Generación de modelo turbo-hélice en condiciones fuera de diseño a partir de datos de banco de ensayo

Abstract

Dentro del ámbito aeronáutico, la tecnología del turbo-hélice tiene un uso bastante extendido, sobre todo para propulsar pequeños y medianos aviones de transporte, tanto de pasajeros como de mercancía, y con trayectos cortos. Por tanto, este Trabajo Fin de Grado nace del interés de generar un modelo paramétrico de un turbo-hélice a partir de unos datos en banco, y capaz de simular las prestaciones del motor en condiciones fuera de diseño. Para ello se ha hecho uso del software MATLAB. En este sentido, en el capítulo Modelo del motor se exponen los datos del ensayo en banco del turbohélice Garrett TPE331-5, así como sus especificaciones. También se define las propiedades del fluido de trabajo, para así exponer las ecuaciones que definen el ciclo termodinámico del turbo-hélice en estudio en el punto de diseño. Seguidamente, en el capítulo Modelo de motor off-design se introducen los conceptos de mapas característicos de compresor y turbina, y el escalado de los mismos. Dicho mapas se suman a las ecuaciones definidas en el capítulo anterior para así, constituir el modelo del turbo-hélice para condiciones off-design. Una vez definidos estos dos modelos, en el capítulo Matching del modelo a los datos en banco se trata de sintonizar el modelo off-design a los datos en banco mediante la optimización de un vector de parámetros, entre los que se encuentran el gasto de aire o los rendimientos isoentrópicos del compresor y la turbina. Dichos parámetros se definen para el punto de diseño del turbo-hélice, que será uno de los puntos de ensayo. A continuación, tras haber logrado el matching del modelo a los datos de ensayo, en el capítulo Evaluación de prestaciones off-design se hace una estimación de la demanda de empuje para diferentes configuraciones de vuelo del C-212. De este modo, se puede evaluar el modelo en condiciones fuera de diseño para un caso real, observando que las prestaciones del turbo-hélice son congruentes con la teoría. Finalmente, en las Conclusiones se recogen los aspectos y resultados más relevantes obtenidos durante el desarrollo del proyecto. Además, se proponen posibles mejoras en el análisis hecho y líneas de trabajo futuras.

Within the aeronautical field, turboprop technology is widely used, especially to propel small and medium-sized transport aircraft, both for passengers and for goods, and with short routes. Therefore, this Final Degree Project is born from the interest of generating a parametric model of a turbo-propeller from bench data, and capable of simulating engine performance under off-design conditions. For this, MATLAB software has been used. In this sense, in the chapter Engine model the data of the bench test of the Garrett TPE331-5 turboprop, as well as its specifications, are exposed. The properties of the treated fluid are also defined, in order to expose the equations that define the thermodynamic cycle of the turboprop under study at the design point. Next, in the chapter Off-design engine model the concepts of compressor and turbine characteristic maps, and their scaling, are introduced. Those maps are added to the equations defined in the previous chapter in order to set the turbo-propeller model for off-design conditions. Once these two models have been defined, in the chapter Matching the model to the bench data we try to match the off-design model to the bench data by optimizing a vector of parameters, among which are the air flow or the isentropic performances of the compressor and the turbine. These parameters are defined for the turboprop design point, which will be one of the test points. Next, after having achieved the matching of the model to the test data, in the chapter Off-design performance evaluation an estimate of the thrust demand for different flight configurations of the C-212 is made. In this way, the model can be evaluated under off-design conditions for a real case, observing that the turboprop performance is consistent with the theory. Finally, the Conclusions includes the most relevant aspects and results obtained during the development of the project. In addition, possible improvements in the analysis made and future lines of work are proposed.