IPN ESIME TICOMAN ACADEMIA DE AERODINÁMICA MECÁNICA DE VUELO PROF. JACA agosto 2017
Guía e instrucciones para el Proyecto Título: “Cálculo
de los Rendimientos y Act uaciones uaciones de un avión
monomotor de combustión interna con hélice “
Este proyecto servirá como un ejemplo y ejercicio, a través de una metodología propuesta, para aplicar los conocimientos previamente adquiridos con los cuales se realizarán los cálculos de los rendimientos y las actuaciones de una aeronave de ala fija operando en velocidades subsónicas. El proyecto se realizará individualmente y sus avances serán el requisito indispensable para la presentación de los exámenes ordinarios que se aplicarán durante el curso. Para quienes opten o requieran presentar el examen extraordinario, deberán entregar (al final y junto con el examen extraordinario), el proyecto terminado, impreso y engargolado. El proyecto se deberá traer siempre a clase, (en formato libre: cuaderno, carpeta, computadora, etc.), con el avance al día, en calidad de borrador, como apuntes y ejercicios con resultados gráficos y numéricos del avión propuesto. Eventualmente servirá como material para evaluar el rubro de participación en clase. A continuación se explica la estructura del proyecto: Portada: Título, datos institucionales, del autor, del profesor, lugar y fecha.
i) Introducción. Texto en el cual se deben describir el avión, su misión y los motivos de su selección. ii) Objetivo. Redactar en máximo de 5 renglones, el objetivo del proyecto en el contexto del curso . iii) Contenido. Es el índice con paginación. En ésta Guía, lo anotado en color azul corresponde al contenido (índice) del proyecto. Lo anotado en negro son instrucciones, explicaciones o ejemplos.
Desarrollo: El desarrollo de cada tema (y/o donde aplique) deberá tener la siguiente estructura y o considerar las siguientes instrucciones: a. Título. b. Definición. c. Introducción (breve explicación que ubique lo que se va a hacer desde un contexto general). d. Glosario, acrónimos, siglas y/o simbología utilizada, en su orden de aparición. e. Desarrollo físico-matemático del tema hasta la obtención de ecuaciones y fórmulas requeridas. f. Ilustraciones que apoyen el desarrollo. g. Cálculos.
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h. i. j. k. l.
Análisis dimensional. Presentación de resultados. Todas las ilustraciones (dibujos, gráficas, etc.) y tablas deberán llevar título y número de control. Los encabezados de las tablas, para cada columna debe indicar: nombre del parámetro; símbolo; fórmula, fuente o forma de cómo se obtiene su valor; unidades. Referencias bibliográficas. Adicionalmente a lo visto en clase, se deberá consultar y contrastar con al menos una bibliografía y colocar la referencia, (ejemplo: [1] Ordóñez 4, pag. XX ), ), para cada tema, gráfica, ecuación, fórmula, dato, etc., utilizados.
iv) Consideraciones preliminares. Redactar un texto que planteé un escenario, una problemática por resolver o una necesidad a cubrir. c ubrir. Puede tratarse de algo hipotético pero realista, como por ejemplo la selección de un avión para una empresa de fotografía aérea, un fumigador, un taxi aéreo, etc. Explicar el lugar, su elevación, el tipo o características del aeropuerto, aeródromo o terreno de despegue; con base en una misión, el tiempo estimado de vuelo, la distancia a recorrer, la altitud y velocidad de crucero, los tipos de maniobras a realizar, etc. del avión propuesto. Toda esta información serán la base y datos de partida para hacer un ejercicio de los cálculos de los rendimientos y actuaciones del avión seleccionado.
v) Estudio comparativo. Como base para desarrollar la propuesta de un avión al cual se le calcularán sus rendimientos y actuaciones, se propone como estrategia, hacer un estudio comparativo de aviones similares, para adquirir experiencia indirecta, tomar ideas y saber más sobre aviones similares al propuesto. Adicionalmente el estudio comparativo servirá para proponer un avión con su geometría y ficha de datos técnicos. Redactar el propósito del estudio comparativo, colocar como ejemplo solo una de las gráficas de dispersión con su línea o ecuación de tendencia e indicar que en el anexo A se encontrará el desarrollo del estudio comparativo: tabulación o base de datos, las 3 vistas de cada avión recopilado y la s gráficas de la estadística. Proponer la geometría, forma y dimensiones del avión propuesto, al cual se le van a calcular las actuaciones y rendimientos, teniendo como condiciones que sea: monoplano, ala fija, monomotor alternativo y con hélice. No utilizar algún avión existente. El estudio comparativo deberá considerar al menos 5 aviones similares. Para acotar un rango de posibilidades, los aviones similares deberán tener una potencia alrededor de los 300 HP + - 50 HP. En una hoja electrónica, tabular y graficar el peso máximo d e despegue, W 0, de cada avión contra la mayor cantidad de parámetros de la ficha técnica propuesta. Ejemplo: W 0 vs pasajeros; W 0 vs Superficie alar; W 0 vs Potencia, etc. A todas las gráficas aplicarles la l a regresión lineal para obtener la línea de tendencia de su comportamiento. Obtener el promedio aritmético del peso máximo de los n aviones investigados. Con éste valor, regresar a las gráficas y con base en las líneas de tendencia, obtener los demás parámetros para ir completando la ficha técnica de la cual se dan más indicaciones a continuación. vi) Ficha Técnica del avión propuesto
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Elaborar una ficha técnica inicial, tomando como base los formatos y estructuras estructuras de las fichas técnicas de los aviones investigados. Los datos anotados en esta ficha deberán ser obtenidos desde y como fue explicado en el estudio comparativo. Ésta ficha se irá completando y actualizando conforme se avance en el el proyecto. Importante: verificar la congruencia congruencia entre los parámetros geométricos y hacer los ajustes convenientes, por ejemplo, si el ala es trapezoidal, verificar la correspondencia entre la superficie alar, la envergadura, la conicidad, etc. vii) Tres vistas iniciales No utilizar tal cual alguno de los aviones recopilados, se trata de proponer otro que podrá ser similar a alguno pero con las dimensiones (anotadas en la ficha técnica) derivadas del estudio comparativo. La geometría (la forma) puede ser parecida alguno de los aviones recopilados en tanto sea congruente con la aplicación elegida. Elaborar los dibujos TÉCNICOS* a escala de las tres vistas del avión. Incluir cada vista en una hoja tamaño carta con acotaciones, escala y cuadro de datos (título, fecha, escala, unidades, etc.), además del isométrico o una vista en perspectiva. Será conveniente hacer el dibujo en tres dimensiones , 3D, para determinarle al avión su “superficie húmeda”, dato útil para calcular a su vez su resistencia al avance parásita . Se recomienda leer éstos temas en el libro de Daniel P. Raymer (ver bibliografía en el temario de la asignatura). *Se recomienda utilizar un software de dibujo o en su defecto, hacerlo con las reglas y calidad de un dibujo técnico. Para las revisiones de avances, se requerirá imprimir las tres vistas. Debe tenerse cuidado de que las impresiones guarden las proporciones y la escala real indicada en sus cuadros de datos. NOTA: para calificar, se s e hará una verificación de la escala indicada midiendo directamente en cada dibujo.
viii) Perfil de Misión Misión Para desarrollar éste punto, se requiere estudiar el tema en el libro de Daniel P. Raymer, Aircraft design: a conceptual approach. approach. Con base en las consideraciones preliminares, elaborar el dibujo esquemático del perfil de misión. Para mejorar la explicación del perfil, elaborar una vista superior de la trayectoria desde el despegue hasta el aterrizaje con el mayor número de detalles tales como el tipo de aeropuerto o características de la zona de despegue, tipo o forma de ascenso, altitud y velocidad esperada de crucero, distancia recorrida (aproximada), tiempo de vuelo (aproximado), forma o tipo de descenso y tipo o características de la zona de aterrizaje. Se recomienda utilizar mapas, cartas de navegación, croquis e ilustraciones en general. Todos estos datos deberán incluirse en la ficha técnica. Recuerde, una imagen dice más de mil palabras. palab ras. A continuación se presenta un ejemplo.
Perfil de Misión. Vista lateral.
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Perfil de Misión. Vista superior.
1 RENDIMIENTOS 1.1 Sistema de Propulsión 1.1.2 Motor En todos los proyectos se utilizará el motor Lycoming IO-540 de 300 HP. La información de éste motor será proporcionada al inicio del curso, misma que deberá coloca rse en un anexo B del proyecto. Para hacer más interesante el proyecto, inicialmente no se considerará la sobre-alimentación en el motor, por ello habrá que hacer las correcciones de potencia por efecto del cambio de altitud de operación. Se recomienda utilizar el método con base en la densidad relativa como la que presenta Von Mises en su libro Theory of flight. 1.1.2.1 Corrección de la potencia por altitud Tabular la potencia vs RPM´s desde la gráfica correspondiente (anexo B), a nivel del mar y efectuar las correcciones para las siguientes altitudes. Hacer las gráficas de HP vs RPM a las siguientes altitudes: Nivel del mar Altitud de crucero anotado en la ficha técnica propuesta. Nivel de la Cd. de México. Nivel del aeropuerto de Toluca. A 10000, 15000, 20000, 25000 y 30000 pies.
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Este es un ejemplo de las gráficas solicitadas.
Potencia del motor a diferentes diferentes altitudes 120.00 100.00 h= 0 pies
80.00 P H
h= 5 000 pies
60.00
h= 10 000 pies
40.00
h= 15 000 pies
20.00 0.00 1800
h= 20 000 pies 2300
h= 25 000 pies
2800 RPM
Figura XX. Comportamiento de la potencia vs RPM´s con variaciones de altitud del Motor YYYY ZZZZ
1.1.3 Hélice Se requiere estudiar la metodología de selección de una hélice en los libros de Ordóñez 4 y Dommasch. Inicialmente se considerará de paso fijo y al final se asumirá que es de paso variable automático. 1.1.3.1 Selección Seleccionar una hélice del compendio del libro Ordóñez 4. Podrá seguir el proceso con base en el coeficiente de velocidad-potencia, Cs, o a partir de los datos logrados desde el estudio comparativo, tales como el diámetro, número de palas, etc. Con base en los resultados de diámetro y velocidad de giro y las tres vistas del avión, se deben hacer las verificaciones por distancias de seguridad y Mach en las puntas. 1.1.3.2 Verificación por distancias de seguridad Investigar en la reglamentación correspondiente y verificar que se cumpla la mínima distancia de seguridad de las puntas de las hélices con el suelo y/o y /o con alguna parte del avión. 1.1.3.3 Verificación por MACH en las puntas puntas Investigar en la reglamentación correspondiente y verificar que en las puntas de la hélice no se alcancen velocidades transónicas. Para el proyecto se propone un límite de 0.80 de Mach. La velocidad de giro de la hélice, que en caso de no haber algún sistema de aumento o reducción de RPM´s, será la misma del motor. Cada motor tiene un valor de potencia y RPM´s en donde opera con su mejor eficiencia. A esa potencia suele llamarse Potencia Máxima Continua, PMC, y es un dato que aporta el fabricante. Preliminarmente y en tanto se consigue dicho
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dato, un criterio conservador permite utilizar como PMC el 75% de la potencia nominal (máxima) para la altitud seleccionada junto con las RPM´s que resulten de la gráfica de HP vs RPM. En caso de no cumplirse la distancia de seguridad seguridad y o el Mach en las puntas, se tienen alternativas: Disminuir el diámetro (pudiendo reconsiderar el número de palas) de la hélice o suponer la instalación de un mecanismo reductor de RPM´s. Un criterio para seleccionar la hélice es con base en la máxima eficiencia, buscándola entre las familias Clark Y y RAF-6, del libro Ordóñez 4 a través de las gráficas de J vs eficiencia. El proceso de selección de la hélice debe ubicarse en el anexo B, incluyendo todas las gráficas de la hélice elegida. La metodología así como los resultados se ubicarán en éste punto del proyecto.
1.2 Potencia Disponible Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Ecuaciones, tabulación de resultados y gráficas de P D vs V para altitudes indicadas en el punto 1.1.2.1 Estas curvas deben estar trazadas en una misma gráfica para observar y comparar su comportamiento al variar la altitud.
Tabla número xx. Secuencia para calcular la Potencia Disponible.
POTENCIA DISPONIBLE
Ejemplos P 80.00 H
60.00
h= 0 pies
40.00
h= 5 000 pies
20.00
h= 10 000 pies h= 15 000 pies
0.00 0
100
200
300
h= 20 000 pies h= 25 000 pies
V= km/h
Figura xx. Variación de la Potencia Disponible con re specto a la altitud
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Rumbo a la Potencia Disponible…:
1.2.1 Sistema Planeador 1.2.1.1 Ala Proponer la geometría del ala (vista en planta) con base en la misión del avión y el estudio comparativo. 1.2.1.2 Perfil del Ala Elegir algún perfil del libro Abbott. El criterio de selección queda abierto pero no dispensado. La evaluación podrá considerar la metodología utilizada y los argumentos a rgumentos que justifiquen el perfil seleccionado. 1.2.1.3 CAM Incluir el cálculo detallado, sin importar el método utilizado. Se recomienda leer ¿CAM o CGM en un AVIÓN? Origen, Realidad y Uso en la Práctica, documento proporcionado junto con esta Guía. 1.2.1.4 Alargamiento Incluir el cálculo detallado, sin importar el método utilizado. Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 1.2.1.5 Corrección por alargamiento alargamiento Incluir el cálculo de corrección de la pendiente de la polar de sustentación del perfil del ala. Se recomienda utilizar el método del libro Dommasch. 1.2.1.6 Polar de sustentación del ala Obtención de la ecuación en su zona útil (cuasi recta), ∙ + =0 1.2.2 Superficie húmeda del avión Estudiar el tema en el libro de Raymer. Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 1.2.3 Arrastre inducido Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 1.2.4 Arrastre parásito Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Se propone aproximar su valor a través del método de fricción superficial equivalente que presenta Raymer en su libro. 1.2.5 Factor de eficiencia de Oswald Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Se propone calcular su valor como lo presenta Raymer en su libro. 1.2.6 Polar No equilibrada del avión Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Estimación de la resistencia al avance total del avión,
Ó
+
1.3 Potencia Requerida.
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Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Ecuaciones, tabulación de resultados y gráficas de P R vs V para altitudes indicadas en el punto 1.1.2.1. Estas curvas deben estar trazadas en una misma gráfica para observar y comparar su comportamiento al variar la altitud.
Potencia Requerida
Ejemplos 200.00
150.00
h= o pies
P H100.00
h= 5 000 pies h= 10 000 pies h= 15 000 pies
50.00 0.00 0
20 0
400
km/h Figura xx. Comportamiento de la Potencia Requerida a diferentes altitudes.
1.4 Potencias vs Velocidad a diferentes altitudes. Hacer las gráficas para cada altitud en una hoja tamaño carta. Ejemplos de las gráficas: 200.00
L E D L 100.00 E V R I N A = M 0.00 h P H
Pot. Req. Pot. Disp.
0
200 Km/h
400
0 0 0 100.00 5 s = e i h p P H
Pot. Req.
0.00
Pot. Disp.
0
20 0
400
km/h
8
0 0 0 100.00 0 1 s i = e h p P H
Pot. Req.
0.00
Pot. Disp.
0
200
400
0 0 0 100.00 5 1 s = e i h p
Pot. req.
0.00
P H
Pot. Disp.
0
km/h
200
400
km/h
2 ACTUACIONES 2.1 Despegue Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Calcular las distancias de despegue en: Nivel del mar. La pista señalada desde el perfil de misión. Nivel de la Ciudad de México. Nivel de la Ciudad de Toluca.
2.2 Ascenso Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 2.2.1 Hodografas de ascenso ascenso Elaborar las gráficas a las siguientes altitudes (o hasta donde aplique): 0 pies Nivel de la Cd. De México.
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Nivel del aeropuerto de Toluca Nivel de crucero 10000 pies 15000 pies 20000 pies 25000 pies 30000 pies Este es un ejemplo de las tendencias de las gráficas solicitadas. ↗
2.3 Techos Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 2.3.1 Techo Absoluto Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 2.3.2 Techo Práctico o de Servicio Investigar el tema, desarrollarlo y presentar resultados. 2.3.3 Techo Operacional Investigar el tema, desarrollarlo y presentar resultados. 2.3.4 Tiempo de ascenso Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Calcular el tiempo de ascenso de nivel del mar a las altitudes de los techos del punto anterior.
2.4 Descenso Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. 2.4.1 Hodógrafas de descenso Elaborar las gráficas a las siguientes altitudes*: 30000 pies 25000 pies 20000 pies 15000 pies 10000 pies (*En las que aplique) Este es un ejemplo de las tendencias de las gráficas solicitadas. →
2.5 Aterrizaje Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía. Calcular las distancias de aterrizaje en las mismas altitudes en las que se calculó el despegue.
2.6 Viraje Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.
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Plantear al menos dos condiciones realistas realistas de virajes coordinados en congruencia con el perfil perfil de misión, proponer dos parámetros ( V ,t t r, Ф), y calcular el tercero. Incluir ilustraciones.
2.7 Alcance Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.
2.8 Autonomía Desarrollar el tema conforme a la estructura indicada en el punto iii) de ésta Guía.
-----------------------------------------------------------------------------ix) Fuentes de consulta y bibliografía. x) Conclusiones. Los anexos van al final del trabajo Anexo A) Aviones similares. Anexar el acopio de información. Se requiere por lo menos: 3 vistas y ficha técnica de cada avión. Colocar en este anexo las tabulaciones y gráficas del estudio comparativo. Anexo B) a) Perfil del ala. Incluir gráficas, coordenadas y dibujo del perfil seleccionado. b) Motor. Incluir la información del motor proporcionada. c) Hélice. Incluir la información y gráficas de la hélice seleccionada.
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