Sistemas de Propulsão I Prof. Prof. Carlos A. R. Pimentel / UFABC UFABC
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Turbina a Gás Análise Paramétrica do Ciclo do Motor Ideal A análise do ciclo de uma turbina a gás estuda as mudanças(trocas) termodinâmicas do fluido de trabalho(ar e produtos de combustão) quando este escoa através do motor. A análise do ciclo é dividido em dois tipos: Análise Paramétrica do Ciclo( parametric cycle analysis) também conhecida como ponto de projeto(design-point ou on-design).
Determina a performance dos motores em diferentes condições do voo, valores de escolha de projeto e parâmetros de limite de projeto. Parâmetros de Performance(e.g.): Empuxo, Consumo específico de combustível por
empuxo, etc. Escolha de Projeto(e.g.): Razão de pressão do compressor, Razão de pressão do FAN, Razão de bypass, etc. Limites de Projeto(e.g.): Temperatura de saída da câmara de combustão, Pressão de
saída do compressor, etc. Prof. Carlos A. R. Pimentel / UFABC
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Turbina a Gás Ambiente de Voo(e.g.): Número de Mach, Temperatura ambiente, etc. Análise de Peformance do Motor( engine performance analysis) também conhecida como fora do ponto de projeto( off-design).
Determina a performance de um motor específico em todo as condições do voo e configurações de empuxo. Portanto, o principal objetivo da análise paramétrica do ciclo é relacionar os parâmetros de performance do motor com as escolhas de projeto, limitações de projeto e ambiente de voo, para determinar qual o tipo do motor e caracteristicas de projeto dos componentes que melhor satisfaz uma necessidade particular.
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Turbina a Gás Numeração das Estações
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Turbina a Gás Notação Para um processo isoentrópico.
=
=
−
Para um escoamento permanente, adiabático e não viscoso.
Equação de Conservação da Energia
+
= +
Para um gás caloricamente perfeito
ℎ =
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Turbina a Gás +
= +
Da definição de temperatura total ou de estagnação
= = = =
=
= ⇒ = +
1
=
+
2 = 22
2 = 2
+
+
÷
= =
=
=
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Turbina a Gás +
÷
=
=+
Portanto, para um processo isoentrópico
=+
= +
= +
−
−
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Turbina a Gás Subscrito :
Entrada de Ar
diffuser/inlet
-
compressor
-
Câmara de combustão
burner
-
Turbina
turbine
-
Tubeira
nozzle
-
fan
-
Compressor
FAN
Razões de Pressão total ou de Estagnação =
ã ã
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Turbina a Gás Razões de Temperatura total ou de Estagnação =
Excessões: 1) É definida as razões /á de pressão e temperatura para o escoamento livre, como =
=
=+
= +
⇒
=
−
⇒
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=
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Turbina a Gás 2) É definida a razão entre a entalpia de combustão e a entalpia ambiente. =
(í .)
=
( )í .
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Turbina a Gás Escoamento no Núcleo
=
= = = =
= =
=
Escoamento no Bypass
= = = =
=
= =
=
= =
= =
=
– –
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Turbina a Gás Projeto Os dados de entrada para uma turbina a gás podem ser classificados em 4 categórias: 1) Condições de Voo
2) Limites de Projeto ( )í .
3) Performance de Componente
3) Escolhas de Projeto
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Turbina a Gás Passos para Análise Para um motor com uma única entrada e uma única saída. É usada somente para o núcleo.
1) Equação do empuxo para o motor não instalado. + =
÷ 0
=
=
+
+
0 = 0 0
÷ 9
÷ 0 Prof. Carlos A. R. Pimentel / UFABC
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Turbina a Gás
+
=
2) em termos de , e propriedades do gás.
=
⇒
=
=
9 = 9 9
=
⇒ 2 =
3) Número de Mach de saída ( ).
= +
−
⇒
−
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=+
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Turbina a Gás
=
−
⇒ =
−
onde
=
=
4) Calcular .
=
= −
onde
=
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Turbina a Gás
=
5) Aplicar a ° Lei da termodinâmica para a câmara de combustão, e encontrar uma expressão para a razão í em termos de ′ , etc. + =
6) Quando aplicável, encontrar uma expressão para a razão de temperatura de estagnação através da turbina, relacionando a potência de saída desta com a potência do compressor, fan e/ou hélice. 7) Calcular o empuxo específico utilizando os resultados anteriores. 8) Calcular o consumo específico de combustível por empuxo , usando os resultados para o empuxo específico e a razão í. = Prof. Carlos A. R. Pimentel / UFABC
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Turbina a Gás 9) Desenvolver expressões para calcular a eficiência térmica, propulsiva e total. Hipóteses para o Ciclo Ideal 1) Os processos de compressão e expansão são isentrópicos. Estes processos ocorrem na entrada de ar, fan, compressor, turbina e tubeira. Portanto, = = = = = =
−
−
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Turbina a Gás 2) A combustão ocorre a pressão constante. =
3) O fluxo e massa do combustivel é bem menor do que o fluxo de massa do ar que é injetado na câmara de combustão. Portanto,
+ ≅ ≪ ⇒
4) Os gases que saem pela tubeira são expandidos a pressão ambiente. Portanto, =
5) O fluido de trabalho é o ar, o qual é considerado um gás caloricamente perfeito. ⇒ Prof. Carlos A. R. Pimentel / UFABC
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Turbina a Gás
FIM
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