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
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
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
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
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
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
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Turbofan de CM com Pós-queimador
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
Turbofan de CM com Pós-queimador
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
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Turbofan de CM com Pós-queimador
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
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Análise de Ciclo - Exemplo • TurboFan, F414G, GE
• Aeronave: Gripen, SAAB
Turbofan de CM com Pós-queimador
2013 JEMB Prancha 9
Análise de Ciclo • TurboFan, M88-2, SNECMA (SAFRAN)
• Aeronave: Rafale, Dassault
Turbofan de CM com Pós-queimador
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
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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
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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
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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.