PROYECTO FIN DE CARRERA MODELADO DEL TURBORREACTOR GENERAL ELECTRIC J85-13 MEDIANTE CATIA V5 INGENIERÍA AERONÁUTICA
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MODELADO DEL TURBORREACTOR GENERAL ELECTRIC J85-13 MEDIANTE CATIA V5
PROYECTO FIN DE CARRERA
Autor Félix Rentero de Llano
Tutores Juan Martínez Palacios
María Gloria del Río Cidoncha
Departamento de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla
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Índice
PARTE I. INTRODUCCIÓN
1. OBJETIVO...... 12
2. MOTIVACIÓN Y UTILIDAD ...... 12
3.METODOLOGÍA ...... 12
4.ESTRUCTURA ...... 13
PARTE II. GENERAL ELECTRIC J85-13
5.HISTORIA Y MODELOS PREVIOS ...... 16
6.GENERAL ELECTRIC J85 ...... 18
6.1 Desarrollo ...... 18
6.2 Variantes ...... 19
7.GENERAL ELECTRIC J85-13 ...... 21
7.1 Tipología ...... 21
7.2 Especificaciones técnicas ...... 21
7.3 Componentes ...... 23
7.3.1 Soporte de la toma dinámica ...... 23
7.3.2 Compresor axial ...... 23
7.3.3 Cámara de combustión anular ...... 24
7.3.4 Turbina axial ...... 26
7.3.5 Postcombustor ...... 28
7.3.6 Tobera del postcombustor ...... 29
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PARTE III. MEDICIÓN Y HERRAMIENTAS
8.MEDICIÓN Y HERRAMIENTAS ...... 32
PARTE IV. DISEÑO ASISTIDO POR ORDENADOR CON CATIA V5
9.DESCRIPCIÓN Y ORIGEN DEL CAD ...... 36
10.CATIA ...... 36
10.1 Definición, origen y desarrollo ...... 36
10.2 CATIA en la industria ...... 37
10.3 CATIA V5: Módulos de interés ...... 38 PARTE V. DESCRIPCIÓN DE PIEZAS Y MODELADO EN CATIA V5
11.LISTA DE PIEZAS ...... 43
12.SOPORTE DE LA TOMA DINÁMICA ...... 46
12.1 Cono de admisión ...... 46
12.2 Casco de admisión ...... 47
13.COMPRESOR AXIAL ...... 48
13.1 Etapas del rotor del compresor ...... 48
13.2 Etapas del estátor del compresor ...... 52
13.3 Discos del compresor ...... 54
13.4 Carenado del compresor ...... 54
14.NEXO ...... 55
14.1 Inyector ...... 56
14.1.1 Conducto del inyector ...... 56
14.1.2 Cabeza del inyector ...... 56
14.2 Carenado del nexo ...... 57
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15.CÁMARA DE COMBUSTIÓN ...... 58
15.1 Tubo de llama ...... 58
15.2 Carenado de la cámara de combustión...... 59
16.TURBINA ...... 60
16.1 Etapas del rotor de la turbina ...... 63
16.2 Disco de la turbina ...... 65
16.3 Carenado y etapas del estátor de la turbina ...... 66
17.TOBERA DE LA TURBINA ...... 67
17.1 Inyector ...... 67
17.1.1 Conducto del inyector ...... 67
17.1.2 Cabeza del inyector ...... 67
17.2 Carenado de la tobera de la turbina con cono interno ...... 68
18.EJE ...... 69
19.POSTCOMBUSTOR ...... 69
19.1 Escudo térmico ...... 70
19.2 Carenado del postcombustor ...... 71
20.TOBERA DE SALIDA DEL POSTCOMBUSTOR ...... 72
21.ROSCAS ...... 73
21.1 Tornillos/Pernos ...... 74
21.1.1 Tipo I ...... 74
21.1.2 Tipo II ...... 75
21.2 Tuercas ...... 75
21.2.1 Tipo I ...... 76
21.2.2 Tipo II ...... 77
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PARTE VI. ENSAMBLADO
22.ENSAMBLADO ...... 81
PARTE VII. ANIMACIÓN, MATERIALES Y RENDERIZADO. SOFTWARE KEYSHOT 5
23.SOFTWARE KEYSHOT 5 ...... 87
23.1 Definición, origen y desarrollo ...... 87
23.2 Formatos que soporta ...... 87
23.3 Módulos de interés ...... 88
24.ANIMACIÓN ...... 89
25.MATERIALES ...... 92
26.RENDERIZADO ...... 94
26.1 Soporte de la toma dinámica renderizado ...... 94
26.2 Compresor renderizado ...... 94
26.3 Nexo renderizado ...... 95
26.4 Cámara de combustión renderizada ...... 95
26.5 Tobera de salida de la turbina renderizada ...... 96
26.6 Postcombustor ...... 96
26.7 Tobera de salida del postcombustor ...... 97
26.8 Eje ...... 97
26.9 Roscas ...... 98
26.10 GE J85-13 interno renderizado vista parcial delantera ...... 99
26.11 GE J85-13 interno renderizado vista parcial trasera ...... 99
26.12 GE J85-13 interno renderizado completo...... 100
26.13 GE J85-13 renderizado parcial delantero ...... 100
26.14 GE J85-13 renderizado parcial trasero ...... 100
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26.15 GE J85-13 renderizado completo ...... 101 PARTE VIII. CONCLUSIONES
27.CONCLUSIONES ...... 105
APÉNDICE ...... 107
REFERENCIAS ...... 110
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Universidad de Sevilla
Parte I
INTRODUCCIÓN
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1. OBJETIVO
En el presente Proyecto Fin de Carrera, se pretende reproducir un modelo tridimensional aproximado del motor General Electric J85-13, haciendo uso del programa de diseño asistido por ordenador CATIA V5.
2. MOTIVACIÓN Y UTILIDAD
La elección de dicho proyecto viene justificado por la inquietud y vehemencia que mantengo por el aprendizaje sobre herramientas dedicadas al CAD/CAM.
El software utilizado es CATIA V5 dada su trascendencia y potencia en el sector aeronáutico. Además, por el hecho de que CATIA se ha convertido en una de las principales herramientas reconocidas entre las autoridades aeronáuticas y grandes empresas como Airbus Group y Boeing.
Con la elaboración de este proyecto se persiguen dos propósitos: El primero de ellos es reforzar y mejorar los conocimientos aprendidos durante los estudios universitarios acerca de este software; el segundo, recrear un modelo de turborreactor que sirva de apoyo para la realización de cualquier otro proyecto relacionado.
3. METODOLOGÍA
Para llevar a cabo este proyecto se ha dispuesto del modelo real de turborreactor General Electric J85-13 con número de serie 302209. Este computa un total de 3399 horas de vuelo y pertenece a la Escuela Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla.
La metodología empleada se ha basado en la medición física del modelo real y su posterior modelado por computadora. Es necesario hacer notar que sobre el motor se
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han realizado las simplificaciones estructurales oportunas; así como, se han obtenido medidas orientativas a partir de los instrumentos de medición disponibles.
4. ESTRUCTURA
La memoria del proyecto se ha organizado en ocho capítulos. Sobre cada uno de estos se ha llevado a cabo una explicación detallada; de acuerdo, a su fundamento y relevancia.
El primero de los bloques trata de introducir el objetivo y describir el desarrollo y la estructura del proyecto; el segundo, nos presenta los antecesores del propio motor hasta la aparición del GE J85-13, centro de atención del proyecto. Avanzando con la memoria, se encuentra el tercero de los bloques, en el cual se justifica la metodología aplicada para la extracción de las cotas del modelo real. Siguiendo con el cuarto, quinto y sexto bloque se describe el empleo y descripción, in situ, del software de diseño asistido por ordenador CATIA V5. Ya en el bloque siete se detallan los procesos de renderización y animación del conjunto a través del uso del software Keyshot 5. Por último se presenta un bloque de conclusiones (bloque 8) y un apéndice que incorpora una vista seccionada y un resumen de piezas del propio motor.
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Parte II
GENERAL ELECTRIC J85-13
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5. HISTORIA Y MODELOS PREVIOS
El inicio de General Electric, en torno al mundo de la aviación, se remonta al año 1903 con la contratación de Sanford Alexander Moss, quien comenzaría el desarrollo del turbopropulsor. Esto llevaría a GE ser líder internacional en los primeros años de la Segunda Guerra Mundial, lo cual a su vez vino dado, gracias a que sus competidores directos se centraron en simplificar mecánicamente sus motores; mientras que, la empresa americana se marcó el objetivo de mejorar la salida de gases procedentes de la combustión.
Los inicios en el estudio del motor a reacción se llevaron a cabo en Syracuse (New York) y Lynn (Massachusetts) donde se centraron en la investigación del motor a reacción y el alimentador respectivamente. El 31 de Julio de 1945 la planta de Lynn, tras haber concentrado la mayor parte del volumen del negocio, fundó un nuevo departamento denominado ''División de la Turbina de Gas en Aviación'' cuya actividad se centró en la producción y mejora de uno de sus motores de prueba, el I-40 o también conocido como Allison J33.
Ilustración 1: Allison J33
Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, la demanda y con ello la producción de motores por parte de GE disminuyó; pese a ello, la central de Lynn continuó el
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desarrollo de estos, lo que impulsaría el surgimiento de su nuevo motor, el TG-180 o también conocido como Allison J35.
Hasta la fecha, General Electric se encontraba en auge y ello se debía reflejar en sus motores. Por este motivo, la empresa líder en motores a reacción, centró todo su esfuerzo en el desarrollo de motores de gran potencia como el TG-190 o también conocido como GE J47, el cual obligaría a abrir una nueva central en Cincinnati debido a su gran demanda. Más tarde, en 1957, se crearía el motor GE J73 y de ahí su sucesor, el GE J79. Este último se convertiría en uno de los hitos más importantes de GE junto al J47, iniciando así una carrera meteórica por el resto del mundo.
Ilustración 2: GE J47
Ilustración 3: GE J79
Ya por último, se desarrollarían el F-104, GE T-58 y el GE T-64 hasta llegar al caso objeto de este estudio, el General Electric J85.
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6. GENERAL ELECTRIC J85
6.1 Desarrollo
El General Electric J85 es una serie de turborreactores desarrollados a comienzos de los años cincuenta. Su versión militar es una de las más presentes en servicio actualmente y síntoma de ello es que la Fuerza Aérea de Estados Unidos tenga previsto que su uso se extienda hasta el año 2040.
El turborreactor J85 es un motor usado en aviones tácticos y cuenta con más de 75 millones de horas de vuelo en aviación comercial y militar. Este fue diseñado para ser instalado en un misil-señuelo McDonnell ADM 20 Codorniz y, posteriormente, lanzarlo desde un B-52 Stratofortress, como contramedida de posibles misiles tierra-aire SA 2 Directriz. Debido a esto se requería un modelo de motor pequeño pero que a la vez pudiera seguir la velocidad del bombardero que iba a proteger.
Ilustración 4: McDonnell ADM 20 Codorniz
Más tarde, el J85 fue mejorado y constituido con materiales de mayor calidad; para así, aumentar su vida útil e implementarlo en aviones pequeños. Algunos ejemplos de ello fueron el T-38 Talon, el Northrop F-5, el Canadair CT 114 Tutor o el Cessna A 37 Dragonfly. Hay que destacar que las últimas implementaciones de este motor se han
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realizado en el avión White Knight, el lanzador de la nave espacial SpaceShipOne y en el desarrollo de la Messerschmitt Me 262 de Estados Unidos.
Ilustración 5: Northrop F-5 y T-38 Talon
6.2 Variantes
A continuación se presenta una tabla con todas y cada una de las variantes del J85; así como se incluyen datos acerca del empuje y uso en aviones tácticos y militares.
EMPUJE NOMINAL INSTALACIÓN EN MODELO (kN) AERONAVES J85-GE-3 10.9 - J85-GE-4 13,1 Canadair CT-114 Tutor J85-GE-5 17.1 Northrop T-38 Talon Northrop F-5A / B J85-GE-13 18.1 Aeritalia G 91Y J85-GE-15 19.1 Canadair CF-5 J85-GE-17 20.1 Cessna A-37 Dragonfly Northrop F-5E
J85-GE-21 22.2
F Tiger II.
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Ilustración 6: GE J85-5 Ilustración 7: GE J85-17
Ilustración 8: GE J85-13
Ilustración 9: GE J85-15 Ilustración 10: GE J85-21
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7. GENERAL ELECTRIC J85-13
7.1 Tipología
El GE J85-13 es un turborreactor desarrollado por los ingenieros Frank Whittle y Hans von Ohain en 1930. Este consta de un motor de combustión interna el cual produce trabajo a partir de la liberación de energía contenida en algún tipo de combustible, lo cual hace que sea el tipo de reactor más simple y eficiente a velocidades supersónicas. Sin embargo, no todo son ventajas; ya que se trata de un motor muy ineficiente a velocidades subsónicas. A ello hay que añadir el ruido atronador que produce debido al mal aislamiento acústico y rango de operación en el que se desarrolla su funcionamiento.
7.2 Especificaciones técnicas
A continuación se expone una tabla en la cual se engloban algunas de las características más importantes del GE J85-13, objeto de estudio, que ayudarán al lector a conseguir una idea general de la estructura modelada.
TURBORREACTOR CON TIPO DE MOTOR POSTCOMBUSTOR
EJE 1 ÚNICO
TIPO DE COMPRESOR 8 ESCALONES FLUJO AXIAL
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TIPO DE CÁMARA DE SIMPLE ANULAR COMBUSTIÓN
NÚMERO DE ESCALONES DE 2 TURBINA
LONGITUD DEL MOTOR 2.7920 m
PESO DEL MOTOR 2655.6 N
RELACIÓN DE COMPRESIÓN 6.8
MILITAR
EMPUJE 12.1 kN
R.P.M 16542
CONSUMO 1225 kg/h
MAX.POSTCOMBUSTOR
EMPUJE 18.149 kN
R.P.M 16542
CONSUMO 3992 kg/h
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7.3 Componentes
7.3.1 Soporte de la toma dinámica
La toma dinámica es el primer lugar que alcanza el aire en su encuentro con el motor, por este motivo y para que no sufra deterioro, se diseña con el propósito de que el aire no sea capaz de alcanzar al compresor a una velocidad superior a la del sonido. En el caso concreto del J85 se presenta una entrada de aire supersónica con un cono que incrementa la presión y lo hace más eficiente frente a ondas de choque.
Ilustración 11: Soporte de la toma dinámica del GE J85-13 7.3.2 Compresor axial
Tras el paso por la toma dinámica, el aire se encuentra con el compresor, cuya función es la de elevar la presión de la corriente fluida mediante la aplicación de trabajo mecánico. Dicha elevación se lleva a cabo para aumentar la temperatura del aire y conseguir un mayor rango de inflamabilidad al ser inyectado el aire en la cámara de combustión.
Dentro de la tipología del compresor se pueden distinguir dos: Axial y Centrífugo. De ambos, se escogerá el primero en la explicación ya que es el que integra el J85-13.
El compresor axial del J85-13 consta de ocho etapas, cada una de los cuales dispone de un rotor (álabes giratorios) y un estátor (álabes fijos ramificados desde la pared del motor). Así pues, su funcionamiento se explica del modo siguiente: El rotor gira y con ello dirige el aire a una mayor velocidad hacia el estátor, el cual se encarga de ralentizar la corriente de manera que convierte la energía cinética en potencial a través de un aumento de la presión. Esto ocurre de la misma manera entre las ocho etapas de la que consta el compresor, observándose la presencia de un estrechamiento del espacio de
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paso a medida que se avanza en las etapas, lo cual permite una menor caída de la presión.
Es necesario hacer notar, que otra de las utilidades que posee el estátor es la de corregir la deflexión del flujo de entrada que provoca el rotor; para así, conseguir un correcto acople entre etapas. La última etapa de los álabes del estátor actúa como enderezador del aire, lo cual permite limitar la turbulencia en la cámara de combustión. A medida que aumente el número de etapas, se tendrá una corriente fluida más comprimida; sin embargo, existe un número limitado de etapas el cual vendrá fijado por restricciones en cuanto al tamaño y resistencia de los materiales.
Ilustración 12: Compresor axial del GE J85-13
7.3.3 Cámara de combustión anular
Tras el paso del flujo a través del compresor, la siguiente de las etapas es la cámara de combustión, en la cual se lleva a cabo el proceso de ignición a partir del aire comprimido que proporciona el compresor. El oxígeno, presente en el aire, permite que
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junto con el combustible suministrado a la cámara, produzca una llama, la cual generará a su vez dióxido de carbono, vapor de agua y otros gases resultantes de la combustión a alta temperatura. Estos a su vez servirán para acelerar el fluido que moverán las etapas de la turbina. Para que ello se inicie, se necesita de una chispa generada a través de un sistema de ignición que también servirá para mantenerla en condiciones adversas.
En concreto, para el tipo de cámara de combustión objeto de este estudio (anular), se presenta un único tubo de llama con doce inyectores.
Es necesario señalar que las paredes anteriores y posteriores permanecen abiertas, poseyendo contacto directo con compresor y turbina. Así pues, parte del aire (gasto primario) se mezclará directamente con el combustible, y otra parte irá rebordeando la cámara con el objetivo de disminuir la temperatura de entrada a la turbina.
Ilustración 13: Detalle interior de la cámara de combustión anular del GE J85-13
Analizando este tipo de cámara de combustión y comparándola respecto a otras, se tienen las siguientes ventajas e inconvenientes:
VENTAJAS
1. Proporciona mayor volumen de combustión por unidad de metal expuesto (peso).
2. Necesidad de cámara de combustión más pequeña (75 %) respecto a una mixta para
la misma potencia requerida y con el mismo diámetro.
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3. Menor coste
4. No existen problemas de propagación entre cámaras.
INCONVENIENTES
1. Es difícil obtener distribución uniforme de la relación combustible-aire y con ello de
la temperatura.
2. Es más débil estructuralmente.
3. Dificultad de desmontaje del motor en caso de fallo del tubo de llama.
7.3.4 Turbina axial
Tras lo ocurrido en la etapa anterior, es necesario transformar la energía que posee el fluido a la salida de la cámara de combustión (presión y cinética) en energía mecánica, lo cual es llevado a cabo a través de la turbina. Dicha energía será generada de forma continua y poseerá las funciones siguientes: En primera instancia, impulsar el eje del motor que a su vez producirá el movimiento del compresor; y en segunda, producir la salida de gases a alta velocidad a través de la tobera para la generación de empuje.
Centrando la explicación en la turbina axial, es necesario aclarar que la diferencia esencial que presenta respecto a la de tipo radial, se haya en que la dirección de la corriente fluida, para el caso de estudio, es paralela al eje del motor.
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Analizando la configuración del componente, este posee dos etapas, cada una de las cuales presenta un rotor y un estátor. El rotor está formado por un conjunto de álabes anclados a un disco, el cual gira a gran velocidad por la acción del fluido proveniente de la cámara de combustión, produciendo así la acción del eje que moverá el compresor. Por otro lado, el estátor está formado por un conjunto de álabes fijos al cárter con un ángulo tal que permita alcanzar al rotor la velocidad óptima para la obtención de energía mecánica.
Ilustración 14: Turbina axial del GE J85-13
Para finalizar la explicación, se presenta la tobera de la propia turbina, la cual tiene como misión acelerar la corriente fluida hasta el postcombustor.
Ilustración 15: Tobera de la turbina del GE J85-13
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7.3.5 Postcombustor
Existe una gran cantidad de aire que no se quema durante la combustión, este como se mencionó anteriormente, se utilizaría para inyectarlo en el sistema de refrigeración o el de presurización. Así pues y en ausencia de partes móviles, este componente trata de aprovechar el oxígeno no quemado en la cámara de combustión, y para ello consta de unos aros metálicos con inyectores de combustible que sirven para producir de nuevo una llama. En consecuencia, se logra expandir aún más los gases con el consecuente aumento del empuje. Es necesario hacer notar que por cada parte de oxígeno se requieren 1/8 partes de combustible, así pues se deduce que con este sistema se penaliza drásticamente el consumo de fuel.
Ilustración 16: Postcombustor J85-13
Su uso posee las siguientes ventajas:
1. Aumento del empuje. 2. Aumento de la capacidad de despegue. 3. Permite la aceleración hasta velocidades supersónicas.
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7.3.6 Tobera del postcombustor
El GE J85-13 dispone de una tobera de salida variable, la cual permite dirigir el chorro producido en la dirección adecuada a través de un sistema que permite cambiar su diámetro. Esto es así, ya que en caso contrario, la presión resultante de la postcombustión dañaría el motor.
Si el flujo de aire que sale del motor es acelerado a grandes velocidades que superan el Mach 1 (postcombustor encendido), la sección de salida de la tobera actuará con geometría divergente; mientras que, si el régimen de operación es subsónico, la geometría que presentará será convergente.
Ilustración 17: Tobera del postcombustor del GE J85-13
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Parte III
MEDICIÓN Y HERRAMIENTAS
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8. MEDICIÓN Y HERRAMIENTAS
Para la obtención de las cotas del motor, ante la imposibilidad de hacer uso de una máquina de medición por coordenadas o CMM, se ha optado por el empleo de herramientas básicas de medición. Así pues, el útil desde el cual se han obtenido la mayoría de las cotas ha sido el calibrador digital.
Por otro lado, la inaccesibilidad a ciertos elementos del motor, ha obligado a simplificar ciertas superficies del J85-13.
Ilustración 18: Calibrador digital
Antes de finalizar, es necesario mencionar que la medición de todas y cada una de las cotas, se han realizado de forma aproximada en base a las herramientas de medición disponibles, hecho por el cual las medidas obtenidas pueden diferir de las ofrecidas por el fabricante.
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DISEÑO ASISTIDO POR ORDENADOR CON CATIA V5
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9. DESCRIPCIÓN Y ORIGEN DEL CAD
CAD o Computer Aided Design conocido en español como DAO o Diseño Asistido por Ordenador, designa la tecnología de software utilizada para la representación de geometría plana (2D) o bien tridimensional (3D) de piezas y conjuntos. Así pues se refiere a la utilización de programas informatizados basados en análisis matemático y bases de datos que presentan herramientas e interfaces para el diseño y modelado.
El uso de este tipo de tecnología ha permitido dejar de lado herramientas tradicionales tales como lápices y gomas, por tecnología avanzada que permite simplificar el trabajo para el usuario. Es necesario destacar que dicha tecnología requiere de conocimientos técnicos por parte de quien lo use para obtener resultados eficientes.
Originariamente las herramientas de CAD únicamente eran capaces de generar geometrías sencillas de tipo 2D. Gracias a la evolución tecnológica, se ha podido desarrollar aplicaciones con las que poder realizar modelados en tres dimensiones. Al mismo tiempo se ha producido un aumento de las capacidades de los ordenadores lo cual ha permitido no solo un ahorro de tiempo considerable, sino también la posibilidad de conseguir un alto grado de realismo en el producto final. Además esto ha permitido la obtención de vistas previas sobre el trabajo realizado; así como, el intercambio de datos y piezas entre distintos tipos de software, algo que resulta de enorme interés en el ámbito de la ingeniería y que por consiguiente ayuda a mejorar la calidad del producto.
10. CATIA
10.1 Definición, origen y desarrollo
Históricamente fue desarrollado en 1977 por el fabricante de aviones Marcel Dassault. Inicialmente se denominó CATI hasta que en 1981 Dassault firmó un acuerdo de distribución con IBM pasándose a denominar CATIA.
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En sus primeros pasos, concretamente en 1984, CATIA fue utilizada por la empresa Boeing como principal herramienta CAD en 3D; más tarde, en 1988, versiones posteriores fueron introducidas para UNIX. En 1998, CATIA pasó a convertirse en software libre en su versión V5 gracias al apoyo de UNIX y Windows. Los avances más recientes presentes en CATIA se presentan en su versión V6 lanzada en 2008 la cual consta con las plataformas de Windows, Linux y AIX para ser ejecutada. Ilustración 19: Logo de Dassault Systèmes
10.2 CATIA en la industria
Existen empresas que usan CATIA V5 con objetivos muy variopintos. Algunas se dedican a realizar manuales e ilustraciones del producto sin necesidad de tener que diseñar la pieza; mientras que otros, se dedican exclusivamente a fabricar la pieza diseñada, ya sea metálica o de composite, a través de un centro de mecanizado por control numérico. Ya bien sea por diseño o por seguir la cadena de producción existen multitud de empresas que utilizan este programa.
Atendiendo al sector industrial, CATIA V5 inicialmente fue desarrollado para servir en la industria aeronáutica, siendo de especial importancia en la creación de superficies complejas.
CATIA también es usado en la industria del automóvil para el diseño de componentes de carrocería, así como en la industria del ferrocarril.
Para finalizar, se exponen en la siguiente tabla alguna de las empresas que utilizan este software de manera habitual:
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INDUSTRIA AERONÁUTICA INDUSTRIA AUTOMOVILÍSTICA
Airbus Group Grupo VW (Volkswagen, Audi, SEAT y Skoda)
Altran BMW
Aernnova Renault
Alestis Peugeot
Airgrup Daimler AG
Inespasa Chrysler
Aciturri Smart
Bombardier Porsche
Ilustración 20: Logotipos de las empresas que utilizan CATIA V5
10.3 CATIA V5: Módulos de interés
CATIA es un programa informático de diseño y fabricación por computador desarrollado por Dassault Systèmes y distribuido por IBM. Este abarca módulos de
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CAD/CAM/CAE/KBE/PDM (Diseño/Mecanizado/Cálculo de estructuras/ Gestión del conocimiento/Gestión del producto).
Módulo de diseño (MECHANICAL DESIGN >>PART DESIGN )
Este módulo ofrece multitud de herramientas para el diseño y modelado de piezas tales como el análisis de curvaturas, pendientes, propiedades, etc.
Módulo de generación de planos y vistas (MECHANICAL DESIGN >>DRAFTING )
Se trata de un módulo muy intuitivo y fácil de manejar desde el que se puede obtener cualquier proyección sobre el plano del sólido generado. Además permite la edición del formato de las cotas, vistas o incluso cajetín de piezas de acuerdo a los estándares necesarios.
Módulo de superficies (MECHANICAL DESIGN >>WIREFRAME AND SURFACE
DESIGN )
Este módulo posee herramientas para la generación de chapas y superficies permitiendo conseguir pliegos de manera muy sencilla.
Módulo de ensamblaje de piezas (MECHANICAL DESIGN >>ASSEMBLY DESIGN )
Desde Assembly Design, se puede ensamblar cada una de las piezas que conforman el producto final. Dispone de herramientas que permiten la correcta colocación de cada uno de los elementos respecto al resto.
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Parte V
DESCRIPCIÓN DE PIEZAS Y MODELADO EN CATIA V5
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La recreación del modelo de motor GE J85-13 se ha llevado a cabo por partes; esto quiere decir que, se han modelado todas y cada una de las piezas por separado a través del módulo Part Design y Wireframe and Surface Design; para después, ensamblarlas en conjunto a través de otro denominado Assembly Design.
Para su ensamblado, ha sido necesario prestar especial interés en la conjunción de ejes y caras de contacto; si bien, esto no ha constituido un gran obstáculo en el desarrollo del proyecto, puesto que CATIA presenta herramientas y una interfaz, perfectamente diseñadas, para prevenir cualquier tipo de colisión entre piezas.
A continuación, se detallarán cada una de las piezas modeladas a través de CATIA, desarrollando una explicación breve y concisa de cómo se ha llevado a cabo su realización.
Por último, es necesario destacar, que en esta parte se ha llevado a cabo una explicación resumida de las operaciones realizadas a través de CATIA V5; si bien, se ha centrado el desarrollo en aquellas operaciones y procedimientos que destacan bien por su dificultad o rareza.
11. LISTA DE PIEZAS
La lista de piezas aportada es la siguiente:
1. SOPORTE DE LA TOMA DINÁMICA 1. Cono de admisión 2. Casco de admisión
2. COMPRESOR AXIAL 1. Etapas de rotor (x8) 1. Álabes 1ª etapa (x31) 2. Topes 1ª etapa (x31) 3. Disco 1ª etapa
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4. Álabes 2ª etapa (x60) 5. Álabes 3ª etapa (x87) 6. Álabes 4ª etapa (x106)
7. Álabes 5ª etapa (x131)
8. Álabes 6ª etapa (x132) 9. Álabes 7ª etapa (x141) 10. Álabes 8ª etapa (x120) 2. Etapas de estátor (x7) 1. Álabes 1ª etapa (x31) 2. Álabes 2ª etapa (x60) 3. Álabes 3ª etapa (x87) 4. Álabes 4ª etapa (x106) 5. Álabes 5ª etapa (x131) 6. Álabes 6ª etapa (x132) 7. Álabes 7ª etapa (x141) 3. Discos (x7) 4. Carenado
3. NEXO 1. Inyector 1. Conducto (x12) 2. Cabeza (x12) 2. Carenado
4. CÁMARA DE COMBUSTIÓN 1. Tubo de llama 2. Carenado
5. TURBINA 1. Etapas de rotor (x2) 1. Álabes del rotor 1ª etapa (x75) 2. Álabes del rotor de la 2ª etapa (x55) 2. Etapas de estátor (x2) 1. Álabes del estátor 1ª etapa (x20) 2. Álabes del estátor 2ª etapa (x55) 3. Disco
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4. Carenado
6. TOBERA DE SALIDA DE LA TURBINA 1. Inyector 1. Conducto (x12) 2. Cabeza (x12) 2. Carenado
7. POSTCOMBUSTOR 1. Escudo térmico 2. Carenado
8. TOBERA DE SALIDA DEL POSTCOMBUSTOR
9. EJE
10. ROSCAS 1. Tornillos 1. Tipo I (240) 2. Tipo II (48) 2. Tuercas 1. Tipo I (240) 2. Tipo II (48)
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12. SOPORTE DE LA TOMA DINÁMICA
12.1 Cono de admisión
La primera de las piezas, el cono de admisión, presenta una geometría redondeada debido a su comportamiento frente a ondas de choque. Dicha geometría se ha aproximado a través del comando Spline y posterior aplicación de la herramienta Shaft respecto a su eje longitudinal; con la cual, se conseguiría generar la pieza en bruto.
Una vez obtenido el sólido, sería necesario llevar a cabo un vaciado (Shell) para conseguir el espesor deseado; así como, la realización de los agujeros (Hole / Circular Pattern) sobre la superficie de la pieza, los cuales, permitirían el acoplamiento entre cono y casco de admisión.
Ilustración 21: Cono de admisión
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12.2 Casco de admisión
El casco de admisión, estructura base del soporte de la toma dinámica, ha sido generado desde dentro hacia afuera; es decir, comenzando desde la zona de acoplamiento con el cono de admisión hasta llegar al carenado del soporte. Así pues, estas estructuras se han conseguido a partir de revolucionar su perfil a través del comando Shaft, extrayendo (Shell) el material sobrante para la obtención del espesor deseado, y realizando los agujeros (Hole / Circular Pattern) que sirven para acoplar la estructura al carenado del compresor.
Por otro lado, se han modelado los orificios de anclaje que permiten la unión entre toma dinámica y soporte, los cuales han sido definidos a través de las operaciones de Pad, Hole y Circular Pattern.
Observando la ilustración 22, queda por explicar el desarrollo de los denominados álabes guía, cuya finalidad es la de reorientar la entrada de flujo incidente. Para la recreación de estos ha sido necesario definir, en primera instancia, su propio perfil a través de la herramienta Spline simulando un perfil NACA 0012. Más tarde, se generarían los álabes, a través de las herramientas Pad y Circular Pattern, dando lugar a subestructuras que intersecarían con la superficie exterior. Para evitar esto, se ha hecho uso del comando Remove consiguiendo la eliminación de las caras sobrantes.
Ilustración 22: Casco de admisión
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13. COMPRESOR AXIAL
La siguiente de las estructuras a modelar, el compresor axial, presenta un conjunto de ocho etapas modeladas de manera independiente; así como, un carenado que permite la integración con el resto de las partes del motor.
13.1 Etapas del rotor del compresor
Lo primero que se ha modelado de las etapas del rotor ha sido el disco soporte, al cual son fijados los álabes ya sea por integración, formando un único sólido, o anclados mediante sus topes correspondientes.
Así pues, los álabes del compresor han sido diseñados a partir de un perfil NACA 0012, el cual ha sido aproximado mediante la herramienta Spline. A continuación, haciendo uso del módulo WIREFRAME AND SURFACE DESIGN se han utilizado las herramientas de Translate, Rotate y Scaling para dibujar raíz y punta del perfil.
Ilustración 23: Álabe de la primera etapa del compresor Página | 48
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Más tarde, con el uso de la herramienta Multi-Sections Surface, se ha creado la superficie de unión entre ambas y se ha cerrado con el comando Fill. Ya por último, se han unido todas las superficies mediante la herramienta Join y se ha creado el sólido con el comando Close Surface presente en el módulo PART DESIGN.
La primera etapa del rotor difiere del resto, presentando una articulación al disco diferente, siendo esta, a través de topes fijados a ambos lados de los extremos de los álabes. Así pues las piezas de la primera etapa quedan de la siguiente forma:
Ilustración 24: Tope 1ª etapa rotor
Ilustración 25: Álabe rotor 1ª etapa
Ilustración 26: Disco rotor 1ª etapa
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La primera etapa del rotor queda ensamblada de acuerdo a la siguiente figura:
Ilustración 27: 1ª etapa del rotor
Es necesario hacer notar que a partir de la segunda etapa, cada una estas presentan álabes integrados al disco, tanto de rotor como estátor, cuya longitud disminuye progresivamente a medida que se avanza en las etapas. Así pues y haciendo uso de la misma casuística, se han obtenido las sucesivas etapas de rotor:
Ilustración 29: 2ª etapa del rotor del compresor Ilustración 28: 3ª etapa del rotor del compresor
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Ilustración 30: 4ª etapa de rotor del compresor Ilustración 31: 5ª etapa del rotor del compresor
Ilustración 32: 6ª etapa del rotor del compresor Ilustración 33: 7ª etapa del rotor del compresor
Ilustración 34: 8ª etapa del rotor del compresor
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13.2 Etapas del estátor del compresor
Atendiendo a las etapas de estátor, se obtienen de igual forma, ocho coronas fijadas a posteriori en la parte interior de la carcasa del compresor. Sin embargo es necesario destacar que la primera de ellas no se presenta en el modelo real, por lo que no se ha modelado en el conjunto. Así pues se tiene:
Ilustración 365: 2ª etapa de estátor del compresor Ilustración 356: 3ª etapa de estátor del compresor
Ilustración 387: 4ª etapa de estátor del compresor Ilustración 378: 5ª etapa de estátor del compresor
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Ilustración 39: 6ª etapa de estátor del compresor Ilustración 40: 7ª etapa de estátor del compresor
Ilustración 41: 8ª etapa de estátor del compresor
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13.3 Discos del compresor
Los discos conforman una superficie de revolución la cual se encuentra fija y aporta rigidez al ensamblado del compresor. Esta se encuentra formada por piezas individuales del siguiente tipo:
Ilustración 42: Disco compresor
13.4 Carenado del compresor
Para terminar con el modelado del compresor, se define el carenado, el cual aporta rigidez y protección a las etapas de rotor y estátor que conforman la estructura.
Este cuenta con un perfil muy sutil, hecho por el cual, se tuvo que hacer especial hincapié sobre la medición. Así pues, conseguidas las cotas correspondientes, se modelaría en CATIA a partir de revolucionar (Shaft) el propio perfil sobre su eje longitudinal.
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Ilustración 43: Carenado del compresor
14. NEXO
A continuación se presenta el nexo de unión entre compresor y cámara de combustión, el cual integra los inyectores que servirán para introducir el combustible hasta la propia cámara; y así, llevar a cabo el proceso de ignición.
Así pues esta estructura se ha generado a través de la revolución del perfil a través de la herramienta Shaft. Este nexo incorpora los denominados inyectores, los cuales se han generado a través de geometrías auxiliares; es decir; se han utilizado planos extras sobre los cuales se han generado los perfiles circulares que han interesado. La punta del inyector se ha generado a través de la herramienta Pad. Tras este se generaron tres circunferencias que marcarían la continuación del conducto a través del uso del comando Rib.
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14.1 . Inyector
14.1.1 Conducto del inyector
Ilustración 44: Conducto del inyector
14.1.2 Cabeza del inyector
La parte que conecta el motor con la red de conductos que transportan el combustible es la cabeza del inyector. Dicho componente se ha modelado fundamentalmente a través de los comandos: Pad y Hole. Por último, es necesario resaltar el uso del comando Edge fillet para la obtención de una superficie redondeada en el borde de salida superior.
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Ilustración 45: Cabeza del inyector
14.2 Carenado del nexo
Como se comentó para el caso del compresor, el carenado del nexo, sirve para ofrecer protección, rigidez y permitir el acoplamiento entre las diversas partes del motor.
La generación de dicho carenado se generó a través de la revolución del propio perfil a través del comando Shaft y posterior realización de los agujeros pertinentes a través del comando Hole. Así pues, la pieza resultante se presenta en la ilustración 46.
Ilustración 46: Carenado del nexo
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15. CÁMARA DE COMBUSTIÓN
El modelado de la cámara de combustión se ha llevado a cabo a través del diseño por separado de: Tubo de llama y carenado de la cámara.
15.1 Tubo de llama
Comenzando con la estructura interna de la cámara de combustión, se tiene el tubo de llama. Este se denomina así puesto que es la zona de combustión primaria; es decir, es el lugar donde parte del combustible debe quemarse con solo parte del aire que entra en la cámara.
Para su modelado se decidió crear la mitad del cuerpo; y a continuación, aplicar simetría para ahorrar tiempo y esfuerzo. Así pues, en primer lugar han sido creadas tres circunferencias en planos independientes y posteriormente se ha aplicado el comando Multi-sections Solid. Ya formado la mitad del cuerpo central, ha sido aplicado el comando Shell para obtener el espesor deseado. Más tarde para la formación del extremo del tubo interior se intentó la realización de un Pad; sin embargo, CATIA presentaba conflictos por haberse ejecutado con anterioridad el comando Shell; por tanto, se tuvo que optar por generar la superficie interior a través de los comandos Multi-Section Solid y Remove Multi-Section Solid.
Por último, tal y como se muestra en la ilustración 47, quedaría por definir a lo largo de la pared del tubo de llama, un número determinado de orificios (agujeros de ventilación) por los que circulan un 10-15 % del flujo principal de aire que pasa dentro de la zona primaria. Así pues y para modelarlos, se ha hecho uso del comando Hole.
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Para completar el diseño del tubo, se crearían los soportes de fijación entre la carcasa y el tubo de llama a través de los comandos presentes en el módulo de WIREFRAME AND
SURFACE DESIGN >> Multi-sections Surfaces (unión de los extremos), Fill (cerrar todas las superficies), Join y Close surface (unión de todas las partes y formación de un único cuerpo). Con ello solo quedaría la eliminación de las partes sobrantes con la herramienta Remove face y aplicar simetría a través del comando Mirror.
Ilustración 47: Tubo de llama
15.2 Carenado de la cámara de combustión
Su modelado se ha llevado a cabo a través de la generación del perfil en un sketch y su posterior revolución con la herramienta Shaft. Por último se generaron los agujeros que servirían de conexión con el resto de carcasas a través del comando Hole con la correspondiente repetición del patrón a través del comando Circular Pattern.
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Ilustración 48: Carenado de la cámara de combustión
16. TURBINA
El modelado de la turbina se ha llevado a cabo a partir de: Dos etapas de rotor y estátor; así como, el carenado de la turbina.
En este caso, al no poderse aproximar los perfiles de los álabes del rotor y estátor por perfiles simétricos, se ha hecho uso de una geometría aproximada a través del generador de perfiles NACA presente en www.airfooltools.com. Así pues para los álabes de la primera etapa del rotor y estátor de la turbina se ha usado el NACA 9310; mientras que para el segundo, el NACA 9510.
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Ilustración 49: NACA 9310
Ilustración 50: NACA 9510
Estos se han generado teniendo en cuenta el porcentaje de máxima curvatura, posición respecto a la cuerda y espesor.
A continuación se ha diseñado una macro en Excel para extrapolar el conjunto de puntos generados a CATIA. Para ello se han generado un total de 200 puntos (máximo número de puntos generados por airfooltools) que se han guardado en un archivo con extensión ‘‘xlsm’’ bajo el nombre GSD_PointSplineLoftFromExcel.
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Ilustración 51: Macro en Excel
Ilustración 52: Perfil álabes turbina
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16.1 Etapas del rotor de la turbina
Tal y como se ha comentado anteriormente para el caso de los álabes del compresor, los propios de la turbina, se han generado a través de la utilización de las herramientas presentes en el módulo de Wireframe and Surface Design (véase capítulo 13.1: Etapas del rotor del compresor).
1ª ETAPA
El rotor está formado por sus respectivos álabes y disco de anclaje que quedan de la siguiente manera para su primera etapa:
Ilustración 53: Álabe rotor 1ª etapa turbina Ilustración 54: Disco Rotor 1ª Etapa turbina
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Por lo tanto el ensamblado de la primera etapa queda:
Ilustración 55: Rotor 1ª etapa turbina
2ª ETAPA
Para la segunda etapa queda:
Ilustración 56: Álabe rotor 2ª etapa de turbina Ilustración 57: Disco rotor 2ª etapa de turbina
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Por lo tanto el ensamblado de la segunda etapa queda:
Ilustración 58: Rotor 2ª etapa de turbina
16.2 Disco de la turbina
La generación de este disco se realizó de forma inmediata a través de la realización de dos circunferencias en planos diferentes y la posterior aplicación del comando Multi- sections Solid. Por último se realizaría un agujero para el paso del eje a través del comando Hole.
Ilustración 59: Disco de la turbina
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16.3 Carenado y etapas del estátor de la turbina
El carenado de la turbina, como se ha comentado en casos anteriores, permite el acoplamiento con el resto de la estructura; así como dota de protección a los álabes de rotor y estátor. De este último hay que puntualizar que la segunda de las etapas del estátor se encuentra integrada al mismo; no así ocurre con la primera.
Así pues, comenzando con el diseño de los álabes del estátor, se generaría el perfil tal y como se comentó al principio de este capítulo. Ya con esto solo bastaría aplicar el comando Multi-sections Solid entre dos planos que contengan dicho perfil y situados a cierta distancia.
El resto del carenado se modelaría siguiendo la misma casuística aplicada en estructuras anteriores; es decir, con la aplicación del comando Shaft se generaría el sólido, y con la herramienta Hole se lograrían realizar las oquedades correspondientes.
De forma similar se ha realizado la primera etapa de estátor, generando en primera instancia los álabes; y a continuación, revolucionando el perfil del disco interno a través de su eje longitudinal.
Ilustración 61: Carenado de la turbina Ilustración 60: 1ª etapa de estátor de la turbina
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17. TOBERA DE LA TURBINA
La tobera de la turbina es el componente encargado de aumentar la velocidad del fluido hasta el postcombustor. Además por ello, integra un conjunto de doce inyectores a través de los que se suministra una nueva y mayor cantidad de combustible en el motor, logrando con ello un aumento del empuje producido. Como resumen de las partes, la tobera de la turbina está formada por: carenado, cono interior e inyectores.
17.1 . Inyector
17.1.1 Conducto del inyector
Véase subsección Nexo, subsubsección inyector
17.1.2 Cabeza del inyector
Véase subsección Nexo, subsubsección inyector
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17.2 . Carenado de la tobera de la turbina con cono interno
Para el modelado del carenado de la tobera, se ha comenzado con el cono interno. La superficie sólida de este último se ha logrado con las operaciones de Shaft y Shell; es decir, se ha revolucionado el perfil de medio cono y a continuación se ha aplicado una extracción uniforme del material para conseguir el espesor deseado.
En segundo lugar, se han creado varias superficies de soporte y fijación a la carcasa propia partiendo del perfil en planta y trasladándolo a cierta cota. A continuación, se han generado los soportes sólidos con el comando Pad seguido de la eliminación de las superficies de interferencia con el cono interior a través del comando Remove Face.
Ilustración 62: Eliminación de superficies de interferencia
Ilustración 63: Tobera de la turbina
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18. EJE
La función del eje es la de transmitir la potencia generada por la turbina y entregarla al compresor. Ante la imposibilidad de acceso a dicho eje, se ha optado por simplificarlo a la estructura siguiente generada a través del comando Multi-Pad.
Ilustración 64: Eje
19. POSTCOMBUSTOR
La siguiente parte a modelar es la estructura en la que se lleva a cabo un aumento del empuje neto del motor como consecuencia de una segunda reacción de combustión. Este se denomina postcombustor y está formado esencialmente por dos componentes: Escudo térmico y Carenado.
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19.1 Escudo térmico
Este componente posee una función doble; por un lado, facilitar la entrada de aire no quemado en la cámara de combustión para así garantizar el correcto proceso de postcombustión; y por otro, proteger al carenado de la fatiga térmica a la cual es sometido, como consecuencia de las altas temperaturas que se alcanzan en esta parte del motor.
Para su modelado, en primer lugar se ha creado una pieza cilíndrica a través del comando Pad; para a posteriori, crear la oquedad correspondiente con ayuda de la herramienta Pocket.
Ilustración 65: Perfil interior en planta
Ya por último, para la obtención de los orificios de ventilación, se realizaría uno de ellos sobre la superficie de revolución y a este se le aplicaría patrones circulares y longitudinales a lo largo de toda la pieza.
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Ilustración 66: Capa térmica
19.2 Carenado del postcombustor
El carenado del postcombustor es la pieza más grande modelada. Este posee una parte delantera que sirve de conexión con la propia tobera de la turbina, y una parte trasera, en la cual se ha añadido una serie de cajones que permiten el deslizamiento de la tobera del postcombustor sobre la propia estructura.
Su modelado se ha llevado a cabo utilizando el comando Shaft a partir del propio perfil de la pieza con espesor predeterminado.
Para el diseño de los cajones exteriores, hay que hacer notar, que al poseer el carenado una sección de salida con una inclinación de 5º, ha sido necesario la utilización de planos auxiliares para la posterior utilización de la herramienta Multi-Section Solid a partir de los perfiles utilizados.
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El siguiente paso en el modelado ha sido crear una oquedad que permitiese introducir los herrajes correspondientes a la tobera del postcombustor dentro de dichos cajones. Esto se ha hecho mediante el uso del comando Pocket, acompañándolo de la ejecución de la herramienta Circular Pattern para la recreación del resto.
Ilustración 67: Carenado del postcombustor
20. TOBERA DE SALIDA DEL POSTCOMBUSTOR
La tobera de salida posee un movimiento de vaivén que le permite adoptar la posición y forma (convergente / divergente) requeridas, en función del régimen de vuelo en que se halle. Por simplificación, sólo se modelado el movimiento de vaivén debido a limitaciones mecánicas que no se pudieron comprobar durante el proceso de medición.
Respecto al modelado propio, se ha hecho uso del comando Shaft para la obtención del modelo sólido en bruto. Tras ello, se realizó una perforación con la herramienta Pocket y se repitió el patrón circular sobre toda la superficie mediante Circular Pattern.
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Ilustración 68: Tobera de salida del postcombustor
21. ROSCAS
El acoplamiento entre las principales estructuras del motor se ha llevado a cabo a través de un medio de unión roscado. Dicho esto, hay que mencionar que se han diseñado dos tipos de uniones, siendo una específica para la unión entre el postcombustor y tobera de la turbina; y otra, para el resto.
Por otro lado, es necesario aclarar que la tipología de la rosca es redonda, caracterizada por ser el tipo que presenta las mejores condiciones mecánicas, pero de difícil elaboración.
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21.1 Tornillos/Pernos
El modelado de los pernos se ha realizado de forma manual; es decir, no se han obtenido de ningún catálogo que ofrezca CATIA. Así pues, en primer lugar se recreó la propia cabeza, con forma de prisma decagonal, a través del uso de la herramienta Pad. A continuación, se conformó el núcleo y la forma del filete a través del uso del módulo
WIREFRAME AND SURFACE DESIGN, del cual se empleó el comando Helix para la creación de la hélice de revolución, eligiéndose el paso y longitud requeridos. Ya por último, solo bastaría hacer uso del comando Slot para la creación del ranurado que daría forma a una rosca de tipo circular.
Así pues, se presentan ambos tipos de pernos, los cuales difieren en tamaño siendo el segundo algo mayor que el primero.
21.1.1 Tipo I
Ilustración 69: Perno tipo I
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21.1.2 Tipo II
Ilustración 70: Perno tipo II
21.2 . Tuercas
Para el caso de este tipo de roscas, también se han configurado dos tipos, de acuerdo a la configuración de los pernos respectivos.
Estos componentes han sido constituidos a partir del comando Pad para la generación de la pieza hexagonal. Una vez modelada la pieza maciza, sería necesario realizar la oquedad correspondiente en su interior para conseguir la unión mecánica correcta. Para ello, se ha hecho uso de las herramientas Hole y Slot con las que se conseguirían obtener el agujero y ranurado interior respectivos.
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Ilustración 71: Generación de tuercas en CATIA V5
21.2.1 Tipo I
Ilustración 72: Tuerca tipo I
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21.2.2 Tipo II
Ilustración 73: Tuerca tipo II
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H OJA INTENCIONALMENTE DEJADA EN BLANCO
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Parte VI
ENSAMBLADO
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HOJA INTENCIONALMENTE DEJADA EN BLANCO
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22. ENSAMBLADO
El siguiente paso, tras el modelado de todas y cada una de las piezas, ha sido logar el ensamblado de todo el conjunto, lo cual se ha llevado a cabo desde el módulo
MECHANICAL DESIGN >>ASSEMBLY DESIGN. En este se definen varios niveles, al frente de los cuales se sitúa el denominado Product que engloba el total de las piezas realizadas.
Ilustración 74: Assembly Design
Así pues, el siguiente paso a realizar, sería el de incorporar al Product cada una de las piezas a través de la ruta:
Product>>Components>>Existing Component.
Es importante destacar que cada elemento diseñado debe almacenarse en la misma carpeta raíz y sin renombrarlo una vez se ha guardado pues se podrían romper los links de referencia. Esto se puede controlar desde el menú:
Options>>General>>Documents y a través de Tools>>Product Management.
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Ilustración 75: Adición de piezas en CATIA V5
Por último, se detallan todas las paletas de herramientas usadas, las cuales permitirán restringir los grados de libertad de cada subestructura sobre la principal.
1. CONSTRAINTS
1. Coincidence Constraint: Su utilización se ha llevado a cabo para hacer coincidir los ejes de las diversas piezas. 2. Contact Constraint: Su utilización se ha llevado a cabo para hacer coincidir las superficies de cada una de las piezas. 3. Offset Constraint: Su utilización se ha basado en la colocación de ciertas superficies a una distancia determinada respecto a otras.
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4. Angle Constraint: Su utilización se ha llevado a cabo para conseguir el posicionamiento de los álabes de la primera etapa del rotor del compresor con el ángulo correcto. 5. Reuse Pattern: Su utilización se ha llevado a cabo para duplicar los álabes de la primera etapa del rotor del compresor; así como la tornillería y tuercas.
Ilustración 76: Paleta Constraints
2. MOVE
1. Manipulation: Su utilización se ha llevado a cabo para inspeccionar el conjunto mediante el movimiento de las piezas ya sea por traslación o rotación. 2. Explode: Su utilización se ha llevado a cabo para explotar el conjunto y posterior comprobación de análisis de colisiones.
Ilustración 77: Paleta Move
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3. ASSEMBLY FEATURES
1. Split: Su utilización se ha llevado a cabo para seccionar el conjunto.
Ilustración 78: Paleta Assembly Features
Así pues el conjunto ya montado ha quedado de la siguiente forma:
Ilustración 79: GE J85-13 ensamblado en CATIA
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Parte VII
ANIMACIÓN, MATERIALES Y RENDERIZADO. SOFTWARE KEYSHOT 5
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HOJA INTENCIONALMENTE DEJADA EN BLANCO
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23. SOFTWARE KEYSHOT 5
23.1 Definición, origen y desarrollo
Keyshot es un programa de renderizado desarrollado por Luxion que permite la obtención de imágenes y vídeos cercanos a la realidad a partir de modelos 3D. Su motor fue creado por el Dr. Henrik Wann Jensen y su funcionamiento está basado en la utilización de técnicas y algoritmos matemáticos avanzados, los cuales permiten la obtención de materiales e iluminación muy próximos a la realidad.
La interfaz sencilla e intuitiva y la potencia de renderizado que presenta Keyshot han motivado la utilización del programa para el proceso de animación y renderizado. Es necesario hacer notar que Keyshot es el único software validado y verificado por el CIE o Comisión Internacional de Iluminación.
23.2 Formatos que soporta
Keyshot soporta los formatos más usados y de entre ellos destacan los siguientes:
ALIAS 2013 y anteriores AutoCAD (DWG/DXF) CATIA V5 PTC Creo 2.0 y anteriores Inventor 2013 y anteriores Maya 2013 y anteriores (necesita de licencia) NX 8.5 y anteriores Pro/ENGINEER Wildfire 2-5 Rhinoceros 4 y anteriores
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SketchUp 8 y anteriores Solid Edge ST5 y anteriores SolidWorks 2013 y anteriores IGES JT STEP AP203/214 OBJ Parasolid FBX including part/camera animation 3DS Collada
23.3 Módulos de interés
Keyshot presenta cinco módulos de importancia: Módulo de importación, librería, proyecto, animación y render. Desde estos se pueden editar materiales, iluminación, visualización entre otros permitiendo conseguir el grado de realismo que se desee. Así pues se pasan a describir los siguientes:
IMPORTAR: Permite trasladar a Keyshot los modelos 3D creados desde las aplicaciones mencionadas en la anterior subsección.
LIBRERÍA: Contiene todos los materiales, colores, entornos, respaldos y texturas prediseñadas en Keyshot.
PROYECTO: Presenta cinco submenús que son escena; material; entorno; cámara y ajustes. En la sección de escena se presentan cada una de las partes que conforman el conjunto desde el cual se puede seleccionar cada uno de los materiales, animaciones y cámaras. Permite la edición de los anteriores, así como la visualización y efectos de luz.
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ANIMACIÓN: Desde este módulo se crean cada una de las animaciones de las partes del conjunto; así como la creación de los efectos visuales de traslación y rotación de escenas.
RENDER: Este último módulo permite la obtención de las imágenes y vídeos finales con la calidad y rendimiento deseado.
24. ANIMACIÓN
Para la animación del turborreactor GE J85-13, se ha tomado como partes móviles las etapas de rotor de compresor y turbina. Estas se mueven a un ritmo simultáneo, debido a que el motor posee un único eje que transmite la misma potencia. A ellas hay que añadir el movimiento de la tobera del postcombustor, cuya posición varía de acuerdo a la operación de vuelo que desarrolle (subsónico / supersónico).
Para el proceso de animación de los mecanismos del motor, en primer lugar, se ha procedido a guardar el conjunto ensamblado en CATIA a través del formato ''3dxml''. A continuación se ha importado el modelo a Keyshot quedando de la siguiente manera:
Ilustración 80: Modelo importado en Keyshot
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Tras esto, los siguientes pasos a realizar se llevarían a cabo desde la parte de Escena presente en el submenú de Keyshot. Desde aquí, se seleccionarían cada una de las partes del conjunto que conforman un mecanismo interno, ya sea por traslación o rotación. Cada uno de estos movimientos están sujetos por coordenas x,y,z que son dadas por el usuario ya sea a nivel local o global; a lo que hay que añadir, el modo de transición del movimiento (linear, acelerado, decelerado o mixto).
Las animaciones establecidas aparecen sobre la línea de tiempos, desde la cual se pueden activar o desactivar, así como permite ofrecer una perspectiva global de la relación de animaciones entre las diversas partes y su encadenamiento.
Ilustración 81: Animación Keyshot
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La animación de cada una de las partes se ha llevado a cabo de forma individualizada sin alterar las restricciones aplicadas en CATIA, ya sea por el contacto entre superficies o coincidencia de ejes.
Por otro lado, se han hecho uso de cámaras auxiliares con movimientos relativos configurados respecto al propio motor. Para ello se ha importado desde el asistente del submenú Animación, un conjunto de cámaras controladas a través de un prediseño formado por traslaciones y giros, que han aportado una dosis extra de dinamismo a la simulación.
Ilustración 82: Asistente y diseño de cámaras
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25. MATERIALES
Keyshot presenta una gran gama de texturas y materiales, incluso personalizables según se requiera conseguir un mayor grado de realismo en el proyecto. Para dotar a cada una de las partes del motor del material apropiado, es necesario hacerlo desde el submenú Proyecto; tras esto, se deben seleccionar cada una de las partes en la ventana de Escena. Ahora tan solo se debe elegir el material deseado desde la librería disponible en el submenú izquierdo del programa.
Es necesario hacer notar que si el material deseado no se encuentra en la librería de Keyshot, este se puede obtener a partir de la edición de uno de ellos o hacerlo completamente nuevo desde el submenú Proyecto>>Material.
Para finalizar, y a pesar de la simplificación que se ha llevado a cabo, Ilustración 83: Librería de es necesario comentar que en este proyecto se ha tratado de materiales en Keyshot reproducir lo más fielmente posible el motor GE J85-13; por tanto, ante la imposibilidad de encontrar el material concreto de cada una de las partes, se ha optado por utilizar una gama de color y textura más próxima a la realidad. Así pues, se detallan los materiales de cada una de las partes en la lista siguiente:
1. SOPORTE DE LA TOMA DINÁMICA 1. Cono de admisión: Anodized grey 2. Casco de admisión: Anodized rough grey
2. COMPRESOR AXIAL 1. Etapas de rotor: Paint matte blue 1. Álabes 1ª etapa: Paint gloss white 2. Topes 1ª etapa: Paint matte black 3. Disco 1ª etapa: Anodized grey 4. Resto de etapas: Paint matte blue
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2. Etapas de estátor: Paint matte blue 3. Discos: Paint matte blue 4. Carenado: Brushed green modified
3. NEXO 1. Inyector 1. Conducto: Brushed green modified 2. Cabeza: Chrome black 2. Carenado: Brushed green modified
4. CÁMARA DE COMBUSTIÓN 1. Tubo de llama: Paint matte red 2. Carenado: Chrome dots
5. TURBINA 1. Etapas de rotor: Paint matte orange 2. Etapas de estátor: Tire (1ª etapa), Paint matte orange (2ª etapa) 3. Disco: Paint matte orange 4. Carenado: Chrome black
6. TOBERA DE SALIDA DE LA TURBINA 1. Inyector 1. Conducto: Chrome black 2. Cabeza: Chrome black 2. Carenado: Chrome black
7. POSTCOMBUSTOR 1. Escudo térmico: Paint matte orange 2. Carenado: Chrome black
8. TOBERA DE SALIDA DEL POSTCOMBUSTOR: Chrome black
9. EJE: Anodized brush greyr
10. ROSCAS 1. Tornillos 1. Tipo I: Chrome black 2. Tipo II: Chrome black 2. Tuercas 1. Tipo I: Chrome black 2. Tipo II: Chrome black
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26. RENDERIZADO
26.1 Soporte de la toma dinámica renderizado
Ilustración 84: Soporte de la toma dinámica renderizado 26.2 Compresor renderizado
Ilustración 85: Compresor axial renderizado
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26.3 Nexo renderizado
Ilustración 86: Nexo renderizado 26.4 Cámara de combustión renderizada
Ilustración 87: Cámara de combustión renderizada
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26.5 Tobera de salida de la turbina renderizada
Ilustración 88: Tobera de la turbina renderizada
26.6 Postcombustor
Ilustración 89: Postcombustor renderizado
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26.7 Tobera de salida del postcombustor
Ilustración 90: Tobera de salida del postcombustor renderizada 26.8 Eje
Ilustración 91: Eje renderizado
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26.9 Roscas
Ilustración 92: Perno y tuerca renderizados
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26.10 GE J85-13 interno renderizado vista parcial delantera
Ilustración 93: GE J85-13 interno renderizado vista parcial delantera 26.11 GE J85-13 interno renderizado vista parcial trasera
Ilustración 94: GE J85-13 interno renderizado vista parcial trasera
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26.12 GE J85-13 interno renderizado completo
Ilustración 95: GE J85-13 interno renderizado completo
26.13 GE J85-13 renderizado parcial delantero
Ilustración 96: GE J85-13 renderizado parcial delantero 26.14 GE J85-13 renderizado parcial trasero
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Ilustración 97: GE J85-13 renderizado parcial trasero
26.15 GE J85-13 renderizado completo
Ilustración 98: GE J85-13 renderizado completo
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26.16
Parte VIII
CONCLUSIONES
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HOJA INTENCIONALMENTE DEJADA EN BLANCO
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27. CONCLUSIONES
En este proyecto, se ha pretendido realizar el modelado y animación del turborreactor con postcombustor General Electric J85-13 de la manera más fiel posible respecto al modelo presente en los laboratorios de la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. Dichos procesos se han llevado a cabo a través de dos de los más potentes programas presentes hoy día en el mercado, estos son CATIA V5 y Keyshot 5.
El proyecto se ha centrado en el modelado con el software CATIA V5, el cual ha permitido la recreación virtual del motor desde los módulos PART DESIGN, WIREFRAME
AND SURFACE DESIGN Y ASSEMBLY DESIGN. Es necesario hacer notar que la amplia cobertura y robustez de las herramientas que presentan cada uno de estos, ha permitido crear cada una de las piezas con sumo detalle respecto al modelo real.
Por otro lado si tuviese que mencionar algún punto flojo de CATIA, este es indudablemente el de la renderización. Por ello se ha hecho elección del programa Keyshot para la obtención de las imágenes y vídeos finales.
Respecto al producto final conseguido, es necesario resaltar que debido a limitaciones físicas , ha sido necesario simplificar la estructura y forma de algunas de las partes del motor, habiéndose este reducido a los grandes conjuntos: soporte de la toma dinámica, compresor, cámara de combustión, turbina, postcombustor y toberas. Además, la imposibilidad de acceder a manuales oficiales del motor, ha conllevado que la elección de los materiales haya sido elegida en base a otros conocimientos e impresiones reales que se han percibido sobre el modelo original. Por estos motivos, se deja abierta la posibilidad de mejorar y complementar este modelo con componentes de control, tuberías, AGB, entre otros, para futuros trabajos, con el fin de alcanzar un mayor grado de realidad; así como se ofrece y autoriza este proyecto para cualquier tipo de exposición académica.
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Apéndice
13
-
: Sección del J85 GE Sección :
99 Ilustración Ilustración
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NÚMERO DE LA DESIGNACIÓN DE LA PIEZA PIEZA
1 Cono de admisión
2 Casco de admisión
3 Fijador
4 Álabe 1ª etapa rotor del compresor
5 Disco soporte 1ª etapa de rotor del compresor
6 Etapa de estátor del compresor (x7)
7 Etapa de rotor del compresor (x7)
8 Disco cuerpo compresor
9 Carenado del compresor
10 Cabeza inyector I
11 Conducto inyector I
12 Carenado nexo compresor-cámara de combustión
13 Carenado de la cámara combustión
14 Tubo de llama
15 Eje
16 Estátor 1ª etapa de la turbina
17 Rotor etapa de la turbina (x2)
18 Disco cuerpo turbina
19 Estátor 2ª etapa turbina
20 Carenado de la turbina
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21 Cono de la tobera de salida de la turbina
22 Cabeza inyector II
23 Carenado de la tobera de salida de la turbina
24 Conducto inyector II
25 Protector térmico del postcombustor
26 Roscas (Pernos+tuercas)
27 Carenado del postcombustor
28 Tobera de salida
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Referencias
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[10] Pedro Fernández Díez. ''Cámaras de combustión de turbinas de gas''. [En línea]. Disponible en: http://files.pfernandezdiez.es/Turbinas/Gas/PDFs/06Tgas.pdf
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Félix Rentero de Llano MODELADO DEL TURBORREACTOR GENERAL ELECTRIC J85-13 MEDIANTE CATIA V5
[15] ''Funcionalidades''. Dassault Systèmes [en línea]. [Consulta: 4 Marzo 2015]. Disponible en: http://www.3ds.com/es/productos-y-servicios/catia/
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