Fundamentos de Propulsión Aeronáutica: Empuje, Resistencia y Rendimiento

Misión del Empuje

El empuje sirve para compensar la resistencia aerodinámica y para producir una variación temporal del estado de la energía mecánica de la aeronave.

Empuje Neto Instalado (E_inst)

Se define como la fuerza neta ejercida sobre la estructura de la aeronave (medida, por ejemplo, en una bancada de pruebas).

• Es el valor que se emplea para estudiar las necesidades propulsivas de la aeronave.
• Tiene en cuenta la fuerza de presión exterior que el fluido ejerce sobre la carena (góndola) del motor.
• Es un concepto que no siempre se puede obtener solo con mediciones directas, a menudo requiere cálculos.

Se relaciona con otras fuerzas mediante la expresión:

Einst = E + Dext + Dad = Fuerza de fricción (interna) + Fuerza de presión (interna) - Fuerza de fricción (externa)

Donde: E = Empuje neto no instalado, D_ext = Resistencia externa, D_ad = Resistencia adicional.

Empuje Neto No Instalado (E)

También conocido como empuje neto.

• Generalmente, es mayor que el empuje instalado.
• Se calcula como: E = (G + c) * Vs - G * V0 + (Ps - P0) * As

Donde: G = Gasto másico de aire, c = Gasto másico de combustible, V_s = Velocidad de salida de los gases, V₀ = Velocidad de vuelo, P_s = Presión estática a la salida, P₀ = Presión ambiente estática, A_s = Área de la sección de salida.

Resistencia Externa (D_ext)

Es la fuerza de resistencia aerodinámica ejercida por el flujo externo sobre la superficie exterior de la carena o góndola del motor. Puede actuar en la misma dirección del empuje (contribuyendo negativamente al empuje instalado) o en dirección opuesta.

Resistencia Adicional (D_ad)

Se define como la suma de las fuerzas internas menos el empuje neto no instalado (Dad = ΣFint - E).

• Es siempre opuesta al empuje o nula. Es nula cuando la dirección del flujo no se ve alterada significativamente por la instalación.
• La inclusión de un tubo de corriente a la entrada del motor permite independizar el estudio del motor del flujo externo, a cambio de introducir este concepto de resistencia adicional.
• La resistencia adicional de la captación (D_adc) es cero si las condiciones a la entrada y salida del tubo de corriente considerado son iguales a las del ambiente (M₀ = M_e, T_e = T₀, P_e = P₀).
• Caso ideal: Para una tobera adaptada (P_s = P₀) y flujo de fluido ideal, se cumple que D_ad ≈ -D_ext, resultando en E ≈ E_inst.

Rendimiento de Combustión (η_c)

Es una medida de la eficiencia del proceso de combustión.

• Es consecuencia de que la combustión no sea perfectamente completa (presencia de pequeñas cantidades de CO, combustible sin quemar, etc.).
• Cuantifica la diferencia entre la energía liberada real (productos a temperatura de salida T_s) y la energía que se liberaría en una combustión completa a la misma T_s.
• El incremento de entalpía real en la cámara de combustión es: ΔH_real = H_productos(T_s) - H_aire(T_{entrada_cámara}).

Rendimiento Motor (η_motor)

Mide la eficiencia global del sistema motor en convertir la energía química del combustible en potencia mecánica útil para la propulsión, para una velocidad de vuelo dada.

• Se relaciona con el consumo específico de combustible.
• Es siempre inferior a la unidad, principalmente debido a que la masa de trabajo (aire) se toma a temperatura ambiente (T₀) y se expulsa a temperaturas (T_s) mucho más elevadas, representando una pérdida de energía térmica.

Conceptos sobre Aerorreactores

• En muchas simplificaciones, se considera que el incremento de la entalpía de remanso es nulo en ciertos componentes (como la toma de aire). Esto se justifica porque el número de Reynolds suele ser muy alto y los números de Mach y Prandtl son de orden unidad, minimizando efectos viscosos y de transferencia de calor en comparación con otros fenómenos.
• Ángulos de flujo (φ): Se suelen definir ángulos para caracterizar la dirección del flujo. Por ejemplo, 0° < φ < 90° podría indicar flujo con componente axial y radial/tangencial, mientras que φ > 90° podría indicar flujo reverso en alguna zona (esto requiere contexto específico).
• Los aerorreactores son sistemas muy compactos, lo que implica tiempos de residencia del flujo y tiempos de combustión relativamente cortos.

Poder Calorífico (L)

Es la cantidad de energía liberada por unidad de masa de combustible durante la combustión completa.

• Está directamente relacionado con la entalpía de formación del combustible en condiciones de referencia.
• Es una medida directa de la máxima energía química disponible, que el motor intentará convertir en potencia mecánica.
• Generalmente, a mayor poder calorífico (L), menor será el consumo específico de combustible (C_e) para obtener la misma potencia, asumiendo rendimientos de combustión y motor constantes.