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 Procesy wewnętrzne w silniku

4 Obieg silnika z uwzględnieniem strat i 3 π c = = idem H qdo = T3 i3 idem T i = H H l s v H i H

5 WLOT Literatura: [] Dzierżanowski P. i in., Turbinowe silniki odrzutowe, WKŁ 983 [rozd. ] [] Gajewski, Lesikiewicz, Szymanik, Przeływowe silniki odrzutowe, WNT 973 [3] Mattingly J.D., Elementrs of Proulsions, Gas Turbines and Rockets

6 i H Zagadnienie oracowano na odstawie [] Wlot -raca w warunkach statycznych DLA PRĘDKOŚCI LOTU 0 H=H # s c # 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

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

8 Praca wlotu rzy dużej rędkości WLOT SILNIKA NADDŹWIĘKOWEGO naddźwiękowej Ma< Sręż dynamiczny idealny π dyn H = = + H k Ma k k Przyrost ciśnienia we wlocie = σ π = σ σ π H WL dyn KAN _ WL fal dyn Prędkość lotu Ma Sręż dynamiczny (idealny),89,5 3,67 7,8,5 7, ,73

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

10 Podział wlotów ze względu na rędkość rzelotową silników WLOTY PODDŹWIĘKOWE

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

12 Parametry charakteryzujące racę wlotu Wsółczynnik siły ooru dodatkowego wlotu: C X wl _ d X _ wl _ d = ρh AwlV H A wl ( ) X = da wl _ d H A H Siła oorów tarcia gondoli: X T Ciąg efektywny: K = K X X e wl _ d T X = X wl _ d > 0 wl _ d 0 Stoień rzewężenia strumienia we wlocie: φ = A A wl _ d wl H φ C = 0 wl _ d X _ wl _ d φ > C > 0 wl _ d X _ wl _ d Sręż dynamiczny wlotu: π = wl _ dyn H

13 SPRĘŻARKA

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

15 Zmiany ciśnienia i rędkości w sręŝarce osiowej Łoatki wirnika Łoatki statora

16 Srężarka osiowa I IW Ist C U C C U W W -szy stoień srężarki U C U N-ty stoień srężarki Praca stonia srężarki: CHARAKTERYSTYKA PRACY STOPNIA SPRĘŻARKI i l st_iz,04" st iz sręŝanie w dyfuzorze W wirniku sręŝanie w w w stoniu sręŝanie w st,9" st l wir =l st Srawność stonia srężarki: s lst = c ( ) T3 T = U ( C C ) U U η s l i i = = l i i st _ iz st _ iz st st

17 Przeływ rzez srężarkę osiową

18 Srężarka osiowa CHARAKTERYSTYKA PRACY SPRĘŻARKI l s l st_iz,89" iz Politroa sręŝania w sręŝarce sręŝanie w n tym stoniu sręŝanie w szym stoniu -szy stoień srężarki Praca srężarki: n s = st = 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 _ iz ls i 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

19 Procesy termo-gazodynamiczne w srężarce s # i iz Przyrost entalii w srężarce: i = i + l s Srawność srężarki: l s_iz,0 04" di +d di iz,9" l s s izentroowa olitroowa Zależność zmiany temeratury od srężu srężarki: T π = T + η k k s s _ iz T k k η = T π s s _ ol l i i η = = s η s _ iz _ iz l s i i k dh ln iz s _ ol = = ( k ) ( ) dh ln T T Zależność srawności izentroowej srężania od srężu dla stałej srawności olitroowej

20 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

21 Przeływ rzez srężarkę odśrodkową

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

23 Charakterystyka srężarki

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

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

26 Komora salania [] Dzierżanowski P. i in., Turbinowe silniki odrzutowe, WKŁ 983 [rozd. 3] [] Gajewski, Lesikiewicz, Szymanik, Przeływowe silniki odrzutowe, WNT 973 [3] GierasM. Komory salania silników turbinowych, organizacja rocesu salania, Oficyna wydawnicza PW, Warszawa 00 [4] MattinglyJ.D., Elementrsof Proulsions, Gas Turbinesand Rockets, AIAA Education Series

27 Wyhamowanie strumienia dyfuzory wlotowe

28 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 ln ln T σ KS

29 Przykładowa charakterystyka strat ciśnienia w KS sowodowanych rocesem salania

30 Procesy termodynamiczne w komorze salania mɺ al Bilans komory salania (( ) ) ( ) 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 ( ) c T T KS KS KS = = = QKS _ t qks _ t Wuτ al Q do_t ɺ, mɺ + mɺ al, T 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

31 rednie

32 Organizacja rocesu salania Strefa ierwot na KS Strefa schładzania salin Paliwo zaotrzebowanie owietrza 8 Ot = C + H O 3 kgo kgal 8 [ ] Paliwo nafta lotnicza udziały masowe C = 0,86, H = 0,4 O t L t 8 kgo ,4 3, 43 [ ] = + = 3 kgal Ot kg ow = = 4,7 [ ] 0, 3 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

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

34 TURBINA

35 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

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

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

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

39 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

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

41 Dysza wylotowa

42 Praca dyszy wylotowej c iz c 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 σ dysz

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

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

45 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 mɺ 5 5 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

46 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 5 5H ( ) K = mɺ c mv ɺ = mɺ c mv ɺ + A 5 5H c = al u ( τ W ) mɺ c ηk = k jvh m H gdzie: c = c + 5H 5 ( ) A 5 5 mɺ 5 5H V ɺ ηo = k jvh ( τ alwu ) 5 H

47 DANE T,, Ma, π, T, mɺ H H H s 3 Analiza arametrów termodynamicznych obiegu silnika jednorzeływowego model silnika Srawności oraz straty rzeływowe zesołów silnika W analizie rzyjęto model gazu doskonałego H wl WLOT: k T = T = T + Ma H H H k = σ = σ + Ma wl H wl H H k k SPRĘśARKA T = π s k π k s = T + ηs lub T k k η = T π s s _ ol

48 τ KOMORA SPALANIA mɺ TURBINA Analiza arametrów termodynamicznych obiegu silnika jednorzeływowego c.d. (na odstawie bilansu komory salania) ( ) ( ) c T T c T T al _ s 3 _ s 3 al = = mɺ ξkswu c _ st3 ξkswu (na odstawie bilansu mocy turbina-srężarka) T 4 3 ( ) ' ( + τ ) c T T = T η c m al T 4 ηt + T3 4 = 3 ηt = σ 3 KS k ' k ' lub T = T3 k ' k ' η T _ ol ( )

49 Analiza arametrów termodynamicznych obiegu silnika jednorzeływowego c.d. DYSZA WYLOTOWA (rzy załoŝeniu rozręŝu zuełnego) T = T 5 = H 5 4 Ma = σ 5 dysz 4 5 k ' ' k 5 = k 5 k ' T = T + Ma c = Ma k ' RT lub ( ) ' k ' T = T k k 5_ iz Ma 5_ iz k ' ' k 4 = k 5 c = Ma k ' RT 5_ iz 5_ iz 5_ iz c T = φ c 5 dysz 5_ iz c = T c ' 5 5 5

50 Analiza silnika jednorzeływowego Dane wstęne Parametry otoczenia Temeratura douszczalna (maksymalna) gazów rzed turbiną Zakładany ciąg silnika

51 Dobór odstawowych arametrów racy silnika Otymalizacja arametrów obiegu termodynamicznego silnika jednorzeływowego Polega ona na oszukiwaniu maksimum racy obiegu (ciągu, ciągu jednostkowego) i minimum jednostkowego zużycia aliwa w zależności od arametrów termodynamicznych silnika. ( π ) ( π ) ( π ) l, T, K, T, k, T lub OB _ max c 3 max c 3 j _ max c 3 c ( π c T ) j _ min 3 dk j dπ dk dt dc, lub c j 3 j dπ dc dt c j 3 3 T c = idem π = idem 3 T c = idem π = idem = 0 = 0 = 0 = 0 Wartość arametru, rzy której ciąg (ciągjednostkowy) osiąga maksymalną wartość określa się mianem otymalny n. sręż otymalny Wartość arametru, rzy której jednostkowe zużycie aliwa osiąga wartość minimalną określa się mianem ekonomiczny n. sręż ekonomiczny

52 Dobór srężu silnika Dla zadanej maksymalnej temeratury gazów rzed turbiną wykonuje się obliczenia ciągu jednostkowego i jednostkowego zużycia aliwa dla różnych wartości srężu srężarki H T 3 π S k j c j

53 Wyznaczenie charakterystyki k j, c j dla różnych wartości srężu π S kj [Ns/kg] cj [kg/n/s] π S kj [Ns/kg] cj [kg/n/s] 65,0 5,83E ,8,5E ,0 4,03E ,9,48E ,5 3,54E ,8,46E ,9 3,9E ,6,44E ,7 3,3E ,,4E ,9 3,0E ,7,40E ,9,9E ,,38E ,7,84E ,4,36E ,3,78E ,6,35E ,3,7E ,8,33E ,3,68E ,0,3E ,4,64E ,,3E ,9,60E ,,30E ,9,57E ,,8E ,5,54E ,,7E-05 Temeratura gazów rzed turbiną - 600K Temeratura otoczenia -88 K, ciśnienie 0 5 Pa Stoień odgrzania 5,55

54 Graficzne zobrazowanie zależności Cią ąg jednostkowy [Ns/kg] x π s _ ot _ siln _ id π S_ot =4 Sręż srężarki k,4 k 600 0,4 s T = = = 0, TH 88 Jednostkowe zużycie aliwa [kg/n/s] Sręż srężarki

55 Wływ stonia odgrzania na wartości srężu otymalnego i ekonomicznego cj kj k j( ) k j( ) k j( ) cj( ) c j( ) < < 3 cj_min πot( ) πek( ) πot( 3) πekt( 3) c( j 3) Ze wzrostem stonia odgrzania silnika: wzrasta ciąg maksymalny silnika, który jest osiągany rzy większych wartościach srężu otymalnego obniża się wartość minimalnego jednostkowego zużycia aliwa, które jest osiągane rzy większych wartościach srężu ekonomicznego rozszerza się zakres sręży, rzy których raca obiegu jest dodatnia. zwiększa się rozbieżność omiędzy wartościami srężu otymalnego i ekonomicznego Charakterystyka ta tłumaczy dlaczego dąży się do odnoszenia maksymalnej temeratury obiegu silnika turbinowego oraz dlaczego musi towarzyszyć temu wzrost srężu silnika π

56 Ciąg jednostkowy [Ns/kg] Sręż srężarki x 0-5 Stoień odgrzania 4,9 Stoień odgrzania 5,5 Stoień odgrzania 5,9 Jednostkowe zużycie aliwa [kg/n/s] Sręż srężarki

57 Zależność omiędzy ciągiem jednostkowym i jednostkowym zużyciem aliwa Temeraturę otoczenia rzyjęto 88 K

58 Wymiarowanie silnika Wyznaczanie strumienia masy owietrza rzeływającej rzez silnik mɺ = K k j Przykładowe wyniki dla K=00 kn

59 Ocena średnicy wlotowej silnika D m m ɺ = ρ ca A = ɺ ρc Przyjmując c=00 m/s i gęstość owietrza, kg/m^3 W A A rz rz = 0, D Z = A 0,97 = π ( D ) ( D ) Z Dw=0, Dz 4 W

60 Ocena wymiarów osiowych i masowych silnika Ocena taka jest możliwa do wykonania z wykorzystaniem danych statystycznych silników na odstawie których można oracować korelacje omiędzy masą i wymiarami oszczególnych zesołów, a odstawowymi arametrami silnika.