Estudio del motor turbofan y el impacto medioambiental que genera. Jorge Doroteo

Índice ¿Por qué vuela un avión? Motor turbofan. Contaminación producida. Cálculo de la contaminación atmosférica en el entorno del aeropuerto de barajas en el año 1998.

¿Por qué vuela un avión? Sobre un avión en vuelo actúan 4 fuerzas básicas y principales que afectan a todas las maniobras en el aire.

¿Cómo se desplaza un avión? Se produce una propulsión por efecto de la reacción producida por la descarga de un fluido que es expulsado a gran velocidad por la parte posterior. Un sistema de propulsión es una máquina que produce un empuje para desplazar un objeto hacia adelante (Motor).

Existen 2 clasificaciones de sistemas propulsores según necesiten utilizar el aire de la atmósfera para su combustión y funcionamiento o no. Motores aerorreactores y motores no aerorreactores.

Tipos de motores. Motores aeroreactores: Turborreactor. Turboeje. Estatorreactor. Turbohélice. Turbofán. Motores de explosión. Motores no aerorreactores: Motor cohete. Sistemas de propulsión nuclear. Sistemas de propulsión electricos.

Funcionamiento de los motores aerorreactores. Están principalmente propulsados por turbina de gas basándose en el principio de acción-reacción. Un gas o fluido es acelerado por el motor y la reacción a la aceleración produce una fuerza en el motor.

Turbina de gas. Esta compuesta por dos partes principales. El generador de gases. La unidad generadora de potencia.

El generador de gases. Está formado por uno o varios compresores, la cámara de combustión, y finalmente la turbina de expansión de gases, en la que sólo se obtendrá la potencia necesaria para mover los compresores. Objetivo  proporcionar el gas a alta presión y temperatura.

La unidad generadora de potencia. La unidad generadora de potencia es donde se obtendrá la potencia útil de la máquina, y dependiendo de lo que se busque, será otra turbina de expansión de gases, o bien en este caso, una tobera de propulsión. Tobera  transforma la energía total a la salida de la turbina en energía cinética necesaria para generar el empuje al descargar los gases a la atmósfera en la dirección adecuada.

En este trabajo estudiaremos un tipo de motor aerorreactor, el turbofan.

Turbofan. Consiste en una entrada de aire, un ventilador, una turbina de gas y una tobera de propulsión. Una parte del trabajo de la turbina es suministrado en forma de potencia al compresor.

Régimen de velocidades. Una propiedad muy importante de cualquier gas es la velocidad del sonido a través de dicho gas. Cuando la altura varía, la temperatura del aire cambia y por lo tanto se producirá una variación de la velocidad del sonido, que afectará en el transito de subsónico a supersónico. Debido a esta variación de la velocidad del sonido, el termino que se utiliza en aeronáutica para comparar velocidades es el numero mach.

El número mach.  

Régimen mach Km/h Subsónico <0,8 <1230 Supersónico 1,2-5 1230-6150 Hipersónico 5-10 6150-12300 Hipersónica alta 10-25 12300-30740

Impacto medioambiental. La aviación es responsable del 2% del total mundial de emisiones de CO2 resultantes de la combustión de carburantes fósiles. Esta proporción podría alcanzar el 3% en 2050

Emisión de gases. El JetA, es el principal combustible utilizado por los aviones comerciales. Al quemarse lanzan a la atmósfera, principalmente, tres tipos de compuestos químicos: Compuestos del aire ambiente: N2 y O2. Productos de combustión completa: CO2 y H2O (agua en forma de vapor). Contaminantes, que no son quemados: CO, HC, SO2, Nox y el hollín (pequeñas partículas de carbono y otras sustancias sin quemar).

Medida de las emisiones de un motor turbofán. (Grases producidos por cada kilo de combustible)

Combustible consumido en ciclos LTO en el aeropuerto de barajas. Nº total de ciclos LTO en 1 año: 268.898 Consumo medio por ciclo LTO: 1.000 kg Combustible consumido por ciclos LTO en un año : 268898 x 1000 = 268898 T

Total de gases producidos por LTO. NOx  62.1 kg CO  46,94 kg HC  10,05 kg SN  7.1 kg

Total de gases producidos por LTO en un año. NOx  62,1 x 268898 = 16698 T CO  46,94 x 268898= 12622 T HC  10,05 x 268898= 2702 T SN  7,1 x 268898= 1909 T

Emisiones de ruido. La medida para evaluar el ruido en aviación es el EPNdB (nivel efectivo del ruido percibido). Es una unidad indicadora de los efectos subjetivos del ruido de las aeronaves en los seres humanos, teniendo en cuenta el nivel y duración del ruido percibido.

Conocimientos previos. Frecuencia. Tono puro. Análisis de Fourier  Armónicos.

Frecuencia. Es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Para calcular la frecuencia de un suceso, se contabilizan un número de ocurrencias de este teniendo en cuenta un intervalo temporal, luego estas repeticiones se dividen por el tiempo transcurrido. Se mide en Hz

Tono puro. Un tono puro corresponde a una onda senoidal, es decir, una función del tipo f(t) = A sen(2 π f t). En el mundo real no existen tonos puros, pero cualquier onda periódica se puede expresar como suma de tonos puros de distintas frecuencias.

Análisis de Fourier. En matemáticas el análisis armónico o análisis de Fourier estudia la representación de funciones o señales como superposición de ondas "básicas" o armónicos.

Cuando a un tono se le aplica el análisis de Fourier, se obtienen armónicos de los cuales el primero y los que tienen un número de orden que es una potencia de 2 (2, 4, 8, 16...) tienen alguna similar sensación de tono que el primero (ya que al estar a distancia de octava, el oído humano suele percibirlas como "las mismas notas pero más agudas"). El resto de parciales armónicos se perciben como otros sonidos distintos del fundamental, lo que enriquece el sonido.

Ruido por zonas del motor. Ruido en el Compresor y el Fan. Ruido en la Turbina. Ruido de los gases de escape. Sistemas de reducción del ruido en un motor.

Ruido en el Compresor y el Fan. En condiciones subsónicas son las interacciones entre los campos de presión y las ráfagas que generan los elementos rotantes los que generan los tonos. La frecuencia a la que ocurren los tonos está en función del número de aspas en la etapa de rotación y sus velocidades relativas. Si la separación entre las aspas rotatorias y estacionarias es pequeña, se genera un intenso campo de presiones y una fuerte generación de tonos puros.

Ruido en la Turbina Espectro de frecuencia del ruido generado por la turbina.

Ruido de los gases de escape. El ruido del chorro a la salida de la tobera es resultado de la turbulencia producida por la mezcla de los gases de escape con la atmósfera. El nivel de ruido del chorro de escape cae a medida que la velocidad de los gases de escape se reduce.

Sistemas de reducción del ruido en un motor. El uso de material absorbente de ruido en ciertas áreas del motor. Diseños de toberas de escape que mezclan el aire caliente con el aire del flujo secundario Con este método se reduce la velocidad de salida de los gases y, por tanto, el ruido emitido.

Bibliografía http://aviacion-contaminacion.blogspot.com.es http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1 /17686/1/PFC%20Jose%20Lopez%20Memoria.pd f http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia