Turbojet

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

1leftarrow blue.svg Element principal: motor cu reacție .

Schema unui turboreactor cu compresor centrifugal .
Schema unui turboreactor cu compresor axial :
  1. admisie;
  2. compresor de joasă presiune;
  3. compresor de înaltă presiune;
  4. arzător;
  5. Descarc;
  6. secțiune fierbinte;
  7. turbină;
  8. camera de ardere;
  9. secțiune rece;
  10. snorkel.

Turboreactorul este cel mai simplu și mai vechi dintre motoarele cu reacție , înlocuit de turboventilator . Este un motor cu ciclu continuu (sau deschis) care utilizează ciclul Brayton-Joule pentru a produce forța necesară pentru a face o aeronavă să se miște conform celui de-al treilea principiu al dinamicii sau al principiului acțiunii și reacției .

Introducere

Motorul este constituit în mod substanțial printr-o admisie de aer , un compresor centrifugal sau axial , din camera de ardere , unde se află injectoarele de combustibil ( kerosen ), de o turbină , de un eventual post-arzător și în cele din urmă de o duză de refulare care asigură împingere. Aceste piese, împreună cu numeroasele piese accesorii, cum ar fi motorul de pornire , pompele pentru lubrifianți și lichide de răcire , sistemele de evacuare din compresor, pentru a evita blocarea sau presurizarea cabinei și a circuitului hidraulic, sunt conținute într-o carcasă metalică cu o formă aerodinamică plasat în aripă, lângă fuselaj, în interiorul fuselajului sau deasupra cozii aeronavei.

Istorie

Primele studii privind turboreactorul au început în Marea Britanie și Germania în anii treizeci , chiar dacă motorul cu reacție în sensul cel mai larg al termenului a fost motorul românului Henri Coandă (dar motorul nu era un turboreactor).

Primele motoare cu turbojete adevărate au fost testate pe banca de testare în 1937, atât în ​​Marea Britanie, cât și în Germania. La 27 august 1939, a zburat primul avion cu motor turbojet, Heinkel He 178 , propulsat de motorul Heinkel HeS 3 . Cei doi ingineri din spatele proiectului au fost Hans von Ohain , Germania, și Frank Whittle , Marea Britanie. Primele avioane operaționale au intrat în serviciu spre sfârșitul celui de-al doilea război mondial cu luptătorii germani Messerschmitt Me 262 . Britanicii au pregătit în schimb Gloster Meteor . Potențialul acestor mașini a dus la îmbunătățiri și cercetări în domeniul propulsiei cu jet.

Operațiune

Într-un turboreactor, aerul este transportat de admisia de aer, sau de admisia dinamică sau difuzorul, care inițiază o primă compresie și este trimis la compresor (sau la compresoare în soluții de compresor de joasă și înaltă presiune) care continuă compresia. De aici este trimis în camera de ardere, unde se amestecă cu combustibilul atomizat din injectoare și este aprins de o bujie . Odată pornit, procesul de ardere rămâne spontan dacă condițiile de presiune și debitul de combustibil nu se schimbă.

Arderea continuă determină o creștere considerabilă a temperaturii aerului care, neputând să se extindă, este direcționată către turbina unde se extinde, dându-i energia. Dar motorul, pentru a funcționa bine, trebuie să o facă la temperaturile potrivite. Deasupra și dedesubtul turbinei, de fapt, există două coridoare prin care trece aer rece pentru a răci totul. Din punct de vedere termodinamic, turboreactorul răspunde ciclului Brayton și, prin urmare, ca motor termic, realizează eficiențe mai mari cu cât raportul de compresie și temperatura maximă a ciclului sunt mai mari, la aceeași temperatură minimă. Construcția turbojetului se bazează, așadar, pe obținerea unei eficiențe cât mai mari a compresoarelor, a turbinelor cu gaz și a camerelor de ardere. Un filtru împarte apoi aerul suflat de gazele de eșapament care ies dintr-un canal secundar.

Descriere

Compresoarele utilizate în prezent pe cele mai puternice motoare sunt de tip axial care, totuși, atunci când ating anumite dimensiuni prezintă o serie de probleme de funcționare și reglare, care, în mai multe cazuri, duc la niveluri inacceptabile, unele dintre deficiențele lor, cum ar fi cea a unui oarecum leneș la accelerație . Cauza fundamentală a acestui fapt este dificultatea extremă de a asigura condiții de funcționare regulate într-o gamă largă de regimuri la diferitele etape ale compresorului, fiecare etapă a căreia influențează comportamentul atât al celor care îl precedă, cât și, mai ales, al celor pe care le urmează.

Printre tehnicile dezvoltate pentru a depăși aceste dezavantaje, putem menționa cea a adoptării lamelor cu pas variabil , pentru primele etape ale compresorului: în acest fel, dacă aerul de intrare are o viteză mai mică decât cea de proiectare, acestea pot fi înclinate cu minus paletele sau invers. Din atingerea (scăderea) unei părți din fluxul de aer procesat de compresor în sine, în acest fel, în special la pornire când compresorul începe să funcționeze, primele etape nu vor putea comprima aerul pe care îl trimit către etapele următoare, pe care s-ar găsi apoi un volum excesiv de aer. Și împărțirea compresorului în două sau mai multe trunchiuri independente mișcate de doi arbori coaxiali, fiecare cu propria turbină (schema cunoscută sub numele de turboreactor cu două sau trei arbori).

Compresoarele axiale au, în general, un rotor format dintr-o structură cilindrică sau troncoconică pe care sunt aplicate lamele sau printr-o serie de discuri, fiecare dintre ele purtând lamele și care, strânse unele de altele, sunt conectate la arborele turbinei . Paletele pot fi fabricate din aliaj ușor , oțel și titan , în special cele din primele etape, mai supuse pericolului de deteriorare datorită ingestiei de obiecte străine, și cele din ultimele, unde aerul comprimat atinge temperaturi de unele sute de grade Celsius .

Printre materialele utilizate în construcția compresoarelor , fibrele de carbon și kevlar își croiesc drum. Aceste materiale permit construirea și utilizarea lamelor cu cablu larg pentru ventilatoarele mari ale motoarelor cu turboventilatoare . Ventilatoarele astfel realizate s-au dovedit a fi extrem de rezistente la impactul asupra păsărilor și corpurilor externe. Calitățile de supraviețuire ale motorului sunt, de asemenea, îmbunătățite la detașarea uneia dintre aceste lame, ceea ce are ca rezultat una dintre cele mai periculoase defecțiuni vreodată pentru un turboreactor. Etanșarea dintre palete și carcasa compresorului se realizează prin intermediul inelelor din material abrazabil (în general din teflon ) în care paletele își sapă propria pistă.

Compresorul are funcția de a alimenta camerele de ardere cu aer sub presiune , captat de admisia frontală, în care kerosenul nebulizat este ars cu ajutorul unor injectoare speciale. Cea mai mare parte a aerului care vine de la compresor (75%) este utilizată pentru a dilua produsele de ardere și pentru a răci pereții exteriori ai camerelor. Acestea constau din mai multe carcase inelare, conținute una în cealaltă, și conectează ieșirea compresorului cu intrarea turbinei, transportând gazele formate în timpul arderii către aceasta. Având în vedere temperatura ridicată de ardere, camerele sunt realizate din aliaje cu un conținut ridicat de nichel , capabile să reziste la temperaturi cu mult peste 1200 ° C.

Variații și trucuri

Nu foarte obișnuită este arhitectura de curgere inversată, în care camerele de ardere au o formă S, permițând astfel reducerea considerabilă a lungimii arborelui care leagă compresorul de turbină. Turbina cu gaz, de obicei axială și frecvent în mai multe etape, este partea turbojetului în care sunt exploatate cele mai avansate tehnologii, având în vedere solicitările mecanice și termice ridicate la care sunt supuse lamele sale mai presus de toate, capetele cărora se datorează rotației pot atinge o viteză periferică de ordinul a 400 m / s, fiind lovite de gaze incandescente la temperaturi chiar mai mari de 1300 ° C și la viteze de aproximativ 600 m / s. Din acest motiv, paletele sunt fabricate din aliaje speciale cu un conținut ridicat de nichel , cu adaosuri de cobalt și sunt în mai multe cazuri protejate de un strat subțire de material ceramic sau sunt echipate cu un sistem de răcire alimentat cu aer comprimat preluat din compresor, transportat în interiorul paletelor (care sunt goale) și apoi expulzat prin mici găuri dispuse pe marginea lor de conducere , astfel încât să formeze un strat subțire de aer care asigură refrigerarea.

La mijlocul anilor '80 a devenit stabilită tehnica monocristalului , care permite o rezistență mai mare la solicitările termice și centrifuge la care este supusă lama. Cercetarea este încă foarte activă în domeniu, deoarece depinde în mare măsură de îmbunătățirea performanței motoarelor cu turbină. Problemele tehnice apar, de asemenea, din necesitatea de a evita fenomenele de coroziune și oxidare ale lamelor și de a prevedea posibilitatea unei expansiuni termice considerabile, care necesită adoptarea unor sisteme speciale pentru fixarea lamelor pe discurile turbinei, astfel încât să permită un joc apreciat la rece . și invers, blocarea la temperaturi normale de funcționare. În mod obișnuit adoptat este sistemul de blocare „pomul de Crăciun”.

Pentru a depăși această problemă, tehnologia blisk (din limba engleză blade + disk , lopată + disc) s-a răspândit de la începutul anilor 1990 . Această tehnică asigură producția de roți de turbină pornind de la un disc solid forjat, care este frezat de mașini cu control numeric care produc, de asemenea, lamele. Pornind de la o forjare cu fibre orientate în mod corespunzător, este posibil să se obțină creșteri considerabile ale rezistenței și scăderi în greutate, făcând suportul de deschidere la mijloc care a permis fiecărei lame să se sprijine pe cea anterioară inutil pentru lamele mai mari. Tehnica blisk pare a fi una dintre cele mai promițătoare metode de creștere a performanțelor turboreactoarelor moderne.

Caracteristici

Turbina are funcția de a procesa fluxul gazos, transformându-l parțial în energie mecanică , necesară pentru acționarea compresorului; fluxul gazos încetează să se extindă în conducta de evacuare, a cărei formă ajută la accelerarea ratei de expansiune a gazelor; variația impulsului masei gazoase în expansiune asigură forța.

Puterea unui turbojet, atunci când este montat pe un avion, variază într-o măsură destul de limitată, deoarece viteza de zbor variază și este maximă pentru viteza zero înainte a aeronavei, scade ușor atunci când există cea mai mică diferență între viteza de zbor (și prin urmare, de captare a aerului) și viteza de descărcare a jetului, în timp ce revine la viteze mai mari, dată fiind creșterea raportului de compresie obținută ca urmare a recuperării energiei în admisia de aer. Chiar și scăderi limitate ale numărului de rotații ale turboreactorului (care de la 30.000 ~ 40.000 din turboreactoarele mai mici sunt reduse la 8.000 ~ 10.000 pe minut pentru cele mai mari) determină în schimb reduceri evidente ale forței de tracțiune. Din acest motiv, instrumentele de la bord pentru verificarea numărului de rotații sunt calibrate în procente, cu un domeniu de lucru care variază de la 70% la 105% din rpm-ul proiectat.

Pe măsură ce altitudine crește, în același rpm și viteza zbor, forța de tracțiune a Turbojet este redusă, deși într - o măsură mai mică decât puterea de non-supraalimentat cu piston motoare (performanța motorului cu piston este măsurat cu putere, în timp ce cele ale bochete împingerea). Reducerea forței la creșterea altitudinii este vizibilă peste 11.000 m, deoarece densitatea aerului scade mult mai dramatic. Consumul specific (debitul de combustibil în funcție de greutate împărțit la împingere) al turbojetului crește considerabil pe măsură ce viteza de zbor crește, în timp ce scade odată cu creșterea altitudinii (până la zona de separare de 11.000 m între troposferă și stratosferă ). Consumul specific crește considerabil pe măsură ce numărul de rotații este redus. Utilizarea post-arzătorului dublează sau triplează consumul și, prin urmare, este adoptată de obicei numai pe avioanele militare.

Necesitatea de a adapta corect secțiunea conductei de evacuare la variațiile presiunii externe înseamnă de obicei că turboreactoarele au duze cu geometrie variabilă: această nevoie este în general satisfăcută de duze pentru petale, în care o coroană de cricuri hidraulice acționează asupra clapelor pe care le pot deschide sau închideți gâtul duzei (secțiunea internă mai îngustă decât aceeași) în funcție de condițiile de funcționare ale turboreactorului. Adoptarea unei duze reglabile facilitează, de asemenea, pornirea turbojetului (scăderea secțiunii gâtului scade cererea de aer a admisiei).

Unitatea și performanța

Propulsia este calculată aproximativ prin următoarea formulă:

unde este este fluxul de masă prin admisia de aer în unitatea de timp (masa împărțită la timp), este viteza masei de aer amestecate cu gazele de evacuare ieșite e este viteza aerului care intră în admisia de aer care corespunde vitezei aeronavei (TAS) dacă este pusă în mișcare.

Această definiție trebuie corectată printr-un termen de presiune egal cu produsul secțiunii de ieșire pentru saltul de presiune (între mediu și gazele arse), în plus, trebuie luat în considerare faptul că debitul de masă la ieșire este doar într-o primă aproximare comparabilă cu cea a aerului de intrare, deoarece în realitate ar include și fracțiunea de combustibil injectată în motor.

După cum înțelegem din formulă, spre deosebire de un endoreactor, o rachetă pe scurt, un motor care respiră aer sau un motor alimentat cu aer, are o limitare din cauza gazelor de eșapament, cu alte cuvinte avionul nu va putea niciodată să zboare la viteze mai mari. vitezei jetului, pentru că altfel împingerea ar deveni negativă.

Astăzi, cel mai comun tip de turboreactor în domeniul comercial este turboventilatorul (sau turboventilatorul ), deoarece este mai avantajos să obțineți aceeași forță cu o accelerație mică a unui debit mare de aer, mai degrabă decât să dați o accelerație mai mare unui flux mic de aer. De fapt, eficiența propulsivă este definită ca:

unde este

este puterea de propulsie este produsul de împingere ori viteza de zbor, în timp ce

este puterea jetului . Prin urmare:

Raportul de compresie al turboventilatoarelor moderne poate ajunge la 40: 1.

Componentele principale

Animația arată principiul de funcționare al unui turboreactor.
Animație care arată un compresor axial.

Principalele componente ale unui motor cu reacție sunt, în general, întotdeauna aceleași pentru diferitele tipuri de motoare abia văzute. Acestea includ:

Pentru avioanele aflate în regim subsonic , proiectarea admisiei de aer nu prezintă dificultăți deosebite, deoarece se bazează în principal pe optimizarea formei pentru a garanta o rezistență minimă la mișcare. Funcția admisiei de aer este de a încetini fluxul de masă care intră în compresor prin creșterea presiunii sale statice. Debitul în admisia de aer, în ciuda pierderilor de presiune datorate frecării, poate fi considerat izentrop. Este important să ne amintim că proiectarea prizelor de aer trebuie să ia în considerare un unghi maxim de jumătate de deschidere, dincolo de care ar exista o desprindere a stratului limită din cauza gradientului de presiune advers. În cazul avioanelor supersonice, aerul care ajunge la compresor în aval de admisie trebuie, de asemenea, să fie încetinit sub viteza sunetului, de aceea sunt utilizate prize de aer conectate. în acest caz, dificultatea constă mai ales în a fi nevoit să proiectezi mânerele dinamice care funcționează bine chiar și în timpul decolării sau aterizării, în care viteza este mult mai mică decât cea a sunetului.

Compresorul este format dintr-o serie de lame radiale (etape) rotative juxtapuse, intercalate cu lame radiale statorice, fiecare dintre acestea comprimând aerul cu o cantitate mică. Energia este obținută din turbina de evacuare prin arbore.

Transportă puterea de la turbină la compresor sau, eventual, chiar la motor. De asemenea, pot exista mai mulți arbori coaxiali, care se rotesc la viteze diferite și conectează diferite etape ale turbinei și compresorului.

Este camera în care are loc arderea „staționară” între combustibilul atomizat injectat de arzător și aerul comprimat care ajunge din compresor.

Este organul care permite extragerea energiei din amestecul de aer și gaze arse care ies din arzător, astfel încât să poată „muta” compresorul sau, eventual, un ventilator de by-pass sau o elice (turbopropulsor sau turbosuflant).

  • Afterburner (opțional, de obicei pe avioane militare)

Un arzător suplimentar, situat în aval de turbină și înaintea duzei, care permite obținerea unei forțe suplimentare prin injectarea combustibilului în gazele de eșapament încă relativ bogate în oxigen.

Aerul, după ce a renunțat la o parte din presiune și temperatură în turbină, este expulzat în partea din spate a motorului printr-o duză în care entalpia reziduală a fluidului poate fi transformată în energie cinetică pentru a produce o împingere netă.

Instrumentare cu turboreactor

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Avionica .
  • Presurimetru (raportul presiunii motorului) care măsoară raportul dintre presiunea totală la evacuarea turbinei și presiunea totală a aerului la intrarea compresorului. Prin urmare, acesta este un indicator de performanță;
  • Tahometrul indică numărul de rotații ale turbinei, pot exista mai multe instrumente, fiecare pentru o treaptă diferită a motorului: N1, treaptă de joasă presiune; Etapa de înaltă presiune N2, etc;
  • ITT ( Intermediate Turbine Temperature ) măsoară temperatura gazelor de eșapament la turbină;
  • EGT ( temperatura gazului de eșapament ) măsoară temperatura la eșapament;
  • Fluxul de metri pentru debitul;
  • Manometre pentru presiunea uleiului;
  • TOT ( temperatura de ieșire a turbinei ) măsoară temperatura la turbină;
  • Termometru pentru temperatura uleiului.

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 23929