Zespoły silnika lotniczego. Dr inż. Robert Jakubowski

Transkrypt

1 Zesoły silnika lotniczego Dr inż. Robert Jakubowski

2 DYSZA WYLOTOWA TURBINA KOMORA SPALANIA SPRĘŻARKA WLOT

3 WLOT

4 Wlot Zadaniem wlotu jest dostarczenie do silnika owietrza w wymaganej ilości z zaewnieniem określonego rofilu rędkości rzed srężarką, oraz w trakcie lotu wstęne srężenie owietrza orzez oddziaływanie dynamiczne

5 i H Wlot -raca w warunkach statycznych DLA PRĘDKOŚCI LOTU 0 H=H # s c 2 # 2 Zmiana entalii we wlocie i = i = c T H H T = T H Proces we wlocie jest IZENTALPOWY s Wsółczynnik strat ciśnienia we wlocie wl H σ = = = + Przyrost entroii s = s s = R ln H lin lok lin - suma strat liniowych lok - suma strat lokalnych H σ wl

6 # i H H # # s 2 2 c H 2 c DLA WARUNKÓW PRZELOTOWYCH Wlot - raca w warunkach rzelotowych # s H H H 2 c Sręż dynamiczny 2 2 k k H dyn H k Ma π = = +

7 Praca wlotu rzy dużej rędkości WLOT SILNIKA NADDŹWIĘKOWEGO naddźwiękowej Ma< Sręż dynamiczny idealny π dyn H = = + H k Ma 2 2 k k Przyrost ciśnienia we wlocie = σ π = σ σ π H WL dyn KAN _ WL fal dyn Prędkość lotu Sręż dynamiczny Ma (idealny),89,5 3,67 2 7,82 2,5 7, ,73

8 Wływ rędkości lotu na starty we wlocie Zależność wsółczynnika strat falowych od rędkości lotu i liczby fal uderzeniowych i rędkości lotu

9 Podział wlotów ze względu na rędkość rzelotową silników WLOTY PODDŹWIĘKOWE

10 Wloty naddźwiękowe W zakresie niedużych rędkości naddźwiękowych O srężaniu zewnętrznym O srężaniu mieszanym O srężaniu wewnętrznym

11 SPRĘŻARKA

12 Wentylator CFM-56-5C firmy Snecma

13 Podział srężarek srężarka osiowa Zalety: Wady: -możliwość uzyskania wysokiego srężu sumarycznego -duże rzeływy owietrza -niski sręż na ojedynczym stoniu - mała srawność krótkich łoatek

14 Srężarka osiowa I IW Ist C U C 2 C U W W 2 -szy stoień srężarki U 2 C 2U N-ty stoień srężarki Praca stonia srężarki: CHARAKTERYSTYKA PRACY STOPNIA SPRĘŻARKI i l st_iz 2,04" st iz sręŝanie w dyfuzorze W w wirniku sręŝanie w w w stoniu sręŝanie w st 2,29" st l wir =l st Srawność stonia srężarki: s lst = c ( ) T3 T = U ( C C ) 2U U η s l i i = = l i i st _ iz st _ iz st st

15 Srężarka osiowa CHARAKTERYSTYKA PRACY SPRĘŻARKI l s l st_iz,89" 2 iz Politroa sręŝania w sręŝarce 2 2 sręŝanie w n tym stoniu sręŝanie w szym stoniu -szy stoień srężarki Praca srężarki: n s = st = 2 i= l l c ( T T ) N-ty stoień srężarki Sręż srężarki: π n s = π st i= Srawność izentroowa srężarki: l i i η = = s s _ iz 2 _ iz ls i2 i k n k π st _ i i= ηs = k k n i k k π st _ j π st _ i + i= j= η st _ j ηst _ i

16 Przeływ rzez srężarkę osiową

17 Podział srężarek srężarka romieniowa, odśrodkowa Zalety: Wady: -wysoki sręż na ojedynczym stoniu -możliwość stosowania dla małych wydatków rzeływu owietrza - ograniczona ilość rzeływającego owietrza -niższe wartości rędkości obrotowej niż w srężarce osiowej

18 Przeływ rzez srężarkę odśrodkową

19 Srężarka romieniowa CHARAKTERYSTYKA PRACY STOPNIA SPRĘŻARKI i l st_iz 2,04" st iz sręŝanie w dyfuzorze W w wirniku sręŝanie w w sręŝanie w stoniu st 9" l st wir =l st 2,29 s Praca stonia srężarki: l = u c u c st 2 2u u Srawność stonia srężarki: l i i ηs = = l i i st _ iz st _ iz st st

20 Procesy termo-gazodynamiczne w srężarce s # i iz Przyrost entalii w srężarce: i = i + l 2 s Srawność srężarki: l s_iz 2,0,04" di +d di iz 2,29" l s s izentroowa olitroowa Zależność zmiany temeratury od srężu srężarki: T π = T + η 2 k k s s _ iz T k k η 2 = T π s s _ ol l i i η = = s η s _ iz 2 _ iz l s i 2 i k dh ln iz s _ ol = = ( 2 k ) ( 2 ) dh ln T T Zależność srawności izentroowej srężania od srężu dla stałej srawności olitroowej

21 Charakterystyka srężarki

22 Niestateczna raca srężarki omaż Naływ obliczeniowy na łoatkę Naływ na łoatkę z dodatnimi kątami natarcia Naływ na łoatkę z ujemnymi kątami natarcia

23 Uust Zaobieganie niestatecznej racy srężarki Sterowanie łoatek kierownic srężarki Podział srężarki na dwa wirniki

24 Komora salania

25 Procesy termodynamiczne w komorze salania mɺ al Bilans komory salania (( ) ) ( ) 2 2 Qɺ = Iɺ = c mɺ + mɺ T mt ɺ c mɺ T T KS KS al Wsółczynnik wydzielania cieła w KS (srawność cielna KS) ξ Q q ( 2 ) c T T KS KS KS = = = QKS _ t qks _ t Wuτ al Q do_t ɺ, mɺ + mɺ al, T2 m T Q Q τ KS _ t KS al Qstr Q do - Cieło teoretycznie dorowadzone z aliwem - Cieło rzeczywiście wydzielone w rocesie salania - Względne zużycie aliwa

26 Straty rzeływowe w komorze salania Wsółczynnik strat ciśnienia w KS: σ = σ σ KS KS _ M KS _ T σ KS = = wyl KS wl wl σ KS _ M σ KS _ T - wsółczynnik strat mechanicznych ciśnienia - wsółczynnik strat cielnych ciśnienia w KS σ T = T wl wyl KS _ T f Mawl, T s = s + s = c + R KS sal _ str 2 ln ln T σ KS

27 Przykładowa charakterystyka strat ciśnienia w KS sowodowanych rocesem salania

28 Organizacja rocesu salania Strefa ierwot na KS Strefa schładzania salin Paliwo zaotrzebowanie owietrza 8 Ot = C + H O 3 kgo kgal 2 8 [ ] Paliwo nafta lotnicza udziały masowe C = 0,86, H = 0,4 O t L t 8 kgo ,4 3, 43 [ 2 ] = + = 3 kgal Ot kg ow = = 4,7 [ ] 0, 232 kg al Dostarczona do KS ilość aliwa owinna być na oziomie ok. /5 ilości owietrza dostarczonego w strefie ierwotnej, aby salanie zachodziło z najwyższą srawnością

29 Srawność cielna salania w komorze salania w zaleŝności od wsółczynnika nadmiaru owietrza w części ierwotnej KS α = mɺ ow_ str _ ier m ɺ al L t Granica załonności mieszanki aliwowo-owietrznej na ziemi: 0,5< α <,5(,7)

30 BUDOWA KOMORY SPALANIA ORGANIZACJA PROCESU WEWNĄTRZKOMOROWEGO

31 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA - (dzbanowa, indywidualna) Rolls-Royce RB Derwent Komora salania z ierwszych konstrukcji silników Whitl a

32 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA komora rurowa ZALETY: WADY: Łatwość ekserymentalnego Duże oory rzeływu srawdzenia rocesu wewnątrzkomorowego Możliwość wymiany ojedynczej rury komory salania Duża nierównomierność obwodowa ól temeratur na wyjściu z KS

33 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA komora rurowo ierścieniowa roces salania odbywa się indywidualnie w oszczególnych rurach, a osłona komór salania stanowi element nośny konstrukcji

34 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA komora ierścieniowa ZALETY: Zwarta budowa i mała masa własna Mały oór rzeływu Duża równomierność obwodowego rozkładu ól temeratur WADY: Problem z organizacją i badaniami rocesu salania

35 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA komora salania o rzeływie zwrotnym

36 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA komora ierścieniowa z arownicami

37 PRZEGLĄD KONSTRUKCJI KOMÓR SPALANIA nowoczesne komory salania tyu LLP (Lean, Premixed, Prevaorized)

38 Charakterystycznymi cechami wszystkich rzedstawionych rozwiązań konstrukcyjnych jest to, że: rzekrój wlotowy owietrza ma zmienną geometrię; dorowadzenie aliwa jest stoniowe wzdłuż długości komory salania; osiadają dwie strefy salania.

39 TURBINA

40 Wsółraca turbiny ze srężarką P = P + P + P T s agr str ( ) P η = P P T m s w BILANS MOCY TURBINA -SPRĘŻARKA T = T 4 3 P ( P ) w s η c mɺ m sal

41 Turbina silnika lotniczego (turbina osiowa) Turbina jest elementem silnika służącym do zamiany energii salin na racę mechaniczną bądź do naędu srężarki bądź do naędu wirnika nośnego lub śmigła

42 Porównanie łoatek srężarek i turbin Łoatka srężarki Łoatka turbiny

43 Turbina akcyjna - turbina reakcyjna Turbina akcyjna turbina reakcyjna Rozrężanie na łoatkach wieńca dyszowego turbiny Rozrężanie na łoatkach obydwu wieńców turbiny

44 Praca stonia turbiny W 3 U 3 =U 2 i 2 2 W C 3 2 C 3U l st_iz l st C 2U C 2 U 2 3 Praca stonia turbiny l = u ( c + c ) st 2 2u 3u Praca stonia turbiny: lst = c ( ) T T3 Srawność stonia turbiny η = l l st st st _ iz s

45 Procesy termo-gazodynamiczny na turbinie SPRAWNOŚĆ TURBINY i di di iz -d izentroowa: η l T T l t 2 t = = t _ iz olitroowa: k ( ) k 2 ( T2 T ) ( 2 ) ln T T di k η t ol = = di k ln _ iz Przyrost entroii w turbinie: k T k 2 ηt + 2 T = = π t ηt T ( k ) ηt _ = T k 2 2 T s = s s = c R = R s = c 2 2 η 2 ln ln lnπ T T ln k k π T k k t _ iz T + t _ iz η π η ol t _ ol l t_iz 2 iz # s l t 2 2 Zależność srawności izentroowej rozrężania od rozrężu dla stałej srawności olitroowej s

46 Charakterystyka turbiny KRYTERIA PODOBIEŃSTWA DLA PRZEPŁYWU PRZEZ TURBINĘ: Wydatek zredukowany: T mɺ zr = mɺ 3 3 Względny wydatek zredukowany: T T mɺ = mɺ m Prędkość zredukowana: n nzr = T n = n T ɺ 3 3 n T 3 3 obl obl Względna rędkość zredukowana:

47 Wzrost obciążeń turbin wynikające stąd rozwiązania Rozwój nowoczesnych materiałów oraz rocesów wytwarzania

48 Chłodzenie turbiny Do ok K rzy zastosowaniu stoów wysokotemeraturowych nie jest wymagane chłodzenie wewnętrzne łoatek turbin Powyżej 300 K wymagane jest chłodzenie turbin, a jego rodzaj jest ściśle związany z temeraturą rzed turbiną CHŁODZENIE KONWEKCYJNE CHŁODZE NIE KONWEKC YJNE + CHŁODZE NIE BŁONOWE CHŁODZENIE TRANSPIRACYJNE DLA KRÓTKICH ŁOPAT DLA DŁUŻSZYCH ŁOPAT Zależność srawności turbiny od temeratury rzed turbiną

49 Metody chłodzenia turbin Chłodzenie konwekcyjne (wewnętrzne) Chłodzenie uderzeniowe (wewnętrzne) Chłodzenie błonowe Warstwa orowata Chłodzenie transiracyjne

50 Dysza wylotowa

51 Dysza wylotowa silnika

52 Praca dyszy wylotowej c iz 2 2 c 2 2 C T T T H 5 iz s # Straty ciśnienia w dyszy Strata rędkości w dyszy Przyrost entroii σ 5 dysz = 4 c ϕ = c iz s = s s = R ln 2 σ dysz

53 Warunki racy zbieżnej dyszy wylotowej silnika Jeżeli: T 5 5 o > β = > 5 = β kr 2T5 = k + kr 5 kr o 5 T 5 c. A 5 m 5 5 (rozręż krytyczny w dyszy) H Jeżeli: kr + k = βkr = 2 o kr 5 k k β = Ma o k k 2 5 = k o k T = T + Ma 2 o A5 c5 RT 5 (rozręż zuełny w dyszy) o c5 = Ma5 krt5 = 2cT 5 5 mɺ = k k c = k 2 RT k k + k + 2( k ) k 5 = RT5 mɺ A

54 Praca dyszy wylotowej zbieżnorozbieżnej kr 5 Przekrój krytyczny ckr = a c c=a Limituje wydatek wyływających salin k + k + 2( k ) k 5 = kr kr 2 RTkr mɺ A c Przekrój wylotowy c 5 H > c 5 kr = 2c T σ DYSZ 4 k k

55 Wektorowanie ciągu samolotów wysokomanewrowych Odchylenie strumienia wylotowego salin umożliwia dodatkowe kierowanie wektorem ciągu rzez co zwiększa się manewrowość samolotu Stosowane rozwiązania Dysze łaskie Dysze osiowo-symetryczne Dysze klaowe YF-22 X-3

56 Dysze łaskie Praca normalna -20 o o Zakres sterowania wektorem ciągu Praca z rewersorem

57 Odwracacz ciągu skrócenie lądowania

58 Bilans energii silnika Równanie ędu SIŁA CIĄGU (dla zuełnego rozrężu salin w dyszy wylotowej silnika) Bilans energii silnika: Ciąg silnika: K = mɺ c mv ɺ 5 5 V mɺ c i q e i 2 mɺ H + + do _ t = str _ wewn mɺ mɺ c V q W e q mɺ mɺ al 5 5 do _ t = u = str _ wewn. + + od Strata energii w silniku Zmiana energii kinetycznej Cieło odrowa dzone

59 Silnik odrzutowy niezuełny rozręż salin w dyszy wylotowej Zjawisko wystęuje w: Silnikach zakończonych dyszą zbieżną rzy nadkrytycznym stosunku ciśnień omiędzy całkowitym ciśnieniem salin w rzekroju wylotowym dyszy i ciśnieniem otoczenia Silnikach zakończonych nieregulowaną dyszą zbieżno-rozbieżną w ozaobliczeniowychstanach racy q do_t. m al i H i H H V c A5 WL c c A 5 WL 5.. m m 5 e str_wewn. WL 5H i 5H i H H Ciąg silnika: Srawności silnika: η mɺ c V mɺ H ( ) K = mɺ c mv ɺ = mɺ c mv ɺ + A H c = al u ( τ W ) mɺ c ηk = k jvh m 2 2 H gdzie: c = c + 5H 5 ( ) A 5 5 mɺ H V ɺ ηo = k jvh ( τ alwu ) 5 H

60 Wykres obiegu silnika o niezuełnym rozrężu salin w dyszy wylotowej W silniku o niezuełnym rozrężu salin ciąg silnika jest mniejszy, niż w silniku, gdzie saliny rozrężają się w dyszy wylotowej do ciśnienia otoczenia (rzy tych samych arametrach racy silnika). Wynika to stąd że, większy jest rzyrost rędkości w wyniku rozrężania w dyszy niżeli gdy rozrężanie nastęuje oza dyszą silnika. Efektywność racy silnika o rozrężu zuełnym w stosunku do silnika o rozrężu niezuełnym jest tym większa im większa jest stosunek ciśnienia statycznego w rzekroju wylotowym dyszy i ciśnienia otoczenia. Dlatego w silnikach o dużych srężach stosuje się regulowane dysze zbieżno-rozbieżne, co ma zaobiegać stratom wynikającym z niezuełnego rozrężania w dyszy silnika