ANALIZA OBIEGU TERMODYNAMICZNEGO SILNIKA ODRZUTOWEGO

ANALIZA OBIEGU TERMODYNAMICZNEGO SILNIKA ODRZUTOWEGO Wykład nr

Napęd stosowany we współczesnym lotnictwie cywilnym

Siła ciągu

Zasada działania silnika odrzutowego pb > p 0 Akcja Reakcja F Strumień gazu wypływający z prędkością, zależną od różnicy ciśnień, powoduje oddziaływanie zgodnie z III Zasadą Dynamiki Newtona ɺ masa gazu wypływająca w jednostce czasu m c F prędkość wypływającego gazu = c

Zasada działania silnika odrzutowego c=f(t *,p* /p ) dyszy dyszy_in p p WLOT SPRĘŻARKA DYSZA WYLOTOWA TURBINA KOMORA SPALANIA

Efektywność pracy silnika odrzutowego Prędkość lotu V =0 = dm dt -masowe natęŝenie przepływu powietrza na wlocie do silnika c ηks Ciąg silnika: K = c c Sekundowe zużycie iwa: q dop = = ɺ W η - sprawność cieplna komory sania m i * * ( 3 i ) W η u K S u K S Wu Ciąg jednostkowy silnika: K k = = j c c c - wartość opałowa iwa Jednostkowe zużycie iwa: j = = τ K m = ɺ τ k j - względne zuŝycie iwa

Efektywność pracy silnika odrzutowego Prędkość lotu V =0 >0 = dm dt -masowe natęŝenie przepływu powietrza na wlocie do silnika V c ηks Ciąg silnika: K = c c Sekundowe zużycie iwa: q dop = = ɺ W η - sprawność cieplna komory sania m i * * ( 3 i ) W η u K S u K S Wu ( ) K = c V c V Ciąg jednostkowy silnika: K j c c ɺ c mv ɺ ɺ k j = = c V Jednostkowe zużycie iwa: c - wartość opałowa iwa j = = τ K m = ɺ τ k j - względne zuŝycie iwa

Obieg Braytona p Q d T George Brayton(1830-189) Praca obiegu: L = Q Q ob dop odp ciśnienie 3 3 Q d s=idem s=idem 4 temperatura p=idem p=idem Q 1 1 Q Q od od objętość V PALIWO 4 entropia S Sprawność obiegu: L Q ob ηob = = 1 Q Q P dop odp dop SPRĘśARKA KOMORA SPALANIA TURBINA i DYSZA Silnik zbudowany przez George a Brayton a(187) 1 3 4

Charakterystyka obiegu Braytona Stopień podgrzania strumienia: = T T 3 1 Praca właściwa obiegu Braytona: Spręż: π = 1 1 k k lob = qdop qodp = cpt 1 1 π k 1 k π Sprawność obiegu Braytona: η ob gdzie: c p lob 1 = = 1 qdop π k 1 k - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu k - wykładnik izentropy p p 1 p p1 PRACA OBIEGU BRAYTONA zależy od sprężu i stopnia podgrzania strumienia SPRAWNOŚĆ OBIEGU zależy tylko od sprężu i jest tym bliższa jedności im większy jest spręż obiegu

Charakterystyka obiegu Braytona l ob η ob η ob(max) =idem l ob(max) π opt. π max =π opt. π k 1 l ob k = 0 cpt 1 π 1 = 0 π c = idiem π opt = k 1 ( k )

Charakterystyka obiegu Braytonadla różnych stopni podgrzania strumienia lob ηob lob max min πek( min) π ek( max) π Stopień podgrzania Spręż optymalny Spręż maksymalny 4 11,3 18 16,7 79, 6 3 9

Silnik turbinowy a obieg Braytona Prędkość lotu V =0 3* q dop 4*=* l* T ~=l* S 3 4 * c c T 1 l* S =1* p q odp ROZPRĘŻANIE KOMORA WLOT SPRĘŻARKA OBIEG TURBINA DO W DYSZY SPALANIA SILNIKA WYLOTOWEJ

Obieg silnika poruszającego się z prędkością V względem otoczenia V =0 >0 3* 3* q dop l* S V q dop * * 1* p* p* 1 4* l* T c 4* l* T ~=l* S c l* S p q odp q odp p p p π π π * * * 1 * c = = = * DYN s p p p1 π DYN = f ( V ) -spręż dynamiczny we wlocie silnika Praca obiegu turbinowego silnika odrzutowego: dla V=0 dla V>0 l = q q = c ob dop odp l = q q = c V ob dop odp

Parametry obiegu, a efektywność pracy silnika Dla prędkości V =0 Dla prędkości V >0 l ob η ob c 1 k j c c = = = A τ W c Wu c c V 1 l = = k c + V = Bk c V c + V 1 ηob = = = C τ W c Wu c = = ( ) 1 u j j ob j j u j j Ciąg jednostkowy jest proporcjonalny do zmian pracy obiegu. Jednostkowe zuŝycie iwa jest odwrotnie proporcjonalne do zmian sprawności obiegu.

Obieg silnika z uwzględnieniem strat i 3 * qdop p * * p π c = = idem p * * = T3 i3 idem T i = l * s v p i ( c ) < ( c ) ideal ( qodp ) > ( qodp ) ideal ( l ) < ( l ) ( η ) < ( η ) ob ob ideal ob ob ideal ( k j ) < ( k j ) ( c j ) > ( c j ) ideal ideal

Charakterystyka obiegu silnika ze stratami = idem silnik idea stratami silnik ze dealny π opt. π max η η S _ pol R _ pol = 0,89 = 0,9 ( ) π = η η * opt S _ pol R _ pol k 1 k Stopień podgrzania Spręż optymalny silnik idealny Spręż optymalny silnik ze stratami 4 11,3 7, 16,7 11,1 6 3 1,3

Sprawność i jednostkowe zużycie iwa silnika ze stratami = idem c j η ob(max) η ob(max) Silnik idealny Silnik ze strata stratami Stopień podgrzania Spręż ekonomiczny silnik ze stratami π opt. Spręż optymalny silnik ze stratami 4 38 7, 6 11,1 6 11 1,3 π =π max opt.

Wpływ stopnia podgrzania na wartości sprężu optymalnego i ekonomicznego cj kj kj_max k j( 3) cj( 1) k j( ) c j( ) k j( 1) 1< < 3 cj_min πopt( 1) πek( 1) πopt( 3) πekt( 3) c( j 3) Ze wzrostem stopnia podgrzania silnika: wzrasta ciąg maksymalny silnika, który jest osiągany przy większych wartościach sprężu optymalnego obniża się wartość minimalnego jednostkowego zużycia iwa, które jest osiągane przy większych wartościach sprężu ekonomicznego rozszerza się zakres spręży, przy których praca obiegu jest dodatnia. zwiększa się rozbieżność pomiędzy wartościami sprężu optymalnego i ekonomicznego Charakterystyka ta tłumaczy dlaczego dąży się do podnoszenia maksymalnej temperatury obiegu silnika turbinowego oraz dlaczego musi towarzyszyć temu wzrost sprężu silnika

Zmiana parametrów roboczych silników lotniczych V 00 do samolotu Airbus A30 max prędkość Ma=0,8 T* 3 [K] 1700 100 1300 PW118 PW037 M8 RB199-3 F110 V00 CF6-0A F404 M88 PW110 F100 JT10D RB11-600 M3-R TF30-100 RB11-6CFM6- TF39 M3- TF41 TF34 Abur8 RB11-18 Olimp93 JT18D J97-100 RB11 JT9D-3 JT9-19 J RB163 J79-1 J73 JT4AJ73D1 J33-3 1100 190 1960 1970 1980 rok π s * 30 0 1 10 JT4A J73 J33-3 F110 JT10D V00 CF6-0A PW037 RB11-600 RB11-6 CFM6- PW110 TF39 M88 F404 F401 F100 RB199-3 TF30-100 JT9D-3 TF34 TF30-1 RB163 JT9-19 Olimp93 Mars4A J97-100 J J79-1 RB146R J73D1 190 1960 1970 1980 rok M 88 do samolotu Desaault Rafale max prędkość Ma=

Wpływ prędkości lotu na charakterystykę obiegu silnika 3* i 3* 3* i V V π = const ր π ր l ց π ց * * dyn s S ց π ց l ր π ր * * dyn s S i 3 * η ob l ob l ob(max) η ob(max) l t * Punkt pracy =idem V q dop =const l * sqdop l * s 1* 1* * * * 1* 4* i 4* 4* l * t c c =const qodp s π π π ek opt. π = π π * * S dyn π

Silniki do obiektów latających z dużymi naddźwiękowymi prędkościami WLOT SILNIKA NADDŹWIĘKOWEGO Ma<1 i * 3 3* =4* Prędkość lotu Ma Spręż dynamiczny (idealny) 1 1,89 1, 3,67 7,8, 17,09 3 36,73 qdop 1* =* c SILNIK STRUMIENIOWY Wtryskiwacz Komora sania V i qodp Wlot Dysza wylotowa