ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ ΑΝΕΣΤΗΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ ΑΝΕΣΤΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΟΥ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ GE-90-85B ΣΕ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΚΑΥΣΙΜΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Β. ΧΑΤΖΗΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2004

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ ΑΝΕΣΤΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΟΥ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ GE-90-85B ΣΕ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΚΑΥΣΙΜΑ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

3 ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ακαδηµαϊκό Έτος ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΗΣ ΑΝΕΣΤΗΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΤΟΥ ΑΕΡΟΠΟΡΙΚΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ GE-90-85B ΣΕ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΟΥ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΚΑΥΣΗ ΚΑΙ ΚΑΥΣΙΜΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: B. ΧΑΤΖΗΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2004

4 Λίστα Περιεχοµένων ΛΙΣΤΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ AΓΓΛΙΚΗ ΟΡΟΛΟΓΙΑ..V ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΥΜΒΟΛΩΝ...VII ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ..IX ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ 1.1. ΓΕΝΙΚΑ TURBOJET ΚΑΙ TURBOFAN ΥΟ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΦΙΛΟΣΟΦΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Τurbojet: Η Κλασική Μέθοδος Η Έλευση των Turbofan Oι Μεταλλουργικές Λύσεις Μονοκρύσταλλοι Μετακαυστήρες Θόρυβος ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΑΛΛΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ...12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ HIGH BYPASS TURBOFAN ΜΗΧΑΝΩΝ ΜΕΛΕΤΗ Της GE 90 85B 2.1. ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΜΗΧΑΝΗ TURBOFAN H EΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ TURBOMATCH ΣΤΗΝ GE 90 85B H ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΤΗΣ GE 90 85B Συµπεριφορά της GE 90 85B στις συνθήκες σχεδιασµού Συµπεριφορά της GE 90 85B σε συνθήκες διαφορετικές του σηµείου σχεδιασµού (off design)...26 KEΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΕΝΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΕΡΟΠΛΑΝΟΥ ΣΕ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΕΚ ΟΣΕΙΣ ΤΩΝ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΤΗΣ GE 90 85B 3.1. EIΣΑΓΩΓΗ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΑDs ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΑDs ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΟΠΟΙΗΣΗΣ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ Α ΙΑΣΤΑΤΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΩΝ ΚΛΙΜΑΚΑΣ A. Aναστασιάδης -I-

5 Λίστα Περιεχοµένων 3.6. ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΣ GE 90 85B MONTEΛΟ Ι. ύο Άξονες µε Ελεύθερο Στρόβιλο Ισχύος ΜΟΝΤΕΛΟ ΙΙ. ύο Άξονες µε Στρόβιλο Ισχύος πάνω στον Άξονα Χαµηλής Πίεσης ΜΟΝΤΕΛΟ ΙΙΙ. Ένας Άξονας µε Ελεύθερο Στρόβιλο Ισχύος ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ Ι ΚΑΙ ΙΙ.. 49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΟΙ ΚΥΚΛΟΙ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΙΙ 4.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΠΛΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Ή ΚΥΚΛΟΣ BRAYTON (SIMPLE CYCLE) KYΚΛΟΣ ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (HEAT EXHANGE CYCLE) ΚΥΚΛΟΣ ΜΕ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗ ΨΥΞΗ (ΑΕRΟ-DERIVATIVE INTERCOOLED CYCLE ICAD) KYΚΛΟΣ ΜΕ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗ ΨΥΞΗ (AERO-DERIVATIVE INTERCOOLED AND RECUPERATED CYCLE) ΚΥΚΛΟΣ ΜΕ ΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ (REHEAT AERO-DERIVATIVE CYCLE) ΚΥΚΛΟΣ ΜΕ ΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (REHEAT AND RECUPERATED AERO-DERIVATIVE CYCLE) ΚΥΚΛΟΣ ΜΕ ΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗ ΨΥΞΗ (REHEAT AND INTERCOOLED AERO-DERIVATIVE CYCLE) KYKΛΟΣ ΜΕ ΑΝΑΘΕΡΜΑΝΣΗ, ΕΝ ΙΑΜΕΣΗ ΨΥΞΗ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (REHEAT, INTERCOOLED AND RECUPERATED AERO-DERIVATIVE CYCLE) ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΤΩΝ ΙΑΦΟΡΩΝ ΚΥΚΛΩΝ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΒΕΛΤΙΩΣΕΙΣ Βελτιωµένες Μέθοδοι Ψύξης Χύτευσης. Βελτιωµένα Υλικά Ενεργειακές Κυψέλες (Fuel Cells) Σπειροειδής Εναλλάκτης Θερµότητας (Spiral Recuperated) Bελτιώσεις στην Απόδοση.87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΤΑΘΜΟΙ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (COMBINED CYCLE STATION, CCS) 5.1. EIΣΑΓΩΓΗ Ο ΚΥΚΛΟΣ RANKINE Πραγµατικά Κύκλα Ατµού και Βελτίωση του Βαθµού Απόδοσης σε Κύκλο Rankine ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΣΥΝΙΣΤΩΝΤΑ ΜΕΡΗ ΕΝΟΣ ΣΤΑΘΜΟΥ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ II- A. Aναστασιάδης

6 Λίστα Περιεχοµένων Κύρια Συνιστώντα Μέρη ενός Συνδυασµένου Κύκλου Ισχύος Συµπληρωµατική Καύση στον Συνδυασµένο Κύκλο ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΣΕ ΣΤΑΘΜΟ ΙΣΧΥΟΣ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΑΛΛΟΙ ΣΥΝ ΥΑΣΜΟΙ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΑΕΡΙΟΥ ΑΤΜΟΥ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΥ ( ) ΗΛΕΚΤΡΟΓΕΝΝΗΤΡΙΑ.108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΘΑΛΑΜΟΙ ΚΑΥΣΗΣ ΚΑΙ Η ΚΑΥΣΗ ΣΤΟΥΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ 6.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΠΙ ΟΣΕΩΣ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΟΙ ΟΠΟΙΕΣ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΤΩΝ ΘΑΛΑΜΩΝ ΚΑΥΣΗΣ ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΤΩΝ ΘΑΛΑΜΩΝ ΚΑΥΣΗΣ ΤΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΤΩΝ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΓΧΥΣΕΩΣ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ ΕΠΙ ΟΣΗ ΤΟΥ ΘΑΛΑΜΟΥ ΚΑΥΣΗΣ Η ΜΟΛΥΝΣΗ ΤΟΥ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥΣ ΠΡΟΚΑΤΑΡΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΕΝΟΣ ΘΑΛΑΜΟΥ ΚΑΥΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ ΚΑΙ Η ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ 7.1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΑ ΚΑΥΣΙΜΑ Στερεά Καύσιµα (Solid Fuels) Υγρά Καύσιµα (Liquid Fuels) Αέρια Καύσιµα (Gaseous Fuels) Φυσικό Αέριο (Natural Gas) KAYΣH ΣΤΕΡΕΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΕ ΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟ ΚΥΚΛΟ Εστίες Ρευστοποιηµένης Κλίνης (Fluidised Bed Combustion) ΚΑΥΣΤΗΡΕΣ ΥΓΡΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΩΝ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΤΥΠΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΥΣΙΜΩΝ ΣΤΗΝ ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΟΥ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ 144 ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΑΝΑΦΟΡΕΣ A. Aναστασιάδης -III-

7 Λίστα Περιεχοµένων ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ B ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ C ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ D..243 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ E A. Aναστασιάδης -IV-

8 Αγγλική Ορολογία ΑΓΓΛΙΚΗ ΟΡΟΛΟΓΙΑ Afterburner: Μετακαυστήρας Altitude: Υψόµετρο Ambient temperature: Θερµοκρασία περιβάλλοντος Annular: Απλός ή δύο µεγάλοι κυλινδρικοί θάλαµοι καύσης αεροπορικών κινητήρων Blade: Πτερύγιο Booster: Επιβοηθητική µηχανή Casing: Εξωτερικό κάλυµµα Combustion Chamber: Θάλαµος καύσης, Καυστήρας Compressor: Συµπιεστής Condenser: Συµπυκνωτής Cruise condition: Συνθήκες πτήσης Desulphurisation: Αποθείωση Dew point: Σηµείο δρόσου Diffuser: ιαχυτής ή ιαχυτήρας Dilution zone: ιαλυτική ζώνη Drum: Τύµπανο Duplex injector: ιπλός στροβιλώδης εγχυτήρας Economizer: Οικονοµητήρας Εffectiveness: Αποτελεσµατικότητα Endpoint: Τελικό σηµείο Evaporator: Εξατµιστής Exhaust duct or Nozzle: Ακροφύσιο Fan: Ανεµιστήρας ή Φτερωτή Film cooling: Μεµβράνη ψυχρού αέρα Flash point: Aνάφλεξη ατµών Fluidised Bed Combustion: Εστία ρευστοποιηµένης κλίνης Fuel flow: Ροή καυσίµου Gaseous fuels: Αέρια καύσιµα Gasification: Αεριοποίηση Gasifier: Αεριοποιητής Gearbox: Κιβώτιο ταχυτήτων Heat exhanger: Εναλλάκτης θερµότητας Intake: ιάταξη εισαγωγής Intercooler: Αναψύκτης ή ψύκτης Intercooling: Ενδιάµεση ψύξη ή Ανάψυξη Intermediate zone: ευτερεύουσα ζώνη 2004 A. Aναστασιάδης -V-

9 Αγγλική Ορολογία Liner: Φλογοσωλήνας Liquid fuels: Υγρά καύσιµα Μαss flow: Ροή µάζας Net thrust: Καθαρή ώση Non-dimensional parameters: Aδιάστατες παράµετροι Part load performance: Απόδοση σε φορτία διαφορετικά του ονοµαστικού Power turbine: Στρόβιλος ισχύος Preheater: Προθερµαντής Pressurised Fluidised Bed Combustion: Εστία ρευστοποιηµένης κλίνης πεπιεσµένου αέρα Primary zone: Πρωτεύουσα ζώνη Recuparator: Προθερµαντής ή Αναγεννητής ή Ανακοµιστής Regenerator: Προθερµαντής ή Αναγεννητής ή Ανακοµιστής Residence time: Χρόνος παραµονής Scaling factor: Συντελεστής κλίµακας Shaft: Άξονας ή Άτρακτος Shroud: Ενδιάµεσο κυλινδρικό περίβληµα του θαλάµου καύσης Simplex injector: Απλός στροβιλώδης εγχυτήρας Solid fuels: Στερεά καύσιµα Specific Power: Ειδική ισχύς Specific work: Ειδικό έργο Spill or Bypass injector: Στροβιλώδης εγχυτήρας παρακαµπτόµενης ροής Spool: Άξονας ή Άτρακτος Spray: Νέφος σταγονιδίων Stack temperature: Θερµοκρασία εξόδου των καυσαερίων από καµινάδα Stator: Στάτορας Stator angle: Γωνία του στάτορα Steam turbine: Στρόβιλος ατµού Superalloys: Yπερκράµατα Superheater: Υπερθερµαντής Swirl atomizer: Εγχυτήρας πίεσης µε στροβιλώδη διασκορπισµό του καυσίµου Swirlvanes: Εστραµµένα ακτινικά πτερύγια Take off condition: Συνθήκες απογείωσης Thermal efficiency: Θερµική απόδοση Tubular: Πολλαπλός σωληνοειδής θάλαµος καύσης των αεροπορικών κινητήρων Turbine: Στρόβιλος ή Τουρµπίνα Turbofan: Τύπος αεροπορικού κινητήρα Turbojet or Jet engine: Τύπος αεροπορικού κινητήρα Turboprop: Τύπος αεροπορικού κινητήρα Τurboshaft: Τύπος αεροπορικού κινητήρα 2004 A. Aναστασιάδης -VI-

10 Ευρετήριο Συµβόλων ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΑDs (Aeroderivatives Engines): Βιοµηχανικοί αεριοστρόβιλοι προερχόµενοι από αεροπορικούς κινητήρες BPR (Bypass Pressure Ratio): Λόγος παράκαµψης CC (Combined Cycle): Συνδυασµένος κύκλος (Κύκλος Brayton και κύκλος Rankine) CHP (Combined Heat and Power): Συνδυασµένος κύκλος CNC: Υπολογιστικό πρόγραµµα αριθµητικού ελέγχου για µηχανουργικές κατεργασίες τόρνου, φρέζας και διάτρησης COT (Combustion Outlet Temperature): Θερµοκρασία των καυσαερίων στην έξοδο του θαλάµου καύσης DP (Design Point): Σηµείο σχεδιασµού FPR (Fun Pressure ratio): Λόγος πιέσεων στην βαθµίδα του ανεµιστήρα ή φτερωτής FPT (Free Power Turbine): Ελεύθερος στρόβιλος ισχύος Fs (Specific Thrust): Ειδική ώση GG (Gas Generator): Αεριογόνο τµήµα (Συµπιεστής, Στρόβιλος υψηλής πίεσης και ο θάλαµος καύσης) GT (Gas Turbine): Αεριοστρόβιλος GTL (Gas To Liquid): Mέθοδος παραγωγής υγρών καυσίµων από αέρια ΗCV (High Calorific Value): Καύσιµο µε υψηλή θερµογόνο δύναµη HRSG (Heat Recovery Steam Generator): Aτµολέβητας IGCC (Integraded Gasification Combined Cycle): Ολοκληρωµένο σύστηµα αεριοποίησης καυσίµου σε συνδυασµένο κύκλο IGV (Inlet Guide Vanes): Πτερύγια οδήγησης κατά την εισαγωγή (π.χ. αέρα) LCV (Low Calorific Value): Καύσιµο µε χαµηλή θερµογόνο δύναµη LPC (Low Pressure Compressor): Συµπιεστής χαµηλής πίεσης LPT (Low Pressure Turbine): Στρόβιλος ή τουρµπίνα χαµηλής πίεσης 2004 A. Aναστασιάδης -VII-

11 Ευρετήριο Συµβόλων ΜΕΚ: Μηχανές εσωτερικής καύσης OFF DP (ΟFF Design Point): Λειτουργία για συνθήκες εκτός του σηµείου σχεδιασµού OPR (Overall Pressure ratio): Ολικός λόγος συµπίεσης PR (Pressure Ratio): Λόγος συµπίεσης SFC (Specific Fuel Consumption): Ειδική κατανάλωση καυσίµου SPF: Μέθοδος υπερπλαστικής διαµόρφωσης ΤΕΤ (Turbine Entry Temperature): Θερµοκρασία εισόδου των καυσαερίων στην πρώτη βαθµίδα του στροβίλου υψηλής πίεσης ΤΙΤ (Turbine Inlet Temperature): ΤΕΤ TIG: Τεχνική βολφραµίου/αδρανούς αερίου VIGs (Variable Inlet Vanes): Μεταβλητά πτερύγια εισαγωγής πάνω στον στάτορα VSVs (Variable Stator Vanes): VIGs 2004 A. Aναστασιάδης -VIII-

12 Πρόλογος- Εισαγωγή ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ H παρούσα εργασία εκπονήθηκε, µε τη τρέχουσα µορφή της, στα πλαίσια της διπλωµατικής εργασία που δίνεται σε κάθε φοιτητή στο πέρας των σπουδών του, στον Ενεργειακό Τοµέα του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ. Έχει σαν αντικείµενο την µετατροπή του αεροπορικού αεριοστροβίλου GE-90-85B σε βιοµηχανικό αεριοστρόβιλο, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, µέσο ενός συνδυασµένου κύκλου. Πρέπει να τονιστεί ότι τα πρώτα κεφάλαια της µελέτης πραγµατοποιήθηκαν στα πλαίσια ενός µεταπτυχιακού προγράµµατος, στο πανεπιστήµιο Cranfield της Αγγλίας (τµήµα θερµικής ισχύος τεχνολογία αεριοστροβίλων). Εν συντοµία, τα κυριότερα θέµατα που παρουσιάζονται, περιγράφονται και εξετάζονται στα επόµενα κεφάλαια είναι τα ακόλουθα: Πρώτα, γίνεται µια σύντοµη αναφορά στους αεριοστροβίλους και στις εφαρµογές τους. Κατόπιν, εξετάζονται οι επιδόσεις του κινητήρα GE-90-85B για το σηµείο σχεδιασµού (DP) και µη (Οff DP), µε τη βοήθεια του υπολογιστικού προγράµµατος Turbomatch. Έπειτα, µελετώνται οι προϋποθέσεις που πρέπει να ισχύουν για να είναι δυνατή αυτή η µετατροπή. Τρία διαφορετικά µοντέλα προκύπτουν από την εν λόγω µετατροπή, πρακτικά όµως δύο. Αποφασίζεται να µελετηθεί το ένα απ αυτά, για λόγους που εξηγούνται στο εν λόγω κεφάλαιο. Γι αυτό το µοντέλο εξετάζονται όλοι οι δυνατοί θερµοδυναµικοί κύκλοι Brayton. Για κάθε έναν από αυτούς τους κύκλους υπολογίζεται η θερµική απόδοση, η ισχύς εξόδου και άλλα απαραίτητα µεγέθη. Το ίδιο γίνεται και µε τον συνδυασµένο κύκλο, για το ίδιο µοντέλο, µετά από τις αναγκαίες θεωρήσεις για τον κύκλο Rankine. Στη συνέχεια, ακολουθεί µία σύντοµη, κυρίως βιβλιογραφική, περιγραφή των θαλάµων καύσης των αεροπορικών και βιοµηχανικών αεριοστροβίλων, ενώ το τµήµα αυτό κλείνει µε την περιγραφή των διαφόρων καυσίµων και πως αυτά επιδρούν στη λειτουργία και απόδοση του αεριοστροβίλου. Τέλος, µία οικονοµική µελέτη ολοκληρώνει την παρούσα εργασία. Φυσικά τα όποια αποτελέσµατα σχολιάζονται ενώ προτείνονται και θέµατα για περαιτέρω έρευνα. Κλείνοντας, θα ήθελα µόνο να ευχαριστήσω θερµότατα τον καθηγητή µου κύριο Β. Χατζηαθανασίου ο οποίος από την πρώτη στιγµή µου εµπιστεύτηκε την ολοκλήρωση της εργασίας αυτής, αφήνοντας µου ταυτόχρονα πολλά περιθώρια ελευθερίας για τη διαµόρφωση της τελικής της µορφής. Χωρίς την αµέριστη συµπαράστασή του, την κατανόηση και την εµπιστοσύνη η εν λόγω εργασία θα ήταν αδύνατο να ολοκληρωθεί παρά θα έµενε ανάπηρη αναζητώντας µάταια την ολοκλήρωσή της. Σεπτέµβριος A. Aναστασιάδης -IX-

13 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ ( Power is more certainly retained by wary measures than by daring counsels, TACITUS, Annals) 1.1. ΓΕΝΙΚΑ Η ιδέα της χρήσης της φυσικής αρχής της δράσης αντίδρασης για την προώθηση µηχανών είναι πολύ παλιά, αλλά ο καθορισµός των τριών βασικών νόµων της κίνησης που απετέλεσαν τη θεωρητική βάση των σύγχρονων κινητήρων αεριωθουµένων οφείλεται στον Άγγλο φιλόσοφο και µαθηµατικό Ισαάκ Νεύτωνα, που τους διατύπωσε µε σαφή µορφή το Η σύλληψη των κινητήρων jet θεωρείται ότι ανήκει στον Βρετανό µηχανικό Frank Whittle ο οποίος το 1930 απέκτησε διακαιώµατα ευρεσιτεχνίας για µία µηχανή που αποτελείτο από έναν πολυβάθµιο αξονικό συµπιεστή, ακολοθούµενο από φυγόκεντρο συµπιεστή, δακτυλιοειδή θάλαµο καύσης, µονοβάθµιο αξονικό στρόβιλο και ακροφύσιο. Ο Whittle ήταν ο πρώτος που συνέδεσε άµεσα στρόβιλο και συµπιεστή δηµιουργώντας έτσι τον αρχέτυπο turbojet. Η συνέχιση της εξέλιξης των στροβιλοκινητήρων υπήρξε ραγδαία, αρχικά µε πρωτοπόρους τους Βρετανούς και τους Γερµανούς και αργότερα µε το πέρασµα της τεχνολογικής σκυτάλης στις ΗΠΑ. Γενικά, ο αεροπορικός στροβιλοκινητήρας (αεριοστρόβιλος) χαρακτηρίζεται ως µια τυπική θερµική µηχανή από την άποψη ότι χρησιµοποιεί ένα αέριο µέσο για να αναπτύξει µηχανική ισχύ ή ώση. Ο κύκλος Βrayton (ή κύκλος Joule) περιγράφει την όλη λειτουργία του αέριου µέσου. Οµολογουµένως, ο αεριοστρόβιλος έχει συνδεθεί κυρίως µε τα αεροσκάφη, πλην όµως βρίσκει πάρα πολλές εφαρµογές σε άλλους τοµείς. Έτσι, απαντάται σε συστήµατα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ως κινητήρας σε πλοία κ.α. Στο κεφάλαιο αυτό θα αναπτύξουµε σε γενικές γραµµές τις δύο βασικές κατηγορίες αεριοστροβίλων αεροσκαφών και τους βιοµηχανικούς αεριοστρόβιλους που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Άλλωστε αυτό µελετάται στο µεγαλύτερο µέρος της εν λόγω εργασίας: η µετατροπή ενός κινητήρα αεροπλάνου σε βιοµηχανικό αεριοστρόβιλο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, θα αναφερθούµε και στις γενικές εφαρµογές των αεριοστροβίλων TURBOJET ΚΑΙ TURBOFAN ΥΟ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΦΙΛΟΣΟΦΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Οι στροβιλοκινητήρες turbojet απετέλεσαν σίγουρα το πλέον επαναστατικό βήµα στον τοµέα της προώθησης αεροσκαφών αλλά έπασχαν από ένα σηµαντικό µειονέκτηµα: η προωθητική τους απόδοση, αν και ήταν ασύγκριτα καλύτερη από εκείνη των εµβολοφόρων κινητήρων, κυµαινόταν κάτω από το 60% στις υποηχητικές ταχύτητες. Η απάντηση στο πρόβληµα δόθηκε µέσα από την αξιοποίηση του -1-

14 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων θεωρήµατος της ορµής µε την αύξηση της παροχετευόµενης µάζας αέρα και τη µεταπήδηση σε ένα νέο τύπο κινητήρα που κυριάρχησε απόλυτα στις αεροπορικές εφαρµογές κατά τις τελευταίες δεκαετίες που ονοµάστηκε turbofan Turbojet: Η κλασική µέθοδος Οι σύγχρονοι στροβιλοκινητήρες ταξινοµούνται σε τέσσερις βασικούς τύπους (turbojet, turbofan, turboprop και turboshaft) ανάλογα µε το έργο που επιτελούν και τη µέθοδο παραγωγής ώσης που ακολουθούν. Από αυτούς οι κινητήρες turbojet και turbofan είναι οι µόνοι που παράγουν προωστικές δυνάµεις απ ευθείας από το ρεύµα καυσαερίων χωρίς τη µεσολάβηση βοηθητικών συστηµάτων κίνησης. Οι turbojet αποτελούν τον πιο πρώιµο τύπο στροβιλοκινητήρα και τα κύρια δοµικά τους µέρη είναι η διάταξη εισαγωγής (intake), ο συµπιεστής (compressor), ο θάλαµος καύσης (combustion chamber), ο στρόβιλος (turbine) και το ακροφύσιο (exhaust duct ή nozzle). Στοιχεία της παροιµιώδους αυτής απλότητας αποτελούν η έλλειψη σχεδόν κάθε κινηµατικού µηχανισµού (κυρίου και βοηθητικού διανοµής), η απουσία ελευθέρων µαζικών δυνάµεων, η µεγάλη οµοιοµορφία στρεπτικής ροπής και ταχύτητας περιστροφής, η απλούστευση των προβληµάτων στεγανότητας και λιπάνσεως, η στο ελάχιστο ελάττωση των µηχανικών απωλειών, η υψηλή τιµή του προς τα άνω ορίου για την ταχύτητα περιστροφής (το όριο τίθεται µόνο για τη µέγιστη περιφερειακή ταχύτητα των κινητών πτερυγίων) η ταχεία εκκίνηση εκ ψυχρού και η µη ανάγκη ψυκτικού ύδατος (ίσως απαιτείται µικρή ποσότητα για την ψύξη του λιπαντικού ελαίου). Παρακάτω περιγράφεται η λειτουργία των παραπάνω µερών του κινητήρα. Ο αέρας αρχικά εισέρχεται στο τµήµα της εισαγωγής το οποίο πρέπει να έχει την κατάλληλη µορφή ώστε να εξασφαλίζει οµαλή ροή αέρα στον συµπιεστή ακόµη και στην περίπτωση που το αεροσκάφος πετά σε διάφορες γωνίες ως προς τη διεύθυνση της κίνησής του, µεταβάλλοντας έτσι τη λεγόµενη γωνία προσβολής. Ο συµπιεστής είναι µια µηχανική διάταξη µε ταχέως περιστρεφόµενα πτερύγια που λειτουργεί ουσιαστικά σαν αεραντλία µε σκοπό την αύξηση της πίεσης του διερχόµενου αέρα. Ταυτόχρονα όµως έχουµε και µεγάλη αύξηση της θερµοκρασίας του εισερχόµενου αέρα. Οι βασικές παραλλαγές συµπιεστών που συναντώνται είναι οι φυγοκεντρικοί που χρησιµοποιήθηκαν ως το 1950 και οι αξονικοί που έχουν επικρατήσει σήµερα. Όσο µεγαλύτερος είναι ο λόγος συµπίεσης (pressure ratio, PR) εξόδου/εισόδου του συµπιεστή τόσο οικονοµικότερη γίνεται η λειτουργία του κινητήρα. Οι σηµερινοί στροβιλοκινητήρες παρουσιάζουν έναν λόγο συµπίεσης που αγγίζει το 45:1 ενώ η απόδοση του κύκλου τους πλησιάζει το 90%. Κάθε συµπιεστής είναι έτσι κατασκευασµένος ώστε να καλύπτει τις απαιτήσεις ενός συγκεκριµένου προφίλ πτήσης που ορίζεται από έναν αριθµό Mach (ταχύτητα/ταχύτητα του ήχου στον αέρα) και ένα υψόµετρο. Οι συνθήκες αυτές καλούνται σηµείο σχεδιασµού (design point, DP) και συνθέτουν εκείνη την κατάσταση στην οποία θεωρητικά ο συµπιεστής µπορεί να αποδώσει τον µέγιστο βαθµό. Σε συνθήκες που απέχουν από το σηµείο σχεδιασµού, οι εµπρόσθιες βαθµίδες του συµπιεστή ενός turbojet επιβαρύνονται περισσότερο από εκείνες που βρίσκονται στο µέσον ή στο πίσω µέρος, µε συνέπεια να λειτουργούν επικίνδυνα κοντά στο όριο απώλειας στήριξης, εκεί δηλαδή όπου η ροή αποκολλάται και η πτερύγωση αρχίζει να πάλλεται. Στους πιο επιτυχηµένους τύπους turbojet, όπως ο J79 που προωθεί τα -2-

15 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων αεροσκάφη F-104, F-4, B-58 και Vigilante, η ασφάλεια του κινητήρα επιτυγχάνεται µε τη ρύθµιση της ροής µέσω διαφόρων µεταβλητών οδηγών πτερυγίων εισαγωγής (IGV- Inlet Guide Vanes) του στάτορα (stator) στις εµπρόσθιες βαθµίδες του. Στην έξοδο του συµπιεστή ο πεπιεσµένος αέρας οδηγείται στον κατασκευασµένο από πυρίµαχα υλικά θάλαµο καύσης όπου το καύσιµο ψεκάζεται και καίγεται εκλύοντας σηµαντική πρόσθετη ενέργεια στη ροή αέρα. Οι κατασκευαστικοί περιορισµοί ορίζουν ότι η διαδικασία καύσης θα πρέπει να λάβει χώρα σε χώρο µικρού όγκου και να ολοκληρωθεί µε την ελάχιστη δυνατή απώλεια πίεσης. Κάθε στροβιλοκινητήρας βασίζει τη λειτουργία του στο γεγονός ότι η ενέργεια υπό µορφή θερµότητας ή πίεσης µπορεί να αποθηκευτεί στα µόρια ενός ρευστού και να εξαχθεί πάλι από αυτά σε µεταγενέστερο στάδιο. Η ώση ενός κινητήρα εξαρτάται άµεσα από την πυκνότητα του αέρα. Έτσι, όσο υψηλότερη είναι η τελευταία τόσο µεγαλύτερη ώση είναι διαθέσιµη. Η µάζα τώρα του πεπιεσµένου αέρα που εξέρχεται από τον συµπιεστή εισάγεται στον θάλαµο καύσης µε ταχύτητα περίπου 150m/sec, η οποία είναι υπερβολικά µεγάλη για να µπορέσει να διατηρηθεί η φλόγα της καύσης. Η απαραίτητη προϋπόθεση της δραστικής ελάττωσης της ταχύτητας του αέρα επιτυγχάνεται από τη διαµόρφωση του διαχυτή ή διαχυτήρα (diffuser) που έχει το εµπρόσθιο µέρος του θαλάµου καύσης και από τον διάτρητο δίσκο που περιβάλλει τα ακροφύσια ψεκασµού καυσίµου. Τα συνηθέστερα αεροπορικά καύσιµα είναι οι κηροζίνες µε κατώτερο σηµείο ανάφλεξης ατµών (flash point) τους 48,9 0 C και τελικό σηµείο (endpoint) τους C. Η αναλογία µαζών ψεκαζόµενου καυσίµου προς εισερχόµενο αέρα που απαιτείται για την καύση κυµαίνεται από 1:45 έως 1:130, ανάλογα µε τις συνθήκες πτήσης του αεροπλάνου. Η αποτελεσµατική όµως καύση προϋποθέτει µια αναλογία µάζας 1:15 (καλούµενη στοιχειοµετρική αναλογία ) πράγµα που σηµαίνει πως µόνο ένα µικρό µέρος του αέρα που προωθείται από τον συµπιεστή προς τον θάλαµο καύσης χρειάζεται πραγµατικά για την καύση. Η αναλογία αέρα/καυσίµου είναι σχεδόν πάντα µεγαλύτερη από τη στοιχειοµετρική, το πηλίκο δε αυτών των αναλογιών καλείται λόγος ισοδυναµίας φ, που θεωρητικά θα πρέπει να τείνει προς τη µονάδα. Η ποσότητα αέρα εισέρχεται στον θάλαµο µέσω ενός βραχέος αεραγωγού που διαθέτει πτερύγια στροβιλισµού στις εξόδους του για να µειώνει ακόµα περισσότερο την ταχύτητα του ρευστού. Ο υπόλοιπος αέρας (80% του συνόλου) αποτελεί το δευτερογενές ρεύµα και διοχετεύεται σε έναν αγωγό που περιβάλλει τον θάλαµο καύσης παίζοντας ρόλο ψυκτικού µέσου για τη µείωση της θερµοκρασίας του καιόµενου αέρα από τους C σε ένα πιο ανεκτό επίπεδο των C εώς C. Το καύσιµο ψεκάζεται στο εσωτερικό του θαλάµου υπό µεγάλη πίεση, σχεδόν εξατµισµένο, έτσι ώστε να σχηµατίζει έναν ευρύ κώνο και να εξασφαλίζεται η επαρκής µίξη µε τον διερχόµενο αέρα. Οι θάλαµοι καύσης των σύγχρονων στροβιλοκινητήρων έχουν έναν βαθµό απόδοσης µεταξύ 90 και 98%, ενώ οι ανεπιθύµητες απώλειες πίεσης του αέρα έχουν περιοριστεί στο 2 εώς 7%. Η διαφορά µε τον συµπιεστή έγκειται στο ότι η µετάδοση ενέργειας στον θάλαµο καύσης επιτυγχάνεται µέσω χηµικής αντίδρασης και η διαδικασία της καύσης οδηγεί σε µια κάθετη αύξηση της θερµοκρασίας ενώ η πίεση παραµένει σχεδόν σταθερή. Είναι ακριβώς το σηµείο στο οποίο η ροή αέρα αποκτά τη δυνατότητα να παραγάγει αποτελεσµατικά µε τη σειρά της µηχανικό έργο. Το πρώτο στάδιο όπου λαµβάνει χώρα η απορρόφηση ενέργειας από το ρευστό είναι ο στρόβιλος, ο οποίος έχει δώσει και την αντίστοιχη ονοµασία σε αύτο -3-

16 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων το είδος κινητήρων. Αποστολή του στροβίλου είναι να µετατρέψει την ενέργεια του ρευστού σε µηχανικό έργο κινώντας κυρίως τον συµπιεστή αλλά και µερικά άλλα εξαρτήµατα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία του κινητήρα. Η εντυπωσιακά µεγάλη ισχύ των σύγχρονων στροβίλων που µπορεί να ξεπερνά τους hp παράγεται από την ικανότητά τους να εξάγουν µηχανικό έργο από την ενέργεια που περιέχει το θερµό ρευστό. Ο στρόβιλος είναι κυριολεκτικά το σηµείο-κλειδί ολόκληρου του κινητήρα και είναι εκείνο το τµήµα της µηχανής που διαµορφώνει τα όρια ισχύος που µπορούν να επιτευχθούν. Είναι χαρακτηριστικό πως ένα και µόνο πτερύγιο στροβίλου µπορεί να συνεισφέρει µια ισχύ έως 250hp, δηλαδή αρκετά µεγαλύτερη από εκείνη που διαθέτει ένα συνηθισµένο αυτοκίνητο. Η βασική αρχή λειτουργίας του στροβίλου δεν διαφέρει από εκείνη του συµπιεστή. Ενώ ο συµπιεστής προσθέτει ενέργεια στον αέρα που διέρχεται από αυτόν µετατρέποντας το µηχανικό έργο σε πίεση, ο στρόβιλος απορροφά την ενέργεια του αέρα για να τη µετατρέψει σε ισχύ άξονα ή ροπή. Οι υψηλοί λόγοι συµπίεσης του στροβίλου (πίεση εισόδου προς πίεση εξόδου) των σύγχρονων κινητήρων απαιτούν πολυβάθµιους στροβίλους. Ο λόγος για τον οποίο ο αέρας συµπιέζεται στον συµπιεστή ενώ εκτονώνεται στον στρόβιλο (αυξάνοντας την ταχύτητά του) οφείλεται στην διαφορετική µορφή των πτερυγίων τους. Καθώς το αέριο εκτονώνεται, η πίεση και η θερµοκρασία του ελαττώνονται ενώ η ταχύτητα του αυξάνεται. Στους κινητήρες turbojet ένα µεγάλο µέρος της θερµότητας και της πίεσης που έχει δοθεί στο αέριο είναι ακόµη διαθέσιµες για να µετατραπούν σε κινητική ενέργεια, διαδικασία που πραγµατοποιείται στο ειδικά σχεδιασµένο ακροφύσιο. Η µεγάλη ταχύτητα εξόδου των καυσαερίων είναι βασική προϋπόθεση για τη δηµιουργία της ώσης και η οµαλοποίηση της ροής τους επιτυγχάνεται µε τον κώνο καυσαερίων που βρίσκεται στις εξόδους αρκετών στροβίλων. Ο ρόλος του ακροφυσίου είναι να µετατρέψει τη δυναµική ενέργεια του αερίου σε κινητική. Αυτό επιτυγχάνεται απλώς µε τη γεωµετρική διαµόρφωσή του η οποία θυµίζει έναν κύλινδρο µεταβλητής διατοµής. Υπάρχει ωστόσο ένα ανώτερο όριο απόδοσης που µπορεί να επιτευχθεί από ένα ακροφύσιο και αυτό συναντάται όταν το ρεύµα εξόδου φθάσει την ταχύτητα του ήχου (1 Mach). Στην περίπτωση αυτή, η στατική πίεση στην έξοδο του ακροφυσίου ονοµάζεται κρίσιµη. Ακόµα και αν η πίεση περιβάλλοντος µειωθεί (λόγω αύξησης του ύψους πτήσης) οι παράµετροι στην έξοδο του ακροφυσίου θα παραµείνουν ίδιες. Για το λόγο αυτό τα συγκλίνοντα ακροφύσια σταθερής γεωµετρίας χρησιµοποιούνται περισσότερο από αεροσκάφη που πετούν σε υποηχητικές ή χαµηλές υπερηχητικές ταχύτητες εώς 1,5Mach. Αντίθετα ένας συνδυασµός συγκλίνοντος-αποκλίνοντος τµήµατος επιτρέπει αφενός την επιτάχυνση του αερίου ως τη µικρότερη διατοµή και αφετέρου τη συνέχιση της επιτάχυνσης στο αποκλίνον τµήµα σε ταχύτητες µεγαλύτερες από εκείνη του ήχου µε παράλληλη µείωση της πίεσης κάτω από την κρίσιµη τιµή, Γενικά, η ταχύτητα εξόδου του αέρα αυξάνεται ανάλογα µε την τετραγωνική ρίζα της απόλυτης θερµοκρασίας (µετρούµενη ως προς το απόλυτο µηδέν ) ενώ ο όγκος του αερίου είναι ευθέως ανάλογος της απόλυτης θερµοκρασίας. Η διατοµή του ακροφυσίου είναι ανάλογη προς τον όγκο του αερίου και αντιστρόφως ανάλογη προς την ταχύτητά του, κάτι που σηµαίνει απλά ότι θα πρέπει να είναι µεταβλητή προκειµένου να αποδίδει τα βέλτιστα. Ο στροβιλοκινητήρας αντιπροσωπεύει µια µηχανή της οποίας βασικός σκοπός είναι η αύξηση (δηλαδή η µεταβολή) της ορµής του ρεύµατος αέρα που διέρχεται από αυτήν. Εποµένως αν η ορµή των εξερχόµενων καυσαερίων αυξηθεί, τότε θα αυξηθεί και η ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους. Ο µόνος τρόπος για να αυξηθεί η ορµή των -4-

17 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων καυσαερίων χωρίς να αλλάξει η ταχύτητά τους ήταν µε την αύξηση της µάζας τους. Αυτή υπήρξε η αρχική έµπνευση για τη δηµιουργία των κινητήρων turbofan Η έλευση των turbofan Σε ταχύτητες πτήσης της τάξεως των 0,8Μach, οι κινητήρες turboprop και turbojet λειτουργούν µε χαµηλή απόδοση ώσης καθώς αυτή η περιοχή ταχυτήτων είναι πολύ υψηλή για τους πρώτους και πολύ χαµηλή για τους δεύτερους. Το κενό άρχισε να καλύπτεται το 1965 όταν η εταιρία General Electric κατασκεύασε τους πρώτους κινητήρες turbofan που διακρίνονταν για τον πολύ καλό βαθµό απόδοσής τους στις λεγόµενες υψηλές υποηχητικές ταχύτητες. Το χαρακτηριστικό αυτό είναι ιδιαίτερα σηµαντικό για τα πολιτικά αεροσκάφη αλλά και για τα στρατιωτικά που ενδιαφέρονται για την µεγάλη ακτίνα δράσης και την οικονοµία καυσίµου διατηρώντας την ταχύτητά τους λίγο κάτω από το φράγµα του ήχου που συνεπάγεται ισχυρή οπισθέλκουσα. Για τους λόγους αυτούς ο turbofan είναι σήµερα ο πιο διαδεδοµένος τύπος αεροπορικού κινητήρα. Με αρχή λειτουργίας που µοιάζει λίγο µε εκείνη των turboprop, ο στρόβιλος του turbofan είναι σχεδιασµένος για να απορροφά περισσότερη ενέργεια από το θερµό αέριο από ότι θα χρειαζόταν αν επρόκειτο να κινήσει µόνο τον συµπιεστή. Η επιπλέον ισχύς του άξονα χρησιµεύει για να µεταδώσει κίνηση σε έναν ανεµιστήρα (fan) που αποτελεί ουσιαστικά έναν χαµηλής πίεσης συµπιεστή µεγαλύτερης διαµέτρου τοποθετηµένο στην αναρρόφηση του κύριου συµπιεστή. Μέρος του αέρα που εισέρχεται από την εισαγωγή, αφού διέλθει από τον ανεµιστήρα, παρακάµπτει το βασικό συγκρότηµα του υπόλοιπου κινητήρα και εκτονώνεται σε ένα ξεχωριστό ακροφύσιο παράγοντας την αποκαλούµενη ψυχρή ώση. Η ποσότητα του αέρα που παρακάµπτει τον θάλαµο καύσης και τον στρόβιλο σε σχέση µε την ποσότητα που ακολουθεί την κανονική διαδικασία συµπίεσης καύσης, ονοµάζεται λόγος παράκαµψης (BPR-Bypass Pressure Ratio). Οι turbofan µε χαµηλό λόγο παράκαµψης (0,2:1 και 1:1) είναι εξαιρετικά οικονοµικοί σε κατανάλωση καυσίµου στις υψηλές υποηχητικές ταχύτητες πτήσης, προσόν που εκτιµάται ιδιαίτερα στις στρατιωτικές εφαρµογές, αλλά έχουν και κρίσιµες αδυναµίες. Το κυριότερο πρόβληµα που ανέκυψε από τη χρήση τους ήταν η απαράδεκτα υψηλή στάθµη θορύβου, γεγονός που τους απέκλεισε από τη χρήση στην πολιτική αεροπορία. Οι κινητήρες µε υψηλό λόγο παράκαµψης (5:1) άρχισαν να κατακτούν την παγκόσµια αεροπορική αγορά από τα τέλη της δεκαετίας του 60 και έπειτα, προωθώντας επιτυχηµένους τύπους αεροσκαφών όπως τα Boeing 747, τα Lockheed L-1011 Tristar και τα McDonell Douglas DC-10. Το τυπικό χαρακτηριστικό τους είναι ο µεγάλης διαµέτρου µονοβάθµιος ανεµιστήρας µετά τον οποίον ο αέρας χωρίζεται σε εξωτερική (ψυχρή) ροή παράκαµψης και εσωτερική (θερµή) ροή µηχανής. Η επιδίωξη καλύτερου ελέγχου των περιστροφών του συµπιεστή οδήγησε στη δηµιουργία συµπιεστών διπλού άξονα (two shaft) (την τελευταία δεκαετία και τριπλού) όπου οι δίσκοι χωρίζονται σε δύο οµάδες περίπου ίδιου αριθµού βαθµίδων και κινούνται από δύο συγκροτήµατα στροβίλου. Με τον τρόπο αυτό τα δύο τµήµατα του συµπιεστή µπορούν να λειτουργήσουν µε διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής (και συχνά αντίρροπα για να εξουδετερώνονται τα ζεύγη ροπών που παράγονται από αυτά) προσδίδοντας µεγάλη ευκαµψία στον κινητήρα. Οι turbofan πολύ υψηλού λόγου παράκαµψης (5:1 έως 12:1) παρέχουν στο αεροπλάνο φορέα άφθονη ισχύ κατά την απογείωση, κυρίως λόγω της επιτάχυνσης µεγάλης µάζας αέρα που -5-

18 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων παρακάµπτει τον κύριο κινητήρα και η οποία συµβάλλει κατά 85% στην τελική παραγόµενη ώση! Οι µεταλλουργικές λύσεις Μονοκρύσταλλοι Μετακαυστήρες Θόρυβος Οι σχεδιαστές ενός στροβιλοκινητήρα αντιµετωπίζουν το πολύπλοκο πρόβληµα της κατασκευής µιας µηχανής της οποίας τα µέρη πρέπει να είναι ταυτόχρονα ελαφρά και ανθεκτικά, ικανά να λειτουργήσουν αξιόπιστα για 40 τουλάχιστον χρόνια. Τα µέταλλα απαρτίζουν το 90% των υλικών ενός turbofan, το είδος δε που χρησιµοποιείται κάθε φορά εξαρτάται από τις θερµοκρασίες και τα φορτία που αναµένεται να δεχθεί το συγκεκριµένο εξάρτηµα. Έτσι χρειάστηκε να αναπτυχθούν και να εφευρεθούν καλύτερες και καινούργιες µέθοδοι για την παραγωγή ανθεκτικότερων υλικών. Μερικές από τις παραδοσιακές µηχανουργικές κατεργασίες τόρνου, φρέζας και διάτρησης εξακολουθούν να χρησιµοποιούνται, αν και εκτελούνται πια στο σύνολό τους µε αριθµητικό έλεγχο (CNC). Κυρίαρχες µέθοδοι στην κατεργασία τους παραµένουν η χύτευση και η σφυρηλάτηση, µε τη δεύτερη να έχει στις περισσότερες περιπτώσεις τη µορφή καλουπιών πρέσας. Μια άλλη µέθοδος είναι η υπερπλαστική διαµόρφωση (SPF) όπου γίνεται εκµετάλλευση της κρυσταλλικής δοµής του υλικού ώστε να παραµορφωθεί αυτό χωρίς να διαρραγεί. Μια νέα επαναστατική µέθοδος χύτευσης αφορά και τη µεταλλουργία κόνεως όπου το εξάρτηµα παράγεται από την αρχική εξέλαση εξαιρετικά καθαρής πούδρας µετάλλου, σχηµατίζοντας σταθερή κρυσταλική δοµή και έπειτα σφυρηλατείται ισόθερµα για να λάβει το τελικό του σχήµα. Οι ηλεκτροχηµικές κατεργασίες είναι επίσης συνηθισµένες µε εντάσεις ρευµάτων που συχνά φθάνουν τα Α για την αφαίρεση 16 κυβικών εκατοστών µετάλλου σε ένα λεπτό της ώρας. Η χηµική µεταλλογραφία είναι µια άλλη µέθοδος που δεν απαιτεί καµία µηχανική δράση πάνω στο υλικό. Κρίσιµης σηµασίας για την τελική αντοχή των εξαρτηµάτων ενός στροβιλοκινητήρα είναι και η ποιότητα των λυόµενων συνδέσεων και των συγκολλήσεων. Ευρεία χρήση εξακολουθεί να γίνεται της τεχνικής βολφραµίου/αδρανούς αερίου (TIG), όπου το ηλεκτρόδιο είναι µια κάθοδος θορίου βολφραµίου που δρα στο υλικό σε περιβάλλον αερίου υγρού. Άλλες µέθοδοι συγκόλλησεις είναι µε τόξο πλάσµατος και δέσµη ηλεκτρονίων. Οι βασικές απαιτήσεις από έναν στροβιλοκινητήρα είναι η µεγάλη ώση, το µικρό βάρος και η χαµηλή κατανάλωση καυσίµου. Οι στόχοι αυτοί επιτυγχάνονται µόνο µε την αύξηση της θερµοκρασίας εισόδου στον στρόβιλο η οποία έχει εκτοξευθεί από τα επίπεδα των C που ήταν το 1947 στους C σήµερα. Εξαιτίας, εποµένως αυτών των υψηλών θερµοκρασιών αλλά και των τεράστιων µηχανικών φορτίων και τάσεων, πολλά µέρη του κινητήρα υφίστανται θερµική κόπωση, οξείδωση και διάβρωση. Π.χ. η υψηλή ταχύτητα περιστροφής του στροβίλου είναι τέτοια ώστε ένα πτερύγιο βάρους 113gr µπορεί να υφίσταται δύναµη ίση µε Ν στη βάση του! Eποµένως είναι ανάγκη να χρησιµοποιηθούν τα κατάλληλα υλικά για την αντιµετώπιση αυτών των φαινοµένων. Η επιλογή του κατάλληλου υλικού δεν είναι εύκολη υπόθεση γιατί εκτός από τις επιθυµητές ιδιότητες πρέπει να πληρούνται και οι προϋποθέσεις οικονοµικής κατεργασίας και παραγωγής του. Σχεδόν όλα τα κράµατα που χρησιµοποιούνται στους turbofan έχουν ως βάση τους το Νικέλιο ώστε να εξασφαλίζουν ένα µέσο όρο ζωής ωρών λειτουργίας ενώ σηµαντική είναι η χρήση των αποκαλούµενων υπερκραµάτων -6-

19 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων (superalloys) νικελίου και κοβαλτίου που παρουσιάζουν ιδιαίτερη αντοχή στον ερπυσµό και τη διάβρωση πάνω από τους C, π.χ. NIMONIC 115. Επίσης αποτελεσµατική µέθοδος αντιµετώπισης της οξείδωσης είναι η κάλυψη του πτερυγίου µε µια προστατευτική επίστρωση έπειτα από ψεκασµό του µε κονιορτοποιηµένο αλουµίνιο ή χρώµιο και τη θέρµανσή του στους C. Γεγονός είναι πως τα κράµατα νικελίου παραµένουν η ιδανικότερη επιλογή για την κατασκευή αεροπορικών κινητήρων και έτσι οποιαδήποτε πρόοδος στην αντοχή τους θα έπρεπε να αναζητηθεί στις µεθόδους κατασκευής των ίδιων των πτερυγίων. Η τεχνολογία που είχε την αποφασιστικότερη ποιοτική επίδραση στη βελτίωση των µηχανικών ιδιοτήτων των πτερυγίων ήταν αναµφίβολα η χύτευση µονοκρυστάλλων που άρχισε να εφαρµόζεται βιοµηχανικά το Ακόµα καλύτερες ιδιότητες όµως επιτυγχάνονται µε τη µέθοδο παραγωγής µιας µονοκρυσταλλικής δοµής όπου το κλειδί είναι ο απόλυτος έλεγχος της διαδικασίας ψύξης του υλικού. Η κυρίαρχη τάση σήµερα είναι προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης σύνθετων και κεραµικών υλικών τα οποία πιστεύεται ότι θα αντικαταστήσουν σχεδόν ολοκληρωτικά τα µέταλλα στις επόµενες δεκαετίες. Τα σύνθετα υλικά µπορούν να θεωρηθούν ως πολύ ισχυρά πολυµερή ενισχυµένα επιπλέον µε ακόµα ισχυρότερες ίνες γυαλιού, άνθρακα, γραφίτη ή βορίου οι οποίες έχουν διάµετρο µόλις 0,076mm και µε συνηθέστερο υλικό τους τις εποξικές ρητίνες. Οι προβλέψεις συµφωνούν ότι στα επόµενα 15 χρόνια η πλειοψηφία των συµπιεστών θα κατασκευάζεται από σύνθετα υλικά και οι στρόβιλοι από κεραµικά υλικά. Σε αρκετές περιπτώσεις, όπως το µικρό µήκος διαδρόµου απογείωσης, οι υψηλές θερµοκρασίες περιβάλλοντος ή η ανάγκη ελιγµών, καθιστούν απαραίτητη την επιπρόσθετη ώση του κινητήρα, πέρα από τα όρια της κανονικής λειτουργίας του. Η µεγαλύτερη ώση θα µπορούσε να ληφθεί από ισχυρότερους κινητήρες, αλλά το συνεπαγόµενο πρόσθετο βάρος δεν θα δικαιολογούσε το βραχύ χρονικό διάστηµα για το οποίο αυτή θα ήταν αναγκαία. Μια πολύ αποτελεσµατική και ευρέως διαδεδοµένη µέθοδος αύξησης της ώσης είναι η µετάκαυση (afterburner) που επιτρέπει στην ώση να αυξηθεί έως και 90%! Με εξαίρεση τα Concorde, οι µετακαυστήρες χρησιµοποιούνται σήµερα µόνο σε στρατιωτικά υπερηχητικά αεροσκάφη λόγω του αυξηµένου θορύβου και της υπερβολικής κατανάλωσης καυσίµου που συνεπάγονται (συχνά διπλάσια από την απαιτούµενη). Η µετάκαυση βασίζεται στο γεγονός ότι το θερµό αέριο που εξέρχεται από τον στρόβιλο περιέχει ακόµα επαρκείς ποσότητες οξυγόνου που επιτρέπουν µια δεύτερη καύση αν υπάρξει µια νέα έκχυση καυσίµου, η οποία µάλιστα θα έχει το πλεονέκτηµα ότι δεν θα εµποδίζεται πια από το άνω θερµοκρασιακό όριο των πτερυγίων του στροβίλου. Θερµαίνοντας εκ νέου τα καυσαέρια, η ροή αποκτά ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο που θα είναι διαθέσιµο για εκτόνωση στο ακροφύσιο, µε το αέριο να φθάνει σε µια θερµοκρασία της τάξης των C. Το αποτέλεσµα είναι η µεγαλύτερη ταχύτητα εξόδου, µια προϋπόθεση για την επίτευξη µεγαλύτερης ώσης, σύµφωνα µε το θεώρηµα της ορµής. Η ενίσχυση είναι ανάλογη προς την τετραγωνική ρίζα του λόγου των απολύτων θερµοκρασιών εισόδου-εξόδου από το µετακαυστήρα. Έτσι αν το αέριο παρέχεται από τον στρόβιλο µε θερµοκρασία C (973Κ) και καταλήγει στο ακροφύσιο µε θερµοκρασία C (1973K), τότε η αύξηση ώσης είναι 42,4%. Η θεµελιώδης εξίσωση που ορίζει τον θόρυβο ο οποίος παράγεται από µια ροή ρευστού που έρχεται σε επαφή µε την ατµόσφαιρα δείχνει ότι το επίπεδο θορύβου είναι ανάλογο προς την όγδοη δύναµη της ταχύτητας του ρευστού. Έτσι αν -7-

20 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Εφαρµογές των αεριοστροβίλων η ενεργοποίηση του µετακαυστήρα σε έναν κινητήρα αυξήσει την ταχύτητα των καυσαερίων από 600 σε 900m/sec, ο θόρυβος θα πολλαπλασιαστεί 26 φορές! Το απλό αυτό συµπέρασµα είναι η αιτία που οι µετακαυστήρες έχουν περιοριστεί σχεδόν αποκλειστικά στα στρατιωτικά αεροσκάφη. Γεγονός είναι πως η εξέλιξη των στροβιλοκινητήρων σηµατοδότησε µια αλµατώδη πρόοδο στις αποδόσεις και τις επιδόσεις των εναέριων µέσων µεταφοράς. Στα τελευταία 30 χρόνια τα µεγάλα επιβατικά αεροσκάφη έχουν τριπλασιάσει τη µεταφορική τους ικανότητα, έχουν διπλασιάσει την ακτίνα δράσης τους (το Airbus Α340 µπορεί να πετάξει οπουδήποτε στον πλανήτη χωρίς στάση για ανεφοδιασµό), έχουν βελτιώσει κατά 30 φορές την ασφάλειά τους και έχουν περιορίσει κατά 98% τον παραγόµενο θόρυβο. Μεγάλο µέρος από αυτά τα εντυπωσιακά επιτεύγµατα οφείλεται στους κινητήρες turbofan που απετέλεσαν ένα ακόµα τεχνολογικό άλµα προς το µέλλον. Στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται εικόνες των διαφόρων τµηµάτων ενός αεροσκάφους καθώς και οι δύο διαφορετικοί τύποι των αεροσκαφών που αναφέρθηκαν, για την καλύτερη κατανόηση των ανωτέρω ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΑΕΡΙΟΣΤΡΟΒΙΛΟΙ Οι αεριοστρόβιλοι ανήκουν στην κατηγορία των µηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) και µπορούν να χωριστούν σε δύο µεγάλες κατηγορίες: Aεροπορικοί αεριοστρόβιλοι (στροβιλοαντιδραστήρες), που χρησιµοποιούνται αποκλειστικώς για την κίνηση των µέσης και υψηλής ταχύτητας πτήσεως αεροσκαφών (οι βασικές αρχές των αναπτύχθηκαν στις προηγούµενες παραγράφους). Βιοµηχανικοί αεριοστρόβιλοι, που αποτελούν και το αντικείµενο της εν λόγω εργασίας. Η δοµή των βιοµηχανικών αεριοστροβίλων είναι ίδια µε αυτή των αεροπορικών εκτός του γεγονότος ότι οι πρώτοι αντί ακροφυσίου φέρουν στρόβιλο ισχύος (power turbine) βιοµηχανικού τύπου (ή στρόβιλος χαµηλής πίεσης), ο οποίος παρέχει όλο το ωφέλιµο έργο της εγκατάστασης, κινώντας ηλεκτρική γεννήτρια ή έλικα πλοίου, ή γενικώς ένα φορτίο G (σχήµα 1.3.1). Με τη διάταξη αυτή δεν αναµένεται κατά κανόνα βελτίωση του βαθµού απόδοσης, αλλά επιδιώκεται καλύτερη προσαρµογή του αεριοστροβίλου προς τις απαιτήσεις της εξυπηρετούµενης εγκαταστάσεως. Έτσι π.χ. στα µεταφορικά µέσα (αυτοκίνητα, σιδηροδροµική έλξη, πλοία), όπου η διάταξη αυτή είναι συνηθισµένη, είναι δυνατό να έχουµε πάντοτε ανεξάρτητη ρύθµιση του αεριογόνου τµήµατος ή Gas Generator (συµπιεστής, θάλαµος καύσης, στρόβιλος υψηλής πίεσης) για ικανοποιητική λειτουργία αυτού, όπως π.χ. µε σταθερή ταχύτητα και φορά περιστροφής, ενώ ο στρόβιλος ισχύος προσαρµόζεται προς τις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας της εγκατάστασης (φορτίου). Ο στρόβιλος συνδέεται µετά του συµπιεστού και του φορτίου G µε κοινή άτρακτο (άξονα) και παρέχει το για την κίνηση του συµπιεστή αναγκαίο µηχανικό έργο. Το υπόλοιπο έργο του στροβίλου ως γνωστόν, αποτελεί το ωφέλιµο έργο της εγκατάστασης. -8-