N1 Y N2

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA

SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SENSADO DE N1 Y N2 COMPRESORES DE FLUJO AXIAL DE DOBLE COMPRESOR. El compresor mayor, o N1, en la parte delantera del motor es el compresor de baja presión, y es arrastrado por las etapas más posteriores de la turbina. Obsérvese que este motor usa dos escalones de turbina para arrastrar al compresor N1. La relación total de compresión de un motor de doble compresor se halla multiplicando la relación de compresión del compresor N1 por la relación de compresión del compresor N2. Si la relación de compresión del N1 es 3´2:1 y la relación de compresión del N2 es 4´1:1, la relación total de compresión es 3´2 ⋅ 4´1 = 13´12:1. Para cualquier ajuste de potencia, la velocidad del compresor N2 está sujeta constantemente al governor dentro del control de combustible. El N1 o compresor de baja, no está gobernado, y cambia sus RPM en vuelo según cambian las condiciones atmosféricas y del conducto de entrada. A medida que el aire se hace menos denso, el compresor se embala y mueve un correspondientemente mayor volumen de aire, y según se hace el aire más denso, disminuye su velocidad y mueve un volumen de aire más pequeño. Esta velocidad cambiante le permite al compresor N1 abastecer al compresor N2 con una masa de aire relativamente constate para cualquier ajuste de potencia dado.

Fig. 1: Ejemplificación de la posición de N1 y N2 en la posición del Motor


¿ CÓMO A FE CTA N LOS VALOR E S DE R PM DE L N1 Y N2 AL EMPUJE PRODUCIDO POR EL MOTOR?

La cantidad de empuje producido es directamente proporcional a las RPM. Por tanto, si se incrementan las RPM del compresor de baja (N1) el gasto másico aumenta. Es de interés comentar que a RPM inferiores al 60% N1 el motor de turbina es como si trabajase en IDLE. A mayores RPM mayor es el empuje producido (es una función exponencial), y es a partir del 60% N1 que el empuje aumenta considerablemente. Para motores de doble eje (twin spool), cuando están en IDLE las RPM de trabajo son las siguientes:  

N2: 50-60% N1: 25%

Gráfico 1: COMPARACIÓN ENTRE EL VALOR DE RPM´S DEL MOTOR Y EL EMPUJE PRODUCIDO


¿ CÓMO S E S E NS A O MID E N1 Y N2? SENSADO DE N2 Las señales del N2 provienen del alternador dedicado el cual es impulsado por los accesorios de la caja de engranes. El alternador dedicado consta de un rotor magnético que se ejecuta en el estator que tiene cuatro bobinas independientes, dos proporcionan energía eléctrica de frecuencia trifásica a la CEE, a través de los canales A y B. La tercera bobina proporciona una proporción eléctrica de frecuencia unifásica de N2 a la EVMU. La cuarta bobina proporciona una señal N2 al canal ECC una indicación de baja velocidad. El Alternador dedicado da una señal Analógica a partir de las bobinas de N2 cuando rota, esta señal se envía a la CEE. El Sistema de Indicación N2 proporciona una Señal Proporcional a la velocidad de rotación del Eje de Potencia a la ECC. La ECC usa esa señal para la computadora de control del motor para el display de la ECAM procesamiento de datos EVMU.


SENSADO N1 El sensor de velocidad N1 detecta la velocidad rotacional del compresor de baja presión y transmite la correspondiente señal A.   

La unidad de monitoreo de vibración del motor La ECU canal A. La ECU canal B.

Este sensor es un tacómetro de tipo inducción, una rueda de sensaje provista de 30 Dientes es montada sobre el ventilador del eje. La Variación de flujo en las Bobinas genera una fuerza electromotora alternativa proporcional a la velocidad rotacional del Rotor del Compresor de Baja presión.

Rueda Dentada

ECU Bobinas

Fig. 1: Sensado de N1


PROCEDIMIENTO DE SIMULACIÓN DE N1 Y N2 EN PROTEUS Ahora sí, sabiendo qué es, la forma y proceso de Sensado para N1 y N2, iniciamos con el proceso de Simulación, el cual comienza de la siguiente manera:

1.- Generación de la Señal Analógica a Sensar. Como sabemos, para medir N1 Y N2 se generan 2 señales eléctricas analógicas, basada en pulsos; los cuales tienen una frecuencia proporcional a la velocidad rotacional del compresor de baja y alta potencia respectivamente. Como en Proteus, el cual es el software de Simulación a utilizar, no podemos simular una bobina que genere pulsos cuando pasa una rueda dentada, en el caso para N1, o un generador dedicado en el caso para N2, nuestro sensor será básicamente tanto para N1 Y N2 un simple generador de señales.

Fig. 2: Simulación de los sensores de N1 y N2 mediante un Generador de Señales.

2.- Tratamiento de la Señal Tenemos ahora con el uso del generador pulsos una señal analógica, la cual debe ser tratada para convertirla en Información Digital. Para realizar lo anterior vamos a utilizar la placa de programación ARDUINO UNO como nuestro convertidor Analógico-Digital, el cual contiene un Microcontrolador ATMEGA328P y cumple con las siguientes características:


A R DUINO UNO (CA R A CTE R ÍS TICA S )            

Alimentación: 5 – 12 Vcc Frecuencia de operación: 16 MHz Puertos de entrada análoga: 6 Puertos de entrada/salida digital: 13 (incluyendo puertos PWM) Capacidad de memoria flash: 32 Kb SRAM: 2 KB EEPROM: 1 KB Salida PWM: Si Salida de voltaje: 5 Vcc Switch reset: Si Comunicación a la PC: Si Software empleado: Arduino

ARDUINO UNO, tiene la capacidad de leer a la frecuencia como una señal analógica de entrada, por lo que conectamos nuestro generador de pulsos, el cual hace la función del sensor en nuestra simulación directamente a la entrada analógica de la placa de Programación Arduino Uno. Lo Anterior en PROTEUS se ve de la siguiente manera:

PLACA DE PROGRAMACIÓN ARDUINO UNO

GENERADOR DE PULSOS

Fig. 3: Conexión del Generador de pulsos a la Placa de Programación ARDUINO UNO


3.- Lógica de Programación utilizada para el Tratamiento de la Señal. Sabemos que para poder presentar la Información Digital en un Display necesitamos una serie de Instrucciones que le indiquen al Microcontrolador las operaciones que tiene que realizar con la señal analógica que es sensada. Para realizar la programación se hizo uso de la plataforma Arduino, la cual usa como base el Lenguaje C para generar los algoritmos que rigen sus Microcontroladores. A continuación, se presenta paso a paso la programación utilizada en la Simulación: 1.- Primeramente, se declararán las librerías que contienen los comandos a utilizar dentro del programa: 





OpenGLCD es la librería que permite el control del Display Bitmaps permite utilizar las operaciones básicas para realizar cálculos matemáticos. TimerOne admite el trabajo mediante la Medición de la Magnitud del Tiempo

Declaramos las Variables que serán las bases de programación; ya que guardarán los datos necesarios para el tratamiento de la señal analógica de entrada: P1 = Variable entera para el manejo del Porcentaje. Estado = Variable Booleana que permite realizar sentencias de condición. Frecuencia ½ = Variable Flotante el cual tendrá un valor igual a señal de Frecuencia de Pulsos de Entrada.


Le indicamos a Nuestro Microcontrolador cuales son los Pines de entrada a lo que llegarán las señales de Frecuencia y en cuáles serán los Pines de Salida de los que emergerá la señal Tratada. En éste caso los Pines 2, 7 y 8 serán de entrada y se medirá la frecuencia de pulsos que lleguen a ellos.

Este apartado del programa está dedicado el control de la interfaz gráfica del Display sobre la que se presentarán los resultados: Para esta simulación se utilizará una LCD Gráfica de 128x64 leds modelo: LGM1264; que viene por default en Proteus. Todos los Comandos Utilizados aquí permiten crear la interfaz que más adelante se mostrará.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA Esta Parte es el Corazón del programa; sabemos que para Piloto Tanto N1 como N2 son INDICADORES de potencia que se presentan mediante Porcentaje, por lo que el Valor de la Frecuencia proporcional a la Velocidad de Rotación tendrá que ser convertida a una Valor de porcentaje para los dos Indicadores. Los anterior se hace con la Función map, el cual se encarga de realizar el proceso matemático a presentar. Se han establecido valores máximos de frecuencia de 5250 Hz y 14400 Hz para N1 y N2 respectivamente. Posteriormente Viene una sentencia IF, la cual condiciona la posición de una línea que hace la función de la flecha de tacómetro y dependiendo la magnitud del valor de N1 y N2.

Por último, se crean las Funciones que permiten hacer el conteo de los Pulsos en las Pines de entrada, para poder procesar la señal.


4.- Creación del Circuito en Proteus La simulación no está completa sin la creación de circuito. Como el sensado tanto de N1 COMO DE N2 se representó de la misma manera; se utilizó la misma configuración y estructura para la simulación de los 2: El circuito es muy simple y básicamente está conformado por el Generador de Pulsos, La tarjeta de Programación ARDUINO UNO que integra un PIC.

Fig. 4: Circuito Generado para la Simulación de N1 Y N2


5.- Elaboración de la Interfaz Gráfica de Usuario Como ya se vio anteriormente; mediante la librería openGLCD se creó la interfaz de presentación de Datos, pero… ¿Qué estructura tiene esta interfaz?

Para elegir y crear la forma de presentar los Datos se investigó la forma de la estructura del display para la medición de N1 y N2 en los aditamentos de control de Vuelo reales de los cuales se eligió el siguiente:

Fig. 5: Circuitos Generado para la Simulación de N1 Y N2

ESTRUCTURA DE LA INTERFAZ PARA LA MUESTRA DE DATOS DE N1

ESTRUCTURA DE LA INTERFAZ PARA LA MUESTRA DE DATOS DE N1

De la Imagen Anterior se creó la Interfaz en la LCD de la Siguiente manera:

La Línea de flecha del Tacómetro cambia su posición dependiendo del Valor de porcentaje que tenga el N1

Fig. 6: Interfaz Gráfica construida en el Display 128x64


RESULTADOS Del proceso de TRATAMIENTO DE LA SEÑAL se pretende que la simulación correcta y entregue resultados satisfactorios. Como ya lo hemos planteado, la simulación de indicadores de RPM N1 Y N2, será referida al Motor CFM56-3, el cual es un motor Turbofán de alto índice de Derivación el cual tiene como valores límite 5175 RPM para N1 y 14400 RPM para N2. Hacemos la suposición de que a cada 1 Hz de frecuencia recibido equivaldrá a una velocidad de 1 RPM, por lo que si tenemos 3000Hz en N1; el compresor de Baja estará Girando a 3000 RPM, y de igual manera para N2.

1 Hz = 1 RPM Dejando en claro lo anterior procedemos a hacer la simulación:

Fig. 7: SIMULACIÓN EN PROTEUS PARA N1; FRECUENCIA DE ENTRADA = 1000 HZ


En la anterior Ejercicio tenemos Una Frecuencia de entrada para N1 de 1000 Hz, por lo que N1 gira a 1000 RPM. Convirtiendo lo anterior en % tenemos: 5125  = 100% 1000  = 

 =

 ∗  

= 19.49 %

En la pantalla se enmarca un Valor de 19% de N1 por lo que la simulación es correcta.

EJEMPLO 2: SIMULACIÓN N2

Fig. 8: SIMULACIÓN EN PROTEUS PARA N2; FRECUENCIA DE ENTRADA = 14000 HZ


En el Ejercicio 2 tenemos Una Frecuencia de entrada para N2 de 14000 Hz, por lo que N2 gira a 14000 RPM. Convirtiendo lo anterior en % tenemos: 14400  = 100% 14000  = 

 =

 ∗  

= 97.22%

En la pantalla se enmarca un Valor de 97 % de N1 por lo que la simulación es correcta.

N1 Y N2

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