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Turboprop Control

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by

Fabian Gomez

on 10 June 2013

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Transcript of Turboprop Control

Presentado por:Huindi Yurani Leiva Aldana Introduccion al Modelado Avanzado y Control de Motores Turboprop Desarrollo: Funcionamiento de partes de un turboprop Desde 1985 la NASA comenzó un proyecto llamado Advanced Turboprop Project, más conocido como Propfan. Este proyecto nace debido a que los fabricantes de motores de esta época buscaban motores más eficientes y que utilizaran menos combustible, preocupados por el alza en los precios del petróleo. En 1987 se empezó a comercializar masivamente el turbofan CFM56, que junto con la baja de los precios del petróleo, los altos costos de mantenimiento presupuestados para la nueva variante de motor, y los problemas debido a la falta de control de ruido y vibraciones, marcaron el fin del proyecto. Actualmente Pratt and Whitney quiere recuperar el proyecto, para mejorar las fallas iniciales, creando un motor que opere a bajas presiones, altas velocidades, y reduzca significativamente el ruido. A pesar de los problemas, el An70 de fabricación Rusa es un ejemplo funcional de este tipo de tecnología, usando dos motores Propfan Progress D27 de hélices contrarrotativas. Innovaciones Durante el transcurso del artículo se dará a conocer generalidades de los motores turboprop. Se explicará el origen de la eficiencia de estos motores en cuanto a consumo de combustible, además de los desarrollos e innovaciones actuales. También se mostraran los sistemas de control de un turbohélice, partiendo de los sistemas de control del turbojet y de la hélice, enfocándose en esta ultima en el sistema de hélice de paso variable, para identificar sus principales ventajas. Resumen En este artículo se presentara un análisis general del funcionamiento de un motor turboprop; teniendo en cuenta aspectos de operación en diferentes fases de vuelo y la estabilidad del sistema, de acuerdo a la meteorología y características específicas de condiciones climáticas de Bogotá.
Para demostrar el funcionamiento de un turboprop se hará un modelamiento matemático en MATLAB. Para este análisis se tendrán en cuenta variables de entrada (Inyección de Combustible, Angulo de Ataque de las palas) y variables de salida (Velocidad del Motor en diferentes Fases, Temperatura de gases, Tasa de Compresión).
Durante el desarrollo del artículo se tendrán en cuenta conceptos básicos como ciclos termodinámicos, funcionamiento de partes del motor, características notables en este tipo de motores, principio de control de un turboprop, innovaciones para mejorar la eficiencia de dichos motores, como las hélices de paso variable, que modifican el ángulo de ataque efectivo de la hélice, con el fin de aumentar el empuje producido, y en caso de fallas reducir el drag de forma. Introducción En el funcionamiento de turboprop El aire fluye a través de la entrada del compresor, se comprime y aumenta su presión, al entrar a la cámara de combustión es inyectado el combustible y es incendiado provocando que eleve su temperatura y su velocidad, tales gases en expansión son redirigidos a la turbina los cuales accionan el compresor, por último el flujo de los gases de escape salen por la tobera. En un turboprop el impulso es generado por la hélice, la cual va conectada a más etapas de turbina, a diferencia de los turbojet, en el cual el impulso es generado por la tobera. La principal ventaja de motores turboprop es generar una gran potencia con bajo consumo de combustible, a bajas velocidades y con una alta confiabilidad. Un motor turboprop es un turbo reactor que posee una caja de reducción para adoptar una hélice, la cual provoca el empuje del avión. el primer avión en el mundo en implementar motores turboprop fue el Gloster Trent el cual tenía dos motores Rolls Royce Trent R.D. 50 En Colombia el primer avión turboprop fue el Vickers Viscount con motores Rolls-Royce Dart RDa 7/1 Mk 525. Su función principal es suministrar energía calorífica al motor, elevando la temperatura del flujo de aire que proviene del compresor, aumentando así la energía de dicho flujo de aire. Cámara de combustión La función principal de un compresor es elevar la presión de aire antes de su expansión a través de la turbina. La función principal de una turbina es transformar parte de la energía global del fluido (suma de energía de presión, energía cinética, y energia interna), en energía mecánica. Dicha energía mecánica es la encargada de mover el compresor, los accesorios, la hélice o el fan; y la energía restante es usada para producir empuje. Turbinas Su función es aumentar la velocidad y disminuir la presión del fluido proveniente de la turbina. La actuación de una tobera depende principalmente de las corrientes de entrada del fluido, pues el conducto converge desde la entrada hasta la salida. Una tobera siempre trabaja a condiciones críticas de Temperatura. Toberas La caja de reducción es una caja de engranajes que disminuye las rpm provenientes de las turbinas.
La caja de reducción nace de la necesidad de reducir esfuerzos aerodinámicos y estructurales:
Si se rigen por las mismas leyes aerodinámicas para hélices y rotores de helicópteros, también deben depender de las dimensiones del mismo objeto.
Construir un hélice o un rotor de helicóptero que soporte las cargas centrifugas que soporta una turbina al operar a esas velocidades sería imposible. Caja de reducción La función básica de una hélice es proporcionar el máximo empuje al avión a partir de un par de fuerza suministrado por el motor. Las secciones de la hélices provocan una reacción aerodinámica así como la del ala cuando se desplaza respecto al viento relativo, solo que lo hace diferente que el ala, pues la hélice posee un movimiento de rotación con velocidad tangencial para cada sección de la pala y la velocidad de avance de la hélice corresponde a la velocidad de vuelo. Hélice Compresores tipos de compresores:
axial
centrifugo tipos de cámaras de combustión:
Tubular
Anular
Tubo-anular Tipos de turbinas:
Centrípetas
Axiales Para alcanzar el máximo empuje de un fluido (variación de la cantidad de movimiento) se deben cumplir las siguientes condiciones:
•los gases de escape deben expandirse completamente en la tobera de salida
•los gases de escape no deben poseer movimientos de rotación
•la dirección de los gases debe ser axial Fuerzas que actúan sobre una hélice:
Fuerza centrífuga de la pala
Empuje
Par de reacción
Momento aerodinámico de torsión
Momento centrifugo de la pala
Esfuerzos debidos a la vibración de la hélice Este ciclo es una representación de la evolución termodinámica de la masa del aire/gas, durante el recorrido del motor a partir de un ciclo cerrado; en este ciclo se toman las siguientes consideraciones:
Durante todo el ciclo, el gas que recorre todo el motor se considera un gas ideal.
Se considera que el fluido de entrada del motor es el mismo que el de la salida.
Los procesos de compresión y expansión se realiza de forma adiabática, es decir, no existe intercambio de calor térmico con el exterior.
El proceso de combustión es isobárico, es decir se realiza a presión constante.

El ciclo Brayton está integrado por 4 procesos que se ven en la figura 9 en los diagramas T-s: y P-v:
1-2 Compresión isentrópica (en un compresor).
2-3 Adición de calor a presión constante.
3-4 Expansión isentrópica (en una turbina).
4-1 Rechazo de calor a presión constante. Ciclo Brayton
Para convertir un generador de gas en un motor turbohélice necesitamos agregar un nuevo grupo de turbinas, las cuales accionan la hélice; sin embargo los gases de estas turbinas tiene que salir al medio ambiente, por esta razón se agrega una tobera; este generador de gas produce un gas con alto nivel energético, principalmente energía cinética debido a la expansión del gas, la cual es aprovechada por las turbinas, que convierte dicha energía, en energía mecánica que mueve la hélice. Termodinámica en un turbohélice: Sistemas de control El objetivo fundamental de los sistemas de control en motores es aumentar seguridad con una posible reducción de costos, por medio del uso de nuevas tecnologías, materiales, y nuevas soluciones conceptuales; también es importante resaltar el impacto ambiental que pueda tener y reducirlo al máximo; Lo que se busca en los sistemas de control es el Desarrollo de sistemas automatizados y autovigilados como:

• Control manual: Elección del régimen del motor de acuerdo a una actitud de vuelo o maniobra esperada. (interpretaciones de órdenes de cabina deseadas).

• Regulación de parámetros y limitaciones: Los parámetros seleccionados del motor son mantenidos a ciertos niveles. (ejemplo: evitar la generación del par negativo, es decir, una regulación del par producido en forma automática). FADEC Torquimetro Sistemas de control de hélice El FADEC (Full Authority Digital Engine Control) se ha desarrollado con el fin de ayudar al piloto en el manejo y control de varios parámetros del motor. El FADEC es esencialmente una computadora con múltiples canales que recibe un limitado número de entradas de información del piloto, así como entradas continuas de varios sensores, Switches, y accesorios que son colocados a través del motor.
El sistema FADEC está constituido por el ordenador de control y el hardware (el soporte físico) lo que regula el motor y otros sistemas periféricos que guardan relación con él.
Las funciones de un sistema FADEC son:
Calcular la cantidad exacta de combustible que entra a la cámara de combustión.
Gestiona la inversión de empuje.
Presentación de datos de funcionamiento del motor a la cabina de vuelo.
Gestiona sistema de encendido. También denominado mini torque, el cual actúa cuando se produce un par negativo brusco. Este sistema envía una señal a la hélice para que aumente su ángulo de paso y de esta manera limitar el par negativo del eje del motor.
De esta manera este sistema auxiliar que siempre estará conectado a la hélice controlara el ángulo de paso de la hélice, pero es usado solo en estas situaciones:
Interrupciones temporales del combustible
Cargas de ráfagas de aire sobre la hélice
Condiciones de alto sangrado de aire del compresor con ajustes de potencia bajos
Cortes de motor normales NTS (Negative Torque Signal) Encargado de la graduación del ángulo de paso de las hélices, funciona con base en un sistema electrohidráulico o electroneumático. La graduación se logra mediante la variación de presión de aire o aceite que se introduce en el cubo de hélice.
Sus múltiples ventajas son:
Es fácilmente reemplazable.
Los equipos electrónicos no requieren calibración periódica debida al desgaste de los sistemas clásicos.
Son un 30% más ligeros que sistemas convencionales.
Realiza ajustes rápidos y precisos del ángulo de paso de las hélices por lo que mejoran el funcionamiento del motor y disminuyen vibraciones.
Facilita el equilibrio de la hélice, pues tiene dispositivos para ello.
Permite ajustes según indicaciones desde cabina.
Este sistema reduce el 50% de piezas del dispositivo.
Reduce tiempos y costos de mantenimiento.
Utiliza los mismos modelos de hélices que otros sistemas ya que solo cambia la forma de control de válvulas y el paso de aceite. El sistema EPCS (Electronic Propeller Control System) Es un sistema de autodiagnóstico, el cual tiene como ventaja principal el ahorro de horas de mantenimiento Esto equivale a menos costos, ya que las fallas más comunes serán detectadas por el sistema, dando así información precisa y detallada del daño presente, los cuales se informaran a través de las pantallas de abordo (MCDU). BITE (Built-In-Test Equipment) Los aviones propulsados con motores turboprop van equipados con un instrumento llamado Torquímetro, con el cual el piloto puede leer el par que el motor está desarrollando; tanto la lectura del Torquímetro como la potencia del motor están directamente relacionadas, y de esta forma el piloto podrá hacer ajustes de potencia en diferentes fases de vuelo con la lectura de este instrumento. Cuando hablamos de Torquímetro no se hace referencia solo al instrumento si no al sistema completo de esta medida, un sistema que funciona mediante presión de aceite o señal eléctrica, el cual dará como resultado el par en el eje de la turbina de la hélice. Es una señal de seguridad que actúa en la palanca de abanderamiento de la hélice (feather). si ocurre una perdida de potencia durante el despegue, la hélice se abandera, reduciendo así los peligros de guiñada en aviones polimotores, este dispositivo aumenta automáticamente el ángulo de pala, lo que hace que la hélice abandere. TSS( thrust sensitive signal, señal sensora de empuje) Los motores turboprop son una Buena opción cuando pensamos en ahorro del combustible y menor impacto ambiental, a bajas velocidades este tipo de motores son eficientes en todo sentido, cabe desarrollar estrategias para el uso de motores turboprop en vuelos a altas velocidades.
La variedad de sistemas de control de un motor mejoran la seguridad en vuelo mediante dispositivos de vigilancia e información de los parámetros del motor, aumentan la confiabilidad de la aeronave, aparte de reducir costos y tiempos de mantenimiento.
El sistema de abanderamiento en hélices de paso variable es un sistema que contribuye al manejo del ángulo de ataque de la pala, con el fin de contrarrestar el Drag de forma en situaciones de emergencia o fallas del sistema. El sistema mas dependiente del sistema de abanderamiento de la hélice es el TSS, el cual abandera la hélice en caso de perdida de potencia del motor en fases criticas de vuelo. Conclusiones Las hélices con bandera son hélices de velocidad constante con capacidad de abanderamiento, la hélices se ponen en bandera mediante fuerzas que son independientes a la operación del motor. Este sistema funciona perfectamente debido que el motor no necesita estar en régimen de potencia para poner la hélice en bandera.
Las dos funciones que cumple el sistema de abanderamiento son:
Disminuir la resistencia de avance.
Prevenir daños internos al motor. Hélices de paso variable Las hélices de paso variable se suelen aplicar en varias aplicaciones de motores turboprop, Los motores turboprop tiene una turbina a gas que proporciona la potencia necesaria en los ejes para hacer girar la hélice, la hélice posee palas proveen el empuje necesario para hacer volar un avión, el empuje varia para cambiar el paso de las palas, el empuje en un despegue se logra por rotación de las palas en un ángulo positivo, en posición crucero las palas son ajustadas en ángulo positivo para reducir el torque del motor y ahorrar combustible y durante el aterrizaje las palas giran en ángulo negativo para así proporcionar al avión un empuje en reversible. Pueden ser de 3 tipos:
Hélices de dos posiciones
Hélices de control manual
Hélices de velocidad constante Sistema de abanderamiento
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