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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
INFORME N08
RAMJET SUBSONICO
PROFESOR
ING. CESAR UGARTE
INTEGRANTES
SANDOVAL CHAVEZ, HENRY
ORE GOMEZ, MISAEL
BORDA VELASQUEZ, YOEL
LUCAS LUCAS , DIEGO
LIMA PERU
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INDICE
INTRODUCCIN ........................................................................................................ 4
OBJETIVOS ............................................................................................................... 5
FUNDAMENTO TERICO ......................................................................................... 7
INSTRUMENTOS Y MATERIALES .......................................................................... 15
PROCEDIMIENTO ................................................................................................... 18
PRECAUCIONES ..................................................................................................... 34
CONCLUSIONES ..................................................................................................... 35
BIBLIOGRAFA ........................................................................................................ 37
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CAPITULO I
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INTRODUCCIN
El RAM JET abarca todos los principios bsicos de las mquinas
trmicas, las cuales operan de una manera similar, es decir que un aire o gas
comprimido se le entrega calor, causando una expansin que puede realizar
trabajo, en el RAM JET, esta se realiza sin la ayuda de ninguna parte
mecnica mvil y demuestra convincentemente, como solamente la adicin
de calor a una corriente de aire que se ha hecho pasar previamente por un
difusor para aumentar su presin, puede producir trabajo.
El RAM JET, cumple como se mencion anteriormente, cumple con un
ciclo Brayton abierto. Esta concepcin ms simple de propulsin de
aeronaves. Se le conoce tambin como ESTATORREACTOR. A velocidades
supersnicas (M>1) este tipo de motor adquiere mejores ventajas.
Un avin de reaccin, o jet, aspira aire a travs de un orificio delantero
y lo empuja hacia afuera, a grandes velocidades, por un orificio posterior. Esto
empuja al avin hacia adelante. A esto se le llama "propulsin a chorro".
Las naves espaciales utilizan "propulsin con cohetes" para moverse
para adelante y hacia arriba. Los cohetes hacen uso del empuje creado por el
combustible al quemarse. A diferencia de los motores utilizados en los
aviones de propulsin a chorro, los cohetes no utilizan aire, puesto que en el
espacio no hay aire.
Un avin de propulsin a chorro utiliza menos combustible que un
cohete. El motor de propulsin a chorro utiliza aire y combustible para
empujar el vehculo hacia adelante; el cohete, en cambio, debe utilizar
combustible solamente. Ya sea que se est hablando de un cohete o de un
motor de propulsin a chorro, el empuje hacia adelante es creado por el
llamado "principio del empuje por reaccin".
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OBJETIVOS
Demostracin del Ciclo Brayton abierto en motores aeronuticos.
Determinar la fuerza de arrastre y empuje neto por efecto de
cambio en la cantidad de movimiento.
Realizar el estudio completo referido a los estatoreactores y
verificar experimentalmente ese conocimiento terico.
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CAPITULO II
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FUNDAMENTO TERICO
El empuje es la fuerza que mueve los aviones en el aire. El empuje es
generado por el sistema de propulsin de la aeronave. Los diferentes
sistemas de propulsin de empuje en el desarrollo de diferentes maneras,
pero todas de empuje se genera a travs de alguna aplicacin de la tercera
ley de Newton del movimiento. Por cada accin hay una reaccin igual y
opuesta. En cualquier sistema de propulsin, un fluido de trabajo es acelerado
por el sistema y la reaccin a esta aceleracin produce una fuerza en elsistema. Una derivacin general de la ecuacin de empuje muestra que la
cantidad de empuje generado depende del flujo de masa a travs del motor y
la velocidad de salida del gas. Los ingenieros utilizan un anlisis
termodinmico del estatorreactor para predecir el flujo de empuje y de
combustible para un diseo particular.
A principios de 1900 algunas de las ideas originales sobre la propulsin
estatorreactor se desarrollaron por primera vez en Europa. El empuje se
produce haciendo pasar el gas de escape caliente procedente de la
combustin de un combustible a travs de una boquilla. La boquilla acelera el
flujo, y la reaccin a esta aceleracin produce empuje. Para mantener el flujo
a travs de la boquilla, la combustin debe ocurrir a una presin que es mayor
que la presin en la salida de la tobera. En un estatorreactor, la alta presin
es producida por el apisonado de aire exterior en la cmara de combustin
mediante la velocidad de avance del vehculo. El aire exterior que entra en el
sistema de propulsin se convierte en el fluido de trabajo, al igual que un
motor turborreactor. En un motor turborreactor, la alta presin en la cmara de
combustin es generada por una maquina llamada compresor (en nuestro
caso fue un ventilador). Pero no hay compresores en un estatorreactor. Por lo
tanto, estatorreactores son ms ligeros y ms simples que un turborreactor.
Ramjets produce empuje slo cuando el vehculo se est moviendo;
estatorreactores no puede producir empuje cuando el motor est parado o
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esttica. Desde un estatorreactor no puede producir empuje esttico, algn
otro sistema de propulsin debe ser utilizado para acelerar el vehculo a una
velocidad donde el estatorreactor comienza a producir empuje. Cuanto mayor
sea la velocidad del vehculo, mejor un estatorreactor funciona hasta que las
prdidas aerodinmicas son convertidas en un factor dominante.
La combustin que produce el empuje en la estatorreactor se produce a una
velocidad subsnica en la cmara de combustin. Para un vehculo que viaja
a velocidades supersnicas, el aire que entra al motor debe ser frenado a
velocidades subsnicas por la entrada de las aeronaves. Las ondas dechoque presentes en las prdidas de rendimiento de entrada son causa del
sistema de propulsin. Por encima de Mach 5, propulsin estatorreactor se
hace muy ineficiente. La nueva estatorreactor de combustin supersnica, o
scramjet, resuelve este problema mediante la realizacin de la combustin
supersnica en el quemador.
Figura N1. Fluido de trabajo es el aire circundante
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Arriba se muestran imgenes de un X-15 propulsado por cohetes avin con
un estatorreactor colgada debajo del cuerpo y una prueba de tnel de viento
de una entrada de estatorreactor utilizada en un misil. Debido a que el
estatorreactor utiliza aire para la combustin externa, es un sistema de
propulsin ms eficiente para el vuelo dentro de la atmsfera de un cohete,
que debe llevar a la totalidad de su oxgeno. Ramjets son ideales para el
vuelo de muy alta velocidad dentro de la atmsfera.
Figura N2. Empuje
Un motor de estatorreactor ofrece un sistema simple, la propulsin de luz para
vuelos de alta velocidad. Asimismo, el ramjet de combustin supersnica, o
scramjet, ofrece gran empuje y el peso bajo para velocidades de vuelo
hipersnico. A diferencia de un motor turborreactor, estatorreactores y
scramjets no tienen partes mviles, slo una entrada y una cmara de
combustin que se compone de un inyector de combustible y un soporte para
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la llama, y una boquilla. Cmo trabajan los estatorreactores y scramjets?
Cuando se monta en un avin de alta velocidad, grandes cantidades de aire
circundante son continuamente llevado a la entrada del motor debido al
movimiento hacia adelante de la aeronave. El aire que se hace ms lenta va a
travs de la entrada, y la presin dinmica debido a la velocidad se convierte
en una mayor presin esttica. A la salida de la entrada, el aire est a una
presin mucho ms alta que de flujo libre. Mientras que la velocidad de flujo
libre puede ser subsnica o supersnica, el caudal de salida de la entrada de
un estatorreactor siempre es subsnico. El flujo que sale de una entrada descramjet es supersnico y tiene menos prdidas de choque que una entrada
de estatorreactor a la velocidad de un mismo vehculo. En el quemador, una
pequea cantidad de combustible se combina con el aire y se enciende. En
un motor tpico, 100 libras de aire / seg. se combina con slo 2 libras de
combustible / seg. La mayora de los gases de escape caliente ha llegado
desde el aire circundante. Titulares de la llama en el quemador de localizar el
proceso de combustin. La combustin ocurre en la subsnica y supersnicaestatorreactor en el scramjet. Saliendo del quemador, el gas de escape
caliente pasa a travs de una boquilla, que est conformado para acelerar el
flujo. Debido a que la velocidad de salida es mayor que la velocidad de flujo
libre, el empuje se crea como se describe mediante la ecuacin de empuje en
general. Para los motores estatorreactores y scramjet, el caudal msico de
salida es casi igual a la corriente de flujo de masa libre, ya que muy poco
combustible se aade a la corriente.
La ecuacin de empuje para estatorreactores y scramjets contienen tres
trminos: el empuje bruto, arrastre de RAM, y una correccin de la presin. Si
las condiciones de flujo libre se denota por un "0" subndice y las condiciones
de salida por una "e" subndice, el empuje F es igual a la tasa de flujo de
masa dot m veces la velocidad V en la salida menos la tasa de flujo de la
corriente libre de masa veces la velocidad y los tiempos de diferencia de
presin p de la zona salida de la boquilla:
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F = [dot m * V] e - [dot m * V] 0 + (PE - p0) * Ae
Aerodinmica a menudo se refieren al primer trmino (la masa de salida del
caudal veces la velocidad de salida) como el empuje bruto, ya que este
trmino est asociado en gran medida con las condiciones de la boquilla.
El segundo trmino (masa libre flujo de caudal veces la velocidad de flujo
libre) se llama el arrastre carnero. Este trmino puede ser bastante grande
para los motores scramjet.
Para estatorreactores y scramjets, la velocidad de salida de la tobera essupersnica, y la presin de salida depende de la relacin entre el rea de la
garganta de la tobera y la salida de la tobera. Slo para una condicin de
diseo nico es la presin de salida igual a la presin de la corriente libre de
esttica. Para todas las dems condiciones, debemos incluir el tercer trmino
de la ecuacin de presin (presin de salida menos libres de veces la presin
de flujo la zona de salida). Esta correccin de la presin suele ser pequea en
comparacin con el primer trmino de la ecuacin de empuje. Sin embargo,para completar, este trmino generalmente se incluye en el empuje bruto.
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Figura N3. Partes del Ramjet
Para el vuelo supersnico de alta o hipersnico, el sistema de propulsin ideal
es un estatorreactor. Un estatorreactor utiliza la velocidad de avance de la
aeronave para comprimir el aire entrante y, por tanto, tiene menos piezas
mviles que un motor de turbina.
Se muestra un dibujo por ordenador de un motor Ramjet tpico. En el dibujo
ordenador, cortaramos una porcin del motor para tener un aspecto interior.En la parte delantera del motor, a la izquierda, es la entrada, lo que trae aire
del exterior en el motor. A la salida de la entrada, el aire est a una presin
mucho ms alta que las condiciones de flujo libre. El combustible se inyecta y
se mezcla para la combustin justo aguas abajo de la entrada. La llama
resultante se estabiliza en el motor por el anillo de soporte de llama roja. Esta
parte es muy similar a una cmara de postcombustin en un motor de avin
de combate. El gas de escape caliente y luego pasa a travs de la boquilla,
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que est conformado para acelerar el flujo y producir empuje. La ecuacin de
empuje para un estatorreactor se muestra en una diapositiva diferente.
Para analizar el funcionamiento del estatorreactor, los ingenieros han
adoptado un esquema de numeracin para las distintas partes. El esquema
de numeracin para la estatorreactor es idntica a la del motor de turbina. Sin
embargo, el ramjet no tiene compresor o turbina. Por lo tanto, algunas de las
etapas numeradas se omiten en un anlisis estatorreactor.
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CAPITULO III
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INSTRUMENTOS Y MATERIALES
- SOPLADOR CENTRFUGO: Marca Tornado Keith Blackman Ltd.Engineers London
Figura N 4.
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Figura N.5
TABLERO DE CONTROL
Figura N.6 Tablero de Control
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CAPITULO IV
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PROCEDIMIENTO
a. Determinar la temperatura de suministro de aire y la presin
atmosfrica.
b. Para una determinada presin total de aire de suministro y un
determinado flujo de combustible, encontrar su empuje neto y hacer
variar el tubo de Pitot, antes de la entrada de aire al ram jet (2 pulg), y
luego en la entrada y posteriormente tomar las medidas cada 2 pulg de
espaciamiento hasta 16 pulg tanto para determinar la P total como la Pesttica.
c. Variar el flujo de aire y de combustible y realizar el mismo
procedimiento anterior, tomando las presiones a 2 de la boca del RJ,
en la boca de entrada del RJ, a 6 de la boca y a la salida del RJ
(principalmente).
Nota: Verificar la posicin del tubo de pitot para cada empuje.
d. Teniendo un flujo de combustible constante, hacer variar el flujo deaire, para obtener varios empujes netos.
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CAPITULO V
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CALCULOS Y RESULTADOS
Datos obtenidos en el laboratorio:
mc (Kg/s) Tc (K) Ps (KN/m2) Pe (KN/m2) Fe (N) Pt (cmH2O)
0.0108333 275 290 26 7 24
LS
(cm)
P1
(Pa)
Po1
(Pa)
P1 (Pa) Po1
(Pa)
P3 (Pa) Po3
(Pa)
P7
(Pa)
Po7
(Pa)5 196.28 1961.277LE 980.638 1961.2775 1176.766 1912.245
10 1470.957 980.63815 1372.894 1569.02125 1078.702 1372.89430 980.638 1176.76635 784.511 1078.70240 784.511 1029.6745 245.16 980.638
mc (Kg/s) Tc (K) Ps (KN/m2) Pe (KN/m2) Fe (N) Pt (cmH2O)
0.0130555 279 350 45 14 44
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LS(cm
)
P1(Pa)
Po1(Pa)
P1 (Pa) Po1(Pa)
P3 (Pa) Po3(Pa)
P7(Pa)
Po7(Pa)
5 196.128
3726.42
5
LE 1765.149
3726.42
5
5 2157.404
3628.63
2
10 2745.787
3530.29
8
15 2745.787
3334.17
252255.46
8
2843.85
30 2059.34 2353.532
35 1716.117
2206.43
6
40 1225.798
2157.40
45 392.255
2059.3
4
mc (Kg/s) Tc (K) Ps (KN/m2) Pe (KN/m2) Fe (N) Pt (cmH2O)
0.016666 275 285 48 15.5 50
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LS(cm
)
P1(Pa)
Po1(Pa)
P1 (Pa) Po1(Pa)
P3 (Pa) Po3(Pa)
P7(Pa)
Po7(Pa)
5 196.128
4216.74
5
LE 2059.34 4167.713
5 2451.596
4118.68
1
10 3039.979
4020.61
7
15 2941.915
3334.17
252549.66 3138.04
30 2255.46 2647.723
35 1961.277
2451.59
6
40 1372.894
2353.53
2
45 392.255
2255.46
8
Calculo:
Para mc=39 kg/h
En el punto 1 y 1:
( )
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(
)
Para el punto 3:
( )
En el punto 7:
( )
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Calculo del empuje interno:
Xi= Xi=
Calculo del arrastre externo:
Xn=7ND=0.1144-7=-6.88N
D=-4.911-7=-11.911N
Calculo del coeficiente de empuje:
Respecto al empuje interno:
Respecto al empuje externo:
Coeficiente de arrastre:
Eficiencia:
Para mc=47 kg/h
En el punto 1 y 1:
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( )
()
Para el punto 3:
( )
En el punto 7:
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()
Calculo del empuje interno:
Xi= Xi=
Calculo del arrastre externo:
Xn=14N
D=-10.832-14=-24.832ND=-30.9-14=-44.9N
Calculo del coeficiente de empuje:
Respecto al empuje interno:
Respecto al empuje externo:
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Coeficiente de arrastre:
Eficiencia:
Para mc=60 kg/h
En el punto 1 y 1:
( )
( )
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Para el punto 3:
( )
En el punto 7:
( )
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Calculo del empuje interno:
Xi=Xi=
Calculo del arrastre externo:
Xn=15.5ND=-35.29-15.5=-50.79N
D=-91.63-15.5=-107.13N
Calculo del coeficiente de empuje:
Respecto al empuje interno:
Respecto al empuje externo:
Coefieciente de arrastre:
Eficiencia:
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TABLA DE RESULTADOS:
mc M1 V1 M1 V1 W1 M3 V3 W3 M7 V7 W7 nRJ
39 2.156 560.03 1.046 322.81 0.021187 0.44 144.181 0.03202 1.59 187.79 0.03202 0.33
47 2.568 627.18 1.09 336.87 0.069145 0.534 175.11 0.0822 1.768 151.59 0.0822 0.30
60 2.648 706.99 1.054 324.86 0.14744 0.426 139.719 0.1641 1.82 0.1641 76.8 0.319
GRAFICOS:
-
Grafico N.1
Velocidad de entrada vs coeficiente de empuje interno
0
0.5
1
1.5
2
500 550 600 650 700 750coeficientedeempu
jeinterno
velocidad de entrada
velocidad de entrada vs coeficiente
de empuje interno
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- Grafico N.2
Velocidad de entrada vs coeficiente de empuje neto
- Grafico N.3
Velocidad de entrada vs coeficiente de arrastre
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
500 550 600 650 700 750coeficientedeempujeneto
velocidad de entrada
Velocidad de entrada v.s. coeficientede empuje neto
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
500 550 600 650 700 750
coeficientedearrastre
velocidad de entrada
Velocidad de entrada v.s. coeficiente
de arrastre
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- Grafico N.4
Velocidad de entrada vs flujo de combustible
- Grafico N.6
Velocidad de entrada vs rendimiento
20
30
40
50
60
70
500 550 600 650 700 750
Flujo
decombustible
Velocidad de entrada
velocidad de entrada v.s. flujo de
combustible
0.295
0.3
0.305
0.31
0.315
0.32
0.325
0.33
0.335
500 550 600 650 700 750
rendimiento
Velocidad de entrada
Velocidad de entrada v.s.
rendimiento
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CAPITULO VI
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PRECAUCIONES
- Debido a que est trabajando con un combustible altamente inflamable,
se deben tomar las mximas precauciones en el manipuleo del mismo.
- Asegurarse que el agua de refrigeracin est circulando libremente por
el tubo de Pitot en todo momento de la experiencia.
- Ver que el tubo de pitot est bien asegurado al sistema de
accionamiento por cadena, y en correcta posicin horizontal, para que
se mueva libremente.- En ningn momento la vlvula de combustible debe estar abierta, sin
que el ventilador centrfugo est funcionando y que est circulando
agua de refrigeracin por el tubo de pitot.
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CONCLUSIONES
Se comprob que era un Ram Jet subsnico debido que los nmeros
de match obtenidos en la experiencia son pequeos, cercanos a 1.
Los Ramjet liberan los gases a una alta velocidad lo cual les permite
generar un alto impulso para vencer la fuerza de arrastre.
Se logr apreciar los parmetros que influyen en el Ram Jet y como
varan stos conforme se cambia la cantidad de combustible y la
posicin del tubo de pitot. Aunque no se not gran cambio en el nmero de mach, pudimos
observar el cambio de presiones, de manera experimental.
Se observ que el Ram Jet es la aplicacin del ciclo Brayton en un
motor real el cual se usa en la aeronutica.
La precisin al momento de tomar los datos conllevan a un mejoranlisis de los resultados ya que estos se tienen que tomar en un brevelapso de tiempo.
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CAPITULO VIII
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BIBLIOGRAFA
Ramjet subsonico. Guia de Laboratorio. Facultad de Ingeniera
Mecnica. Universidad Nacional de Ingeniera.
www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/ramjet.html