Estudio de viabilidad de implementar un eyector en un motor turbofán como mecanismo para presurizar el aire de cabina

Abstract

[ES] En este proyecto se realiza un estudio detallado sobre la viabilidad de implementar el uso de un eyector en el sistema de presurización de cabina para una aeronave, de manera que las tomas de flujo estarán acopladas a 2 puntos distintos de la arquitectura del motor (pudiendo ser desde una toma del ambiente hasta una tras la 3a etapa de compresión del compresor de alta presión (HPC)) y se obtendrá en la sección de salida del eyector la presión deseada en cabina. El estudio pretende identificar las condiciones de vuelo y arquitecturas, en cuanto al posicionamiento del eyector en el motor, más prometedoras frente al enfoque tradicional, enfoque que no emplea eyector y en el que el flujo es sangrado directamente desde una etapa de compresión en la que se alcanzan condiciones de presión similares a las deseadas. Además, de entre las opciones más prometedoras se seleccionará aquella arquitectura que presente mayor capacidad de mejora para definir las condiciones de operación del eyector y pasar a optimizar su geometría. Como diseño de partida se ha empleado el diseño de un estudio preliminar en el cual se optimizó la geometría interna de un eyector para unas condiciones de operación que no son exactamente las requeridas, pero se modificar´an tras haber seleccionado la arquitectura y condiciones de vuelo óptimas y se proceder´a a su optimización, haciendo uso de programas de simulación de mecánica de fluidos computacional, y entendiéndose como diseño óptimo aquel que maximice el ratio entre el gasto másico secundario y la corriente principal. Así mismo, se realizará para la arquitectura seleccionada un estudio de sensibilidad para estudiar la influencia que tienen la altitud y Mach de vuelo sobre las prestaciones del motor, con la intención de determinar las fortalezas y debilidades del sistema propuesto, así como estudiar su rango de aplicación.

[EN] In this project, it is carried out a detailed study about the feasibility of implementing the use of an ejector in the cabin pressurization system for an aircraft, so that the flow intakes will be coupled to 2 different points of the engine architecture (that may be from an environmental take, until a take behind the third stage of compression of the High Pressure Compressor (HPC)), and the pressure in de ejector’s outlet will be the desired pressure in the cabin. The study aims to identify the flight conditions and architectures, regarding the positioning of the ejector in the engine, most promising compared to the traditional approach, an approach that does not use an ejector and in which the flow is removed directly from a compression stage in which pressure conditions are similar to those desired. Furthermore, among the most promising options, the architecture with the greatest improvement capacity will be chosen in order to define the ejector operating conditions and to optimize its geometry. It has been used the design of a preliminary study. In this study it was optimized the internal geometry of an ejector for operating conditions that are not exactly the ones required, but that will be modified after selecting the optimal architecture and flight conditions. It will be optimized using computational fluid mechanic simulation programs, with an optimal design that is understood as one that maximizes the ratio between the secondary and primary mass flow inlet. Likewise, a sensitivity study will be carried out for the selected architecture in order to study the influence of altitude and Mach number on engine performance, with the aim of determining the strengths and weaknesses of the proposed system, as well as studying its range of application.

[CA] Aquest projecte realitza un estudi detallat sobre la viabilitat d’implementar l’ús d’un ejector al sistema de pressurització de la cabina per a una aeronau, de manera que les preses de flux estaran acoblades a 2 punts diferents de l’arquitectura del motor (podent ser des d’una presa de l’ambient fins una despr´es de la 3a etapa de compressi´o del compressor d’alta pressi´o (HPC)) i s’obtindrà en la secció d’eixida de l’ejector la pressió desitjada a la cabina. L’estudi pretén identificar les condicions de vol i arquitectures, en referència al posicionament de l’ejector al motor, m´es prometedores enfront a l’enfocament tradicional, enfocament que no empra ejector i en el que el flux és extret directament des d’una etapa de compressi´o a la que s’aconsegueixen condicions de pressió similars a les desitjades. A m´es, d’entre les opcions més prometedores es seleccionar`a l’arquitectura que presente major capacitat de millora per a definir les condicions d’operaci´o de l’ejector i passar a optimitzar la seua geometria. Com a disseny de partida, s’ha emprat el disseny d’un estudi preliminar on es va optimitzar la geometria interna d’un ejector per a unes condicions d’operació que no són exactament les requerides, però es modificaran després d’haver seleccionat l’arquitectura i les condicions del vol òptimes i es procedirà a la seua optimització, fent ús de programes de simulació de mecànica de fluids computacional, entenent-se com a disseny òptim aquell que maximitze el ràtio entre el flux màssic secundari i la corrent principal. Així mateix, es realitzarà per a l’arquitectura seleccionada un estudi de sensibilitat per a estudiar la influència que tenen l’altitud i el Mach de vol sobre les prestacions del motor, amb la intenci´o de determinar les fortaleses i debilitats del sistema proposat, així com estudiar el seu rang d’aplicació.