC
Reparto de la expansión en las turbinas y
cambio de la relación de gastos
44. 9.3. Optimización de un turbofán
según BPR variable. VCE
• Optimizaciones
Elección de parámetros para proceso de
optimización
Optimización
según BPR
variable
Nuevo diseño
en etapa y
nuevos
parámetros
45. 9.3. Optimización de un turbofán
según BPR variable. VCE
• Resultados
Consumo de combustible
49. 9.6. Viabilidad. Resultados finales
• Atractivo económico
Impacto económico de la reducción de consumo
Comparación con otras mejoras
Impacto económico, aumento de la carga de
pago
Beneficio estratégico
50. 10. Conclusiones
• Solución al problema de la variación
del BPR de algunos VCE
• Involucración de muchos aéreas de
conocimiento->Escasa profundización
en los análisis
• Sobredimensionado de los cálculos.
Cálculos conservativos
• Sistema viable ingenieril y
económicamente
51. Sistema Splitter y adaptación a
los VCE
Presentación Proyecto Fin de Carrera
E.U.I.T. Aeronáutica
David Torres Ocaña
Aeromotores Octubre 2010