Analiza konstrukcji i cyklu pracy silnika turbinowego. Dr inż. Robert Jakubowski

Transkrypt

1 Analiza konstrukcji i cyklu racy silnika turbinowego Dr inż. Robert Jakubowski

2 CO TO JEST CIĄG? Równanie ciągu: K m(c V) 5

3 Jak silnik wytwarza ciąg? Silnik śmigłowy silnik odrzutowy Silnik służy do wytworzenia mocy do naędu śmigła, które wytwarza ciąg owodując nieznaczny rzyrost rędkości dużej ilości strumienia owietrza Silnik służy do bezośredniego wytworzenia ciągu orzez znaczące zwiększenie rędkości salin wyływających z silnika 3

4 Silnik turbinowy jednorzeływowy RD 10

5 Silniki SO-3/schemat konstrukcyjny

6 Odrzutowy silnik jednorzeływowy 1. wlot,. srężarka niskiego ciśnienia, 3. srężarka wysokiego ciśnienia, 4. komora salania, 5. zesół turbin i dysza wylotowa, 6. część gorąca silnika, 7. turbina silnika, 8 dyfuzor wlotowy do komory salania, 9. część zimna silnika, 10. strumień owietrza na wlocie do silnika

7 Schematyczne rzedstawienie silnika wl 1 1a 3 3a 4 5 SPRĘŻARKA NC TURBINA WC SPRĘŻARKA WC TURBINA NC

8 Jednorzeływowy silnik odrzutowy c=f(t dyszy, dyszy_in/ ) WLOT SPRĘŻARKA DYSZA WYLOTOWA TURBINA KOMORA SPALANIA 8

9 Analiza arametrów termodynamicznych obiegu silnika jednorzeływowego PARAMETRY UZYTKOWE SILNIKA m al wl cv c 5 CIAG SILNIKA V rędkość lotu K m c mv m (1 ) c V gdzie: V Ma krt 5 5 al 5 CIAG JEDNOSTKOWY k (1 ) c V j al 5 ZUŻYCIE PALIWA m c al j m K al al m JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA k al j

10 Parametry charakteryzujące racę silnika Energetyczne Srawność cielna: c lob m 5 c m 5 V al Wu qdo m m Srawność naędowa: Srawność ogólna: k jv m c V k k jv lob m 5 5 k jv m al o k jv Wu qdo m m m c V q W e q m m al 5 5 do _ t u str _ wewn. odr

11 Obieg silnika turbinowego odrzutowego (obieg orównawczy Braytona)

12 Obliczenia i analiza silnika odrzutowego silnik idealny Procesy wewnętrzne są oisane rzemianami odwracalnymi, Model gazu jest oisany równaniami gazu doskonałego: c, c, k idem v Równanie Claeyrona v RT k c c v R c c R [J/(kgK)] indywidualna stała gazowa zależy od składu gazu Dla owietrza R=87 [J/(kgK)], c =1005 [J/(kgK)], c v =718 [J/(kgK)], k=1,4 v

13 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V = T 1 =1 WLOT DO SILNIKA Ciśnienie i temeratura całkowita na wejściu do wlotu jest równa ciśnieniu i temeraturze owietrza w otoczeniu. Wlot w silniku idealnym traktuje się jako urządzenie izentalowe i bez strat ciśnienia, stąd w rzekroju nr 1 (za wentylatorem) arametry strumienia są takie jak w otoczeniu.

14 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V = T 1 l S =1 SPRĘŻARKA Srężanie w srężarce idealnej traktuje się jako roces izentroowy, stąd omiędzy zmianami temeratury ciśnienia i gęstości dla rocesu srężania słuszne są zależności oisane równaniami izentroy. Pracę srężania ls wyznacza się jako różnicę entalii.

15 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V =0 3 q do T 1 l S =1 KOMORA SPALANIA Salanie w silniku idealnym utożsamiane jest z rocesem izobarycznego dorowadzenia cieła. Ilość cieła dorowadzonego do strumienia gazu w tym rocesie wyznaczana jest jako iloczyn względnego zużycia aliwa i jego wartości oałowej i jest równa zmianie entalii w komorze salania.

16 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V =0 3 q do 4=5 l T ~=l S T 1 l S =1 TURBINA W turbinie idealnej roces rozrężania traktowany jest jako rzemiana izentroowa. Praca turbiny, która jest różnicą entalii na wejściu i wyjściu musi równoważyć racę srężarki stąd zais l T =l S

17 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V =0 3 q do 4=5 l T ~=l S c 5 T 1 l S =1 ROZPRĘŻANIE W DYSZY WYLOTOWEJ Rozrężanie w dyszy wylotowej silnika zachodzi w skutek różnicy ciśnienia całkowitego na wejściu do dyszy i anującego w otoczeniu. Kosztem zamiany rodzaju energii w dyszy nastęuje rzyrost rędkości kosztem energii statycznej. Proces ten w silniku idealny m jest oisany równaniami izentroy

18 Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V =0 3 q do 4=5 l T ~=l S c 5 T 1 l S =1 q od ODPROWADZENIE ROZPRĘŻANIE WLOT KOMORA SPRĘŻARKA DO TURBINA W SILNIKA CIEPŁA SPALANIA DYSZY Z WYLOTOWEJ SILNIKA ZE SPALINAMI

19 Charakterystyka obiegu Braytona Stoień odgrzania: T T 3 1 Sręż całkowity: Praca właściwa obiegu Braytona: 1 1 k k lob qdo qod ct 1 1 k 1 k Srawność obiegu Braytona: ob l q ob do 1 1 k 1 k 1 c c i 1 PRACA OBIEGU BRAYTONA zależy od srężu i stonia odgrzania obiegu SPRAWNOŚĆ OBIEGU zależy tylko od srężu i jest tym bliższa jedności im większy jest sręż obiegu

20 Parametry obiegu, a efektywność racy silnika odrzutowego Dla rędkości V =0 Dla rędkości V >0 l ob ob c5 1 k j c5 c5 1 A W c Wu c al u j j c V 1 l k c V Bk c5 V c5 V 1 ob C W c Wu c 5 ob j 5 j al u j j Ciąg jednostkowy zależy odobnie jak raca obiegu od arametrów racy silnika. Jednostkowe zużycie aliwa zmienia się odwrotnie niż srawność obiegu od arametrów racy silnika.

21 Charakterystyka obiegu Braytona i silnika odrzutowego l ob h ob h l ob(max) ob(max) ot. Ciąg jednostkowy max ot. Jednostk. zużycie aliwa Maksymalna raca obiegu k 1 l ob k 0 ct c idiem ot k k 1

22 Otymalizacja obiegu Braytona h OB l ob D < D < D < D Linia m aksymalnej racy obie gu 3 4 Stoień odgrzania Sręż otymalny Sręż maksymalny 4 11, ,7 79, c

23 Przykładowe obliczenia obiegu Braytona Ph [Pa] Th [K] T3 [K] D , ,1 18 q do l T c , ,1 386 l ob [kj/kg] h ob kj [Ns/kg] Cj [kg/danh] q od 385 0, l S i 475 0, , , , ,81 0 0

24 Obieg silnika z uwzględnieniem strat i 3 qdo qdo l t c5 l t c5 c const T3 i3 const T i l s l v s i qod qod s wl s s s do_ s KS s s t d c c 5 5 ideal qod qod ideal l l ob ob ideal ob ob ideal k j k j c j c j ideal ideal

25 Charakterystyka obiegu silnika ze stratami idem silnik idealny silnik ze stratami ot. max S _ ol R _ ol 0,89 0,9 ot S _ ol R _ ol k 1 k Stoień odgrzania Sręż otymalny silnik idealny Sręż otymalny silnik ze stratami 4 11,3 7,5 5 16,7 11, ,3 5

26 Srawność i jednostkowe zużycie aliwa silnika ze stratami idem c j h h ob(max) ob(max) Silnik idealny Silnik ze stratami Stoień odgrzania Sręż ekonomiczny silnik ze stratami ot. Sręż otymalny silnik ze stratami , , ,3 max ot.

27 Wływ stonia odgrzania na wartości srężu otymalnego i ekonomicznego cj kj k j( ) k j( ) k j( 1) cj( 1) c j( ) 13 cj_min ot( 1 ek( 1 ot( 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 ekt( 3

28 Zależność omiędzy ciągiem jednostkowym i jednostkowym zużyciem aliwa

29 Zmiana arametrów roboczych silników lotniczych V 500 do samolotu Airbus A30 max rędkość Ma=0,85 T 3 [K] PW118 PW037 M85 RB199-3 F110 V500 CF6-50A F404 M88 PW110 F100JT10D RB M53-R TF RB11-56CFM56- TF39 M53- TF41 TF34 Abur58 RB11-18 Olim593 JT18D J RB11 JT9D-3 JT9-19 J5 RB163 J79-15 J73 JT4AJ73D1 J rok s JT4A J73 J33-35 F110 JT10D V500 CF6-50A PW037 RB RB11-56 CFM56- PW110 TF39 M88 F404 RB199-3 F401 F100 TF JT9D-3 TF34 TF30-1 RB163 JT9-19 Olim593 Mars45A J J5 J79-15 RB146R J73D rok M 88 do samolotu Desaault Rafale max rędkość Ma=

30 Wływ rędkości lotu na charakterystykę obiegu silnika i l sqdo V V q do =const const l dynv s S dyn ls S i l h l h ob l ob ob(max) ob(max) l t t Punkt racy ot. idem ek V l s i c5 c 5 =const qod s S dyn

31 Silniki do obiektów latających z dużymi naddźwiękowymi rędkościami WLOT SILNIKA NADDŹWIĘKOWEGO Ma<1 i 3 3 =4 Prędkość lotu Ma Sręż dynamiczny (idealny) 1 1,89 1,5 3,67 7,8,5 17, ,73 qdo 1 = c 5 SILNIK STRUMIENIOWY Wtryskiwacz Komora salania 5 V i qod Wlot Dysza wylotowa 31

32 Silnik ekonomiczny - do samolotów komunikacyjnych const c j ob q od h l ob h ob ob(max) Silnik o dużym srężu srężarki. Mały ciąg jednostkowy silnika musi komensować duża ilość rzeływającego owietrza, w celu osiągnięcia odowiedniej siły ciągu ek m m II CIĄG SILNIKA I - stoień dwurzeływowości K K K kan _ w kan _ z m c m c m V kan _ w 5 kan _ z 5 '. m I WENTYLATOR

33 Obniżanie zużycia aliwa rzez zastosowanie silnika dwurzeływowego wl 1 1a 5 V m wentylator zewnętrzna dysza wylotowa m II m I srężarka C5 m 3 3a 4 5 komora salania 5 TWC TNC wewnętrzna dysza wylotowa C5 m 5 ob q 1 q od _ II od _1 do Ze wzrostem stonia dwurzeływowości m rośnie srawność obiegu silnika, bowiem cieło odrowadzane rzez strumień owietrza wyływający z kanału zewnętrznego jest stosunkowo małe. Niekorzystnym zjawiskiem w tego tyu silnikach jest obniżanie ciągu jednostkowego dla silników o większym stoniu dwurzeływowości. q i qdo l s l w v 1a 1a 1 5 c 5 q od_ii 3 3a 4 3 3a lt_wc l t_nc c 5 5 q od_i =( 1+m)l w s 33

34 Wływ stonia dwurzeływowości na osiągi silnika Porównanie arametrów jednostkowych w funkcji rędkości lotu silnika o takim samym ciągu startowym dla różnych wartości stonia dwurzeływowości K cj 1 Ma 1 Ma

35 Chwilowe zwiększenie ciągu silnika rzez włączenie doalacza PRACA SILNIKA Z WYŁĄCZONYM WŁĄCZONYM DOPALACZEM K m c mv 5 5 i 3 q do_d D c 5 D c c T k 1 k q do_ks 5 4 l T 5 c 5D DOPALACZ q od D c T 5_ D D c5 T4 K K T z _ doal D bez _ doal T4, gdy V 0 l S 1 q od s q q q q do doks dod odd q od c c ob _ D ob jd j 35

36 Porównanie osiągów silnika odczas racy z włączonym i wyłączonym doalaczem Silnik K [kn] K [kn] c j [kg/(danh)] c j [kg/(danh)] (bez doalacza) (z doalaczem) (bez doalacza) (z doalaczem) J85-GE-13 1,16 18,14 1,05,64 J76-GE-19 5,8 79,6 0,857,004 GE4/J5P 9,08 305,15 1,060 1,897 J58-P-4 110,8 151,0 0,816 1,937 Olymus 01R 75,5 106,9 0,816 1,835 Olymus ,714 1,08 Włączenie doalacza ozwala na zwiększenie ciągu silnika o ok % rzy onad -u krotnym wzroście jednostkowego zużycia aliwa

37 Porównanie osiągów silnika racującego z włączonym i wyłączonym doalaczem M Z SILNIK PAL O A Z DO SILNIK BE P E D CZ ALACZA

38 Analiza wymagań konstrukcyjnych silnika w zależności od warunków racy S m Ma 38

39 Koncecja silnika o zmiennym obiegu termodynamicznym Silnik GE-3 Nastawy silnika dla racy w warunkach lotu z rędkością oddźwiękową Nastawy silnika dla racy w warunkach lotu z rędkością naddźwiękową 39

40 Silnik samolotu SR 71 Black Bird Prędkość maksymalna 3 Ma Naęd dwa silniki strumieniowo-odrzutowe JT11D-0B o ciągu 148 kn

41 K[kN] Obszary zastosowań silników i samolotów Ma

42