Proceso de diseño de un motor alternativo

Diseño de Motor Alternativo IO-550 Ing. En Aeronáutica

Erick Fernando Vázquez Barrón MANUEL CERÓN GONZÁLEZ

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NOMENCLATURA

12 34

d S

σ

F.S ba φ

L1 ba Pp h dext d1 d Lp Fmáx P máx T L b b1 b2 dp HH bp bc dextp h1 h2 dc dextc Kww , Kyy q h d d2 d1

Embolo Grosor 1 del embolo Grosor 2 del embolo Grosor 3 del embolo Grosor 4 del embolo Diámetro Factor de seguridad Esfuerzo de Cedencia Factor de seguridad Ancho del anillo Diámetro del embolo Largo del embolo Anillo Ancho del anillo Presión de anillo Alzada Mamelón y perno Diámetro externo Diámetro interno Diámetro Largo del perno Fuerza Máxima Presión Máxima Biela Espesor Largo de la biela Base Base 1 Base 2 Diámetro del perno Holgura Espesor en el perno Espesor en el cigüeñal Diámetro externo del perno atura 1 Altura 2 Diámetro biela en el cigüeñal Diámetro externo del cigüñal Radio de Giro. Extremo fijo VALVULAS alzada Diámetro puerto Diámetro vástago Diámetro cabeza Área del vástago













D1 F

Diámetro resorte Peso de calcula













INTRODUCCIÓN El presente trabajo consiste en detallar y mostrar la metodología para el diseño de un motor alternativo de aviación. Se hará mención sobre las especificaciones del motor y los factores de diseño a considerar, asimismo se expondrán las consideraciones teóricas que se tomaron. Se mostrará el desarrollo de los cálculos que se realizó del émbolo, biela, anillos, válvulas, etc., así como las gráficas que describen el comportamiento de cada parte y proceso.













OBJETIVO Diseñar un motor alternativo basado en las normas que ponen los organismos aeronáuticos. Se dimensionará cada componente y se analizará cada una de ellas, se hará una estimación de las fuerzas y esfuerzos, asi como la posición, la velocidad y la aceleración de los componentes en cada ángulo que tenga la biela. Este dimensionamiento y diseño se hará con los conocimientos adquiridos en el aula.













ESTUDIO DE MERCADO Se investigaron los motores alternativos que son usados en la aviación, ete estudio consta de ver que tipo de motores existen en el mercado, en este caso se realizó la investigación de los motores Lycoming y Continental, y se buscaron parámetros como la cilindrada, potencia, RPM y la eficiencia de cada uno. Esto datos nos sirven para poder sugerir una potencia que se adapte a los parámetros de operación que garantice una buena operación y que cumpla con las condiciones ya existentes, esto también fue considerado para la cilindrada las RPM y la eficiencia. El estudio de mercado realizado se muestra en gráficas, que son mostradas a continuación. 12000 10000 8000 A D A R D N I L I C

6000 4000 2000 0 0 -2000

500 450 400 350 300 A I C N250 E T O P 200 150 100 50

1

2

3

4

5

6

RELACIÓN DE COMPRESIÓN

7

8

9

10 10















4500 4000 3500 3000 2500 M2000 P R

1500 1000 500 0 -500

0

2

4

6

RELACIÓN DE COMPRESIÓN

8

10













CONSIDERACIONES DE LA FAR-33 FAR 33.15 Materiales. La idoneidad y durabilidad de los materiales utilizados en el motor debe: A) Se establecerán establecerán sobre sobre la base base de la la experiencia experiencia o pruebas. pruebas. B) Conforme a las especificaciones especificac iones aprobadas que aseguren tener la resistencia y otras propiedades asumidas en los datos de diseño. FAR 33.17 Prevención de Incendios. A) El diseño diseño y la construcción construcción del del motor motor y los materiales, materiales, debe reducir al mínimo mínimo la probabilidad de la ocurrencia y propagación del fuego. B) Cada línea externa el ajuste y otro componente que contiene o transporta líquido inflamable debe ser resistente al fuego. C) Los tanques y los apoyos que son parte de unidos al motor deben ser a prueba de fuego o ser encerrado por un escudo a prueba de fuego. Ara un motor alternativo que tiene un cárter de aceite esencial de la capacidad de 25 cuartos de galón, el cárter de aceite no tiene que ser a prueba de fuego ni estar encerrado por escudo a prueba de fuego. FAR 33.21 Refrigeración del motor: Diseño y construcción del motor deben proporcionar la refrigeración necesaria en condiciones en las que se espera que el avión pueda operar. FAR 33.25 Accesorios de accesorios. El motor debe funcionar correctamente con la transmisión transm isión de accesorios de montaje













FAR 33.33 Vibración El motor debe estar diseñado y construido para funcionar en todo su rango de operación normal de velocidades de giro del cigüeñal y potencias del motor sin inducir esfuerzos excesivos en ninguna de las piezas del motor debido a la vibración y sin impartir fuerzas de vibración excesivos a la estructura de la aeronave. FAR 33.35 sistema de combustible y de inducción: A) El sistema de combustible del motor debe estar diseñado diseñado y construido para suministrar una mezcla apropiada de combustible n todo el rango de operación completa del motor en todo el vuelo y condiciones atmosféricas. B) Los pasajes de admisión del motor a través de la cual el aire o el combustible en combinación con el aire pasa con fines de combustión deben ser diseñados y construidos para reducir al mínimo el peligro de la acumulación de hielo en los pasajes, el motor debe estar diseñado y construido para permitir el uso de un medio de prevención de hielo. C) El tipo y el grado de combustible combustible necesario para la protección del sistema de combustible del motor de articulas extrañas en el combustible se deben especificar. D) Cada paso en el sistema de inducción que lleva a cabo una mezcla de aire y combustible debe ser auto-drenaje, para evitar un bloqueo de líquido en los cilindros, en todas las actividades que el solicitante establece como aquellos que el motor puede tener cuando la aeronave en la que se instala es en la actitud de tierra estática. E) Si se proporciona como parte del motor, el solicitante debe demostrar para cada inyección de líquido, sistemas y sus controles que el flujo del fluido













En los motores de cárter húmedo, este requisito de cumple cuando solo la mitad de la oferta máxima de lubricante. B) El sistema de lubricación del motor debe estar diseñado y construido para permitir la instalación de un medio de refrigeración lubricante. C) El cárter del cigüeñal debe ser ventilado a la atmosfera para impedir fugas de aceite de presión excesiva en el cárter.













CÁLCULO DE LOS TANQUES DE COMBUSTIBLE En esta sección del diseño se hará el cálculo de la mezcla estequiométrica, para esto se hace uso de la siguiente fórmula:

  3− 3 −−23  = 

Se pone en claro que el combustible usado para la operación del motor es gasavión* Características para el dimensionamiento de los tanques son las siguientes:     

Autonomía: 4.65 horas Flujo de másico de combustible: 41.39548881 Kg/h Masa total de combustible: 230.9868276 Kg Volumen del tanque: 0.32533356 Litros: 325.33356 lts.

















PRIMER DIMENSIONAMIENTO CINEMÁTICA DEL MOTOR

PMS

x

C A a

ϐ L

PMI

B

α

R z

b













Velocidad

C 20 15 10 5 0 -5

0

100

200

300

400

500

600

-10 -15 -20 Velocidad del émbolo con respecto al ángulo del cigüeñal

Aceleración Aceleración

a

700

800













DINÁMICA DEL MOTOR 1) Fuerza alterna de inercia

Fa 20000 15000 10000 5000 0 -5000 0

100

200

300

400

-10000 -15000 -20000 -25000 -30000

2) Fuerza de los gases

Fg

500

600

700

800













3) Fuerza neta

FN 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 -20000

0

100

200

300

400

-40000 -60000

4) Fuerza de la biela

Fb 120000 100000

500

600

700

800













5) Fuerza normal

Fn 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 -1000

0

100

200

300

400

-2000 -3000 -4000

6) Fuerza centrípeta

Fc 15911.577

500

600

700

800















7) Fuerza total

Fq 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000













EQUILIBRADO DEL MOTOR Opuesto 6 cilindros 1. Θ= 120º 2. O.E.= 1 4 5 2 3 6 3. Diagrama de encendido 0 1 2 3 4 5

60

120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 POTENCIA ESCAPE ADMISIÓN COMPRESIÓN ADMISIÓN COMPRESIÓN POTENCIA ESCAPE ESCAPE ADMISIÓN COMPRESIÓN POTENCIA ESC COMPRESIÓN POTENCIA ESCAPE ADMISIÓN COMP ADM COMPRESIÓN POTENCIA ESCAPE ADMISIÓN













Fc4

Fc5

Σ = 0 Σ = 0 Fc2

Fc1

Fc6

Fc3













SEGUNDO DIMENSIONAMIENTO A continuación continuación se presentarán presentarán los valores valores de de cada parte parte de los los componentes componentes del motor alternativo como: el émbolo, 

Embolo

El embolo o pistón es una pieza que está compuesta por tres partes principales: Cabeza



Cuerpo



Falda



La cabeza es la parte más reforzada porque en esta parte se recibe una mayor













Las siguientes ecuaciones fueron las usadas para calcular el diámetro, el largo, y los espesores del embolo: Diámetro del embolo

 = 0.25 ∗∅∗ ∅

Espesores de los secciones del embolo

1 = 0.43 ∗ ∅ ∗ √ 33 2 =  + 0.0.03 ∗ ∅ +0. + 0.0010188 3 = 0.33 ∗2 ∗ 2

















Anillos

Los anillos son partes con una forma circular con una seccion transversal recutangular, los anillos son colocados en las ranuras del embolo, esto con el fin













Mamelón y perno













Mamelones y Pernos SAE8

ESFUERZO DE CEDENCIA (1.34 GPa)













Espesor:

    3 ≤  ≤ 4















Válvulas d1



















































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