Modelado termodinámico de ciclos avanzados para propulsión de alta velocidad

Abstract

[EN] Majority of the hypersonic and supersonic air vehicles utilizes complex propulsion systems empowered by combined-cycle engines. The architecture of such engines is quite complex to model with high fidelity methods. Transients within variety of the components throughout the trajectory play an important role on the operability and consequently on the design of the component system. Hence, 0-Dimensional and 1-Dimensional approaches gain relevance for the conceptual design viability studies of the advanced propulsion cycles, such as air-turbo rockets, scramjets or detonation engines. The project aims to construct a framework suitable to design and simulate modern propulsion systems for high-speed transport or space access. One of the combined-cycle engines is modeled and studied in this document. The Air Turbo Rocket, ATR, is understood as the evolution of the turbojet and the rocket engine, due to the fact that it combines components and characteristics of both of them. Moreover, it provides a unique set of features because the shaft power to the fan is independent from the flight regime, and hence from the fan performance. In addition, the ATR Expander, ATR EXP, is equipped with a regeneration system composed by two heat exchangers, one for the combustion chamber and one for the nozzle, to add heat to the working fluid, the fuel, and increase the thermodinamic efficiency. This report focuses its efforts in the analytic research of some features of the ATR EXP in Matlab. Namely, the operational range of the engine will be studied, as well as the minimum area nozzle required for the mission, the minimum turbine work and the bleeding ratio that is necessary in supersonic regime. Apart from that, a brief introduction to EcosimPro and its environment has been made, giving examples of high speed engines studied in this numerical software.

[ES] La mayoría de los vehículos hipersónicos y supersónicos no autónomos utilizan complejos sistemas de propulsión dotados de motores de ciclo combinado. La arquitectura de estos motores es bastante compleja como para modelarla con un alto grado de precisión. Los transitorios dentro de la variedad de los componentes que conforman el motor, a lo largo de toda la trayectoria del vehículo, juegan un rol importante en cuanto a la operatividad de la misión, y consecuentemente en el diseño del componente. Por tanto, los métodos 0-dimensional y 1-dimensional tienen bastante relevancia en este tipo de aplicaciones, para centrarse en un diseño conceptual y de viabilidad para ciclos avanzados de propulsión, tales como los air turbo-rockets, los scramjets y los motores de detonación. Este proyecto tiene como objetivo construir un marco factible para diseñar y simular los modernos sistemas de propulsion para el transporte de alta velocidad o el acceso al espacio. Uno de los motores de ciclo combinado se ha modelado y estudiado en este documento. El motor Air Turbo Rocket, ATR, está considerado una evolución del motor turbojet y el motor cohete, debido al hecho de que combina tanto componentes como características de ambos. Además, proporciona una serie de características únicas, ya que la potencia del eje que se da al fan es independiente de la condición de vuelo, y por tanto, del rendimiento del fan. Adicionalmente, el ATR Expander, ATR EXP, está equipado con un sistema de regeneración compuesto por dos intercambiadores de calor, uno para la cámara de combustión y otro para la tobera, que proporcionan calor al fluido de trabajo, el fuel, para así incrementar la eficiencia termodinámica del ciclo. Este trabajo focaliza sus esfuerzos en el estudio analítico de algunas características del ATR EXP en Matlab. Concretamente, se estudiará el rango operacional del motor, así como también el área mínima de la tobera requerida para la misión, el trabajo mínimo que debe hacer la turbina, y el coeficiente de sangrado que debe existir para régimen supersónico. Aparte de eso, se hará una introducción breve a EcosimPro y su entorno, dando ejemplos de motores de alta velocidad estudiados en este software numérico.