Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet

TRABAJO DE FINAL DE GRADO TÍTULO DEL TFG: Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet TITULACIÓN: Grau en Enginyeria d’Aeronavegació AUTOR: Aleix Torra Raventós DIRECTOR: Fernando Mellibovsky FECHA: 18 / 05 / 2020 Título: Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Autor: Aleix Torra Raventós Director: Fernando Pablo Mellibovsky Elstein Fecha: 18 / 05 / 2020 Resumen El objetivo de este trabajo se basa en el diseño de un sistema de medida complementario a una bancada de pruebas para un motor micro turbo jet ( EvoJet B180 NEO). Se procederá a la definición y análisis del ciclo termodinámico de un motor micro turbo jet para así, efectuar el proceso de cálculo, selección e implementación de componentes para la correcta obtención de las variables termodinámicas en cada etapa de dicho motor. El diseño del sistema de medida empezará con el cálculo del ciclo de la máquina, de esta forma será posible prever las condiciones de trabajo de cada uno de los sensores. Seguidamente se procederá a la elección de los sensores que ira determinada principalmente, por la precisión que se necesite en cada etapa del motor. Las sondas instaladas se elegirán según el cálculo de propagación de incertidumbres para garantizar una óptima obtención de las actuaciones del motor. Finalmente, se realizará un estudio de instalación exhaustivo para cada tipo de sonda escogida para el sistema de medición. Title: Analysis tools for a micro turbojet test rig Author: Aleix Torra Raventós Director: Fernando Pablo Mellibovsky Elstein Date: 18 / 05 / 2020 Overview The aim of this work is based on the design of a complementary measurement system for a micro turbo jet engine (EvoJet B180 NEO) test rig. The thermodynamic cycle of a micro turbo jet engine will be defined and analyzed in order to carry out the calculation, selection and implementation of components which will provide the thermodynamic variables in each stage of such engine. The design of the measurement system will start by computing the machine cycle, in this way it will be possible to forecast the working conditions of each sensor. Then, it will proceed to the choice of sensors that will be determined mainly by the precision needed at each stage of the engine. The installed probes will be chosen according to the calculation of propagation of uncertainties, this methodology will guarantee that the engine performances are obtained correctly. Finally, an exhaustive installation study will be carried out for each type of probe chosen for the measurement system. ÍNDICE Introducción .............................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. ESTUDIO DEL MOTOR Y SU CÍCLO ......................................... 2 1.1. Historia de los motores tipo jet ........................................................................ 2 1.2. Motores tipo jet: principios de operación ....................................................... 3 1.3. Micro Turbojet .................................................................................................... 4 1.4. Análisis del ciclo ............................................................................................... 5 1.4.1. Ciclo de Brayton ........................................................................................................ 5 1.5. Definición del ciclo termodinámico del EVOJET 180 neo ............................. 8 1.5.1. Compresor ................................................................................................................. 8 1.5.2. Cámara de combustión .............................................................................................. 9 1.5.3. Turbina ....................................................................................................................... 9 1.6. Primera aproximación del ciclo termodinámico (gas calóricamente perfecto) .................................................................................................................... 9 1.7. Análisis experimental del ciclo termodinámico ........................................... 12 Capítulo 2. SENSORES ................................................................................... 12 2.1. Tipología de los sensores utilizados ............................................................. 12 2.1.1. Sensores de temperatura ........................................................................................ 13 2.1.2. Sensores de presión ................................................................................................ 16 2.2. Elección de los sensores ................................................................................ 16 2.2.1. Propagación de incertidumbres ............................................................................... 17 2.3. Sensores de temperatura ............................................................................... 21 2.3.1. Sensor 𝑇2 ................................................................................................................ 21 2.3.2. Sensor 𝑇3 ................................................................................................................ 22 2.3.3. Sensor 𝑇4 ................................................................................................................ 23 2.3.4. Sensor 𝐸𝐺𝑇 .............................................................................................................. 25 2.3.5. Sensor 𝑇5 ................................................................................................................ 26 2.4. Sensores de presión ....................................................................................... 26 2.4.1. Sensor 𝑃2 ................................................................................................................ 27 2.4.2. Sensor 𝑃3 ................................................................................................................ 27 2.4.3. Sensor 𝑃4 ................................................................................................................ 28 2.4.4. Sensor 𝑃5 ................................................................................................................ 34 2.5. Colocación de los sensores ........................................................................... 35 2.5.1. Sensores de temperatura ........................................................................................ 35 2.5.2. Sensores de presión ................................................................................................ 35 Capítulo 3. Acondicionamiento de señal ...................................................... 36 3.1. Termopares ...................................................................................................... 37 3.1.1 Hardware .................................................................................................................. 37 3.1.2. Software ................................................................................................................... 38 3.2. RTDs ................................................................................................................. 39 3.2.1 Hardware .................................................................................................................. 39 3.3. Transductores de presión .............................................................................. 40 3.3.1. Hardware ................................................................................................................. 41 Conclusiones ................................................................................................... 44 Bibliografia ....................................................................................................... 47 APÉNDICE I: CÓDIGO PYTHON PARA LA INSTALACIÓN DEL MAX31855 EN UNA RASPBERRY PI ................................................................................. 50 APÉNDICE II: CÓDIGO PYTHON PARA LA INSTALACIÓN DEL MAX31865 EN UNA RASPBERRY PI ................................................................................. 53 APÉNDICE III: CÓDIGO PYTHON PARA LA INSTALACIÓN DEL MCP3428 EN UNA RASPBERRY PI ................................................................................. 56 Lista de figuras Figura 1.1. Motor usado en el Aeolipile [1] .......................................................... 2 Figura 1.2. Gráfico rendimiento propulsivo vs Ve / Vo ........................................ 4 Figura 1.3. Turbojet de dimensiones reducidas [3] ............................................. 4 Figura 1.4. Esquema de un turbojet [4] ............................................................... 5 Figura 1.5. Gráfico ideal temperatura vs Entropía .............................................. 6 Figura 1.6. Gráfico real temperatura vs entropía ................................................ 7 Figura 1.7. Esquema de colocación de sondas. [11] ........................................ 12 Figura 2.1. Los tres tipos de terminación de un termopar. [13] ......................... 14 Figura 2.2. Diagrama resistencia vs temperatura. [14] ..................................... 15 Figura 2.3. Esquema de un transductor de presión. [15] .................................. 16 Figura 2.4. Gráfico milivoltios vs temperatura. [14] ........................................... 24 Figura 2.5. Perfil de temperatura para un diámetro de 2mm ............................ 28 Figura 2.6. Esquema del intercambio de calor en elemento diferencial. [17] .... 30 Figura 2.7. Perfil de temperaturas para un diámetro de 2mm ........................... 33 Figura 2.8. Perfil de temperaturas para un diámetro de 4mm ........................... 33 Figura 2.9. Perfil de temperatura para un diámetro de 4mm ............................ 34 Figura 2.10. Esquema colocación sonda de presión. [20] ................................ 36 Figura 3.1. Configuración de pines del MAX31855.[22] .................................... 37 Figura 3.2. Aplicación usual del MAX31855. [22] .............................................. 38 Figura 3.3. Configuración de pines del MAX31865. [23] ................................... 40 Figura 3.4. Esquema montaje de un variador de tensiones .............................. 41 Figura 3.5. Configuración de pines del BSS138. [24] ....................................... 42 Figura 3.6. Configuración de pines del MCP3428. [25] ..................................... 43 3 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 1.2. Motores tipo jet: principios de operación Tal y como su nombre indica, podemos deducir que estos motores se rigen por la 3ª ley de Newton, la cual nos dice que si se aplica fuerza sobre un cuerpo, este nos produce una fuerza de igual magnitud pero en sentido contrario. De igual forma, sabemos que esta fuerza es igual a un cambio en el momento total, de este modo el impulso neto generado lo podemos expresar como una relación entre la velocidad en que el flujo entra en el motor y la velocidad en que este sale del mismo motor: 𝐹= C 𝑚 1 !+𝑚 1 " E 𝑉#−𝑚 1 $𝑉$ (1.1) Dónde 𝑚 1 ! es el flujo de aire que el motor absorbe 𝑚 1 " es el flujo de combustible que se le subministra a la cámara de combustible 𝑉# es la velocidad de salida de los gases en la tobera del motor 𝑉$ es la velocidad de vuelo Una vez dicha en la ecuación (1.1) como se rige el impulso de cualquier motor a reacción podemos cualificar que tan efectivo es este motor. Para medir la eficiencia de propulsión se tendrá que determinar la relación que hay entre la potencia de empuje del motor con su potencia total. 𝜂%& =𝑃' 𝑃(=2 H𝑉# 𝑉$−1J+𝛼𝑉# 𝑉$ KH𝑉# 𝑉$J3−1L+𝛼KH𝑉# 𝑉$J3−1L (1.2) Donde 𝛼 es el ratio combustible/aire Si hacemos la suposición que contamos con un pure propeller, ya que la cantidad de aire que entra en el motor es mucho más grande que la cantidad de combustible que entra, podemos asumir que 𝛼→0 , de esta forma la ecuación (1.2) nos queda de la siguiente manera: 𝜂%& =𝑃' 𝑃(=2 1+𝑉# 𝑉$ (1.3) Con esta expresión, podemos ver que el rendimiento propulsivo del motor aumenta a medida que el valor de la velocidad de entrada del flujo se aproxima al valor de la velocidad de salida de los gases. 4 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet En la figura 1.2, se observa que el rendimiento propulsivo disminuye exponencialmente con el decrecimiento de la relación velocidad de salida / velocidad de entrada. 1.3. Micro Turbojet Un micro turbojet como el de la figura 1.3, es un tipo de turbina de gas que funciona a partir de una combustión continua e interna. Este tipo de motor se rige por el ciclo de Brayton y esta formado por un compresor centrífugo aguas arriba del motor, un difusor radial que canaliza el flujo de aire hacia una cámara de combustión anular, una turbina axial y una tobera convergente aguas abajo del motor. Como su nombre indica esta máquina es básicamente un motor turbojet de dimensiones reducidas y es por esto que contiene un solo eje rotatorio que recupera la energía necesaria para poder realizar la compresión del flujo. Este tipo de turbojets tiene una eficiencia térmica de entre el 10% i el 30%, una potencia de 15 kW hasta 200 kW, un empuje que puede alcanzar más de los 200 N y una velocidad de rotación del eje que se sitúa entre los 20.000 y 150.000 rpm [3]. Figura 1.2. Gráfico rendimiento propulsivo vs Ve / Vo Figura 1.3. Turbojet de dimensiones reducidas [3] 5 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Un motor de estas dimensiones se comporta termodinámicamente igual que cualquier turbina de gas, las cuales ingieren una cantidad determinada de flujo de aire para tratarlo y efectuarle procesos térmicos que siguen el modelo del ciclo de Brayton. 1.4. Análisis del ciclo 1.4.1. Ciclo de Brayton Como cualquier máquina térmica, los motores que funcionan con turbina de gas siguen un ciclo termodinámico y en su caso, es el ciclo de Brayton. Los motores de reacción como el micro turbojet basan su funcionamiento en una conversión de calor hacia una energía útil que se convertirá en empuje. De esta forma, el ciclo se determina por un intercambio de calor y energía entre el motor y el entorno. Para entender el ciclo, se va a tener en cuenta solo los elementos del motor que nos suponen un cambio termodinámico dentro del motor. Estos serían, el difusor, el compresor, la cámara de combustión, la turbina y la tobera de salida. En la figura 1.4, se puede observar diferentes estaciones numeradas que se corresponden al estado del flujo en cada etapa del motor. La región entre la etapa uno y dos es el difusor, donde la corriente se ralentiza y la presión del aire aumenta. La región entre 2 y 3 es el compresor, donde se comprime el flujo añadiéndole así más energía, idealizado como un proceso adiabático donde la presión y la temperatura aumentan y el volumen disminuye. Entre las estaciones 3 y 4 se produce la combustión, se agrega calor y aumenta el volumen, la entropía y la temperatura alcanza su valor máximo. Entre las estaciones 4 y 5 se encuentra la turbina, donde la presión y la temperatura disminuyen y el volumen se expande isentropicamente mientras el aire fluye a través de la turbina, convirtiendo el calor en trabajo mecánico. Finalmente, entre 5 y 7, el aire pasa a través de la tobera disminuyendo su presión hasta la presión ambiental a la vez que aumenta la velocidad. Figura 1.4. Esquema de un turbojet [4] 6 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Los ciclos termodinámicos los podemos diferenciar entre los ideales y los reales, los ciclos ideales se calificarían como procesos perfectos que no tienen perdida de energía, cuando esta se transforma o se maneja para su uso. Por otro lado, los ciclos reales son aquellos que si ocasionan perdida de energía y son los únicos que rigen el comportamiento de cualquier máquina térmica. Entonces, podemos encontrar la eficiencia de cualquier proceso, componente o máquina térmica comparando el comportamiento real de este con el comportamiento ideal. 1.4.1.1. Ciclo de Brayton ideal - 0-3 Compresión adiabática del grupo compresor - 3-4 Combustión isobárica - 4-9 Expansión adiabática en la turbina - 9-0 Expansión isobárica en la tobera Como se puede observar en la figura 1.5, en las etapas de compresión y expansión del aire no tenemos ninguna transferencia de entropía, por lo tanto, el ciclo es eficientemente ideal. Con el gráfico anterior también podemos obtener el trabajo que generaría y el rendimiento que tendría nuestro motor si no experimentara perdidas de ningún tipo, si el gas que circula a través de el fuera perfecto calóricamente y si la cantidad de flujo de combustible inyectada en el motor fuera despreciable. 𝑤=𝐶%(𝑇4−𝑇$) R 𝑇5 𝑇4−1 S (1.2) 𝜂)* =1+𝑞!+) 𝑞,- =1+𝑞6$ 𝑞45 (1.3) Figura 1.5. Gráfico ideal temperatura vs Entropía 7 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 𝑞!+) =𝑞6$ =∆ℎ6$ =𝐶%(𝑇6−𝑇$) (1.4) 𝑞,- =𝑞45 =∆ℎ45 =𝐶%(𝑇5−𝑇4) (1.5) Dónde: 𝑤 es el trabajo generado por el sistema. 𝜂)* es el rendimiento térmico gel sistema. 𝑞!+) es el calor que el sistema libera. 𝑞,-7 es el calor que entra en el sistema. ∆ℎ es la variación de entalpia que hay entre los estados del subíndice. 1.4.1.2. Ciclo de Brayton real Anteriormente se ha comentado el ciclo de Brayton ideal, un ciclo que era térmicamente perfecto y que no tenia perdidas en ninguna fase, pero en la vida real no existe ningún sistema perfecto que nos pueda garantizar un rendimiento del 100%. En la siguiente grafica podemos observar la forma que adquiere un sistema regido por el ciclo de Brayton real. Tal y como se puede apreciar en la figura 1.6, la compresión y expansión que se llevan a cabo entre 2-3 y 4-9 respectivamente, no son energéticamente perfectas, es decir, en el proceso de compresión no todo el trabajo realizado hacia el flujo sirve para comprimirlo y en la turbina no toda la energía contenida en el flujo servirá para acelerar este mismo. Posteriormente, esto es debido a que ambos procesos no son ideales y por lo tanto tienen perdidas tanto térmicas como mecánicas. En este caso, no se puede asumir las hipótesis que se han tomado en ciclo de Brayton ideal, ya que el sistema no es calóricamente perfecto. Entonces, si en la figura 1.6 se considerara la adición del flujo de combustible, las relaciones obtenidas seguirían la siguiente forma: Figura 1.6. Gráfico real temperatura vs entropía 8 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 𝑊7=−(𝑞,- +𝑞!+)) (1.6) 𝑞,- =U 𝑇𝑑𝑠 5 4=C𝑚1$+𝑚1"Eℎ5−𝑚1$ℎ4 (1.7) 𝑞!+) =−U 𝑇𝑑𝑠 6 3=C𝑚1$+𝑚1"Eℎ6−𝑚1$ℎ3 ( 8) 𝜂)* =1+𝑞!+) 𝑞,- =1+𝑞63 𝑞45 ( 9) Por otro lado, en el mismo gráfico se podría obtener la cantidad de perdidas efectuadas en todo el ciclo, calculando el área sombreada que se encuentra por debajo de la línea que indica el proceso de liberación de calor (9-2). 1.5. Definición del ciclo termodinámico del EVOJET 180 neo Para poder trabajar con este motor, es necesario conocer su ciclo termodinámico con el fin de determinar principalmente la temperatura y presión que se obtiene en cada fase del ciclo. Dicho motor se encuentra en tierra, está totalmente estático y se toman las condiciones de atmosfera estándar para realizar el estudio termodinámico. El fabricante del micro turbojet EVOJET B220, proporciona algunas de las principales características del motor, como el empuje, el consumo, las revoluciones por minuto del eje principal y la temperatura de los gases de salida del motor [5]. Aún así, estos datos no son suficientes para obtener las variables termodinámicas que se encuentran en cada etapa del motor. Es por eso que se hace indispensable realizar un estudio bibliográfico de los elementos del motor para obtener sus prestaciones. 1.5.1. Compresor Los compresores de las micro turbinas de gas suelen ser de tipo centrífugo por su capacidad de compresión ocupando un tamaño reducido. Se pueden dividir en dos componentes principales: el impulsor y los difusores. El impulsor aumenta la velocidad y la presión del flujo al cambiar la dirección del flujo de axial a radial. Luego, los difusores reducen la velocidad del flujo para aumentar la presión que entra en la cámara de combustión, lo que permite un proceso de combustión de alta eficiencia. Los compresores centrífugos tienen una eficiencia politrópica alrededor del 75- 85%, pero debido a la miniaturización de los componentes del motor, este valor no se mantiene y es por eso que se considerará una eficiencia politrópica del 75%. Por otro lado, el ratio de compresión que puede proporcionar un compresor 9 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet de estas prestaciones y dimensiones oscila alrededor del 3.5, dependiendo del tipo de paletas, el número de álabes y el ángulo de inclinación de estas. [6] 1.5.2. Cámara de combustión Las micro turbinas de gas actuales utilizan una cámara de combustión que trabaja a presión. Son simples de implementar y proporcionan un flujo de gas relativamente estable y uniforme a la turbina. A pesar de que tienen beneficios prácticos, el comportamiento del flujo en la cámara de combustión es complejo debido a la compacidad y al entorno altamente viscoso. La eficiencia de la combustión, la estabilidad de la llama, el encendido, el enfriamiento de la pared, la pérdida de presión y el control de emisiones son algunos de los desafíos comunes que se enfrentan en el diseño y el rendimiento de estas cámaras de combustión. Actualmente este tipo de cámaras de combustión tiene una eficiencia que esta entre el 95% i el 99% o análogamente unas perdidas de carga del 1%-5%, pero de la misma forma que en el compresor, se va a estimar unas pérdidas de carga ( 𝜂0)7 del 6% debido a la miniaturización.[7] 1.5.3. Turbina La turbina se compone de rotor y estator, se ocupa de expandir los gases a presión sin variar considerablemente la velocidad para recuperar energía mecánica y transmitirla al eje que se encarga de accionar el compresor. La eficiencia termodinámica de la turbina depende de la manera en que se hace la conversión de la energía térmica a mecánica. Este elemento será el encargado de mover el compresor del motor utilizando el eje central por el que se unen. La eficiencia de dicha transmisión de movimiento se va a regir por la eficiencia mecánica de todo el conjunto motor, la cual en motores comunes oscila entre valores cercanos al 98% - 99%, en este caso se va a considerar del 97%. [8] En cuanto al rendimiento politrópico de la turbina, se va a fijar a 0.85 ya que por cuestiones mecánicas la turbina suele alcanzar mayores valores que el compresor. 1.6. Primera aproximación del ciclo termodinámico (gas calóricamente perfecto) La determinación aproximada del ciclo de la máquina, es de vital importancia para conocer el orden de magnitud de las temperaturas y presiones que se alcanzan en cada etapa del motor. De esta manera, se va a poder escoger adecuadamente el tipo de sensores que se van a necesitar, y con ellos, medir el ciclo termodinámico de una forma más precisa. 10 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Para examinar la temperatura y presión en cada estación del motor, primero se va a tener que conocer dichos valores en las condiciones externas dónde se encuentra la máquina. Durante todo el procedimiento se va a considerar el motor en el suelo y en condiciones estándar, por lo tanto, se va a partir de 𝑇$=2887𝐾7 y 𝑃$=1013257𝑃𝑎 . En cuanto al consumo del motor, el fabricante indica un flujo de combustible máximo de 420 g/min para el EVOJET neo 180. Por otra parte, el flujo de aire no esta indicado y se va a determinar a partir de un escalado utilizando datos conocidos de otro micro turbojet ( JetCat P200-SX).[9] Este segundo motor consume 584 g/min a la vez que proporciona un empuje de 230N, una velocidad de los gases de salida de 1840 km/h y alcanza un flujo de aire de 0.45 kg/s. Entonces, utilizando estos valores podemos estimar el flujo de aire del EVOJET 180 neo: 𝑚$=0.450·140 230=0.2747𝑘𝑔/𝑠 1 (1.10) En el caso del EVOJET se considera una velocidad de salida entorno a los 1200 km/h para cumplir con las especificaciones del motor, con esto podemos obtener una riqueza de la mezcla (𝛼)7 de 0.0169. Admisión: Con la hipótesis de motor en tierra podemos suponer que 𝑇)3 =𝑇)$ =𝑇$=2887𝐾 Tomando una eficiencia de admisión del 98%; 𝑃)3 =7𝑃)8(1−𝜀,)=100.3127𝑘𝑃𝑎 (1.11) Compresión 𝜋1=𝑃)4 𝑃)3 =3.5→𝑃(4 =351.0917𝑘𝑃𝑎 (1.12) 𝑃(4 𝑃(3 =R𝑇)4 𝑇)3S9 9:;·=!" →𝑇(4 =464.157𝐾77 (1.13) 11 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Combustión: La combustión se realiza a partir de un combustible y estará determinada por el poder calorífico o su capacidad calorífica ℎ./ [10], que se define como la cantidad de energía que este proporciona por unidad de masa o de volumen de combustible que se desprende al producirse una reacción química o de reacción como seria la combustión del motor. Partiendo de la ecuación de energía del quemador y considerando la relación aire -combustible del motor; (1+𝛼)·ℎ)5 =ℎ)4 +𝛼·𝜂0·ℎ./7777777(ℎ./ ≈417𝑀𝐽) (1.14) (1+𝛼)·𝐶%·𝑇)5 =𝐶%·𝑇)4 +𝛼·𝜂0·𝑄 (1.15) 𝑇(5 =1109.157𝐾7 Con una eficiencia de combustión del 94%; 𝑃(5 =7𝑃(4(1−𝜀0)=330.026𝑘𝑃𝑎 ( 1.16) Descompresión: Teniendo en cuenta solo las perdidas mecánicas (𝜂2#1 =97%7;7Ρ=0) y resolviendo para los mínimos y máximos valores de las entalpias según su coeficiente de riqueza: 𝑚1$·(ℎ)4 −ℎ)3)+7Ρ=𝑚$ 1 ·(1+𝛼)·(ℎ)5 −ℎ)>)·𝜂2#1 (1.17) 𝑇)4 −𝑇)3 =(1+𝛼)(𝑇)5 −𝑇)>) (1.18) 𝑇(> =965.947𝐾7 Suponiendo una rendimiento politrópico de la turbina del 85%: 𝑃)> 𝑃)5 = R 𝑇)> 𝑇)5 S 9 9:;·; =#" →𝑃)> =147.537𝑘𝑃𝑎 (1.19) Expansión: Asumiendo tobera adaptada (𝑃?=𝑃$) . Debido a la simplicidad de un motor como el microturbojet que se esta considerando en este estudio, los valores de presión 12 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet y temperatura que se obtienen después de esta etapa se podrían considerar prácticamente iguales a los de la descompresión. 1.7. Análisis experimental del ciclo termodinámico La necesidad de obtención de las variables termodinámicas se vuelve primordial cuando se desea calcular actuaciones del motor como el empuje, rendimientos de componentes, consumos, etc. Para determinar con exactitud el valor de las variables termodinámicas que se alcanzan en cada etapa del motor, es preciso utilizar sensores de temperatura y presión en los lugares adecuados. Estos componentes van a diferir dependiendo del régimen de temperatura y presión que estén expuestos, es por eso que la elección de dichos sensores va estar determinada por el tipo de proceso que miden, el tamaño de la cavidad dónde se encuentran y la forma de medición. Las localizaciones de los sensores de temperatura y presión se pueden apreciar en la figura 1.7, tal y como se indica en esta, se instalará un sensor de temperatura y otro de presión para cada inicio y final de etapa del ciclo termodinámico. Con el fin de eliminar confusiones, se va a seguir la numeración de etapas establecida previamente en el apartado del análisis del ciclo del motor. Capítulo 2. SENSORES 2.1. Tipología de los sensores utilizados Nomenclatura de los sensores 𝑇3:7 Sensor de temperatura total en admisión. 𝑇4:7 Sensor de temperatura total en la salida del compresor. 𝑇5:7 Sensor de temperatura total en la entrada de la turbina. 𝑇>:7 Sensor de temperatura total en la salida de la turbina. Figura 1.7. Esquema de colocación de sondas. [11] 19 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet ∆𝐹 𝐹=op𝜕𝐹 𝜕𝑚1!p·∆𝑚1!+p𝜕𝐹 𝜕𝑉?p·∆𝑉?+r𝜕𝐹 𝜕𝑚1"r·∆𝑚1"q·1 𝐹 (2.15) ∆𝐹 𝐹=∆𝑚1! 𝑚1!+𝑚1"+∆𝑉? 𝑉?+∆𝑚1" 𝑚1!+𝑚1" (2.16) - Empuje especifico. 𝜓= 𝐹 𝑚1$ (2.17) ∆𝜓 𝜓=Rp𝜕𝜓 𝜕𝐹p·∆𝐹+p𝜕𝜓 𝜕𝑚1$p·∆𝑚1$S·1 𝜓 (2.18) ∆𝜓 𝜓=∆𝐹 𝐹+∆𝑚1$ 𝑚1$ - (2.19) - Rendimiento térmico. 𝜂)* =(1+𝛼)·𝑉6 3 2·𝛼·ℎ" (2.20) ∆𝜂)* 𝜂)* =Rp𝜕𝜂)* 𝜕𝛼 p·∆𝛼+p𝜕𝜂)* 𝜕𝑉6p·∆𝑉6S· 1 𝜂)* (2.21) ∆𝜂)* 𝜂)* =1 𝛼+𝛼3+2 𝑉6 (2.22) - Pérdidas de carga. 𝜀=𝑃),!+) −𝑃),,- 𝑃),!+) (2.23) ∆𝜀 𝜀=or 𝜕𝜀 𝜕𝑃),!+)r·∆𝑃),!+) +r 𝜕𝜀 𝜕𝑃),,-r·∆𝑃),,-q·1 𝜀 (2.24) 20 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet ∆𝜀 𝜀=𝑃),,- 3 𝑃),!+) 3·(𝑃),!+) −𝑃),,-)+𝑃),,- 𝑃),!+) ·(𝑃),!+) −𝑃),,-) (2.25) Uno de los parámetros que va a condicionar la elección del tipo de sensores que se va a implementar en el motor, es la precisión. Es de decir, el margen de error que se va a considerar en cada una de las lecturas que se efectúen. Con el objetivo de determinar la precisión aproximada que se necesitaría para realizar lecturas en el motor, se van a utilizar las propagaciones de incertidumbres que se acaban de calcular. A partir de las ecuaciones (2.4) y (2.7) que rigen la propagación de incertidumbre para el rendimiento politrópico del compresor y el de la turbina respectivamente, se puede obtener una aproximación del valor de precisión que se necesitaría. Cabe decir que se escogen dichas ecuaciones, ya que en ellas están involucradas cada una de las variables termodinámicas que se van a leer a partir de los sensores ( 𝑃)3,𝑃)4,𝑃)5 , 7𝑃)>,7𝑇)3 , 𝑇)4,7𝑇)5,7𝑇)>) . Dicho esto, si se fija un valor de referencia para el error del rendimiento politrópico del compresor y de la turbina igual al 1%, obtenemos la manera en que interviene el error individual dentro de la expresión: 0.01=1.84·𝜀B)4+1.84·𝜀B)3+4.83·𝜀()4 +4.83·𝜀()3 (2.26) 0.01=2.86·𝜀B)>+2.86·𝜀B)5+13.57·𝜀()>+13.57·𝜀()5 (2.27) Con estas expresiones se puede apreciar que el error en las lecturas de temperatura, tendría que ser mucho más preciso que el error obtenido de las lecturas de presiones. Concretamente, para la expresión de error del rendimiento politrópico del compresor se obtiene que el error de temperatura y presión difieren en un factor igual a 2.63, lo cual significa que los sensores de temperatura tendrían que ser 2.63 veces más precisos que los de presión. En el caso del error del rendimiento politrópico de la turbina, difieren en un factor 4.74. Con los factores resultantes mostrados en las ecuaciones (2.26) y (2.27), se podría estimar que las eficiencias del compresor y turbinas obtenidas en este análisis no podrán ser calculadas con una gran precisión. Esto se debe a la imposibilidad de encontrar sensores que contrarresten dichos factores. Sensor Estándar Especial Termopar 0.75% 0.4% RTD ~1.37%7(𝐶𝑙𝑎𝑠𝑒7𝐵) ~0.56%7(𝐶𝑙𝑎𝑠𝑒7𝐴) Transductor de presión 0.5% 0.25% Tabla 2.3. Porcentajes de error de las diferentes sondas consideradas 21 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet En la tabla anterior, se puede ver el porcentaje de error que ocasiona cada uno de los tipos de sensores que se van implementar, recogiendo la versión estándar y otra especial con una precisión mayor. Observando los valores de precisión agrupados en la tabla, se hace imposible cumplir los factores de relación entre el error de temperatura y presión que se necesitaría, ya que en cualquier caso el error que ofrece un sensor de presión es menor que el de un sensor de temperatura, ya sea un RTD o un termopar. Dicho esto, se va a estimar la propagación de incertidumbres utilizando por un lado sensores estándar y por otros sensores especiales. Teniendo en cuenta que para el caso de los RTD se va a utilizar solo sensores del tipo clase A, ya que si se escogiera la otra tipología (clase B) la propagación de errores se dispararía por el hecho de tener un error de alrededor al 1.37%. Si se estima la propagación de incertidumbres utilizando RTD de clase A y sensores estándar, se obtiene un error total del rendimiento politrópico del 8.17% y para el caso de la turbina se obtiene un error del 23.22%. Por otro lado, utilizando sensores más precisos, los errores disminuyen alcanzando valores del 5.56% para el rendimiento politrópico del compresor y 12.26% para el rendimiento politrópico de la turbina. 2.3. Sensores de temperatura 2.3.1. Sensor 𝑇 ! El primer dispositivo de medición es el que dará las condiciones iniciales del aire que entra en el motor. En este análisis termodinámico, se considera que la temperatura a la entrada del compresor (temperatura de admisión) es la misma que la temperatura ambiente. No estará instalado directamente en el motor, ya que se utilizará para medir la temperatura ambiente en la que el aire entra por el difusor. El hecho de que el motor permanezca quieto y en el suelo, permite medir la temperatura a las inmediaciones del motor, porqué al no haber velocidad de entrada del flujo de aire, la temperatura ambiente es igual a la temperatura de admisión tal y como se ha dicho anteriormente. Aunque el sensor no se instale en el motor ni las condiciones dónde actúe no sean adversas, se va a utilizar un RTD, concretamente un PT100. Es decir, un RTD que su material resistivo es el platino y su resistencia a la temperatura de 0º es de 100 Ω . La razón de esta decisión es la necesidad de introducir sondas con mediciones precisas que sean lo más parecidas posibles. De esta manera, el acondicionamiento de señal que se tenga que diseñar para leer el valor de los sensores, podrá ser homogéneo para la mayoría de las sondas del motor y facilitara el análisis termodinámico de la turbina. 22 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet En las dos primeras fases del motor son las únicas en las que se va a utilizar este tipo de sensor. Aunque la temperatura que se espera en esta fase esta comprendida dentro de los rangos de medición de los termopares, dicha temperatura es suficientemente baja para que un termopar no sea suficientemente estable ni preciso. Características del sensor § Dimensiones. En esta fase las dimensiones de la probeta no tendrán demasiada importancia ya que este sensor estará situado en el exterior del motor y el tamaño de la sonda no va a repercutir en el flujo que circula por el interior del motor. § Cubierta. Se va a utilizar la misma cubierta utilizada en el sensor 𝑇4. § Terminación del cableado conductor. Al estar sujeta al tipo de acondicionamiento de la señal que se utilice, es preciso utilizar la terminación con spade lugs. § Conectores. Se van a utilizar tuercas roscadas para fijar los sensores al motor, de esta manera habrá la posibilidad de cambiar la sonda cuando esta falle o este inoperativa. § Coeficiente de temperatura. El material resistivo del RTD es el platino, consecuentemente su coeficiente es de 0.00385. Debido a las necesidades de precisión se escogerá un RTD de clase A, con una desviación de lectura de temperatura que se regirá por: ±7 ( 0.15+0.002· | 𝑇 |) 7º𝐶 . 2.3.2. Sensor 𝑇 " Este sensor será el encargado de medir la temperatura del aire, una vez este haya pasado por el compresor y haya experimentado la compresión. Por esta razón, irá instalado entre la salida del compresor y la entrada de la cámara de combustión. Para cubrir las necesidades que se dan esta en aplicación, también se va a usar un RTD PT100. Cómo se ha explicado en el sensor 𝑇3 , la utilización de termopares en esta fase no garantiza precisión ni estabilidad debido a los rangos de temperaturas que se esperan. Características del sensor § Dimensiones. El diámetro de la probeta del RTD será el menor posible, cuanto más pequeña sea la probeta que penetra en el motor y se inmersa en el fluido interior menor será la perturbación que este cause sobre dicho 23 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet flujo, entonces el diámetro será de 0.32 cm. En cuanto la longitud de la probeta, no tendrá repercusión en el flujo interior del motor, pero es recomendable que sea lo suficientemente larga para alejar el cableado de la elevada temperatura que existirá en las inmediaciones del motor. Para esto, una longitud de 15 cm será suficiente. § Cubierta. Rígida y sellada con epoxy para proteger el sensor de la humedad y la corrosión, construida de acero inoxidable 316 y capaz de soportar temperaturas comprendidas entre -50ºC y 260ºC. La resistencia térmica del sensor hace que un RTD solo sea utilizable antes de la etapa de combustión del motor. § Terminación del cableado conductor. Spade lugs. § Conectores. Tuercas roscadas. § Coeficiente de temperatura. RTD de clase A para aumentar la precisión del sistema e intentar disminuir el error cometido en el calculo de las performances del motor. 2.3.3. Sensor 𝑇 # Colocado a continuación de la cámara de combustión, justo antes de la turbina de expansión. Este sensor será el que se someterá a las temperaturas más elevadas de todo el ciclo, es por eso que la probeta del sensor tendrá que ser capaz de soportar temperaturas de alrededor a los 900ºC. Dadas estas condiciones, una de las mejores opciones es la utilización de termopares gracias a su capacidad para soportar altas temperaturas y sus reducidas dimensiones. Dentro de la larga variedad de termopares que existen en el mercado, se encuentra una tecnología que se usa específicamente para turbinas, motores de aviones, quemadores, etc. [16] Este tipo de termopares son los que utilizan un aislado mineral en la cubierta. El aislamiento hace que el sensor aumente su tiempo de respuesta, ya que es posible utilizar un diámetro más reducido de los conductores del termopar. El aislado se basa en una mezcla compacta de MgO que incrementa la capacidad de leer la temperatura transfiriendo el calor rápidamente hacia la junta de medición o unión caliente. Por otra parte, un termopar que esta dotado de aislamiento mineral es capaz de soportar temperaturas y presiones más elevadas que un termopar convencional. A demás, aporta una protección extra contra la humedad y el choque térmico. Características del sensor § Dimensiones. Para los termopares hay disponible un diámetro menor que en los RTD, pero para facilitar el proceso de montaje se va a utilizar el mismo diámetro que en la sonda anterior, 0.32cm. De esta forma la perturbación que este generará al flujo será de misma magnitud. La 24 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet longitud de la probeta del termopar también será suficiente con unos 15cm. § Cubierta. Aislamiento mineral tal y como se ha comentado anteriormente, reforzada con un sellado de epoxy para prevenir la penetración de la humedad en el cableado interior. § Terminación del cableado conductor. Spade lugs. § Conectores. Tuercas roscadas. § Calibración. Una optima calibración para la aplicación que se le va a dar es la K. Cabe decir que no es la única calibración que se podría utilizar, pero este tipo de calibración ofrece un amplio abanico de utilización en diferentes temperaturas y se ha elegido mediante los criterios expuestos a continuación. A la hora de escoger la calibración del termopar si se estudia el rango de temperaturas operacional de cada una de las calibraciones, se puede observar que la mayoría de termopares serían capaces de soportar las temperaturas de salida que se darán en la cámara de combustión de la microturbina. Después de descartar las calibraciones que no operan esas temperaturas, el factor decisivo se encuentra en el orden de magnitud de milivoltios que estas ofrecen una vez se obtienen las lecturas del termopar. La figura 2.4 muestra para cada calibración, la salida aproximada que nos daría el termopar según la temperatura que se estuviera leyendo. Tal y como se puede apreciar en el gráfico, las calibraciones capaces de soportar valores cercanos a 1000ºC (1832ºF) serían las E, K, N, C, R, S y B descartando la J por encontrarse en el límite. Teniendo en cuenta Figura 2.4. Gráfico milivoltios vs temperatura. [14] 25 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet estas calibraciones, las 4 últimas ofrecen una respuesta notablemente inferior, consecuentemente supondría disponer de un acondicionamiento de la señal más precisa para detectar valores de milivoltios inferiores. Entonces, de entre las calibraciones restantes, la que ofrece mayor respuesta de salida es la E, aunque se va a escoger la K ya que es el tipo de calibración más versátil que existe entre las tres. § Precisión. Como se ha visto anteriormente en la ecuación (2.27), los sensores de temperatura correspondientes a las fases 𝑇)5@ y 𝑇)>@ deberían ser las sondas provistas de una mayor precisión ya que su impacto en la propagación es mucho mayor. Por esta razón la necesidad de implementar una sonda con limite de error de precisión de categoría especial (+/-0.4%) se hace indispensable. 2.3.4. Sensor 𝐸𝐺𝑇 El sensor encargado de proporcionar el valor de la temperatura de los gases de salida es una sonda que ya viene de serie incorporada en el motor y esta ubicada justo después de la turbina. Este sensor incorpora también su instalación directa con la centralita de procesamiento de datos del motor (JETRONIC control), la cual se encarga de efectuar el acondicionamiento del señal proporcionado por la sonda de temperatura. Haciendo referencia a las instrucciones indicadas por el fabricante, la probeta de EGT deberá leer valores de entre 600ºC y 780ºC en circunstancias normales de funcionamiento. Cuando se sobrepasa estos valores, la capacidad de control de la turbina disminuye y esta se pierde si la temperatura asciende por encima a los 790ºC. El valor máximo que esta sonda debería leer oscila alrededor de los 840ºC y se daría única y exclusivamente en efectuar una interrupción de seguridad durante el arranque del motor. Las especificaciones exactas de la sonda instalada en el motor no son facilitadas por el fabricante, por esta razón se determinarán a partir de las especificaciones facilitadas por otro fabricante que manufactura turbinas muy similares a la utilizada en este estudio. § Dimensiones. El diámetro de la sonda es de 0.32cm y la longitud de esta es inapreciable ya que esta instalada directamente en el interior del motor. § Cubierta. Construida de Inconel 600 con un espesor aproximado de 0.38mm, esta probeta también cuenta con aislamiento mineral con MgO. § Terminación. La sonda va directamente conectada al sistema electrónico JETRONIC. § Conectores. Al estar instalada en el interior del motor no se puede determinar la fijación de la probeta en la carcasa de este. 26 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet § La probeta de la sonda es un termopar tipo K, capaz de leer temperaturas de -100ºC hasta 1300ºC. § Precisión. Este sensor es una sonda de precisión especial, con unos limites de error de precisión en la lectura de temperatura no superiores a +/- 0.4%. 2.3.5. Sensor 𝑇 $ Esta sonda corresponde al elemento encargado de medir la temperatura de los gases de salida. El motor que se utiliza ya incorpora una sonda para monitorizar los gases de expulsión, pero debido a la instalación de sensores que se va a realizar no supone un gasto demasiado grande la incorporación de otro sensor adicional al de fabrica. Esta sonda complementaria permitirá estimar la efectividad del sensor instalado de fabrica y tomar valores con una precisión más elevada. Los rangos de temperatura y las condiciones ambientales que se encuentran en esta fase, no divergen demasiado a las encontradas en la fase de la cámara de combustión y esto lleva a incorporar una sonda con las mismas características a la instalada en 𝑇5. 2.4. Sensores de presión Para la medición de la presión se va a utilizar los mismos transductores de presión en todas las etapas del motor. Lógicamente, los rangos de presión a medir sufren grandes variaciones entre etapas, pero estas, no son suficientes para utilizar diferentes tipos de transductores para medir la presión en las diferentes fases. En cada etapa la instalación del transductor va a ser distinta con el fin de adaptarse a las condiciones que se den y asegurar la integridad física del transductor. La sonda utilizada es un transductor de la casa Omega de alta precisión y de acero inoxidable, concretamente pertenece a la serie PXM309, los cuales son la opción más idónea para monitorizar ambientes gaseosos a un coste relativamente moderado. Características del sensor: § Rango. De 70 mbares a 700 bares. Presión absoluta de 350 mbar a 20 bares. § Voltaje de suministro. 15 a 30 Vcc. 27 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet § Voltaje de funcionamiento. No definido. Protegido de sobre voltajes y de polaridad inversa. § Precisión estática. ± 0.25% escala completa BFSL a 25ºC incluyendo linealidad, histéresis y repetitividad. § Margen total de error. 1 a 20 bar ± 1% absoluta. § Temperatura de funcionamiento. -20 a 85ºC. § Conexión de presión. G ¼ Macho (13.157mm). § Tipo de conexión. Por cable. 2.4.1. Sensor 𝑃 ! La primera sonda PXM309 instalada según el ciclo termodinámico, se corresponde a la etapa comprendida entre la tobera de entrada y el compresor. Las condiciones que se dan en esta fase, son totalmente compatibles con los rangos de temperatura aceptados por el sensor. Esta sonda va a determinar la presión en la que el fluido entra en el motor. En esta fase, cabe destacar que las condiciones termodinámicas que se dan serían compatibles con otras sondas más simples que un transductor de presión, sin embargo, la mayoría de sondas que se podrían usar en esta etapa no alcanzan las prestaciones necesarias que se necesitarían para poder obtener resultados fiables. 2.4.2. Sensor 𝑃 " El sensor 𝑃4@7 , si se sigue el orden del ciclo termodinámico iría posicionado antes del 𝑃5 , pero esta última sonda PXM309 esta sometida a unas condiciones más adversas, por lo tanto, es de mayor facilidad resolver la implementación de un transductor en el caso más hostil para así imponer la misma metodología para unas condiciones no tan adversas. Si se hubiera hecho de manera inversa, hubiera habido la posibilidad de que el sensor 𝑃5 no soportara la implementación aplicada para la sonda 𝑃4 . De esta manera, el procedimiento de instalación que se sigue para implementar esta sonda esta explicado detalladamente en el apartado del sensor 𝑃5 . Entonces, el sensor 𝑃4 es también un transductor de presión que se encarga de medir la presión obtenida a la salida del compresor del motor. Los valores a medir van más allá de los 300kPa y vienen acompañados de temperaturas superiores a los 190ºC. Estas temperaturas no son lo suficientemente bajas para que se pueda instalar el transductor directamente en el interior del motor. 28 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Para asegurar la integridad física del transductor, se va a seguir el mismo procedimiento utilizado en 𝑃5 . Instalar un conducto de acero inoxidable que se encargue de disminuir la temperatura hasta valores soportables para la sonda, que va a evaluar el flujo saliente del compresor. Entonces, utilizando la expresión (2.34), las condiciones de contorno (2.35) y las (2.36), se puede obtener el perfil de temperatura a lo largo del conducto instalado. Como se puede apreciar en la figura 2.5, la temperatura a la cual el flujo entra al conducto es de 500 K. A una distancia de 7 cm esta ya se habría reducido a unos 300 K, entonces, usando 10 cm de tubo se podría garantizar la integridad física de la sonda y la temperatura del flujo ya se situaría por debajo de los 25ºC, que es el valor mínimo para asegurar un error de lectura máximo del ± 0.25% . La longitud de conducto utilizada va a ser mayor a la que teóricamente se necesitaría y estos centímetros de más son los que permitirían temperaturas más elevadas a la entrada del conducto si algún fallo se produjera en el motor. 2.4.3. Sensor 𝑃 # El transductor de presión PXM309 que se instalará en esta etapa es el que más adaptaciones va a necesitar, debido a las condiciones extremas del fluido. Los transductores de presión comunes pueden soportar temperaturas de hasta 80ºC, si se buscara mecanismos más especializados y más preparados, las temperaturas máximas soportadas podrían llegar hasta los 300ºC. Aún así las temperaturas que se van a encontrar a la salida de la cámara de combustión, van a oscilar entre los 800 y los 900ºC de modo que debido al alto coste de adquisición de un transductor de presión capaz de soportar temperaturas de este tipo, se va a optar por la instalación de un sistema alternativo con la intención de Figura 2.5. Perfil de temperatura para un diámetro de 2mm 35 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 2.5. Colocación de los sensores 2.5.1. Sensores de temperatura Los termopares y RTD que se van a instalar en el motor, miden la temperatura o bien por área o por punto, sin esta ser afectada por otras variables termodinámicas del flujo. Por dicha razón, la instalación de los sensores de temperatura solo va a requerir la penetración de la carcasa de la turbina para que la probeta del termopar o RTD se encuentre con el flujo. La medición de la temperatura del flujo no sufre variaciones si dichos sensores se instalan con un ángulo determinado respecto el flujo, entonces, por cuestiones de comodidad, las sondas térmicas se instalarán mediante una perforación perpendicular respecto a la dirección de circulación del flujo que atraviesa el motor. 2.5.2. Sensores de presión En cuanto a la instalación de las sondas de presión es de vital importancia saber que tipo de presión será la que vaya a medir. Para las sondas de presión correspondientes a etapas intermedies del motor, como seria la salida del compresor y la salida de la cámara de combustión, solo es necesario obtener medidas de la presión total que caracteriza el flujo. En las fases dónde se requiere la obtención de la presión total, es necesario instalar un tubo en forma de codo de 90º en el interior del motor que haga la función de tubo pitot. Este tubo tendrá que estar posicionado como el pitot que se muestra en la figura 16, enfocado en la dirección por dónde viene el flujo para que este penetre en el interior del conducto. De esta forma, el flujo se detiene casi isentropicamente, recuperando así la presión total de gas incidente. A la entrada del motor (bellmouth) y a la última etapa del motor correspondiente a la tobera, es necesario obtener valores de presión estática y de presión total. Entonces, en estas etapas se contará con la instalación de este tubo pitot. Para encontrar dichas variables es necesario tener encuentra el efecto Bernoulli [19] que se produce dentro de cada tubo pitot que se va a instalar. Este efecto, predice una reducción de la velocidad del flujo que da lugar a un incremento de presión. Entonces, aplicando el principio de Bernoulli sobre el flujo de corriente que incide sobre el tubo pitot, es posible cuantificar la velocidad a la que entra el flujo de aire por la tobera de aspiración y la velocidad de escape de los gases de salida. 𝑃)=𝑃#+1 2·𝜌·𝑣3 (2.41) Las sondas de presión estática, aprovechando las propiedades de la capa límite, medirán la presión del flujo estando incrustadas a la pared para no obstruir el 36 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet flujo de aire. Cabe decir, que los dos tipos de sondas instaladas en la primera y ultima etapa del motor, estarán posicionadas en el mismo tubo pitot. Entonces, el agujero central del pitot enfocado en dirección del flujo de aire, llevará dicho flujo a la sonda de presión total. Los agujeros laterales incrustados a la pared del pitot que se ven en la figura 2.10, llevarán el flujo hacia la sonda de presión estática. Para intervenir en el flujo de manera homogénea a la hora de instalar las sondas, se va a intentar situarlas en diferentes ángulos radiales respecto al motor. Entonces, si el motor tiene forma cilíndrica y la sección del motor forma una circunferencia de 2 𝜋 grados, la forma idónea de colocar los sensores seria repartirlos uniformemente por los diferentes radiales de la sección. Cabe decir, que la lectura ideal para cada variable termodinámica obtenida en cada fase del motor, se tendría que efectuar mediante el valor medio obtenido de la lectura de al menos tres sondas para cada variable a determinar. De esta forma los valores obtenidos podrían garantizar la fiabilidad suficiente y no estarían expuestos si alguno de ellos fallara. En la práctica, por cuestiones económicas, solo se va a utilizar una sonda para cada variable termodinámica medida en las etapas de la turbina. Capítulo 3. Acondicionamiento de señal Una vez se han escogido e instalado todas las sondas de temperatura y presión, es necesario realizar un acondicionamiento de la señal que estas nos dan con el objetivo de poder leer el valor de la variable termodinámica obtenido. Cada una de las sondas instaladas ofrece un tipo de respuesta diferente. Estas dependen totalmente de un buen tratamiento de la señal ya que seria imposible obtener un valor de temperatura o presión sin utilizar un sistema que prepare la señal para ser leído. Por esta razón, será necesario imponer diferentes tipos de circuito de tratamiento de la señal para cada tipo de respuesta proporcionada por las sondas. Figura 2.10. Esquema colocación sonda de presión. [20] 37 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 3.1. Termopares Este tipo de sensores son muy sensibles y necesitan una referencia de compensación en frio dónde evaluar la temperatura medida en la junta caliente. Además, es de vital importancia incorporar un buen amplificador ya que la respuesta ofrecida de los termopares es del orden de mV. 3.1.1 Hardware 3.1.1.1. Microcontrolador: Raspberry Pi. Será el microcontrolador utilizado en todas las etapas de acondicionamiento de señal. Se trata de un ordenador de placa reducida con diferentes puertos y conexiones por donde se van a comunicar los diferentes elementos del sistema. Funciona mediante el lenguaje Python y se requerirá de diferentes códigos de programación [21] dependiendo del tipo de sonda y el sistema que esta utilice para acondicionar la señal. 3.1.1.2. Amplificador/ADC: MAX31855 Es el tipo de chip utilizado para la amplificación de la señal en el circuito. El MAX31855 realiza una compensación en la unión fría y digitaliza la señal en un termopar tipo K, J, N, T, S, R o E. Los datos se emiten en un formato de lectura de 14 bits compatible con SPI (serial peripherial interface). El convertidor resuelve temperaturas con una exactitud de ± 0.25ºC, permitiendo un rango de lecturas de temperatura entre -270ºC y 1800ºC. Según las especificaciones del producto, para temperaturas comprendidas entre -200ºC y 700ºC la precisión del amplificador es de ± 2ºC, para temperaturas superiores a estas e inferiores a 1372ºC la precisión del chip disminuye hasta ± 4ºC. Siguiendo las características térmicas del amplificador, se fijará un error máximo de ± 2ºC para la etapa de expansión de gases y un error máximo de ± 4ºC para la etapa de combustión. Figura 3.1. Configuración de pines del MAX31855.[22] 38 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Configuración de pines: 1. GND. Tierra. 2. T-. Entrada termopar (Tipo K à T- corresponde al cable de aluminio). 3. T+. Entrada termopar (Tipo K à T+ corresponde al cable de cromo). 4. Vcc. Tensión de alimentación. 5. SCK. Entrada de reloj serial. 6. 𝐶𝑆 ‘ ‘ ‘ ‘ . Selector para habilitar la interfaz de serie. 7. SO. Salida de datos de serie. 8. DNC. No conectar. En la figura 3.2, se pueden observar las aplicaciones típicas en las que se usa este chip y la relación de conectividad de este con las entradas a amplificar (valores del termopar) y el microcontrolador (raspberry PI). 3.1.1.3. Panel de conexiones: Protoboard Para armar el circuito se va a necesitar una placa de pruebas o placa de inserción, la cual esta cubierta por una serie de orificios interconectados eléctricamente entre sí siguiendo un patrón horizontal o vertical. A partir de dichos orificios se van a conectar los diferentes componentes electrónicos y cables eléctricos para cerrar el circuito eléctrico. 3.1.2. Software Para el funcionamiento del sistema, se debe sincronizar el microcontrolador del circuito con los diferentes elementos del circuito, en este caso con el MAX13855. El microcontrolador que se va utilizar utiliza Python como lenguaje informático, consecuentemente se va a tener que descargar e instalar la biblioteca de Python para poder usar el MAX31855. Una vez se dispone de las dependencias y de la biblioteca necesaria, se puede programar el código, el cual contendrá la relación de configuración de pines comentada anteriormente. El software a utilizar en el sistema es el mismo para todos los elementos que se van a usar, por esta razón, Figura 3.2. Aplicación usual del MAX31855. [22] 39 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet el procedimiento de instalación y de sincronización entre el microcontrolador y las sondas también será el mismo. 3.2. RTDs Los RTDs tal y como se ha explicado anteriormente contienen un resistor que cambia el valor de la resistencia a medida que la temperatura varia. Gracias a su funcionamiento, se puede definir como un sensor altamente preciso y estable, pero para poder exprimir estos beneficios es necesario instalar un amplificador diseñado para leer la baja resistencia del RTD y que a la misma vez, sea capaz de ajustar y compensar automáticamente el valor de dicho termistor. 3.2.1 Hardware El hardware utilizado para el acondicionamiento de la señal de los RTD, es prácticamente el mismo usado para los termopares. En este caso, se utiliza un amplificador muy parecido, pero este está diseñado específicamente para dar uso a los sensores tipo RTD. El microcontrolador del circuito nuevamente es la Raspberry Pi y la base del circuito, se asentará en la misma protoboard utilizada para los termopares. 3.2.1.1. Amplificador/ADC: MAX31865 Es el chip encargado de tratar la señal proveniente de la sonda, para que esta pueda ser leída por el microcontrolador. Se trata de un conversor de temperatura optimizado para RTD. El funcionamiento se basa en un termistor externo que establece la sensibilidad para el RTD usando un conversor analógico – digital (ADC), el cual convierte la relación de la resistencia RTD en relación a resistencia de referencia en forma digital. Las entradas del MAX31865 están protegidas contra picos de tensión. Este chip se ajusta perfectamente a las necesidades establecidas en la aplicación ya que es capaz de manejar resistencias hasta 1kΩ, permite sensores con conexiones de 2,3 o 4 pines y es compatible con la interfaz de periféricos en serie (SPI) que se va a usar en este caso. 40 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Figura 3.3. Configuración de pines del MAX31865. [23] Configuración de pines 1. BIAS. Salida de voltaje bias ( 𝑉RST7 ) 2. REFIN+. Voltaje de referencia positivo 3. REFIN-. Voltaje de referencia negativo 4. ISENSOR. Corresponde al lado inferior de 𝑅UV' 5. FORCE+. Corresponde al lado superior de la unidad del RTD 6. FORCE2. Entrada positiva que solo se usa en RTD con conexión a 3 cables 7. RTDIN+. Entrada positiva del RTD 8. RDTIN-. Entrada negativa del RTD 9. FORCE-. Lado inferior del retorno del RTD 10. GND2. Conexión a tierra analógica. 11. SDI. Conexión de entrada para los datos en serie 12. SCLK. Conexión de entrada para el reloj de los datos en serie 13. 𝐶𝑆 ‘ ‘ ‘ ‘ . Selector para habilitar la interfaz de serie 14. 𝑆𝐷𝑂 . Conexión de salida para los datos en serie 15. DGND. Conexión a tierra digital 16. GND1. Conexión a tierra analógica que se enlaza con GND2 17. DNC. No se debe conectar 18. 𝐷𝑅𝐷𝑌 ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ ‘ . Active-low, Push-pull, Data-ready output 19. DVDD. Entrada de la tensión de alimentación para el digital 20. 𝑉JJ . Entrada de la tensión de alimentación para el analógico 3.3. Transductores de presión Este tipo de sondas de presión funcionan a un voltaje de 10V a diferencia de la entradas de la Raspberry PI que funcionan a un voltaje máximo de 3.3V. Esta diferencia de tensión que se encuentra entre los dos elementos del circuito, hace indispensable la utilización de un sistema que adapte los elementos electrónicos. 41 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Para resolver este desfase de voltaje se va a utilizar un variador de tensiones o logic level shifter. Este elemento electrónico se compone de un circuito que traduce señales de un nivel lógico o domino de voltaje a otro, permitiendo la compatibilidad entre circuitos integrados con diferentes requisitos de voltajes, como seria un transductor de presión y un microcontrolador tipo Raspberry PI. Por otro lado, también se va a necesitar un convertidor analógico-digital que se encargue de adaptar la señal analógica que proporciona el transductor de presión para que esta pueda ser leída por el microcontrolador. 3.3.1. Hardware De mismo modo que en los casos anteriores, el hardware utilizado para el acondicionamiento de señal proveniente de las sondas de presión utiliza la misma placa de conexiones y microcontrolador que los utilizados en los sensores de temperatura. En este sistema se incluye el ya introducido variador de tensiones y un nuevo amplificador para tensiones superiores. 3.3.1.1. Variador de tensiones: BSS138 Se compone de 4 canales bidireccionales con resistores pull-up de 10kΩ. Por el lado de baja tensión, es capaz de trabajar con un mínimo de 1.8V y por el lado de altas permite un voltaje de hasta 10V, característica que lo hace idóneo para una aplicación como esta. Figura 3.4. Esquema montaje de un variador de tensiones 42 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Configuración de pines 1. DRAIN. Corriente que fluye a través del lado de drenaje 2. GATE. Controla el MOFFSET 3. SOURCE. Corriente que fluye a través del lado de la fuente 3.3.1.2. Amplificador/ADC: MCP3428 Este convertidor analógico-digital esta diseñado para convertir señales de 0 a 10v, en el mismo circuito esta integrado un sistema de amplificación de la señal. El MCP3428 es una placa que puede dar servicio hasta a 4 canales distintos con una resolución de 16 bits, lo cual es ideal para la monitorización de sensores de alta resolución y baja velocidad. Este chip, es capaz de leer voltajes analógicos a 15 muestras por segundo con una resolución de 16 bits o 240 muestras por segundo a una resolución de 12 bits. El MCP3428 tiene un amplificador de ganancia programable x1, x2, x4, x8, por lo que es una opción ideal para monitorear sensores de voltaje extremadamente bajo. Los 4 canales tienen entradas diferenciales, capaces de monitorear un rango de escala completa de 0-10V. Los distintos canales que ofrece el MCP3428 permite conectar un total de 8 dispositivos los cuales compartirían un solo puerto de comunicación I²C, utilizando dos entradas de dirección flotante. La principal ventaja de trabajar con un chip capaz de aceptar varias entradas simultaneas, es que permite la conexión de distintos sensores a la vez, permitiendo utilizar un solo MCP3428 para 4 transductores de presión distintos. Figura 3.5. Configuración de pines del BSS138. [24] 43 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Configuración de pines: 1. CH1+. Pin de la entrada positiva de la conexión analógica del canal 1 2. CH1-. Pin de la entrada negativa de la conexión analógica del canal 1 3. CH2+. Pin de la entrada positiva de la conexión analógica del canal 2 4. CH2-. Pin de la entrada negativa de la conexión analógica del canal 2 5. 𝑉77. Conexión a tierra 6. 𝑉JJ . Fuente de alimentación 7. SDA. Pin bidireccional de los datos en serie de la interfaz 𝐼3𝐶 8. SCL. Pin del reloj de la interfaz 𝐼3𝐶 9. Adr0. Pin de selección de la dirección 𝐼3𝐶 10. Adr1. Pin de selección de la dirección 𝐼3𝐶 11. CH3+. Pin de la entrada positiva de la conexión analógica del canal 3 12. CH3-. Pin de la entrada negativa de la conexión analógica del canal 3 13. CH4+. Pin de la entrada positiva de la conexión analógica del canal 4 14. CH2-. Pin de la entrada negativa de la conexión analógica del canal 4 Figura 3.6. Configuración de pines del MCP3428. [25] 44 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet Conclusiones Comprender el ciclo termodinámico por el cual se rige una máquina térmica no es fácil, cuando se profundiza en él, uno se puede dar cuenta de la inmensidad de factores y consideraciones que hay que tener en cuenta para poder aproximarte a la realidad de dicha máquina. Gracias a un estudio como el que se ha llevado en este trabajo, se puede entender mejor el funcionamiento de una turbina de gas real. A partir de la utilización de un ejemplar miniaturizado los elementos que intervienen se reducen al mínimo, teniendo en cuenta los principios básicos y más simples de funcionamiento con los que uno se puede centrar para poder crear una base sólida de conocimiento sobre el tema. La focalización principal de este proyecto siempre ha estado centrada en el desarrollo de una bancada de pruebas para un motor a reacción, un sistema capaz de obtener las principales variables termodinámicas de dicha máquina y a partir de ellas poder extraer las actuaciones del motor en tiempo real. Este sistema se ha caracterizado por la precisión de cada elemento que lo constituía, ya que esta característica sería la que determinaría la efectividad y fiabilidad de los resultados proporcionados por dicho sistema. De este modo, la gama de los elementos utilizados siempre ha estado condicionada por su influencia en los procesos calculados y los resultados obtenidos. Por otro lado, cuando se necesita adecuar el proyecto con los recursos económicos que se establecen, la tarea aumenta de dificultad, anulando todos los componentes que realizarían la función, pero no se encuentran dentro del alcance. Consecuentemente, uno debe ingeniar la manera de llegar al mismo objetivo, pero utilizando métodos que suponen más esfuerzo del que otro tipo de componentes habrían podido requerir. Así mismo, dicha condición suponía uno de los principales objetivos del proyecto para poder materializar la construcción de un sistema de medición para el micro turbojet. Una vez efectuado un análisis del ciclo termodinámico del motor, se puede concluir que las variables principales a tener en cuenta son la temperatura y la presión en cada etapa del ciclo. Por esta razón, el estudio prospectivo de los componentes que constituirían el sistema de medición estaría totalmente enfocado a dichas variables. El estudio preliminar del ciclo termodinámico también serviría para filtrar la búsqueda de los elementos de medición que serían necesarios en cada fase del motor, descartando todos los otros componentes que no serían capaces de soportar las condiciones que se dieran en dichas etapas o las especificaciones que se solicitan para el sistema. Una parte de este estudio se ha focalizado en un cálculo exhaustivo de propagación de errores para determinar la mínima precisión que necesitaba cada componente. Para cada punto de error porcentual en el cálculo de el rendimiento politrópico del compresor se requiere un error máximo del 0,136% para las sondas 𝑃3 y 𝑃4 y del 0,05% para las sondas de temperatura 𝑇37 y 𝑇4 . Para el caso del rendimiento politrópico de la turbina la precisión de las sondas todavía es más decisiva, ya que para cada punto de error porcentual en su cálculo se requiere un error máximo del 0,087% para 𝑃5 y 𝑃> y del 0,05% para 𝑇5 y 𝑇> . Con esto, se puede concluir que la etapa más critica del sistema sería la fase de expansión de gases seguida por la etapa de compresión. 51 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 52 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 53 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet APÉNDICE II: CÓDIGO PYTHON PARA LA INSTALACIÓN DEL MAX31865 EN UNA RASPBERRY PI 54 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet ! 55 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet 56 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet APÉNDICE III: CÓDIGO PYTHON PARA LA INSTALACIÓN DEL MCP3428 EN UNA RASPBERRY PI import smbus import time # Get I2C bus bus = smbus.SMBus(1) # MCP3428 address, 0x68(104) # Send configuration command # 0x10(16) Continuous conversion mode, Channel-1, 12-bit Resolution bus.write_byte(0x68, 0x10) # MCP3428 address, 0x68(104) # Read data back from 0x00(0), 2 bytes # raw_adc MSB, raw_adc LSB data = bus.read_i2c_block_data(0x68, 0x00, 2) # Convert the data to 12-bits raw_adc = (data[0] & 0x0F) * 256 + data[1] if raw_adc > 2047 : raw_adc -= 4095 # Output data to screen print "Digital value of Analog Input on Channel-1: %d" %raw_adc # MCP3428 address, 0x68(104) # Send configuration command # 0x30(48) Continuous conversion mode, Channel-2, 12-bit Resolution bus.write_byte(0x68, 0x30) # MCP3428 address, 0x68(104) # Read data back from 0x00(0), 2 bytes # raw_adc MSB, raw_adc LSB data = bus.read_i2c_block_data(0x68, 0x00, 2) # Convert the data to 12-bits raw_adc = (data[0] & 0x0F) * 256 + data[1] if raw_adc > 2047 : raw_adc -= 4095 # Output data to screen 57 Herramientas de análisis en una bancada de pruebas para un micro turbojet print "Digital value of Analog Input on Channel-2: %d" %raw_adc # MCP3428 address, 0x68(104) # Send configuration command # 0x50(80) Continuous conversion mode, Channel-3, 12-bit Resolution bus.write_byte(0x68, 0x50) # MCP3428 address, 0x68(104) # Read data back from 0x00(0), 2 bytes # raw_adc MSB, raw_adc LSB data = bus.read_i2c_block_data(0x68, 0x00, 2) # Convert the data to 12-bits raw_adc = (data[0] & 0x0F) * 256 + data[1] if raw_adc > 2047 : raw_adc -= 4095 # Output data to screen print "Digital value of Analog Input on Channel-3: %d" %raw_adc # MCP3428 address, 0x68(104) # Send configuration command # 0x70(112) Continuous conversion mode, Channel-4, 12-bit Resolution bus.write_byte(0x68, 0x70) # MCP3428 address, 0x68(104) # Read data back from 0x00(0), 2 bytes # raw_adc MSB, raw_adc LSB data = bus.read_i2c_block_data(0x68, 0x00, 2) # Convert the data to 12-bits raw_adc = (data[0] & 0x0F) * 256 + data[1] if raw_adc > 2047 : raw_adc -= 4095 # Output data to screen print "Digital value of Analog Input on Channel-4: %d" %raw_adc