Afterburner

Un McDonnell Douglas F / A-18 Hornet care decola de pe un portavion cu arzătorul aprins.

Postcombustibilul (sau oxidantul) este o instalație utilizată pe unele motoare de aeronave la reacție, care permite să crească semnificativ forța maximă disponibilă a unui motor cu turboreactor sau a unui turboventilator în detrimentul unui consum mai mare de combustibil și al unei termodinamici de eficiență relativ scăzută.

Principiul fizic

Împingerea unui exoreactor poate fi definit ca

F={\dot {m}}_{a}\left[\left(1+{\frac {{\dot {m}}_{c}}{{\dot {m}}_{a}}}\right)u_{e}-V_{0}\right]+(p_{e}-p_{a})A_{e}

{\ displaystyle F = {\ dot {m}} _ {a} \ left [\ left (1 + {\ frac {{\ dot {m}} _ {c}} {{\ dot {m}} _ { a}}} \ right) u_ {e} -V_ {0} \ right] + (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}}

F = \ dot m_a \ left [\ left (1 + \ frac {\ dot m_c} {\ dot m_a} \ right) u_e - V_0 \ right] + (p_e - p_a) A_e

unde este:

{\dot {m}}_{a}

{\ displaystyle {\ dot {m}} _ {a}}

\ dot m_a

este fluxul de masă al aerului care intră în motor

{\dot {m}}_{c}

{\ displaystyle {\ dot {m}} _ {c}}

\ dot m_c

este debitul masic al combustibilului ars în motor

\ u_{e}

{\ displaystyle \ u_ {e}}

\ u_e

este viteza la care fluidul părăsește duza de evacuare a motorului

\ V_{0}

{\ displaystyle \ V_ {0}}

\ V_0

este viteza de zbor

\ (p_{e}-p_{a})A_{e}

{\ displaystyle \ (p_ {e} -p_ {a}) A_ {e}}

\ (p_e - p_a) A_e

este termenul datorat diferenței de presiune între presiunea de ieșire și presiunea atmosferică a fluidului, înmulțită cu aria secțiunii de ieșire a duzei. Când acest termen este nul, se spune că duza este „adaptată”.

Detaliu al cinematicii duzei de evacuare cu geometrie variabilă a unui General Electric J79 . În centrul imaginii puteți vedea inelele pentru stabilizarea flăcării post-arzător.

Neglijând contribuția termenului de presiune, observăm modul în care forța crește odată cu creșterea debitului fluidului evacuat sau creșterea vitezei sale de ieșire sau cu o combinație a acestor două opțiuni.

În camera de combustie a unui turboreactor, doar o mică parte din aer participă la combustie (în raport stoichiometric ), în timp ce cea mai mare parte este utilizată pentru a răci pereții camerei de combustie și a reduce temperatura gazelor de ardere pentru a nu distrugeți statorii și palele turbinei. Oxigenul rămas poate fi apoi exploatat în aval de turbină pentru arderea ulterioară, de data aceasta nelimitată în temperatura maximă de către piesele motorului din aval, pentru a crește saltul de entalpie disponibil la duză și astfel a obține o viteză de eflux remarcabilă . forță de până la 50%. ^[1] . Cu toate acestea, nici măcar tot oxigenul rezidual din gazele de ardere nu este utilizat în post-arsură. Acest lucru permite, ca în camera de ardere, să utilizeze o parte din gazele de ardere ca agent frigorific. În realitate, mai mult decât un agent frigorific, este folosit ca izolator între fluxul foarte fierbinte din conductă (2000 K) și pereții conductei, formând un strat de delimitare pe perete. Randamentele termodinamice și propulsive ale unui ciclu cu post-arzător sunt, totuși, mai mici decât cele ale unui ciclu fără post-arzător, afectând negativ consumul specific. Din acest motiv, utilizarea unui motor cu un post-arzător în comparație cu un turboreactor sau turboventilator cu performanțe egale (dar dimensiuni și greutate mai mari) este de preferat pentru misiunile care necesită o împingere maximă doar pentru perioade limitate de timp. ^[2]

Tehnică

Diagrama ciclului Brayton-Joule pentru un turboreactor cu arzător. Linia continuă reprezintă un ciclu ideal, în timp ce linia punctată reprezintă un ciclu real. Stațiile de motoare relevante sunt schematizate ca
1) Intrare
2) Admisie / compresor de aer
3) Compresor / cameră de ardere
4) Cameră de combustie / Turbină
5) Turbină / Afterburner
6) Duză de ardere / evacuare
7) Descărcare

Forma conductei din avalul turbinei este de natură să încetinească gazele de eșapament pentru a reduce pierderile totale de presiune în timpul arderii ulterioare. ^[1] Injectoarele suplimentare de combustibil asociate cu aprinderile electrice cu arc alimentează flacăra ancorată pe stabilizatori speciali, adică forme aerodinamice ghemuit care, producând turbulențe și recirculare, împiedică suflarea flăcării din duză ( flacăra stinsă ) și apoi oprit.

Dimensiunile conductei sunt rezultatul unui compromis între lungimea (mai mare) necesară pentru finalizarea arderii înainte de intrarea în duză cu cele mai mici pierderi posibile datorate turbulenței și cea (mai mică) dictată de motive de greutate și volum în celula aeronavei care o găzduiește.

Datorită creșterii debitului și a temperaturii datorită combustibilului ars în arzător, secțiunea gâtului duzei trebuie să poată fi mărită prin intermediul unei cinematici adecvate pentru a evita saturația ( șocul termic) al duzei și defecțiunile care rezultă din aceasta a turbomachinei din amonte. Creșterea temperaturii în post-arzător permite gazelor de eșapament să se extindă (și să accelereze) la viteza supersonică, ceea ce implică necesitatea adoptării unei duze convergente-divergente cu geometrie variabilă. ^[1]

Eficienţă

Zonele mai luminoase din gazele de eșapament arată structura undelor de șoc generate în fluxul supersonic.

Aerul care intră în arzător are mai puțin oxigen disponibil din cauza arderii anterioare. Presiunea este, de asemenea, mai mică, deoarece o piesă a fost transformată în lucru de către turbină pentru funcționarea compresorului și o piesă se pierde din cauza fluxurilor Rayleigh , afectând eficiența ciclului Brayton asociat.

Prezența formelor non-aerodinamice în conductă (stabilizatorii de flacără) și lungimea sa neoptimală (datorită limitelor de greutate și dimensiune) contribuie la scăderea în continuare a eficienței post-arzătorului. ^[3]

Din aceste motive, utilizarea arzătoarelor este limitată la fazele de decolare (mai ales dacă sunt încărcate complet sau pe aeronave destul de grele) sau în anumite situații de zbor (în timpul interceptării sau al luptei cu manevre cu număr mare g sau în timpul zborului. Supersonic) sau la depășește regimul transonic, adică trecerea de la zborul subsonic la starea de zbor supersonică, dar acest lucru numai în cazul supracrucișării , ca și pentru F-22 și Eurofighter Typhoon .

O excepție parțială a fost Lockheed SR-71 . Faza de croazieră a acestui avion, de fapt, a avut loc la o viteză atât de mare încât să permită utilizarea post-arzătorului într-un mod care a făcut ca motorul Pratt & Whitney J58 să fie un hibrid între un turboreactor și un statorjet . În acest fel, eficiența generală a motorului hibrid a fost mai mare decât un turboreactor simplu (cu tracțiune egală) care la viteze apropiate de Mach 3 a văzut eficiența sa scăzând brusc.

Utilizare operațională

Un McDonnell Douglas F-15 Eagle cu post-arzătoare aprinse. Se remarcă forma „cârnaților” a gazelor de eșapament, tipică unui flux supersonic exagerat care iese dintr-o duză convergentă-divergentă .

Deja în timpul celui de- al doilea război mondial , în Germania , a fost testată versiunea „E” a turboreactorului Junkers Jumo 004 cu compresor cu debit axial, care a oferit o presiune de 11,8 kN față de 9,8 kN a versiunii fără arzător. Până în 1945 mai multe motoare de acest tip depășiseră deja 100 de ore de funcționare pe bancă, dar noua variantă nu a avut timp să intre pe linia de producție. ^[4]

În aceeași perioadă, în Anglia , Frank Whittle a început să studieze un post-arzător pentru ca motorul său cu reacție W.2 / 700 să fie instalat pe un prototip de avion supersonic ( Miles M.52 ).

În Statele Unite, primele studii au fost realizate de NACA și publicate în ianuarie 1947. ^[5]

După război, motorul turboreactor Westinghouse J40 , care inițial prevedea utilizarea unui afterburner, a fost instalat pe McDonnell F3H Demon și Douglas F4D Skyray , dar întârzierea certificării motorului în versiunea cu afterburner (care a luat loc în 1952, cu o întârziere de doi ani în termen), iar lipsa de fiabilitate substanțială a marcat succesul său limitat. Lockheed F-94 Starfire a fost primul avion din SUA echipat cu un motor afterburner, Allison J35 , înlocuit ulterior cu un Pratt & Whitney J48 mai performant.

În anii 1950 , au fost dezvoltate mai multe motoare post-arzătoare, inclusiv de Havilland Gyron și Orenda Iroquois . În Anglia, Rolls-Royce Avon a fost produs într-o versiune post-arzător pentru a fi instalat pe Lightning Electric englezesc , primul luptător supersonic al Royal Air Force care a intrat în serviciu. Unele versiuni ale seriei de motoare Rolls-Royce Olympus au fost, de asemenea, proiectate cu post-arzătoare pentru a fi instalate pe BAC TSR-2 și Concorde .

Postcombustibilul este un sistem utilizat pe scară largă pe avioanele militare, dar a fost utilizat doar pe o mână de aeronave civile, inclusiv unele avioane de cercetare NASA , Tupolev Tu-144 , Concorde și Cavalerul alb al Scaled Composites . În Concorde, chiar și post-arzătoarele au fost folosite doar la decolare și la accelerarea aeronavei la viteza de croazieră supersonică (care a fost menținută fără a porni post-arzătoarele, ceea ce nu a fost posibil pentru Tu-144).

Notă

^ ^a ^b ^c Nasuti, Lentini, Gamma , p. 138 .
^ Nasuti, Lentini, Gamma , p. 137 .
^ Nasuti, Lentini, Gamma , p. 139 .
^ Hirschel , p. 242 .
^ Investigație teoretică a măririi forței de tracțiune a motoarelor cu turboreactoare prin arderea țevilor de coadă Bohanon, HR; Wilcox și C.

Bibliografie

Francesco Nasuti, Diego Lentini, Fausto Gamma, Note de curs din cursul de propulsie aerospațială ( PDF ), în Universitatea Sapienza din Roma , 2004. Adus la 17 august 2012 .
( EN ) EH Hirschel, Prem H., Madelung G., Cercetări aeronautice în Germania: de la Lilienthal până astăzi , Heidelberg, Springer-Verlag, 2004, p. 242 , ISBN 3-540-40645-X .