«ΑΕΡΙΩΘΟΥΜΕΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ»

Transcript

1 Α.Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΟΜΕΑΣ: ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΑΕΡΙΩΘΟΥΜΕΝΟΙ ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ» ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ: ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ Α.Ε.Μ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΣ: ΚΩΣΤΗΣ Ι. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΒΑΛΑ, ΑΠΡΙΛΙΟΣ 2011

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ H παρούσα πτυχιακή εργασία έχει σαν αντικείμενο τη μελέτη και την κατανόηση στον τρόπο λειτουργίας των αεριοστρόβιλων κινητήρων. Κάθε κοινωνία στην προσπάθεια, να αναπτυχθεί οικονομικά προσπαθούσε πάντα να βρει τρόπους να μεταφέρει τα προϊόντα που ήθελε όσο το δυνατό πιο γρήγορα. Με τη νέα τεχνολογία και τεχνογνοσία τη λύση την έδωσαν οι αεριωθούμενοι κινητήρες που, χάρης την μεγάλη ταχύτητα που μπορούν ν` αναπτύξουν μηδένισαν τις αποστάσεις στο παγκόσμιο χάρτη. Παράδειγμα για ένα ταξίδι σε μία άλλη ήπειρο κάποτε πραγματοποιούταν σε εβδομάδες, τώρα χρειάζεται το πολύ μία μέρα. Ακόμη η χρήση και η εξέλιξη των αεριωθούμενων κινητήρων πέρα από αλλαγές στην παγκόσμια οικονομία, επέφερε τρομερές αλλαγές στις στρατιωτικές ισορροπίες. Τώρα πλέον υπάρχει η δυνατότητα να πλήξεις τον εχθρό από ψηλά, με αποτέλεσμα να μειωθούν οι μάχες σώμα με σώμα και μ` ένα μόνο βομβαρδιστικό να επιφέρεις στον εχθρό τρομερές απώλειες, από μεγάλη απόσταση.

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Ιστορική εξέλιξη εμβολοφόρων κινητήρων Ε.2 Χρήση αεριοστροβίλων στις αεροπορικές εφαρμογές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΕΡΙΩΘΗΣΗ 1.1 Αρχές αεριώθησης Ώση Λειτουργική παράγοντες Περιβαλλοντικές συνθήκες Τύποι αεριωθητών Γενικά Πύραυλος (rocket) Αθόδυλος (ram jet) Παλμικός αθόδυλος (Pulse jet) Αεριοστρόβιλος (gas turbine engine) Γενικά Τύποι αεριοστροβίλων Παλινδρομική κινητήρες και κινητήρες αεριώθησης Σύγκριση αεριοστροβίλων με αθόδυλους και πυραύλους Χρήση κινητήρων αεριώθησης

4 1.5 Σχεδίαση κατασκευή και υλικά κατασκευής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ 2.1 Γενικά Θεωρητικός κύκλος λειτουργίας Κριτήρια λειτουργικής απόδοσης Πραγματικός κύκλος λειτουργίας Εισαγωγή αέρα Γενικά Είδη αεραγωγών εισαγωγής Φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων Συστήματα αντιπάγωσης και αποπάγωσης εισαγωγής αέρα Συμπιεστές Γενικά Φυγόκεντρος συμπιεστής Περιγραφή λειτουργίας Περιγραφή φυγοκεντρικού συμπιεστή Αξονική συμπιεστές Γενικά Αξονικός συμπιεστής μονού άξονα ή απλού τυμπάνου Αξονικός συμπιεστής διπλού άξονα ή διπλού τυμπάνου Αρχές λειτουργίας Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα Στροφεία αξονικού συμπιεστή Κινητά πτερύγια αξονικού συμπιεστή Σταθερά πτερύγια αξονικού συμπιεστή Υλικά κατασκευής Διαχύτες Απώλεια στήριξης πάλμωση Θάλαμοι καύσης

5 2.9.1 Γενικά Διαδικασία καύσης Λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης Απόδοση καύσης Ευστάθεια καύσης Κατανομή θεοκρασίας Ανάφλεξη Επικαθήσεις Τύποι θαλάμων καύσης Πολλαπλός θάλαμος καύσης (multiple combustion chamber) Δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης (annular combustion chamber) Σώληνο δακτυλιοειδείς θάλαμος καύσης (can annular combustion chamber) Στρόβιλος Γενικά Περιγραφή και λειτουργίας του στροβίλου Στάτορας ή στάτης Ρότορας ή στροφείο Απώλειες Κατασκευή των εξαρτημάτων του στροβίλου Σταθερά πτερύγια Κινητά πτερύγια Ψύξη των πτερυγίων Εξαγωγή Γενικά Κώνος εξαγωγής Αγωγή εξαγωγής Ακροφύσια εξαγωγής Συγκλίνον αποκλίνον ακροφύσιο Ακροφύσια μεταβλητής διεύθυνσης εξαγωγής

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΩΣΗΣ 3.1 Επιβράδυνση αεροσκάφους κατά την προσγείωση Αναστροφείς ώσεις Πλεονεκτήματα και αρχή λειτουργίας των αναστροφέων ώσης Αρχή λειτουργίας Τύποι αναστροφέων ώσης Αρχές σχεδιασμού και κατασκευής των αναστροφέων ώσης Μετάκαυση Λειτουργία Σύστημα ελέγχου Αύξηση της ώσης Κατανάλωση καυσίμου Θόρυβος αεριωθούμενων κινητήρων Γενικά Πηγές θορύβου Μέθοδοι μείωσης θορύβου Μειωτές θορύβου ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 4

7 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εικόνα Ε.1 Το ελικόπτερο του Leonardo Da Vinci Εικόνα Ε.2 Κινητήρας των αδερφών Wright Εικόνα Ε.3 Κινητήρας εν σειρά Benz, Κινητήρας τύπου V (Liberty L-8) Εικόνα Ε.4 Κινητήρας Wright R Εικόνα Ε.5 Αιολοπύλη (Hero`s aeolipile) Εικόνα Ε.6 Κινητήρια μηχανή του Νεύτωνα Εικόνα Ε.7 Κινητήρας Whittle Εικόνα Ε.8 Αεριοστρόβιλος Von Ohain Εικόνα E.9 Κινητήρας Αναγνωριστικού SR-71 Blackbird ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΑΕΡΙΩΘΗΣΗ Εικόνα 1.1 Αέρας υποπίεση πριν την απελευθέρωση στο εσωτερικό του μπαλονιού και μετά Εικόνα 1.2 Σχηματικό διάγραμμα πυραύλου V Εικόνα 1.3 Ένας από τους δύο Ramjet κινητήρες ενός πυραύλου bloodhound στο βιομηχανικό μουσείο του Bristol Εικόνα 1.4 Pulse Jet κινητήρας του V-1 βομβαρδιστικού στο βασιλικό μουσείο πολεμικής αεροπορίας του Λονδίνου Εικόνα 1.5 Βασικά μέρη αεροστρόβιλου κινητήρα

8 Εικόνα 1.6 Στροβιλοαντιδραστήρας σε τομή Εικόνα 1.7 Ροή αέρα και βασικά μέρη στροβιλοαντιδραστήρα Εικόνα 1.8 Ροή αέρα και βασικά μέρη ελικοστρόβιλου κινητήρα Εικόνα 1.9 Διάγραμμα απλουστευμένης μορφής κινητήρα turbo shaft Εικόνα 1.10 Κινητήρας αεροσκάφους F Εικόνα 1.11 Στροβιλοανεμιστήρας σε τομή Εικόνα 1.12 Βασικά μέρη στροβιλοανεμιστήρα Εικόνα 1.13 Θέσεις ανεμιστήρα στο στροβιλοανεμιστήρα Εικόνα 1.14 Στροβιλοανεμιστήρας χαμηλού και υψηλού λόγου παράκαμψης Εικόνα 1.15 Έξοδος αέρα παράκαμψης από αγωγό (Α) μικρού και (Β) μεγάλου μήκους Εικόνα 1.16 Διάταξη turbo ramjet Εικόνα 1.17 Ροή αέρα σε διάφορες ταχύτητες (Mach) Εικόνα 1.18 Πύραυλος στρόβιλος (turbo rocket) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ Εικόνα 2.1 Σύγκριση κύκλων λειτουργίας του αεριοστρόβιλου και του εμβολοφόρου κινητήρα Εικόνα 2.2 Διάγραμμα του κύκλου Μπράιτον σε συντεταγμένες P-V και T-S Εικόνα 2.3 Απώλειες συμπίεσης στο διάγραμμα Μπράιτον Εικόνα 2.4 Οι απώλειες στο θάλαμο καύσης όπως φαίνονται στο διάγραμμα Μπράιτον Εικόνα 2.5 Απώλειες κατά την εκτόνωση Εικόνα 2.6 Διάγραμμα πραγματικής λειτουργίας του κύκλου Μπράιτον σε συντεταγμένες P-V και T-S Εικόνα 2.7 Αεροσκάφος μίας εισαγωγής αέρα (η εισαγωγή είναι τμήμα του αεροσκάφους) Εικόνα 2.8 Απεικόνιση Διαιρετής εισαγωγής αέρα

9 Εικόνα 2.9 Υποηχητική εισαγωγή Εικόνα 2.10 Υπερηχητική εισαγωγή αέρα Εικόνα 2.11 Υπερηχητικός κινητήρας του SR-71 blackbird Εικόνα 2.12 Εισαγωγή εξωτερικής συμπίεσης και μεταβλητής διατομής υπερηχητικού κινητήρα Εικόνα 2.13 Συνηθέστερη αεραγωγοί ελικοστρόβιλων κινητήρων Εικόνα 2.14 Τα μέρη του φυγόκεντρου συμπιεστή Εικόνα 2.15 Αεριοστρόβιλος κινητήρας με φυγόκεντρο συμπιεστή διπλής εισόδου Εικόνα 2.16 Στροφείο φυγόκεντρου συμπιεστή Εικόνα 2.17 Φυγόκεντρος συμπιεστής δύο βαθμίδων Εικόνα 2.18 Διάκενο μεταξύ στροφείων και διαχύτη Εικόνα 2.19 (Α) κινητά και (Β) σταθερά πτερύγια αξονικού συμπιεστή Εικόνα 2.20 Μονός αξονικός συμπιεστής (single spool) Εικόνα 2.21 Διπλός αξονικός συμπιεστής (dual spool compressor) Εικόνα 2.22 Τριπλός αξονικός συμπιεστής (triple-spool compressor) Εικόνα 2.23 Μεταβολές των τιμών πίεσης και ταχύτητας κατά μήκος του συμπιεστή Εικόνα 2.24 Στροφείο αξονικού συμπιεστή (α) σε μορφή τυμπάνου, (β) με κατάλληλη συναρμογή αριθμού δίσκων Εικόνα 2.25 Κινητό πτερύγιο συμπιεστή Εικόνα 2.26 Τρόποι συναρμογής κινητών πτερυγίων συμπιεστή στο τύμπανο ή στους δίσκου Εικόνα 2.27 Σταθερά πτερύγια συμπιεστή Εικόνα 2.28 Γενική μορφή διαχύτη Εικόνα 2.29 Ρεύμα αέρα εισαγωγής με (α) υψηλή ταχύτητα Εικόνα 2.30 Ρεύμα αέρα εισαγωγής με (β) χαμηλή ταχύτητα Εικόνα 2.31 Περιοχή αποκόλλησης της ροής στα κινητά πτερύγια του συμπιεστή Εικόνα 2.32 Διάγραμμα λειτουργίας αξονικού συμπιεστή Εικόνα 2.33 Συνδυασμός αξονικού και φυγόκεντρου συμπιεστή Εικόνα 2.34 Ροές στο θάλαμο καύσης Εικόνα 2.35 Εξαέρωση καυσίμου πριν την εισαγωγή του στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης

10 Εικόνα 2.36 Απόδοση θαλάμου καύσης ως προς το λόγο αέρα καυσίμου Εικόνα 2.37 Απεικόνιση ευσταθής περιοχής της διεργασίας καύσης Εικόνα 2.38 Θάλαμος καύσης τύπου σωλήνα Εικόνα 2.39 Θάλαμος καύσης πολλαπλού τύπου Εικόνα 2.40 (α) Δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης, (β) δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης αντίστροφης ροής Εικόνα 2.41 Σωληνο-δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης Εικόνα 2.42 Ροές αέρα στο σωληνο-δακτυλιοειδή θάλαμο καύσης Εικόνα 2.43 Χρήση ακτινικού στροβίλου σε APU (GTCP85) Εικόνα 2.44 Μονοβάθμιος και τριβάθμιος στρόβιλος αξονικού τύπου Εικόνα 2.45 Τα μέρη του στροβίλου Εικόνα 2.46 Στρόβιλος μονού άξονα Εικόνα 2.47 Στρόβιλος διπλού άξονα Εικόνα 2.48 Στρόβιλος στροβιλοανεμιστήρα Εικόνα 2.49 Στρόβιλος ισχύος σε ελικοστρόβιλο κινητήρα Εικόνα 2.50 Ροή καυσαερίων διαμέσου των βαθμίδων του στροβίλου Εικόνα 2.51 Κινητά πτερύγια τύπου (α) δράσης και (β) αντίδρασης Εικόνα 2.52 (α) Αντοχή μεταξύ των σταθερών πτερυγίων, (β) κατασκευή των σταθερών πτερυγίων ανά τμήμα των τριών τεμαχίων Εικόνα 2.53 (α) Δίσκος και κινητά πτερύγια ελεύθερου ακροπτερυγίου με βάση σχήματος ελάτου, (β) Κινητά πτερύγια με κάλυμμα στα ακροπτερύγια τους Εικόνα 2.54 Διάφοροι μέθοδοι ψύξης πτερυγίων του στροβίλου Εικόνα 2.55 Εξαγωγή στροβιλοαντιδραστήρα Εικόνα 2.56 Κώνος εξαγωγής Εικόνα 2.57 Ελικοστρόβιλος κινητήρας, ο αγωγός οδηγεί τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα Εικόνα 2.58 Συγκλίνον ακροφύσιο εξαγωγής Εικόνα 2.59 Συγκλίνον-αποκλίνον ακροφύσιο εξαγωγής Εικόνα 2.60 Ακροφύσιο μεταβλητής διατομής Εικόνα 2.61 Ακροφύσιο με μεταβλητή διεύθυνση εξαγωγής καυσαερίων (A/K F-119 της P&W)

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΩΣΗΣ Εικόνα 3.1 Αλεξίπτωτο προσγείωσης διαστημικού λεωφορείου Atlantis Εικόνα 3.2 Θέση αναστροφέα ώσης σε στροβιλοανεμιστήρα Εικόνα 3.3 Προσγείωση σε παγωμένο αεροδιάδρομο (α) με την χρήση αναστροφέα ώσης και (β) χωρίς αναστροφέα ώσης Εικόνα 3.4 Αναστροφέας ώσης με δύο θύρες Εικόνα 3.5 Αναστροφέας ώσης με τέσσερις θύρες Εικόνα 3.6 Κινητήρας με σύστημα μετάκαυσης σε τομή Εικόνα 3.7 Διάγραμμα αεριοστρόβιλου κινητήρα με σύστημα μετάκαυσης Εικόνα 3.8 Τα μέρη που απαρτίζουν το μετακαυστήρα του κινητήρα GE J Εικόνα 3.9 Σταθεροποιητής φλόγας Εικόνα 3.10 Σύστημα παροχής σπινθήρα στο χώρο του μετακαυστήρα Εικόνα 3.11 Είδη ακροφυσίων Εικόνα 3.12 Σύστημα ελέγχου διατομής ακροφυσίου εξαγωγής Εικόνα 3.13 Ειδική κατανάλωση καυσίμου ανάλογα με το ύψος της πτήσης Εικόνα 3.14 Η χρησιμοποίηση της μετάκαυσης μειώνεται ο χρόνος και απόσταση απογείωσης του αεροσκάφους Εικόνα 3.15 Οι κύριες πηγές θορύβου κατά το πέρασμα ενός αεροσκάφους Εικόνα 3.16 Επίπεδα παραγόμενου θορύβου από στροβιλοκινητήρες Εικόνα 3.17 Θέση εφαρμογής ηχομονωτικής επένδυσης και κατασκευαστικές λεπτομέρειες Εικόνα 3.18 (Α) Πολλαπλή αγωγή εξαγωγή και (Β) Αυλακωτοί αγωγή εξαγωγής για τη μείωση θορύβου ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 9

12 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Εν συντομία, τα κυριότερα θέματα που παρουσιάζονται στα επόμενα κεφάλαια είναι τα ακόλουθα. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγή στην ιστορική εξέλιξη τον εμβολοφόρων κινητήρων, ώστε να γίνει κατανοητό για πιο λόγο ήταν ανεπαρκής στη χρήση των αεροσκαφών και στη συνέχεια αναφέρεται η χρήση των αεριοστροβίλων στις αεροπορικές εφαρμογές. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι αρχές τις αεριώθησης, περιγράφεται η δύναμη ώσης, που είναι η αιτία της αεριοκίνησης, έπειτα περιγράφονται οι λειτουργικοί και οι περιβαλλοντικές συνθήκες που επηρεάζουν τους κινητήρες αεριώθησης. Στη συνέχεια περιγράφονται οι τύποι αεριωθητών, καθώς και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους, ώστε να μπορέσουμε να τους συγκρίνουμε μεταξύ τους και τέλος αναφέρονται τα υλικά κατασκευής τους, για να μπορέσει να γίνει αντιληπτό ο τρόπος σχεδίασης και οι παράμετροι που πρέπει να συμπεριληφθούν στην κατασκευή τους. Στο επόμενο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά ο κύκλος λειτουργίας των αεροστρόβιλων κινητήρων (θεωρητικός και πραγματικός κύκλος λειτουργίας) περιγράφονται τα μέρη των κινητήρων αεριώθησης. Στο τρίτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις πηγές θορύβου και στις τεχνικές μείωσης του. Στις αρχές που διέπουν τους αναστροφείς ώσης, και τη συμβολή τους στην αύξηση της ώσης και στην κατανάλωση καυσίμου. 10

13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε.1 Ιστορική εξέλιξη εμβολοφόρων κινητήρων. Πάντα ο άνθρωπος ήθελε να κατακτήσει τους ουρανούς, οι πρώτες προσπάθειες που πραγματοποίησε απέτυχαν. Ο λόγος δεν ήταν ο σχεδιασμού αεροδυναμικού σχήματος ικανού για πτήση, αλλά η ελλιπής η τεχνογνωσία, για την παραγωγή της απαιτούμενης ισχύος, για να μπορέσει το αεριωθούμενο όχημα, να υπερνικήσει τη δύναμη της βαρύτητας. Το 1483 ο Leonardo Da Vinci σχεδίασε μία ιπτάμενη μηχανή, αλλά απέτυχε να πετάξει, λόγω της ανεπάρκειας μηχανικής ισχύος (εικόνα Ε.1). Εικόνα Ε.1 Το ελικόπτερο του Leonardo Da Vinci Το 1678 ο Γάλλος Abbe Hautefeuille είχε τη βασική ιδέα, για τη χρησιμοποιήσει μιας ύλης που εκρήγνυται (καύσιμο), για να κινεί ένα έμβολο, για 11

14 την παραγωγή έργου. Οι πρώτοι εμβολοφόροι κινητήρες, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στις αρχές του 19 ου αιώνα. Ο πρώτος εμβολοφόρος κινητήρας εσωτερικής καύσης κατασκευάστηκε από το Γάλλο εφευρέτη Jean Etienne Lenoir το Χρησιμοποιούσε φωταέριο ως καύσιμο και η εκκίνηση πραγματοποιόταν με τη βοήθεια συσσωρευτή (μπαταρία). Το 1862 ο Γάλλος Beau de Rocas αποτύπωσε του βασικούς όρους, που πρέπει να πληροί ένας εμβολοφόρος κινητήρας, για να λειτουργεί με τη μέγιστη απόδοση. Ο πρώτος τετράχρονος κινητήρας κατασκευάστηκε, από τους Γερμανούς August Otto και Eugen Langen το Προς τιμήν τους αυτός ο κύκλος του τετράχρονου κινητήρα εσωτερικής καύσης ονομάστηκε κύκλος Otto. Ο πρώτος τετράχρονος βενζινοκινητήρας που λειτούργησε, αναπτύχθηκε από τους Γερμανούς Gottlieb Daimler και Karl Benz ξεχωριστά το 1885 και κινητήρας, χρησιμοποιήθηκε στα πρώτα αυτοκίνητα. Το 1892 ο Γερμανός Rudolph Diesel πρότεινε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, που στο χώρο καύσης του θα πραγματοποιούταν αυτανάφλεξη του μείγματος αέρα καυσίμου, με το πετρέλαιο. Αν λάβουμε υπόψη, στις 17 Δεκεμβρίου 1903 πραγματοποιήθηκε η πρώτη επιτυχής πτήση αεροσκάφους, τότε μπορούμε να καταλήξουμε στο συμπέρασμα, ότι ο πρώτος επιτυχημένος κινητήρας που έχει καταγραφεί, είναι αυτός που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την πτήση και κατασκευάστηκε από τους αδερφούς Wright και το συνεργάτη τους μηχανικό Charles Taylor (εικόνα Ε.2). Εικόνα Ε.2 Κινητήρας των αδερφών Wright. 12

15 Ο κινητήρας αυτός χρησιμοποιούσε ως καύσιμο γκαζολίνη, ήταν τετρακύλινδρος υγρόψυκτος, με διάμετρο κυλίνδρου mm, διαδρομή εμβόλου mm, ογκομετρικό εκτόπισμα m 3, στροφές κινητήρα RPM, ισχύ hp και βάρους 81,82 kg. Εντυπωσιακή εξέλιξη στου κινητήρες αεροσκαφών σημειώθηκε κατά τη διάρκεια του 1 ου Παγκόσμιου Πολέμου, καθώς η κυριαρχία στους αιθέρες μπορούσε να δώσει ένα σημαντικό πλεονέκτημα. Τρείς νέοι τύποι εμβολοφόρων κινητήρων αεροσκαφών αναπτύχθηκαν εκείνη την περίοδο. Ο ακτινικός κινητήρας, ο εν σειρά και ο τύπου V. Ο κινητήρας που επικράτησε, είναι ο ακτινικός γιατί παράγει τη μεγαλύτερη ισχύ από τους άλλους, σε σχέση με το βάρος. Η διάταξη των κυλίνδρων του είναι ακτινικά γύρο από έναν μικρό στροφαλοθάλαμο. Εικόνα Ε.3 Κινητήρας εν σειρά Benz, Κινητήρας τύπου V (liberty L-8) Ο κινητήρας εν σειρά (εικόνα Ε.3) έχει τους όλους τους κυλίνδρους παρατεταγμένους σε σειρά, ο εν σειρά κινητήρας ξεχωρίζει, για την μεγάλη αξιοπιστία του μέχρι και σήμερα, Όμως το μεγαλύτερο μειονέκτημα που τον καταστεί, μη αποδοτικό σε σχέση με τους άλλους, είναι του αυξημένου βάρους, λόγου του μεγάλου στροφαλοφόρου άξονα. Στο τέλος στου 1 ου παγκοσμίου 13

16 πολέμου καθιερώθηκε ο κινητήρας τύπου V (Εικόνα Ε.3). Αυτός ο κινητήρας οι κύλινδροι του σχηματίζουν μεταξύ τους γωνία, επιπλέον χρησιμοποιεί μικρότερο στροφαλοφόρο άξονα, συμβιβάζοντας την εξοικονόμηση βάρους και ικανοποιητικής απόδοσης. Στο τέλος της δεκαετίας του 1920 στις Ενωμένες Πολιτείες Αμερικής αναπτύχθηκε μια σειρά από ακτινικούς κινητήρες (εικόνα Ε.4) προσαρμοσμένους στα αεροσκάφη, προσφέροντας μεγάλη αξιοπιστία στη λειτουργία τους. Χάρις σ` αυτούς πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες υπερατλαντικές πτήσεις. Το Spirit Of Saint Louis ήταν το αεροπλάνο που πραγματοποίησε την πρώτη υπερατλαντική πτήση το Εικόνα Ε.4 Κινητήρας Wright R-790 Στην πορεία η ανάπτυξη και η ραγδαία εξάπλωση των αεροστροβίλων κατά τη δεκαετία του 1950, μείωσε σημαντικά τη χρήση των εμβολοφόρων κινητήρων εσωτερικής καύσης στις αεροπορικές εφαρμογές. Στις μέρες μας οι εμβολοφόροι κινητήρες χρησιμοποιούνται μόνο στα μικρά αεροσκάφη. Ε.2 Χρήση αεριοστροβίλων στις αεροπορικές εφαρμογές Η ανακάλυψη της αρχής της αεριώθησης, έγινε από τον Έλληνα επιστήμονα Ήρωνα, που έζησε στην Αλεξάνδρεια τον 1 ο αιώνα μ.χ. Αυτός πραγματοποίησε την 14

17 πρώτη εφαρμογή της αεριώθησης, γνωστής ως μηχανή του Ήρωνα ή αιολοπύλη (Hero`s aeolipile), που θεωρείται ο πρόδρομος των αεριοστρόβιλων κινητήρων Εικόνα Ε.5 Αιολοπύλη (Hero`s aeolipile) Η μηχανή του Ήρωνα αποτελείται από, ένα κλειστό δοχείο με θερμαινόμενο νερό, ώστε ο ατμός που παραγόταν, μεταφερόταν μέσω δύο κάθετων σωλήνων σε μία σφαίρα, που έφερε άυλους στη διεύθυνση της ακτίνας της. Καθώς η σφαίρα γέμιζε ατμό, εύρισκε έξοδο διαφυγής από τους ακτινικούς αυλούς, με αποτέλεσμα η σφαίρα να περιστρέφεται. Το 1687 δημοσιεύθηκαν οι νόμοι τις κίνησης του Νεύτωνα στο έργο του Philosophies Naturalis Principia Mathematica. Τον ίδιο χρόνο, βασισμένος στον τρίτο νόμο δράσης-αντίδρασης <<Για κάθε δράση μιας δύναμης, υπάρχει μια ίση και αντίθετη δύναμη αντίδρασης>>, ο Νεύτωνας κατασκεύασε ένα όχημα κινούμενο με ατμό. Το μεγάλο μειονέκτημα είναι ότι το όχημα είχε πολύ μικρή παραγόμενη ισχύ. 15

18 Εικόνα Ε.6 Κινητήρια μηχανή του Νεύτωνα Ο μηχανικός Frank Whittle επηρεασμένος από την ιδέα του Sanford Moss, ότι αν το καύσιμο μπορούσε να καεί μαζί με τον πεπιεσμένο αέρα, τότε η παραγωγή ενέργειας θ` αυξηθεί δραματικά. Το 1930 κατοχύρωσε την κατασκευή του πρώτου επιτυχημένου αεριοστρόβιλου κινητήρα, ικανού για την κίνηση αεροσκάφους (εικόνα Ε.7). Εικόνα Ε.7 Κινητήρας Whittle Κύριο χαρακτηριστικό της ιδέας του ήταν, ότι ο ίδιος ο αεριοστρόβιλος του κινητήρα θα παρείχε την ενέργεια για τη λειτουργία του συμπιεστή. Στις 14 Μαΐου, στην Αγγλία πραγματοποιήθηκαν οι πρώτες δοκιμαστικές πτήσεις με τον κινητήρα του Whittle (γνωστό ως W1) να δίνει ώθηση στο αεροσκάφος Gloster E28/39, δίνοντας ταχύτητα περίπου στα 400 μίλα την ώρα (MPH). 16

19 Παράλληλα, ο Γερμανός μηχανικός Hans Von Ohain σχεδίασε πρώτο τον κινητήρα Heinkel HeS 1 το έτος 1937, ο οποίος είχε καύσιμη ύλη αρχικά το υδρογόνο. Ο τρίτος κινητήρας αυτής της σειράς, Heinkel HeS 3, ήταν πλέον ώριμος για χρήση σε αεροπλάνο, το οποίο κατασκευάστηκε το έτος 1939 και πήρε το όνομα Heinkel He 178 (εικόνα Ε.8). Αυτό ήταν και το πρώτο αεριωθούμενο αεροπλάνο που ήταν σε θέση να πραγματοποιήσει εκτεταμένες πτήσεις, πραγματοποιώντας την πρώτη επιτυχημένη πτήση στις 27 Αυγούστου Αυτή αναγνωρίζεται πρακτικά, ως η πρώτη πτήση αεριωθούμενου αεροσκάφους. Εικόνα Ε.8 Αεριοστρόβιλος Von Ohain Στην Αμερική η GE (General Electric) κατασκεύασε αεριωθούμενο κινητήρα GE-A1, βασισμένο στα σχέδια του Frank Whittle, πραγματοποιώντας τον Οκτώβριο το 1942 την πρώτη πτήση αεριωθούμενου σκάφους στην αντίπερα όχθη του ατλαντικού, (αεροσκάφος BEL XP-59). Στην σύγχρονη εποχή τα επιβατικά, εμπορικά και στρατιωτικά αεροσκάφη χρησιμοποιούν στην μεγαλύτερη πλειοψηφία τους κινητήρες αεριώθησης (Jet). Μεγάλο βήμα στην εξέλιξη των κινητήρων αεριώθησης ήταν η σχεδίαση και η κατασκευή κινητήρων Jet, που έχουν την δυνατότητα να κινούν ένα αεροσκάφος με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή του ήχου. Το αναγνωριστικό SR-71 Blackbird πετά με ταχύτητα πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήχου (εικόνα Ε.9). 17

20 Εικόνα Ε.9 Κινητήρα αναγνωριστικού SR-71 Blackbird Στο πολιτικό σκηνικό το αεροσκάφος Concord, προϊόν Άγγλο-Γαλλικής συνεργασίας, ναυπηγήθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1970, έφερε τον κινητήρα Olympus 593 B. Το Concord είχε τη ικανότητα να πετάει με ταχύτητα 2,2 φορές μεγαλύτερη από αυτήν του ήχου (2,2 Mach). Στις 24 Οκτωβρίου πέταξε για τελευταία φορά. Ανάλογη υπερηχητική ταχύτητα, μπορούσε να αναπτύξει το Ρώσικο αεροσκάφος Tu

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1º ΑΕΡΙΩΘΗΣΗ 1.1 Αρχές αεριώθησης Οι αεριοστρόβιλοι κινητήρες κατατάσσονται στην κατηγορία των ΜΕΚ, είναι περιστροφικές μηχανές, που αντιστοιχούν στους ατμοστρόβιλους. Οι αεριοστρόβιλοι κινητήρες μοιάζουν ως προς τον τρόπο λειτουργίας, με τους ατμοστρόβιλους, διαφέρουν όμως απ` αυτούς ως προς την εργαζόμενη ουσία που χρησιμοποιούν. Στους ατμοστρόβιλους είναι νερό ή ατμός, ενώ στους αεριοστρόβιλους χρησιμοποιείται, είτε αέρας, ο οποίος με την καύση μετατρέπεται σε καυσαέρια υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας, που ενεργούν σε ανοικτό κύκλωμα λειτουργίας, είτε πάλι ατμοσφαιρικός αέρας ή κάποιο άλλο αέριο, παράδειγμα αργό, κρυπτό, ξένο ή άλλο από τα λεγόμενα αδρανή αέρια, σε υψηλές επίσης πιέσεις και θερμοκρασίες, που ενεργεί σε κλειστό κύκλωμα αντίστοιχα. Γενικά ο κινητήρας αεριώθησης παράγει προωθητική δύναμη (ώση, thrust), προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, εξαναγκάζοντας μια μάζα αερίων να κινηθεί, ως προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εφαρμόζει τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα (νόμος δράσης-αντίδρασης) που αναφέρει ότι οι δυνάμεις που εξασκούνται από την αλληλεπίδραση δύο σωμάτων, είναι πάντα ίσες κατά μέτρο και αντίθετες κατά φορά, δηλαδή για τη δράση κάθε δύναμης υπάρχει μία ίση και αντίθετη (F 1 = F 2 ). Σ` αυτόν το νομό στηρίχθηκε η αρχή διατήρηση της ορμής. Στους κινητήρες αεριώθησης ως δράση θεωρούμε, τη δύναμη που εξασκείται σε μια μάζα προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα του αεροσκάφους. Ως αντίδραση στην έξοδο της μάζας αυτής, ενεργεί μία δύναμη (ώση) προς το εμπρόσθιο τμήμα του κινητήρα και του αεροσκάφους. Το μέγεθος της δύναμης αυτής εξαρτάται από την ποσότητα της μάζας αερίου (ή αέρα), που εισέρχεται στον κινητήρα και το βαθμό της επιτάχυνσης που θα αποκτήσουν τα εξερχόμενα αέρια. Για την καλύτερη κατανόηση της αρχής δράσης αντίδρασης και της αεριώθησης, ας θεωρηθεί ένα μπαλόνι γεμάτο αέρα με το στόμιο του κλειστό (εικόνα 1.1), που ο αέρας στο εσωτερικό του είναι υπό πίεση, με αποτέλεσμα να πιέζονται ομοιόμορφα και σε όλες τις κατευθύνσεις τα τοιχώματα του μπαλονιού. 19

22 Έτσι δεν ασκείται κάποια δύναμη που θα μπορούσε να κινήσει το μπαλόνι. Στη συνέχεια απελευθερώνοντας το στόμιο του μπαλονιού, αυτό χάνει αέρα και με μία σύντομη πτήση καταλήγει στο έδαφος. Μετά την ελευθέρωση του στομίου η δύναμη αντίθετης κατεύθυνσης που εφαρμοζόταν στο στόμιο δεν εξισορροπείται, με αποτέλεσμα μία δύναμη να εξασκείται από τα τοιχώματα του μπαλονιού στον αέρα που περιέχει. Αυτή η δύναμη είναι ίση και αντίθετη προς αυτήν που εξασκεί ο αέρας στα τοιχώματα κι εξαναγκάζει τον αέρα να εξέλθει από το στόμιο του μπαλονιού, ενώ αυτό κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Κατ` αυτόν τον τρόπο λειτουργούν οι κινητήρες αεριώθησης, μια μάζα αέρα εισέρχεται στο κινητήρα από την εισαγωγή με συγκεκριμένη ταχύτητα και μετά την καύση τα καυσαέρια εξέρχονται από την εξαγωγή με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα. Εικόνα 1.1 Αέρας υποπίεση πριν την απελευθέρωση στο εσωτερικό του μπαλονιού και μετά. Για να επιτευχθούν μεγάλα και σταθερά μεγέθη παραγωγής ώσης, θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα συμπιεστής (Compressor). Ο συμπιεστής για να λειτουργήσει, θα πρέπει να συνδεθεί μέσω ενός άξονα, μ` ένα στρόβιλο. Αυτός απαιτεί καύσιμο για την περιστροφή του. Ο αέρας που εξέρχεται από το συμπιεστή αναμειγνύεται με το καύσιμο και τα παραγόμενα καυσαέρια περιστρέφουν το στρόβιλο. Με την αύξηση παροχής συμπιεσμένου αέρα, επιτυγχάνεται η αύξηση της παραγόμενης ισχύος (ώσης). Δηλαδή επιγραμματικά τα κυριότερα μέρη ενός κινητήρα αεριώθησης είναι ο συμπιεστής (Compressor), ο θάλαμος καύσης (Combustion Chamber) και ο στρόβιλος (τουρμπίνα, turbine). Ωστόσο θα πρέπει να επισημανθεί μία κοινή λανθασμένη εντύπωση, που αναφέρει ότι καυσαέρια ωθούν τον αέρα πίσω από τον κινητήρα, για να κινήσουν το αεροσκάφος αντίθετα, πράγμα που δεν συμβαίνει. Η ώση προέρχεται από τις δυνάμεις, που ασκούν τα καυσαέρια μέσα στον κινητήρα. Αυτά εκτονώνονται και πιέζουν τα πλαϊνά τοιχώματα και το εμπρόσθιο μέρος του. Στο πίσω μέρος υπάρχει 20

23 απλά μία οπή στην οποία δεν ασκείται καμία δύναμη, δηλαδή ο κινητήρας κινείται προς την κατεύθυνση της δύναμης που δεν εξισορροπείται. 1.2 Ώση Όπως έχει είδη αναφερθεί, ώση είναι μία δύναμη αντίδρασης που κινεί το αεροσκάφος. Οι μονάδες μέτρησης είναι kp, pounds ή lbf. Σύμφωνα με το δεύτερο νόμο του Νεύτωνα, η ώση εξαρτάται από την επιτάχυνση της μάζας των αερίων. Για να γίνει πιο κατανοητό, ένας κινητήρας αεριώθησης δίνει μεγάλη επιτάχυνση σε σχετικά μικρή μάζα αέρα, ενώ ένας ελικοφόρος κινητήρας δίνει μικρή επιτάχυνση. Δηλαδή η ποσότητα του αέρα και των καυσαερίων που επιταχύνονται, καθώς και το μέγεθος της επιτάχυνσης ή της τελικής ταχύτητας και η διαφορά πίεσης των εξερχομένων καυσαερίων από την ατμοσφαιρική καθορίζουν την παραγόμενη ώση. Η στατική ώση (static thrust, gross thrust) ή μικτή ώση είναι η ποσότητα της ώσης που παράγει ένας κινητήρας, όταν το αεροσκάφος βρίσκεται ακίνητο στο έδαφος. Καθαρή ώση (net thrust) είναι η ώση που παράγεται κατά την διάρκεια της πτήσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ώση του κινητήρα αεριώθησης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. a) Τους λειτουργικούς, δηλαδή αυτούς που σχετίζονται με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα. b) Τους περιβαλλοντικούς, δηλαδή αυτούς που έχουν σχέση με τις συνθήκες του περιβάλλοντος της πτήσης Λειτουργικοί παράγοντες Οι λειτουργική παράγοντες που επηρεάζουν την ώση ενός κινητήρα αεριώθησης είναι οι εξής: Αριθμός στροφών λειτουργίας. Είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για τη δημιουργία της ώσης. Καθορίζει τη ποσότητα της μάζας αέρα που εισέρχεται στο κινητήρα, που είναι ανάλογη της παραγόμενης ώσης. 21

24 Εισαγωγή αέρα. Είναι το μέγεθος και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αγωγού εισαγωγής, η ποσότητα του ρεύματος αέρα επηρεάζει ανάλογα την ώση. Ροή καυσίμου. Όσο αυξάνεται η παροχή καυσίμου στο κινητήρα, επιτυγχάνεται η αύξηση του αριθμού στροφών, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ώση. Απαγωγή ποσότητα αέρα συμπίεσης. Αυτή επιτυγχάνεται με την χρήση ειδικής βαλβίδας. Η μείωση του συμπιεσμένου αέρα, έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της παραγόμενης ώσης. Θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία των καυσαερίων τόση περισσότερη ενέργεια απορροφάται από τον στρόβιλο, αποτέλεσμα να αυξάνονται οι στροφές του συμπιεστή, αύξηση στην παροχή του εισερχόμενου αέρα και τελικά την παραγωγή μεγαλύτερης ώσης. Έγχυση νερού στον αγωγό εισαγωγής αέρα στον κινητήρα. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται η πυκνότητα και η μάζα του εισερχόμενου αέρα και μαζί με την μεγαλύτερη παροχή καυσίμου, αυξάνεται το μίγμα αέρας-καύσιμο, με αποτέλεσμα την αύξηση της ώσης. Ταχύτητα του αεροσκάφους. Κατά την επιτάχυνση του αεροσκάφους από μηδενική ταχύτητα, προκαλείται μείωση της παραγόμενης ώσης από τον κινητήρα, Στην πορεία ώμος λόγο αναρρόφησης μεγαλύτερης ποσότητας αέρα (ram effect) και την αύξηση της ταχύτητας αναστρέφεται η προηγούμενη σχέση, με αποτέλεσμα την αύξηση της ώσης Περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες που επηρεάζουν την παραγόμενη ώση, στη διάρκεια της πτήσης είναι: Θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα. Η αύξηση της θερμοκρασίας συνεπάγεται, αραίωση του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα, με συνέπια μείωση της παραγόμενης ώσης. Πίεση περιβάλλοντος αέρα. Η μείωση της πίεσης του περιβάλλοντος αέρα, αντιστοιχεί σε χαμηλότερες πυκνότητες αέρα, με αποτέλεσμα μείωση της ώσης. Η πίεση του περιβάλλοντος αέρα είναι ανάλογη του ύψους, που η πτήση του αεροσκάφους (έως ένα όριο). 22

25 1.3 Τύποι αεριωθητών Γενικά Υπάρχουν διάφοροι τύποι κινητήρων αεριώθησης. Όλοι τους χρησιμοποιούν το ίδιο τρόπο παραγωγής ώσης, δηλαδή επιταχύνουν μάζες αεριών στο εσωτερικό τους. Οι τύποι αυτοί είναι: ο πύραυλος, ο αθόδυλος ή αυλωθήτης, ο παλμικό αθόδυλος ή παλμοθήτης, ο αεριοστρόβιλος, ο στοβιλο-αθόδυλος και πυραυλοστρόβιλος. Όλοι οι τύποι με εξέρεση τον πύραυλο, χρησιμοποιούν τον ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση του καυσίμου. Πιο αναλυτικά τα καυσαέρια εξωθούνται στο οπίσθιο μέρος του κινητήρα και ανάλογα με το είδος του, τμήμα της παραγόμενης ενέργειας χρησιμοποιείται για την περιστροφή του στροβίλου (turbo) και με τη σειρά του ο στρόβιλος δίνει κίνηση σε άξονες, έλικες, ανεμιστήρες Ο πύραυλος (rocket) Ο πύραυλος είναι ο μόνος αεριωθούμενος κινητήρας που δεν χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση (εικόνα 1.2). Στο εσωτερικό του φέρει φιάλες οξυγόνου ή άλλου οξειδωτικού μέσου που αναμειγνύεται με το καύσιμο, ώστε να παραχθεί η απαραίτητη ποσότητα καυσαερίων, ικανή για να κινήσει το πύραυλο. Μ` αυτόν τον τρόπο έχει τη δυνατότητα να μπορεί να κινηθεί σε οποιοδήποτε ύψος, καθώς και εκτός των ορίων της ατμόσφαιρας. Οι πύραυλοι διακρίνονται σύμφωνα με το καύσιμο σε: Υγρών καυσίμων, στο πρώτο τύπο το συνήθης καύσιμο μίγμα είναι η υδραζίνη (N 2 H 4 ) και το οξυγόνο (Ο 2 ) ή υδραζίνης και νιτρικού οξέος (ΗΝΟ 3 ). Στερεών καυσίμων, που έχει αντικαταστήσει τον πύραυλο υγρών καυσίμων σε αρκετές εφαρμογές, όπως η κίνηση βλημάτων, διαστημικών οχημάτων και η παροχή περίσσειας ισχύος σε αεροσκάφη κατά την απογείωση. Το καύσιμο που χρησιμοποιείται συνήθως είναι βαλιστίτης, αναμειγμένος με οξειδωτικό. 23

26 Εικόνα 1.2 Σχηματικό διάγραμμα πυραύλου V Αθόδυλος (ram jet) Ο αθόδυλος ονομάζεται αλλιώς αερο-θερμοδυναμικός αυλός (aerothermodynamic duct) και είναι ο πιο απλός κινητήρας ως προς τη λειτουργία του (εικόνα 1.3). Αποτελείται από τους ψεκαστήρες, το μετρητή καυσίμου και τους συγκράτητες της φλόγας, που βρίσκονται μέσα σε ένα σωλήνα με αποκλίνουσα εισαγωγή και αποκλίνουσα-συγκλίνουσα ή απλά συγκλίνουσα εξαγωγή. Η απουσία περιστρεφόμενου συμπιεστή, έχει αποτέλεσμα τη μη επαρκή ποσότητα παροχής αέρα σε χαμηλές ταχύτητες, οπότε για να είναι σε θέση να παράγει ώση θα πρέπει να κινηθεί με υψηλές ταχύτητες (ram effect). 24

27 Ο αθόδυλος κινητήρας είναι ο πιο αποδοτικός σε ταχύτητες 3000 km/h και άνω. Αυτή η ιδιομορφία του τον καθιστά κατάλληλο για την τοποθέτηση σε αεροσκάφος ή πύραυλο, ώστε στη συνέχεια να υποβοηθά με την ώση που παράγει το φορέα ή να αποσπάται από αυτόν και να προωθεί άλλο αεροσκάφος ή κάποιο βλήμα. Εικόνα 1.3 Ένας από τους δύο Ramjet κινητήρες ενός πύραυλου bloodhound στο βιομηχανικό μουσείο του Bristol Παλμικός αθόδυλος (Pulse jet) Η διαφορά του παλμικού αθόδυλου από τον αθόδυλο, είναι μόνο στην κατασκευή της εισαγωγής. Στην εισαγωγή τοποθετούνται βαλβίδες, που με τη βοήθεια ελατηρίων παραμένουν σε ανοικτή θέση. Μ` αυτό τον τρόπο ο αέρας εισέρχεται στο θάλαμο καύσης, αναμειγνύεται με το καύσιμο και στη συνέχεια το μείγμα αέρα-καυσίμου αναφλέγεται. Τα παραγόμενα καυσαέρια εκτονώνονται και κλείνουν της βαλβίδες εισαγωγής, με αποτέλεσμα την παραγωγή, μετά την εκτόνωση των καυσαερίων από το πίσω μέρος, οι βαλβίδες εισαγωγής ξανανοίγουν και ο κύκλος λειτουργίας επαναλαμβάνεται. 25

28 Αντίθετα με τον αθόδυλο που η παραγωγή ισχύος είναι συνεχής, στον παλμικό αθόδυλο είναι διακεκομμένη. Η λειτουργία του είναι θορυβώδης κι έχει μικρή απόδοση, όμως έχει τη δυνατότητα να λειτουργήσει από ακινησία. Χρησιμοποιήθηκε από τη Γερμανική αεροπορία, με επιτυχία κατά το 2 ο παγκόσμιο πόλεμο (εικόνα 1.4). Εικόνα.1.4 Pulse Jet κινητήρας του V-1 βομβαρδιστικού στο βασιλικό μουσείο πολεμικής αεροπορίας του Λονδίνου Αεριοστρόβιλος (gas turbine engine) Γενικά Ο αεροστρόβιλος είναι ο πιο αποτελεσματικός κινητήρας αεριώθησης που βρίσκεται σε χρήση στη σύγχρονη εποχή. Χρησιμοποιείται σ` επιβατικά, εμπορικά και πολεμικά αεροσκάφη. Βασικά του μέρη είναι η εισαγωγή, ο συμπιεστής, ο θάλαμος καύσης, ο στρόβιλος και ο άξονας που στηρίζονται τα κινητά μέρη και η εξαγωγή (εικόνα 1.5). 26

29 Εικόνα 1.5 Βασικά μέρη αεριοστρόβιλου. Η εισαγωγή με το συμπιεστή αποτελούν το ψυχρό τμήμα του κινητήρα, ενώ ο θάλαμος καύσης, ο στρόβιλος και η εξαγωγή το θερμό τμήμα του αεριοστρόβιλου. Ο αέρας από την εισαγωγή εισέρχεται στο συμπιεστή, εκεί ο αέρας συμπιέζεται και στέλνεται στο θάλαμο, αναμειγνύεται με το εγχυόμενο καύσιμο κι επιτυγχάνεται η καύση, τα παραγόμενα θερμά καυσαέρια εκτονώνονται προς εξαγωγή, στη διαδρομή τους προκαλούν την περιστροφή του στροβίλου, που συνδέεται με κοινό άξονα με τον συμπιεστή, στη συνέχεια συνεχίζουν την εκτόνωση στο ακροφύσιο της εξαγωγής και τέλος εξέρχονται από τον αεριοστρόβιλο έχοντας πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα απ` αυτήν του εισερχόμενου αέρα, Η διαφορά μεταξύ των δύο ταχυτήτων προκαλεί την παραγόμενη ώση. Στον αεριοστρόβιλο η παραγόμενη ισχύς, είναι ανάλογη με το ποσό της θερμότητας που παράγεται κατά την καύση του μίγματος αέρα-καυσίμου. Η θερμότητα που εκλύεται είναι αδύνατο να μετρηθεί, αλλά μπορεί να υπολογιστεί, από τρείς άλλες γνωστές παραμέτρους τη θερμοκρασία, τη μάζα (ή το βάρος) και την ειδική θερμότητα. Η εξάρτηση του ρόλου της θερμότητας από τη θερμοκρασία, μπορεί να γίνει αντιληπτή από το παρακάτω παράδειγμα. Έστω ένας αεροστρόβιλος με κατανάλωση καυσίμου δέκα φόρες μεγαλύτερη από έναν άλλο μικρότερο, που λειτουργούν και οι δύο με την ίδια θερμοκρασία εισόδου των καυσαερίων στο στρόβιλο. Όμως ο μεγαλύτερος λόγω της μεγαλύτερης καύσης καυσίμου είναι σε θέση να εκλύει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας και μπορεί να αποδόσει δέκα φορές μεγαλύτερη ισχύ. Όποτε μπορούμε να οδηγηθούμε στο συμπέρασμα ότι η αύξηση θερμοκρασίας της καύσης προκαλεί μεγαλύτερη εκτόνωση των καυσαερίων, με αποτέλεσμα τη παραγωγή μεγαλύτερης 27

30 ώσης. Από την άλλη πλευρά δεν μπορούμε να παραβλέψουμε τον περιορισμό αντοχής των υλικών κατασκευής του θαλάμου καύσης και του στροβίλου, όπως μπορούμε να έχουμε την κατάλληλη παροχή οξειδωτικού (παροχή αέρα). Οι αεριοστρόβιλοι κινητήρες διακρίνονται σε τέσσερεις διαφορετικούς τύπους, όλοι τους αποτελούνται από τα βασικά μέρη που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η διαφοροποίησή τους είναι ανάλογα με τον τύπο και τη διάταξη των βασικών τους μερών Τύποι αεριοστρόβιλων. a. Στροβιλοαντιδραστήρας (Turbojet engine). Ο στροβιλοαντιδραστήρας αποτελεί μια απλή μορφή αεριοστρόβιλου κινητήρα (εικόνα 1.6), η αρχή λειτουργίας του οποίου είναι παρόμοια με αυτήν που αναφέρθηκε παραπάνω. Εκμεταλλεύεται την ταχύτητα των καυσαερίων που αναπτύσσεται στην εξαγωγή του, για την παραγωγή ώσης. Η πιο χαρακτηριστική παράμετρος του είναι ο λόγος συμπίεσης ή λόγος πίεσης του κινητήρα (engine pressure ratio). Αυτό το μέγεθος είναι ο λόγος της πίεσης των εξαγόμενων καυσαερίων προς την πίεση του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα, η τιμή του μπορεί να δώσει ένδειξη για την παραγόμενη ώση για μία συγκεκριμένη ισχύ. Εικόνα 1.6 Στροβιλοαντιδραστήρας σε τομή. 28

31 Το μειονέκτημα του στροβιλοαντιδραστήρα είναι ότι στις χαμηλές ταχύτητες πτήσεις η ώση που παράγεται είναι αναλογικά μικρή. Ο λόγος είναι η απαίτηση ικανοποιητικής πίεσης εισαγωγή αέρα (ram effect) στο συμπιεστή. Για τον λόγο αυτό όσα αεροσκάφη φέρουν στροβιλοαντιδραστήρα θέλουν περισσότερο χρόνο ν` απογειωθούν, μέχρι να πιάσουν ικανοποιητική πίεση εισαγωγής. Ακόμα η αυξημένη κατανάλωση καυσίμου αποτελεί έναν μη ελκυστικό παράγοντα (εικόνα 1.7). Εικόνα 1.7 Ροή αέρα και βασικά μέρη στροβιλοαντιδραστήρα. Τέλος, σε σίγκριση με έναν ελικοφόρο, ο στροβιλοαντιδραστήρας παρουσιάζει μικρότερη απόδοση σε ταχύτητες πτήσης κάτω των 750 km/h. Στην πορεία όμως οι νέοι τύποι στροβιλοαντιδραστήρων που αναπτύχθηκαν είναι πιο αποτελεσματική σε αυτό το εύρος ταχυτήτων. b. Ελικοστρόβιλος (turboprop engine) Ο ελικοστρόβιλος κινητήρας έχει ευρεία εφαρμογή. Ουσιαστικά είναι ένας στροβιλοαντιδαστήρας, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιείται ένα σύστημα γραναζιών σαν μειωτήρας στροφών, ώστε να δώσει κίνηση σ` έναν έλικα και στη συνέχεια να πάει ο αέρας στο συμπιεστή. Πρέπει ν` αναφερθεί ότι ο μειωτήρας στροφών είναι απαραίτητος, καθώς η μέγιστη απόδοση της έλικας επιτυγχάνεται σε πολύ μικρές στροφές σε σχέση, μ` αυτές του κινητήρα, όταν είναι σε λειτουργία. Η ενέργεια καυσαερίων ενός ελικοστρόβιλου κινητήρα αποδίδεται 90% ως ισχύ στον άξονα που κινεί τον έλικα και το υπόλοιπο 10% των καυσαερίων γίνεται ώση. Σε 29

32 ορισμένους ελικοστρόβιλους η κίνηση του έλικα, δίνεται από ξεχωριστό στρόβιλο ή ελεύθερο στρόβιλο (free turbine ή power turbine), που είναι συνδεδεμένος με ξεχωριστό άξονα στο μειωτήρα στροφών. Τα άλλα μέρη συμπιεστής, θάλαμος καύσης και στρόβιλος καυσαερίων, παρέχουν τα καυσαέρια σε υψηλή ενέργεια για την περιστροφή του ελεύθερου στροβίλου (εικόνα 1.8). Εικόνα 1.8 Ροή αέρα και βασικά μέρη Ελικοστρόβιλου κινητήρα. Το μεγάλο πλεονέκτημα του ελικοστρόβιλου κινητήρα είναι η καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου, σε σχέση με τους άλλους αεριοστρόβιλους κινητήρες. Διότι ο έλικας επιτυγχάνει τη ροή μεγαλύτερων μαζών αέρα, σε χαμηλές ταχύτητες, με αποτέλεσμα το αεροσκάφος ν` είναι σε θέση να απογειωθεί νωρίτερα. Ακόμα η απόδοση του είναι ικανοποιητική σε μεγάλα ύψη πτήσεων (6.000 m). Από την άλλη πλευρά όταν αυξάνεται η ταχύτητα (άνω των 650 km/h) και το ύψος πτήσεις (άνω των 7.000m), το παραπάνω πλεονέκτημα αρχίζει να μην υφίσταται. Επίσης η πολυπλοκότητα στη κατασκευή του και το βάρος τον κάνουν μη ελκυστικό από ένα στροβιλοαντιδραστήρα ανάλογης ώσης. c. Αξονοστόβιλος (turboshaft engine) Αυτός ο τύπος αεροστροβίλου είναι ιδιαίτερα αποδοτικός όταν το αεροσκάφος κινείται με μικρές, ως προς το έδαφος ταχύτητες (εικόνα 1.9). 30

33 Εικόνα 1.9 Διάγραμμα απλουστευμένης μορφής κινητήρα turboshaft Ο αξονοστρόβιλος δίνει σχεδόν όλη την ισχύ στον άξονα κι ελάχιστη στη παραγωγή ώσης, περίπου όπως συμβαίνει στον ελικοστρόβιλο. Η διαφορά στον αξονοστρόβιλο είναι η σύνδεση του ελεύθερου στροβίλου (free power turbine) με τον άξονα στροφείου (power shaft) ενός ελικοπτέρου. Εικόνα 1.10 Κινητήρας αεροσκάφους F-35 Ακόμα ο κινητήρας αυτός χρησιμοποιείται και ως εναλλακτικό μέσο παραγωγής ισχύος (Auxiliary Power Unit, APU) σ` ένα αεροσκάφος. Η έξοδος του αξονοστρόβιλου ορίζεται από την παραγόμενη ισχύ στον άξονα (αξονική ισχύ) του 31

34 ελεύθερου στροβίλου. Πέρα από τις αεροπορικές εφαρμογές, η φιλοσοφία του ελεύθερου στροβίλου έχει εφαρμοστεί, σε πλοία, αυτοκίνητα, ηλεκτρογεννήτριες. d. Στροβιλοανεμιστήρας (Turbofan engine). Εικόνα 1.11 Στροβιλοανεμιστήρας σε τομή. Ο στροβιλοανεμιστήρας (εικόνες 1.11 & 1.12) είναι ένας συνδυασμός του στροβιλοαντιδραστήρα και του ελικοστρόβιλου. Χάρις στην κατασκευή του καταφέρνει ν` αναβαπτίζει σε μεγάλα ύψη υψηλές ταχύτητες πτήσης, ενώ παράλληλα δεν απαιτεί μεγάλο διάδρομο απογείωσης. Ακόμα ο περιορισμός της ταχύτητας πτήσης του ελικοστρόβιλου στα km/h δεν ισχεί στην περίπτωση του στροβιλοανεμιστήρα, καθώς τα πτερύγια του ανεμιστήρα είναι σχεδιασμένα, ώστε να μην επηρεάζονται από την ταχύτητα του αεροσκάφους. Εικόνα 1.12 Βασικά μέρη στροβιλοανεμιστήρα. 32

35 Σημαντικά πλεονεκτήματα θεωρούνται η αυξημένη παραγόμενη ισχύ ανά μονάδα βάρους, η μικρή ειδική κατανάλωση καυσίμου και ο μειωμένος θόρυβος κατά τη απογείωση και την προσγείωση. Τεχνικά ο στροβιλοανεμιστήρας είναι ένας ελικοστρόβιλος κινητήρας με τον έλικα (FAN) να βρίσκεται μέσα στο εμπρόσθιο ή στο οπίσθιο τμήμα του (εικόνα 1.13) Εικόνα 1.13 Θέσεις του ανεμιστήρα στο στροβιλοανεμιστήρα Η ροή του αέρα στην εισαγωγή του στροβιλοανεμιστήρα χωρίζεται σε θερμό και ψυχρό ρεύμα. Το θερμό ρεύμα διέρχεται μέσα από τον κινητήρα κατά τα γνωστά, το ψυχρό ρεύμα περνά περιμετρικά του σώματος του κινητήρα, με την ίδια αξονική διεύθυνση (ροή παράκαμψης bypass). Ο ανεμιστήρας επιταχύνει τον ψυχρό αέρα στο οπίσθιο τμήμα του κινητήρα, χωρίς αυτός ν` αναμειγνύεται με το καύσιμο και να καίγεται. Κατ` αυτόν τον τρόπο παράγεται η ώση που προστίθεται στην συνολική ώση του κινητήρα. Το ψυχρό ρεύμα αέρα συνεισφέρει στο 80% τις παραγόμενης ώσης. Ο λόγος του ψυχρού ρεύματος προς το θερμό ρεύμα ονομάζεται λόγος παράκαμψης (bypass ratio) και είναι χαρακτηριστικό του στροβιλοανεμιστήρα. Οι τιμές του είναι μεταξύ 2:1 έως 10:1. Ανάλογα με τις τιμές του λόγου, ένας στροβιλοανεμιστήρας χαρακτηρίζεται ως υψηλού ή χαμηλού λόγου παράκαμψης, όπως φαίνεται αντίστοιχα στην παρακάτω εικόνα. 33

36 Εικόνα 1.14 Στροβιλοανεμιστήρας χαμηλού και υψηλού λόγου παράκαμψης. Η έξοδος του ψυχρού αέρα από έναν ειδικό αγωγό (duct), που βρίσκεται περιφερειακά του κυρίου σώματος του κινητήρα. Το μήκος του αγωγού είναι μικρό, στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιείται ανεμιστήρας μεγάλης διατομής (εικόνα 1.15). Κ 1.15 Έξοδος αέρα παράκαμψης από αγωγό (Α) μικρού και (Β) μεγάλου μήκους. Στη σύγχρονη εποχή οι στροβιλοανεμιστήρες θεωρούνται ως οι πιο αξιόλογοι τύποι κινητήρων αεριώθησης για μεγάλα αεροσκάφη. 34

37 e. Στρόβιλος-αθόδυλος (turbo ramjet) Ο turbo ramjet (εικόνα 1.16) είναι συνδυασμός του στροβιλοαντιδραστήρα και του αθόδυλου κινητήρα. Αποτελείται από τον αγωγό μεταβλητού ανοίγματος εισαγωγής, το μετακαυστήρα και το ακροφύσιο μεταβλητής διατομής Εικόνα 1.16 διάταξη turbo ramjet Κατά την απογείωση και την προσγείωση του αεροσκάφους ο κινητήρας λειτουργεί, σαν στροβιλοαντιδραστήρας με μετακαυστήρα. Η μετάκαυση πραγματοποιείται με την έκχυση καυσίμου, στο χώρο μεταξύ στροβίλου και εξαγωγής. Το δε καύσιμο καίγεται μετά την ανάμειξη του με τα καυσαέρια, η συγκεκριμένη μέθοδος χρησιμοποιείται για την αύξηση της ώσης. Όταν το αεροσκάφος φτάσει σε ταχύτητες τριπλάσιες απο αυτή του ήχου (3 Mach), όπου ο στροβιλοαντιδραστήρας έχει καλή απόδοση, λειτουργεί χωρίς τη βοήθεια του μετακαυστήρα και όταν η ταχύτητα υπερβεί τα 3 Mach, τότε ο στροβιλοαντιδραστήρας σταματά να λειτουργεί, η ροή του αέρα κατευθύνεται στο μετακαυστήρα και η λειτουργία του κινητήρα είναι ίδια με αυτή του αθόδυλου (εικόνα 1.17). 35

38 Εικόνα 1.17 Ροή του αέρα σε διάφορες ταχύτητες (Mach) f. Πυραυλοστρόβιλος (turbo rocket) Είναι η εναλλακτική λύση του στρόβιλο-αθόδυλου. Ο πυραυλοστρόβιλος (εικόνα 1.17) δεν χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση, γι` αυτό φέρει φιάλες με υγρό οξυγόνο. Ο κινητήρας αποτελείται από έναν πολυβάθμιο στρόβιλο, μεταφέροντας κίνηση σ` ένα συμπιεστή χαμηλής πίεσης. Ο στρόβιλος κινείται με τα καυσαέρια της καύσης που παράγονται στο θάλαμο καύσης, από το μίγμα κηροζίνης και υγρού οξυγόνου. Το κυριότερο πλεονέκτημα του turbo rocket είναι ο μικρός του όγκος και το μικρό βάρος. Από την άλλη πλευρά παρουσιάζει υψηλή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Κυρίως χρησιμοποιείται όταν απαιτείται πτήση μικρής διάρκειας σε πολύ μεγάλα ύψη, έως m, ώστε να μην απαιτηθεί μεγάλη ποσότητα προωθητικής ύλης όπως στους πυραύλους (εικόνα 1.18). 36

39 Εικόνα 1.18 Πύραυλο-στρόβιλος (turbo rocket) Παλινδρομική κινητήρες και κινητήρες αεριώθησης. Στην αεροναυπηγική, ο τύπος κινητήρα που έχει επικρατήσει είναι ο αεροστρόβιλος, έχοντας περιορίσει σημαντικά τη χρήση των παλινδρομικών κινητήρων στις αεροπορικές εφαρμογές. Τα βασικά πλεονεκτήματα του αεροστρόβιλου έναντι των παλινδρομικών είναι: Το μικρότερος όγκος του και το μικρότερο βάρος. Η περιστροφική λειτουργιά του μειώνει της απώλειες λόγω τριβής και την πιθανότητα εμφανίσεις κραδασμών. Απλούστερη κατασκευή, που έχει σαν αποτέλεσμα την ευκολότερη συντήρηση και έλεγχό του. Ο αεροστρόβιλος κινητήρας έχει τη δυνατότητα επίτευξης διηχητικών και υπερηχητικών πτήσεων. Αν συγκρίνουμε με καθαρά λειτουργικά κριτήρια τα είδη αυτών των κινητήρων θα παρατηρήσουμε ότι οι αεριοστρόβιλοι κινητήρες επιτυγχάνουν πολύ μεγαλύτερους λόγους παραγόμενης ώσης ανά μονάδα βάρους από τους παλινδρομικούς (8 φορές μεγαλύτερος λόγος για το στροβιλοαντιδραστήρα και 5 φορές για τον ελικοστρόβιλο). Ακόμη από την ταχύτητα των 800 km/h και άνω, η απόδοση των ελικοφόρων αεροσκαφών με παλινδρομικό κινητήρα είναι σχεδόν μηδενική, εξαιτίας της αδυναμίας του έλικα να επιτυγχάνει ικανοποιητική ώση για 37

40 την πτήση, με αποτέλεσμα να επιβάλλεται η χρήση στροβιλοαντιδραστήρα ή στροβιλοανεμιστήρα. Συνοπτικά τα μειονεκτήματα των αεριοστρόβιλων κινητήρων είναι: Η αυξημένη ειδική κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με τους παλινδρομικούς κινητήρες, βέβαια η λειτουργία στροβιλοελικοφόρων με τις αρκετά μειωμένες τιμές ειδικής κατανάλωσης έχει εξισορροπήσει το συγκεκριμένο ζήτημα. Μεγάλο κόστος κατασκευής. Αυξημένος κίνδυνος ανεπανόρθωτης ζημίας σε ζωτικά μέρη λόγο της αναρρόφησης ξένων σωματιδίων κατά τη λειτουργία τους (foreign object damage, F.O.D.) Σύγκριση αεριοστρόβιλων με αθόδυλους και πυραύλους Ο αεριοστρόβιλος γενικά παρουσιάζει καλύτερη απόδοση και ικανοποιητικά λειτουργικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τον αθόδυλο και τον πύραυλο, στην περιοχή των σημερινών ταχυτήτων πτήσης. Πιο συγκεκριμένα ο αθόδυλος σε ταχύτητα έως 2,6 Mach εμφανίζει χαμηλότερη απόδοση από τον αεροστρόβιλο, ακόμα δεν έχει την δυνατότητα από μόνος του να εκκινήσει από μηδενική ταχύτητα, αλλά χρειάζεται τη συνδρομή κάποιου άλλου μέσου. Από την άλλη πλευρά είναι πιο απλός στην κατασκευή και έχει μικρότερο βάρος ανά μονάδα παραγόμενης ώσης. Ο πύραυλος έχει επίσης μεγάλη παραγωγή ώσης ανά μονάδα βάρους, όμως όπως και ο αθόδυλος έχει χαμηλότερη απόδοση από τον αεροστρόβιλο. Η επιπρόσθετη εγκατάσταση, για την αποθήκευση οξειδωτικού μέσου προσθέτει επιπλέον βάρος και όγκο στον κινητήρα. Επιπλέον μειονέκτημα είναι η αδυναμία του να μεταβάλει την παραγόμενη ώση, κατά την διάρκεια της πτήσης. Για αυτό το λόγο χρησιμοποιείται στις περιπτώσεις που απαιτείται συμπληρωματική ώση για σύντομο χρονικό διάστημα. Παρ` όλα αυτά είναι ο μοναδικός κινητήρας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την προώθηση βλημάτων και αεροσκαφών εκτός ατμόσφαιρας. 38

41 1.4 Χρήση κινητήρων αεριώθησης Η ταχύτατη εξέλιξή των κινητήρων αεριώθησης μετά τον 2 ο παγκόσμιο πόλεμο, είχε σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη πολλών τύπων κινητήρων αεριώθησης, με άμεση συνέπεια να κατακτήσουν σχεδόν όλους τους τομείς των αεροπορικών πτήσεων. Ο καθένας από αυτούς συγκεντρώνει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, που τον καθιστούν κατάλληλο για τη χρήση συγκεκριμένων τύπων αεροσκαφών. Συγκεκριμένα: Οι ελικοστρόβιλοι κινητήρες συνδυάζουν μικρό βάρος και υψηλή απόδοση πετυχαίνοντας πολύ καλή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Χρησιμοποιούνται για την κίνηση μεταφορικών αεροσκαφών μέσης και μεγάλης εμβέλειας, σε υψηλές υποηχητικές ταχύτητες. Το μέγιστο όριο ταχύτητας τους καθορίζεται από την απόδοση του έλικα. Οι στροβιλοαντιδραστήρες και στροβιλοανεμιστήρες χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη που κινούνται σε διηχητικές και υπερηχητικές ταχύτητες. Σε μικρότερες ταχύτητες χρησιμοποιούνται μόνο οι στροβιλοανεμιστήρες, που συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των ελικοστρόβιλων χωρίς να περιορίζονται από το σχεδιασμό του έλικα. Οι αεριοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται για την πτήση ελικοπτέρων, απαιτείται όμως ένα πολύπλοκο σύστημα μετάδοσης τις κίνησης και υποπολλαπλασιασμού των στροφών του κινητήρα για την κανονική λειτουργία του έλικα. Άλλη μια συνηθισμένη χρήση των αεριοστροβίλων είναι ως βοηθητική πηγή ενέργειας (APU: assistance power source). Κατά την παραμονή του αεροσκάφους στο έδαφος ή σε περίπτωση έκτατης ανάγκης, χρησιμοποιούν καύσιμο για να παρέχουν ενέργεια για οποιαδήποτε χρήση, παράδειγμα το σύστημα κλιματισμού. Τέλος, χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη κάθετης απογείωσης και προσγείωσης (αεριοστρόβιλοι ανύψωσης). 39

42 1.5 Σχεδίαση κατασκευή και υλικά κατασκευής. Η σχεδίαση μελέτη και κατασκευή ενός αεριωθούμενου κινητήρα είναι πολλή χρονοβόρα και απαιτεί μεγάλη προσοχή στους υπολογισμούς και σχολαστικό έλεγχο. Αν λάβουμε υπόψη την κατασκευή και τη δοκιμή του πρότυπου κινητήρα, ο χρόνος ανάπτυξης μπορεί να φτάσει τα δέκα χρόνια. Η ανάπτυξή του δεν σταματάει με την κατασκευή του τελικού προϊόντος, αλλά η λειτουργία και οι επιδόσεις του συνεχίζονται να παρακολουθούνται, ώστε να εξασφαλιστεί ο εντοπισμός δυσλειτουργιών που μπορεί να προκύψουν κατά τη διάρκεια ζωής του κινητήρα. Σ` όλη αυτή τη διαδικασία μεγάλο ρόλο παίζει το γεγονός, ότι η σχεδίαση του νέου κινητήρα βασίζεται στο προγενέστερο (ίδια οικογένεια κινητήρων όπως συνηθίζεται να λέγεται). Οι κινητήρες της ίδιας οικογένειας έχουν την ίδια βασική σχεδίαση, οπότε οι τεχνικοί υπεύθυνοι γνωρίζουν σε ποιους λειτουργικούς παράγοντες πρέπει να δώσουν προσοχή, κατά τα αρχικά στάδια λειτουργίας του νέου κινητήρα. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός νέου κινητήρα αεριώθησης θα πρέπει να συνδυάζονται τεχνικά θέματα αεροδυναμικής, θερμοδυναμικής και γενικής μηχανολογικής φύσης, Κάποια από αυτά είναι: Οι συνθήκες ροής του αέρα και των καυσαερίων κατά την πτήση. Οι υψηλοί βαθμοί συμπίεσης, στις βαθμίδες των συμπιεστών. Οι υψηλές θερμοκρασίες, που απαιτούν την ανάπτυξη και την βελτίωση μεθόδων απαγωγής θερμότητας και την εκλογή των κατάλληλων υλικών κατασκευής. Καταπονήσεις των μερών του κινητήρα, από αεροδυναμικές και φυγόκεντρες δυνάμεις. Υψηλές ταχύτητες περιστροφής και ταχύτητες ροής των αερίων, που απαιτούν βέλτιστες κατασκευαστικές ανοχές. Υψηλός βαθμός αξιοπιστίας των επιμέρους μερών του κινητήρα. Κάθε ένα από τα τμήματα του κινητήρα ελέγχεται μετά την κατασκευή του ξεχωριστά και, στη συνέχεια, ως μέρος του κινητήρα. Οι δοκιμές πραγματοποιούνται σε δοκιμαστήρια (test cells). Αυτά διαθέτουν τον απαραίτητο εξοπλισμό για να εξομοιώσουν την λειτουργία του κινητήρα σε συνθήκες όμοιες μ` αυτές που επικρατούν κατά τη διάρκεια της πτήσης ενός αεροσκάφους. Στη 40

43 συνέχεια πραγματοποιούνται οι μετρήσεις όλων των λειτουργικών μεγεθών που κρίνονται απαραίτητες για τη σωστή και ασφαλή λειτουργία του πρότυπου κινητήρα. Στην πορεία ο κινητήρας δοκιμάζεται επί του αεροσκάφους. Με το πέρας κάθε δοκιμής όλα τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, οι μετρήσεις, καθώς και τυχόν παρατηρήσεις καταγράφονται για κάθε έναν κινητήρα ξεχωριστά, ώστε να μπορούν να γίνει σύγκριση και αξιολόγηση. Για την επίτευξη βέλτιστης απόδοσης ενός κινητήρα αεριώθησης, κάτω από τις ιδιαίτερες συνθήκες λειτουργίας του, παρουσιάστηκε η ανάγκη χρησιμοποίησης υλικών ιδιαίτερα ανθεκτικών σ` αυτές. Τα υλικά αυτά απαιτείται να έχουν υψηλή αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, να έχουν υψηλό λόγο αντοχής ως προς το βάρος και να επιδεικνύουν ιδιαίτερη αντίσταση στην οξείδωση και τα υπόλοιπα είδη διάβρωσης. Για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί μία σειρά από βελτιωμένους χάλυβες, που για να αποκτήσουν τις βελτιωμένες ικανότητές τους υπόκεινται σε συγκεκριμένες διεργασίες, ώστε να βελτιώνονται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά τους. Ακόμα, έχουν δημιουργηθεί κράματα χαλύβων, με τη χρησιμοποίηση συγκεκριμένων στοιχείων που προσδίδουν στο χάλυβα τις ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για τη βέλτιστη μηχανική συμπεριφορά, κατά τη λειτουργία ενός κινητήρα αεριώθησης. Τα στοιχεία αυτά είναι ο χαλκός, το χρώμιο, το νικέλιο, το κοβάλτιο, το μαγνήσιο, το μολυβδαίνιο και το βολφράμιο. Η χρησιμοποίηση τον παραπάνω υλικών καθιστούν το κράμα βαρύ και οικονομικά ακριβό. Για τον λόγο αντικαθιστούνται από μη σιδηρούχα υλικά, παράδειγμα το αλουμίνιο ( και διάφορα σύνθετα υλικά). Αυτά είναι ιδιαίτερα οικονομικά και έχουν μικρό βάρος. Συνεχώς αναπτύσσονται νέες τεχνικές σχεδιάσεις και κτασκευής κινητήρων αεριώθησης, καθώς και η χρήση όλο πιο ανθεκτικών υλικών. Οι βελτιώσεις των κινητήρων εστιάζονται κυρίως: Στη βελτίωση της εδικής κατανάλωσης καυσίμου και του λόγου παραγόμενης ώσης ανά μονάδα βάρους, Στην αύξηση της παραγώμενης ώσης, του λόγου συμπίεσης και της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων, από το θάλαμο καύσης (χρησιμοποιώντας πιο ανθεκτικά υλικά κατασκευής του θαλάμου καύσης και του στροβίλου). Στη μείωση της στάθμης θορύβου λειτουργίας του κινητήρα, καθώς και στην εκπομπή καυσαερίων στην ατμόσφαιρα. 41

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΚΥΚΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΤΡΟΒΙΛΩΝ 2.1 Γενικά Ο αεριοστρόβιλος κινητήρας στον τρόπο λειτουργίας του παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με τον εμβολοφόρο κινητήρα. Οι δύο τύποι κινητήρων στηρίζουν τη λειτουργία τους, στην επιτάχυνση προς τα πίσω μίας μάζας αέρα. Ο έλικας του εμβολοφόρου κινητήρα προσδίδει μία μικρή επιτάχυνση σε μία μεγάλη μάζα αέρα. Αντίθετα, ο αεριοστρόβιλος κινητήρας δίνει μεγάλη επιτάχυνση σε μια μικρή μάζα αέρα. Η κίνηση του αεροσκάφους με τη χρήση εμβολοφόρου κινητήρα επιτυγχάνεται με τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων σε μηχανική ενέργεια, που χρησιμοποιείται για την περιστροφή του έλικα. Από την άλλη πλευρά, ο αεριοστρόβιλος κινητήρας παράγει προωθητική δύναμη και τη χρησιμοποιεί κατευθείαν. Οι κύκλοι λειτουργίας των δύο τύπων κινητήρων είναι οι ίδιες: στην εισαγωγή, την συμπίεση, την καύση, την εκτόνωση, και την εξαγωγή, όπως φαίνεται στη παρακάτω εικόνα 2.1. Εικόνα 2.1 Σύγκριση κύκλων λειτουργίας του αεριοστρόβιλου και του εμβολοφόρου κινητήρα. 42

45 Αξίζει να επισημανθεί, η πιο σημαντική διαφορά ανάμεσα στα δύο είδη κινητήρων. Στον εμβολοφόρο κινητήρα οι κύκλοι λειτουργίας πραγματοποιούνται διαδοχικά, η μια μετά την άλλη, επειδή το έμβολο συμμετέχει σε όλους. Αντίθετα, στον αεριοστρόβιλο, οι ίδιοι κύκλοι λειτουργίας πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και συνεχώς, από ένα εξάρτημα αποκλειστικά ο κάθε ένας. Με τον τρόπο αυτόν, ο αεριοστρόβιλος επιτυγχάνει, ομαλή λειτουργία και συνεχόμενη παραγωγή ισχύος 2.2 Θεωρητικός κύκλος λειτουργίας Ο κύκλος λειτουργίας του αεριοστρόβιλου κινητήρα στηρίζεται στο θερμοδυναμικό κύκλο του Μπράιτον (Brayton). Η ανάλυση των διαδικασιών του κύκλου στηρίζεται στον 1ο και 2ο νόμο της θερμοδυναμικής. Οι υποθέσεις πάνω στις οποίες στηρίζεται η λειτουργία του ιδανικού κύκλου είναι οι εξής: Οι διαδικασίες συμπίεσης και εκτόνωσης είναι αντιστρεπτές και αδιαβατικές, δηλαδή ισεντροπικές. Η μεταβολή της κινητικής ενέργειας του εργαζόμενου μέσου, μεταξύ εισόδου και εξόδου από κάθε συνιστώσα του κύκλου είναι αμελητέα. Σε κανένα σημείο του κύκλου δεν εμφανίζονται απώλειες πίεσης. Το εργαζόμενο μέσο είναι ιδανικό αέριο και διατηρεί την ίδια σύσταση μέσα στον κύκλου. Δεν υπάρχουν ενεργειακές απώλειες λόγω τριβών στα μηχανικά μέρη του συγκροτήματος. Ο κύκλος αυτός παρουσιάζει πολλές ομοιότητες, σε θεωρητικό επίπεδο, με τον κύκλο λειτουργίας ενός τετράχρονου εμβολοφόρου βενζινοκινητήρα. Έχοντας δεδομένη τη συγκρότηση του αεριοστρόβιλου, από την εισαγωγή, το συμπιεστή, το θάλαμο καύσης, το στρόβιλο και το ακροφύσιο εξαγωγής καυσαερίων, θα εξετάσουμε με περισσότερη λεπτομέρεια τις φάσεις του θεωρητικού κύκλου λειτουργίας του όπως φαίνονται στην παρακάτω εικόνα

46 Εικόνα 2.2 Διάγραμμα του κύκλου Μπράιτον σε συντεταγμένες p-v και T-s A. 1-2 Αδιαβατική συμπίεση. Ο αέρας εισάγεται μέσω της εισαγωγής στον κινητήρα. Αναρροφάται από το συμπιεστή, ο οποίος αυξάνει τη στατική του πίεση. Παράλληλα, αυξάνεται η θερμοκρασία και μειώνεται ο όγκος του. B. 2-3 Ισοβαρής καύση. Η μεταβολή αυτή παριστάνει τις αλλαγές που πραγματοποιούνται κατά την καύση του μείγματος αέρα καυσίμου στο θάλαμο καύσης υπό σταθερή πίεση. Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της πυκνότητας και την αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων, καθώς η διατομή του κινητήρα σ` αυτό το σημείο δεν μεταβάλλεται ουσιαστικά. C. 3-4 Αδιαβατική εκτόνωση. Τα καυσαέρια εξέρχονται από το θάλαμο καύσης. Περνούν από τα πτερύγια του στροβίλου. Η στατική πίεση και η θερμοκρασία τους μειώνεται, ενώ ο όγκος τους συνεχίζει να αυξάνεται. Ο στρόβιλος περιστρέφεται και παρέχει κίνηση στο συμπιεστή, μέσω του κοινού τους άξονα. Έτσι, μέρος της ισχύος των καυσαερίων προσφέρεται για τη διεργασία της συμπίεσης. D. 4-5 Αδιαβατική εκτόνωση. Στη συνέχεια, μετά το στρόβιλο, παρουσιάζεται μικρή αντίσταση στη ροή των καυσαερίων. Αυτά εκτονώνονται στο ακροφύσιο εξαγωγής, όπου δημιουργείται μεγάλη αύξηση της ταχύτητάς τους, με παράλληλη μείωση της πίεσης και της θερμοκρασίας τους. E. 4-1 Ισοβαρής αποβολή θερμότητας. Σ` αυτή τη φάση του διαγράμματος, τα καυσαέρια αποβάλλουν τη θερμότητά τους στην ατμόσφαιρα. Πλέον μπορεί να γίνει αντιληπτό, ότι βασική διαφορά μεταξύ του αεριοστρόβιλου και του εμβολοφόρου κινητήρα είναι, ότι στον πρώτο η καύση 44

47 πραγματοποιείται υπό σταθερή (ή σχεδόν σταθερή) πίεση, ενώ στον τετράχρονο εμβολοφόρο βενζινοκινητήρα, η διεργασία της καύσης είναι ισόχωρη. Οι πολύ υψηλές πιέσεις που αναπτύσσονται βοηθούν στην επίτευξη μεγάλης ποσότητας έργου από συγκεκριμένη ποσότητα καυσίμου, με αποτέλεσμα την υψηλή θερμική απόδοση του εμβολοφόρου κινητήρα. Οι πιέσεις λειτουργίας του αεριοστρόβιλου είναι σχετικά χαμηλές, οπότε κατασκευάζονται θάλαμοι καύσης χαμηλού βάρους και χρησιμοποιούνται καύσιμα με χαμηλό βαθμό οκτανίων. Όμως, η θερμική απόδοση του αεριοστρόβιλου περιορίζεται, από την ικανότητα του συμπιεστή ν` αναπτύξει υψηλό λόγο συμπίεσης, χωρίς παράλληλη υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα. Η επιφάνεια που σχηματίζεται από τον κύκλο του διαγράμματος ( ) παριστάνει το ωφέλιμο έργο που παράγεται από τον αεριοστρόβιλο κινητήρα. Η οποιαδήποτε αύξηση της επιφάνειας αυτής υποδηλώνει τη θυσία μεγαλύτερου ποσού ενέργειας προς παραγωγή έργου, και ώσης. Οι υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία του αεριοστρόβιλου απαιτούν τη χρήση ειδικών υλικών κατασκευής στο θερμό τμήμα του κινητήρα. Αν συγκριθούν οι κύκλοι λειτουργίας του αεροπορικού αεριοστρόβιλου και του αεριοστρόβιλου αξονικής ισχύος, παρατηρούμε ότι, στον πρώτο, ένα μέρος του συνόλου της αποδιδόμενης ισχύος παράγεται σαν αποτέλεσμα της εκτόνωσης σε ακροφύσιο πρόωσης (γραμμή 4-5). Ακόμη, στον υπολογισμό της απόδοσης του αεροπορικού αεριοστρόβιλου πρέπει να ληφθούν υπόψη τα αποτελέσματα της ταχύτητας του αεροσκάφους, καθώς και το ύψος που πραγματοποιείται η πτήση. 2.3 Κριτήρια λειτουργικής απόδοσης Αν θεωρήσουμε ότι η ποσότητα του καυσίμου στη σύνθεση των καυσαερίων είναι αμελητέα και συμβολίζοντας, ως: m τη παροχή της μάζας αέρα, V a την ταχύτητα του αεροσκάφους, V j την ταχύτητα απόρριψης των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα και F την παραγόμενη (καθαρή) ώση, τότε ισχύει: F = ( Δm Δt ) (V j V a ) (2-1) Στην περίπτωση όπου η πίεση των καυσαερίων (Pj) sτην έξοδό τους, από το ακροφύσιο εξαγωγής είναι μεγαλύτερη από την πίεση του εισερχόμενου αέρα στην εισαγωγή (P a ), τότε θα δημιουργηθεί επιπρόσθετη ώση πίεσης, στην επιφάνεια 45

48 εξόδου των καυσαερίων (Α j ). Επομένως η ολική ώση, ισούται με το άθροισμα της ώσης ορμής και της ώσης πίεσης: F = ( D m D t ) (V j V a ) + A j (P j P a ) (2-2) Αν θεωρήσουμε ότι η εκτόνωση των καυσαερίων είναι τέλεια (P j = P a ), τότε θα ισχύει μόνο η εξίσωση ((2-1)). Από αυτή φαίνεται ότι η απαιτούμενη ώση παρέχεται από έναν κινητήρα, ο οποίος θα λειτουργεί, με υψηλή ταχύτητα απόρριψης καυσαερίων και χαμηλή παροχή αέρα ή το αντίθετο. Απόδοση ώσης (ή πρόωσης) n p ορίζεται ο λόγος της ισχύος ώσης, ως προς το άθροισμα της ισχύος ώσης και της μη χρησιμοποιηθείσας κινητικής ενέργειας των καυσαερίων: n p = F V a 0.5 ( Dm Dt ) (V j 2 V a 2 ) = 2 V V a +V j (2-3) Σύμφωνα με την εξίσωση (2-3), η μέγιστη απόδοση ώσης επιτυγχάνεται στην περίπτωση, όπου οι δύο ταχύτητες τείνουν να γίνουν ίδιες, άρα δεν πρέπει να λαμβάνουν τιμές πολύ διαφορετικές, με την ταχύτητα των καυσαερίων πάντοτε μεγαλύτερη. Πρέπει να σημειωθεί ότι η απόδοση ώσης εκφράζει το μέτρο της αποτελεσματικότητας του ακροφυσίου εξαγωγής (που χρησιμοποιείται για την πρόωση του αεροσκάφους). Απόδοση μετατροπής ενέργειας n e ορίζεται, ως ο λόγος της κινητικής ενέργειας από τη διαφορά των ταχυτήτων καυσαερίων και αέρα εισαγωγής, προς το γινόμενο της παροχής καυσίμου επί την θερμογόνο δύναμη του καυσίμου. Η απόδοση μετατροπής ενέργειας είναι μέτρο του χρήσιμου έργου, που παράγεται από τον κινητήρα για να υπερνικηθούν οι αντιστάσεις κατά την πτήση. Η ολική απόδοση n ο ορίζεται ως ο λόγος του χρήσιμου έργου, προς την ενέργεια που εκλύεται από το παροχετευμένο καύσιμο. n o = n p n e (2-5) Σύμφωνα με τα παραπάνω η ολική απόδοση είναι άμεσα συνδεδεμένη με την ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα, δηλαδή την ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους. Η έννοια της ολικής απόδοσης μπορεί να συνδεθεί με τη γνωστή σε μας ειδική κατανάλωση καυσίμου s.f.c. (ανά μονάδα ώσης): n o = V a s.f.c Η σχέση (2-6) ισχύει για συγκεκριμένο καύσιμο. (2-6) 46

49 2.4 Πραγματικός κύκλος λειτουργίας Οι προϋποθέσεις λειτουργίας ενός αεριοστρόβιλου ώσης (αλλά και ισχύος) σύμφωνα με το θεωρητικό κύκλο του Μπράιτον δεν μπορούν να εκπληρωθούν. Οι λόγοι είναι: Τα παρελκόμενα συστήματα του κινητήρα (αντλία ελαίου, αντλία καυσίμου, γεννήτρια ρεύματος κλπ.) χρησιμοποιούν ένα ποσοστό από την παραγόμενη από τον στρόβιλο ενέργεια για τη λειτουργία τους. Η συμπίεση του εισερχόμενου ρεύματος αέρα στο συμπιεστή καθώς και η εκτόνωση των καυσαερίων στο στρόβιλο δεν είναι αδιαβατικές διαδικασίες. Υπάρχουν πάντα απώλειες θερμότητας. Η διαδικασία της καύσης δεν είναι ισοβαρής και η πίεση ελαττώνεται λόγο των αντιστάσεων στη ροή των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης. Η ενέργεια που υπολογίζεται θεωρητικά για την κίνηση του συμπιεστή από το στρόβιλο, είναι μικρότερη από αυτήν που απαιτείται πραγματικά. Πριν επεκταθούμε στην περιγραφή του πραγματικού κύκλου λειτουργίας, θα πρέπει ν` αναλύσουμε τις μορφές απώλειας ενέργειας που αναφέραμε παραπάνω, ώστε να κατανοήσουμε πως επηρεάζουν τη λειτουργία του πραγματικού κύκλου. A. Απώλειες στο συμπιεστή: Η ενέργεια που μεταφέρεται από το στρόβιλο στο συμπιεστή, διαμέσου του κοινού τους άξονα, μετατρέπεται σε μεγάλο μέρος της, σε θερμότητα λόγω τριβών, για αυτό η θερμοκρασία του συμπιεσμένου αέρα στο σημείο 2 είναι αρκετά μεγαλύτερη από αυτήν που υπολογίζεται θεωρητικά στο σημείο 2 (εικόνα 2.3). Εικόνα 2.3 Απώλειες συμπιεστής στο διάγραμμα Μπράιτον 47

50 Η απώλεια αυτή της ενέργειας υπολογίζεται από το βαθμό απόδοσης συμπίεσης. Αυτός ισούται με το λόγο του θεωρητικού έργου συμπίεσης προς το πραγματικό έργο συμπίεσης. Οι τιμές που λαμβάνει ο λόγος απόδοσης συμπίεσης κυμαίνονται από 0.80 έως B. Απώλειες στο θάλαμο καύσης: Κατά μήκος του θάλαμου καύσης παρουσιάζεται πτώση της πίεσης των καυσαερίων της τάξης του 10% (εικόνα 2.4 γραμμή 2-3). Η πτώση αυτή οφείλεται στις διατάξεις που τοποθετούνται στο θάλαμο καύσης, ώστε να επιτύχουν το βέλτιστο βαθμό ανάμιξης του εισερχόμενου αέρα με το καύσιμο. Εικόνα 2.4 Οι απώλειες στο θάλαμο καύσης όπως φαίνονται στο διάγραμμα Μπράιτον C. Απώλειες κατά την εκτόνωση: Λόγω των τριβών που αναπτύσσονται κατά την εκτόνωση των καυσαερίων στο στρόβιλο και το ακροφύσιο εξαγωγής, το παραγόμενο από αυτά έργο είναι μικρότερο από το θεωρητικό. Η θερμοκρασία μετά την εκτόνωση στο Σημείο 4, παίρνει τιμές μεγαλύτερες από τη θεωρητική στο σημείο 4 (εικόνα 2.5). Εικόνα 2.5 Απώλειες κατά την εκτόνωση 48

51 Οι απώλειες κατά την εκτόνωση υπολογίζονται από το βαθμό απόδοσης της εκτόνωσης. Αυτός ισούται με το λόγο του πραγματικού έργου εκτόνωσης προς το θεωρητικό. D. Μηχανικές απώλειες: Στη μεταφορά της ισχύος από το στρόβιλο στο συμπιεστή αναπτύσσονται τριβές στα έδρανα του κοινού τους άξονα, που αποτελούν περίπου το 1% της συνολικής ισχύος που μεταφέρεται. Ο μηχανικός βαθμός απόδοσης, είναι 99%. Εικόνα 2.6 Διάγραμμα πραγματικής λειτουργίας του κύκλου Μπράιτον σε συντεταγμένες P-V και T-S Τώρα μπορούμε να περιγράψουμε τον πραγματικό κύκλο λειτουργίας του αεριοστρόβιλου κινητήρα (εικόνα 2.6). Αρχικά, παρέχεται εξωτερική ισχύς με την εισαγωγή ρεύματος αέρα. Το ρεύμα αέρα συμπιέζεται, στο συμπιεστή, και οδηγείται προς το θάλαμο καύσης1. Εκεί, εγχέεται το καύσιμο από κατάλληλους εγχυτήρες σε υψηλή πίεση, με αποτέλεσμα την δημιουργία του καύσιμου μείγματος. Έπειτα ακολουθεί η ανάφλεξη του (κατά την εκκίνηση) μέσω σπινθήρα. Η θερμοκρασία της καύσης ανέρχεται έως τους C. Στη συνέχεια, η περίσσεια αέρα αναμιγνύεται με τα καυσαέρια και η θερμοκρασία μειώνεται στους C περίπου (η ποσότητά του αέρα είναι γενικά τέσσερις φορές περίπου μεγαλύτερη, από αυτήν που απαιτείται για τη διεργασία της καύσης). Μετά την έξοδό τους από το θάλαμο καύσης, τα καυσαέρια συναντούν το στρόβιλο. Σ` αυτό το σημείο, αποδίδεται μέρος της ενέργειάς τους για την κίνηση του συμπιεστή. Στη συνέχεια, τα καυσαέρια εκτονώνονται και στο ακροφύσιο εξαγωγής, όπου λαμβάνουν ταχύτητες της τάξης των mph. 49

52 Γενικά, σ` έναν κοινό αεριοστρόβιλο εισάγεται μία λίμπρα αέρα ανά δευτερόλεπτο ώστε να παραχθούν 50 λίμπρες ώσης. Για τη συμπίεση αυτής της ποσότητας αέρα απαιτείται ισχύς 100 ΗΡ, περίπου. 2.5 Εισαγωγή αέρα Γενικά Η εισαγωγή του αέρα, που πραγματοποιείται στον ειδικό αεραγωγό εισαγωγής (air inlet duct), ουσιαστικά αποτελεί τμήμα του αεροσκάφους και όχι του κινητήρα. Καθώς, όμως, η παροχή του αέρα είναι πολύ σημαντική για τη λειτουργία του αεριοστρόβιλου, τα συστήματα εισαγωγής του αέρα αναλύονται μαζί με τους κινητήρες. Σκοπός του αεραγωγού είναι να κατευθύνει το ρεύμα του εισερχόμενου αέρα προς το συμπιεστή με τις λιγότερες δυνατές απώλειες λόγω τριβών και στροβιλισμών, με ομοιόμορφη ροή. Ο σκοπός αυτός πρέπει να επιτυγχάνεται σ` όλες τις ταχύτητες και καταστάσεις πτήσης. Στο τελευταίο τμήμα του αεραγωγού, ακριβώς μπροστά από το συμπιεστή, η ροή πρέπει να επιβραδυνθεί, ώστε ν` αυξηθεί η στατική της πίεση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάκτηση πίεσης (ram recovery). Για το λόγο αυτό, η διατομή του αεραγωγού αυξάνεται κατά μήκος του τμήματος αυτού. Το σχήμα και η θέση του αεραγωγού εισαγωγής εξαρτάται από τον τύπο του αεροσκάφους (σχήμα, τύπος κινητήρα κλπ.). Σε ορισμένες εισαγωγές τοποθετούνται οδηγά πτερύγια (Inlet Guide Vanes - IGV), ώστε να ομαλοποιείται η ροή του εισερχόμενου ρεύματος αέρα πριν την είσοδό του στο συμπιεστή. Τέλος, σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται πτερύγια μεταβλητής γεωμετρίας (Variable geometry Guide Vanes VGV) Είδη αεραγωγών εισαγωγής. Συνήθως στην περίπτωση των επιβατικών αεροσκαφών οι κινητήρες φέρονται στο κάτω μέρος των πτερυγίων ή στα πλευρά της ατράκτου. Στα μαχητικά αεροσκάφη ο κινητήρας συνήθως, τοποθετείται μέσα στην άτρακτο, με ανάλογη 50

53 διαμόρφωση του αεραγωγού εισαγωγής. Πιο συγκεκριμένα οι αεραγωγοί εισαγωγής για του αεριωθούμενους κινητήρες διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες. Αεραγωγός ως τμήμα της ατράκτου του αεροσκάφους, στον ίδιο άξονα με το κινητήρα (εικόνα.2.7). Εικόνα 2.7 Αεροσκάφος μίας εισαγωγής αέρα (η εισαγωγή είναι τμήμα του αεροσκάφους) Διαιρετή εισαγωγή. Αποτελείται από δύο εισαγωγές στα πλευρά της ατράκτου ή στις ρίζες των πτερύγων που ενώνονται σε κοινή εισαγωγή (εικόνα 2.8). Εικόνα 2.8 Διαιρετή εισαγωγή αέρα Υποηχητική εισαγωγή. Χρησιμοποιείται σε κινητήρες που κινούν αεροσκάφη υψηλών υποηχητικών ταχυτήτων. Η διάμετρος του αεραγωγού αυξάνεται καθώς αυξάνεται το μήκος του, δίνοντάς του τη μορφή διαχύτη (εικόνα 2.9). Η μορφή αυτή 51

54 βοηθά τον αεραγωγό να λειτουργεί σαν σωλήνας Βεντούρι. Η ταχύτητα του αέρα μειώνεται με παράλληλη αύξηση της πίεσης. Γενικά, η ταχύτητα του αέρα ακριβώς πριν το συμπιεστή λαμβάνει τιμές περίπου 0,5 Mach. Εικόνα 2.9 Υποηχητική εισαγωγή. Υπερηχητική εισαγωγή. Ο αεραγωγός σε αυτήν την περίπτωση μπορεί να έχει τη μορφή συγκλίνοντος ή αποκλίνοντος αγωγού (εικόνες 2.10 & 2.11). Εικόνα 2.10 Υπερηχητική εισαγωγή Στο συγκλίνον τμήμα, η υπερηχητική ροή του εισερχόμενου αέρα επιβραδύνεται σε διηχητική και στη συνέχεια, το αποκλίνον τμήμα λειτουργεί όπως είδαμε στην προηγούμενη περίπτωση, σαν διαχύτης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι αεραγωγοί υπερηχητικών αεροσκαφών φέρουν λαιμό μεταβλητής διατομής, ώστε να έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν αποδοτικά σε διαφορετικές συνθήκες 52

55 ταχύτητας του αεροσκάφους. Σε άλλες περιπτώσεις, η γεωμετρία της εισαγωγής είναι τέτοια, ώστε να δημιουργούνται διαδοχικά πλάγια κύματα κρούσης, πριν από την είσοδο του αέρα στον αγωγό εισαγωγής. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται εξωτερική συμπίεση της ροής, λόγω της ανάπτυξης πλαγίων κυμάτων κρούσης. Εικόνα 2.11 Υπερηχητικός κινητήρας του SR-71 blackbird Εισαγωγές μεταβλητής διατομής. Χρησιμοποιούνται όπως παραπάνω σε υπερηχητικά αεροσκάφη καθώς και σε υποηχητικές εφαρμογές (εικόνα 2.12). Εικόνα 2.12 Εισαγωγή εξωτερικής συμπίεσης και μεταβλητής διατομής υπερηχητικού κινητήρα. 53

56 Αεραγωγοί ελικοστρόβιλων κινητήρων. Αυτοί έχουν συγκεκριμένο σχήμα λόγω της ύπαρξης του έλικα του κινητήρα. Συνηθισμένοι τύποι είναι αυτοί που παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα Εικόνα 2.13 Συνηθέστερη αεραγωγοί ελικοστρόβιλων κινητήρων. 2.6 Φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων Ό εχθρός κάθε κινητήρα είναι η απορρόφηση ξένων σωματιδίων. Για την αποφυγή αναρρόφησης ξένων σωμάτων χρησιμοποιούνται φίλτρα στην είσοδο του αεραγωγού εισαγωγής. Κατά κύριο λόγο τα φίλτρα κατακράτησης σωματιδίων συναντώνται σε κινητήρες ελικοπτέρων. Πρέπει να επισημανθεί, πως τα φίλτρα προσθέτουν επιπλέον βάρος στον κινητήρα. Ακόμα αυξάνουν τις απώλειες πίεσης στην εισαγωγή του αέρα, είναι ιδιαίτερα ευπαθή σε χαμηλές θερμοκρασίες καθώς μπορεί να παγώσουν. Όταν φθαρούν αυξάνουν οι πιθανότητες να αποτελέσουν τα ίδια κίνδυνο για τον κινητήρα, γιατί υπάρχει το ενδεχόμενο να απορροφηθούν από τον ίδιο. Γι` αυτούς τους λόγους τα συγκεκριμένα φίλτρα χρησιμοποιούνται μόνον σε περιπτώσεις, όπως την απογείωση, προσγείωση και εν` ώρα πτήσης μόνο σε περιοχές με σμήνη πουλιών. 2.7 Συστήματα αντιπάγωσης και αποπάγωσης εισαγωγής αέρα Στην περίπτωση πτήσης σε συνθήκες παγετού, εγκυμονεί ο κίνδυνος δημιουργίας πάγου, τόσο στον αεραγωγό εισαγωγής όσο και στα οδηγά πτερύγια. Το φαινόμενο αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να δυσκολεύει η ροή του αέρα, κατά την 54

57 δίοδό του στον αεραγωγό, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο βαθμός απόδοσης του κινητήρα. Επιπρόσθετα, υπάρχει η πιθανότητα μεγάλα κομμάτια πάγου να εισέλθουν στον κινητήρα και να προκαλέσουν ζημιές στα πτερύγια του συμπιεστή. Για την αποφυγή αυτών των φαινομένων, οι αεραγωγοί εισαγωγής είναι εφοδιασμένοι, με συστήματα προστασίας από την παγοποίηση. Η χρήση τέτοιων συστημάτων αποσκοπεί στην αποφυγή σχηματισμού πάγου (αντιπαγωτικό σύστημα anti-icing) και όχι στην αντιμετώπισή του, όταν αυτός έχει ήδη σχηματιστεί. Ένα αντιπαγωτικό σύστημα, που εφαρμόζεται πολύ συχνά, χρησιμοποιεί ποσότητα αέρα από το συμπιεστή με τη βοήθεια της βαλβίδας αποτόνωσης ή αποφόρτωσης του συμπιεστή (bleed valve). Όταν αυτή ενεργοποιηθεί, ποσότητα θερμού αέρα από το συμπιεστή οδηγείται σε διάφορα σημεία του αεραγωγού εισαγωγής, εμποδίζοντας με τον τρόπο αυτό το σχηματισμό πάγου. Το μειονέκτημα της συγκεκριμένης μεθόδου είναι, ότι κατά τη χρονική διάρκεια της λειτουργίας της παραπάνω βαλβίδας μειώνεται η απόδοση του κινητήρα. Όταν στον αεραγωγό εισαγωγής υπάρχουν οδηγά πτερύγια, αυτά έχουν εσωτερικές διόδους για την κυκλοφορία θερμού αέρα ή λαδιού ως προστασία έναντι σχηματισμού πάγου. Σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται επίσης συστήματα αποπάγωσης (de-icing). Τα συγκεκριμένα συστήματα δεν επηρεάζουν την απόδοση του κινητήρα. Αποπάγωση μπορεί να επιτευχθεί μέσω ηλεκτρικού συστήματος, αλλά και με την κυκλοφορία λαδιού λίπανσης. Η πιο συχνή περίπτωση χρήσης ηλεκτρικού ρεύματος για αποπάγωση, είναι η τοποθέτηση θερμαντικών στοιχείων (αντιστάσεων) σε επιλεγμένα μέρη του αεραγωγού εισαγωγής ή στα χείλη προσβολής του έλικα (de-icer boots). 2.8 Συμπιεστές Γενικά Η αρχή λειτουργίας του κινητήρα αεριώθησης συνδέει την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα σ` αυτόν, με την παραγωγή της απαιτούμενης για την πτήση του αεροσκάφους ώσης. Το τμήμα που παροχετεύει τις κατάλληλες ποσότητες 55

58 αέρα στον κινητήρα, είναι ο συμπιεστής. Ο συμπιεστής βρίσκεται ακριβώς μετά τον αεραγωγό εισαγωγής. Η λειτουργία του συμπιεστή έχει άμεση επίδραση στη συνολική απόδοση του κινητήρα. Η εργασία που πρέπει να φέρει σε πέρας ο συμπιεστής είναι να συμπιέσει τον εισερχόμενο αέρα, ώστε κατά την έξοδό του από το συμπιεστή να έχει αποκτήσει πολύ μεγάλη πυκνότητα. Με τον τρόπο αυτόν, η παραγόμενη ώση θα είναι μεγάλη, αφού ο κινητήρας θα μπορεί να χρησιμοποιεί πάρα πολύ μεγάλες ποσότητες αέρα, σε σύγκριση με το μικρό όγκο του. Στις μέρες μας, οι συμπιεστές έχουν λόγο συμπίεσης έως και 30:1 ενώ οι ταχύτητες του αέρα κατά τη συμπίεση φτάνουν τα m/sec. Πέρα από το έργο της συμπίεσης του εισερχόμενου αέρα, το τμήμα του συμπιεστή πραγματοποιεί και συγκεκριμένες δευτερεύουσες διεργασίες, όπως: Παροχή αέρα για την ψύξη του τμήματος του στροβίλου. Παροχή αέρα για τη λειτουργία του συστήματος αντιπάγωσης. Παροχή αέρα για τις ανάγκες της καμπίνας πληρώματος και των επιβατών. Παροχή αέρα για τη λειτουργία κάποιων εξαρτημάτων που λειτουργούν πνευματικά. Η ποσότητα του αέρα που συμπιέζεται, καθώς και η αύξηση της πίεσης, εξαρτώνται από την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Όσο αυτή αυξάνεται, επιτυγχάνεται και μεγαλύτερη συμπίεση. Βέβαια, η αύξηση της πίεσης εξαρτάται, από τη θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής. Όταν αυτή λαμβάνει χαμηλές τιμές, τότε η συμπίεση είναι μεγαλύτερη. Οι τύποι των συμπιεστών που χρησιμοποιούνται στους αεριοστρόβιλους κινητήρες είναι: Φυγοκεντρικής ροής. αξονικής ροής. Φυγοκεντρικής αξονικής ροής. Ο κάθε τύπος κινητήρα λαμβάνει το όνομά του, σύμφωνα με τη διεύθυνση της ροής του αέρα μέσα στο συμπιεστή. Ο τελευταίος τύπος που αναφέρεται αποτελεί συνδυασμό των δύο άλλων και συνδυάζει τα χαρακτηριστικά τους. 56

59 2.8.2 Φυγόκεντρος συμπιεστής Περιγραφή λειτουργίας Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής (centrifugal compressor), ή συμπιεστής φυγοκεντρικής ροής, χρησιμοποιήθηκε στους πρώτους κινητήρες αεριώθησης. Αποτελείται από τρία μέρη: a) το πτερυγιοφόρο δίσκο (στροφείο ή ρότορας, impeller), b) το διαχύτη (diffuser) και, σε ορισμένες περιπτώσεις, c) τη πολλαπλή σωλήνωση (manifold) εξαγωγής του συμπιεσμένου αέρα στο επόμενο τμήμα του κινητήρα (εικόνα 2.14). Εικόνα 2.14 Τα μέρη του φυγοκεντρικού συμπιεστή: α) στροφείο, β)διαχύτης, γ) πολλαπλή σωλήνωση εξαγωγής. Το στροφείο φέρει πτερύγια (blades) που βρίσκονται στη μπροστινή ή και στις δύο πλευρές του. Με την περιστροφή του, η οποία πραγματοποιείται από το στρόβιλο μέσω του κοινού άξονα, δημιουργείται υποπίεση στην περιοχή γύρω από τον άξονα και αναρροφάται ο εισερχόμενος αέρας. Οι φυγόκεντρες δυνάμεις που ωθούν τον αέρα κατά την ακτινική διεύθυνση (κατά το μήκος των πτερυγίων) προς την εξωτερική περιφέρεια του στροφείου. Μ` αυτήν την κίνηση επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση της ταχύτητας του αέρα και μικρή αύξηση στη (στατική) πίεση, λόγω της διόδου από τα πτερύγια του στροφείου. 57

60 Καθώς αφήνει το στροφείο, ο αέρας εισέρχεται στους διαχύτες. Εκεί, η αύξηση της διατομής μετατρέπει την υψηλή ταχύτητα (και υψηλή κινητική ενέργεια), σε χαμηλή (και υψηλή ενέργεια πίεσης), δηλαδή σε αύξηση της στατικής πίεσης. Στη συνέχεια, ο αέρας εισέρχεται στην πολλαπλή σωλήνωση που λειτουργεί ως μέσο παραλαβής και διάθεσης του συμπιεσμένου αέρα στο θάλαμο καύσης. Είναι, συνήθως, κατασκευασμένη από κράματα μαγνησίου, αλουμινίου ή χάλυβα. Ο άξονας που συνδέει το φυγοκεντρικό συμπιεστή με το στρόβιλο, που του παρέχει την κίνηση, εδράζεται σε τριβείς κύλισης (σφαιρικούς ή / και κυλινδρικούς). Σε αρκετές περιπτώσεις αποτελείται από δύο τμήματα που ενώνονται με ειδικό σύνδεσμο, κατάλληλο για εύκολη αποσυναρμολόγηση. Στην εικόνα 2.15 φαίνεται η τομή αεριοστρόβιλου κινητήρα με φυγοκεντρικό συμπιεστή. Εικόνα 2.15 Αεριοστρόβιλος κινητήρας με φυγόκεντρο συμπιεστή διπλής εισόδου. Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής έχει σαν κύριο πλεονέκτημα την απλότητα της κατασκευής του, την αντοχή του, το μικρό του κόστος και το μεγάλο σχετικά λόγο συμπίεσης που παρέχει με τη χρήση μίας μόνο βαθμίδας. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται κυρίως σε μικρούς ελικοστρόβιλους κινητήρες. Κύριο μειονέκτημά του είναι η μειωμένη απόδοση. Χρησιμοποιείται σε μεγάλους κινητήρες με υψηλούς λόγους συμπίεσης Περιγραφή φυγοκεντρικού συμπιεστή 58

61 Το στροφείο, αποτελείται από σφυρήλατο δίσκο με ολόσωμα, ακτινικά πτερύγια στη μία (απλής εισόδου, single entry) ή και στις δύο πλευρές του (διπλής εισόδου, double entry). Στην εικόνα 2.16 φαίνεται η κατασκευή των φυγοκεντρικών συμπιεστών απλής και διπλής εξόδου. Εικόνα 2.16 Στροφείο φυγοκεντρικού συμπιεστή α) απλής και β) διπλής εισόδου. Για να διευκολυνθεί η αλλαγή της ροής από την αξονική στην ακτινική διεύθυνση, στα πτερύγια στο κέντρο του στροφείου έχουν μία κλίση προς την κατεύθυνση περιστροφής (εικόνα 2.16). Ως υλικό κατασκευής χρησιμοποιείται κράμα αλουμινίου αλλά και τιτάνιο, σε σύγχρονες εφαρμογές. Το τμήμα εισαγωγής μπορεί να είναι και χαλύβδινο. Η χρήση φυγοκεντρικού συμπιεστή διπλής εισόδου εξασφαλίζει ταχύτητες στα ακροπτερύγια του στροφείου που δεν ξεπερνούν την ταχύτητα του ήχου. Παράλληλα, επιτρέπει τη δίοδο μεγαλύτερης ποσότητας αέρα από το στροφείο απλής εισόδου και διαμορφώνει μικρότερη μετωπική επιφάνεια. Όμως, η ροή του αέρα στην οπίσθια πλευρά του κάποιες φορές είναι ασταθής, ενώ παρατηρείται και αύξηση της θερμοκρασίας σε μεγαλύτερο ποσοστό, από το στροφείο απλής εισόδου. Σε κάποιες εφαρμογές χρησιμοποιούνται, περισσότερα από ένα στροφεία απλής εισόδου. Με αυτόν τον τρόπο, επιτυγχάνεται συμπίεση μεγαλύτερης μάζας αέρα. Το πλεονέκτημα, όμως, χάνεται από την απώλεια ενέργειας που παρατηρείται κατά τη μετάβαση του αέρα από το ένα στροφείο στο άλλο, ενώ τίθεται και θέμα αυξημένου βάρους. Πρακτικά, σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούνται δύο στροφεία, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.17 (διβάθμιος φυγόκεντρος συμπιεστής, ή δύο βαθμίδων). 59

62 Εικόνα 2.17 φυγόκεντρος συμπιεστής δύο βαθμίδων. Οι διάχυτες, αποτελούν ένα σώμα με το περίβλημα του στροφείου ή ξεχωριστό τμήμα. Και στις δύο περιπτώσεις οι διαχύτες διαμορφώνονται από τον αριθμό πτερυγίων τοποθετημένων εφαπτομενικά ως προς την περιφέρεια του δίσκου. Η διάταξή τους είναι τέτοια, ώστε να σχηματίζουν αποκλίνοντες αγωγούς, έτσι να επιτυγχάνεται η μετατροπή της κινητικής ενέργειας σε δυναμική (αύξηση της πίεσης). Η απόσταση μεταξύ του στροφείου και των διαχυτών, που ονομάζεται διάκενο, είναι πολύ σημαντική για την ομαλή λειτουργία του κινητήρα (εικόνα 2.18). Εικόνα 2.18 Διάκενο μεταξύ στροφείο και διαχύτη. Αν η τιμή του είναι μεγαλύτερη από αυτήν που προβλέπει ο κατασκευαστής, τότε θα υπάρξει υπερβολική διαρροή (απώλεια) αέρα από το στροφείο. Αντίθετα, αν το διάκενο είναι μικρότερο από την φυσιολογική του τιμή, υπάρχει κίνδυνος να 60

63 δημιουργηθεί ασταθής ροή και κραδασμοί. Κι αυτό γιατί, αυξάνεται η πίεση στις ακμές των διαχύτων και τα διερχόμενα από τα σημεία αυτά πτερύγια του στροφείου δέχονται ωθήσεις. Όταν το διάκενο είναι μικρό, οι ωθήσεις αυτές γίνονται αισθητές σαν κραδασμοί. Μάλιστα, αν η συχνότητά τους γίνει ίση με την ιδιοσυχνότητα των πτερυγίων, εμφανίζεται το φαινόμενο συντονισμού, με αποτέλεσμα εμφάνιση ρωγμών ή ακόμα και καταστροφής των πτερυγίων Αξονικοί συμπιεστές Γενικά Ο αξονικός συμπιεστής (axial flow compressor) ή συμπιεστής αξονικής ροής, αποτελείται από δύο βασικά μέρη: Ένα περιστρεφόμενο, που ονομάζεται ρότορας (rotor). αποτελείται από ένα στροφείο (spindle), πάνω του είναι προσαρμοσμένα, με κατάλληλο τρόπο, τα κινητά πτερύγια (blades), όπως παρουσιάζονται στην εικόνα 2.19 (Α). Εικόνα 2.19 (Α) κινητά και (Β) σταθερά πτερύγια αξονικού συμπιεστή. Ένα σταθερό, που ονομάζεται στάτορας (stator) και είναι συνήθως διαιρεμένος σε δύο ημικυκλικά τμήματα, στην εσωτερική περιφέρεια των οποίων προσαρμόζονται τα σταθερά πτερύγια (vanes), (εικόνα 2.19 (Β)). 61

64 Μια σειρά κινητών με την ακολουθούσα σειρά σταθερών πτερυγίων ονομάζεται βαθμίδα. Ο αξονικός συμπιεστής αποτελείται από πολλές βαθμίδες (ανάλογα με το μέγεθος του κινητήρα), γιατί η αύξηση της πίεσης που επιτυγχάνει η κάθε μια είναι μικρή, της τάξης του 1.25:1. Τα κινητά και τα σταθερά πτερύγια έχουν την αεροδυναμική μορφή της πτέρυγας ή του έλικα ενός αεροσκάφους. Για το λόγο αυτό, η λειτουργία και η απόδοσή τους βασίζεται στα αεροδυναμικές αρχές που διέπουν τις πτέρυγες των αεροσκαφών, με ορισμένες πρόσθετες λειτουργικές συνθήκες. Παράδειγμα η επίδραση της περιστροφής των άλλων πτερυγίων και η ύπαρξη των σταθερών πτερυγίων. Στις πτέρυγες των αεροσκαφών το παραγόμενο ωφέλιμο μέγεθος είναι η άνωση, στα πτερύγια του αξονικού συμπιεστή είναι η πίεση. Αυτή παράγεται, κατά τον ίδιο τρόπο που μία πτέρυγα παράγει άνωση. Από το μπροστινό προς το οπίσθιο τμήμα του συμπιεστή (δηλαδή από το χαμηλή προς την υψηλή πίεση) δημιουργείται μία σταδιακή μείωση της διατομής ανάμεσα στο στροφείο και το περίβλημα. Η μείωση αυτή του δακτυλίου ροής βοηθά την αξονική ταχύτητα του αέρα να διατηρείται σταθερή, καθώς η πίεση και η πυκνότητά του αυξάνονται κατά μήκος του συμπιεστή. Η μείωση της διατομής επιτυγχάνεται με την εφαρμογή κωνικότητας στο περίβλημα και στο στροφείο Αξονικός συμπιεστής μονού άξονα ή απλού τυμπάνου Ο αξονικός συμπιεστής μονού άξονα ή απλού τυμπάνου (single spool) αποτελείται από ένα στροφείο (εικόνα 2.20), τα κινητά πτερύγια που στηρίζονται πάνω του και τις σειρές σταθερών πτερυγίων. Είναι συνδεδεμένος μέσω ενός άξονα με το στρόβιλο από τον οποίο παίρνει κίνηση. Ο αριθμός των βαθμίδων καθορίζεται από την επιθυμητή αύξηση της πίεσης. Το σύνολο της ροής του αέρα πραγματοποιείται μέσα από το συμπιεστή. 62

65 Εικόνα 2.20 Μονός αξονικός συμπιεστής (single spool) Παρότι αυτός ο τύπος αξονικού συμπιεστή είναι σχετικά απλός στην κατασκευή του και χαμηλού κόστους κατασκευής, παρουσιάζει δύο βασικά μειονεκτήματα: Στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται πολλές βαθμίδες (στο ίδιο στροφείο), αυτές που βρίσκονται στην περιοχή της αυξημένης πίεσης λειτουργούν με μειωμένη απόδοση, ενώ αυτές που βρίσκονται στις αρχικές θέσεις, συνήθως, υπερφορτίζονται. Εξαιτίας της μεγάλης αδρανειακής του μάζας, έχει σαν αποτέλεσμα ν` αντιδρά αργά σε απότομες μεταβολές των συνθηκών λειτουργίας, παράδειγμα λόγω των εντολών του χειριστή. Ο τρόπος για να ξεπεραστούν τα προβλήματα αυτά ήταν η διαίρεση του συμπιεστή σε δύο ή τρία τμήματα. Σε ανάλογο αριθμό τμημάτων χωρίζεται και ο στρόβιλος. Τα τμήματα του συμπιεστή συνδέονται με τα αντίστοιχα του στροβίλου με άξονες στην ίδια ευθεία, που ο ένας βρίσκεται μέσα στον άλλον Αξονικός συμπιεστής διπλού άξονα ή διπλού τυμπάνου Ο διαιρούμενος σε δύο τμήματα συμπιεστής ονομάζεται διπλού άξονα ή διπλού τυμπάνου (dual spool, twin spool compressor). Η διάταξή του φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

66 Εικόνα 2.21 Διπλός αξονικός συμπιεστής (dual spool compressor) Το πρώτο τμήμα του σχήματος ονομάζεται συμπιεστής χαμηλή πίεσης (low pressure compressor) ή συμπιεστής Ν1. Αυτός συνήθως περιστρέφεται, από ένα στρόβιλο με δύο βαθμίδες στο οπίσθιο τμήμα της περιοχής του στροβίλου. Το δεύτερο τμήμα ονομάζεται συμπιεστής υψηλής πίεσης (high pressure compressor) ή συμπιεστής Ν2, συνήθως, περιστρέφεται από ένα μονοβάθμιο στρόβιλο υψηλής πίεσης, που βρίσκεται στο μπροστινό τμήμα της περιοχής του στροβίλου. Σε κάποιες περιπτώσεις, στο συμπιεστή χαμηλής πίεσης συνδέεται κι εμπρόσθιος ανεμιστήρας, οπότε και περιστρέφονται με την ίδια ταχύτητα. Συνήθως, η ταχύτητα περιστροφής του συμπιεστή υψηλής πίεσης διατηρείται σχεδόν σταθερή από το ρυθμιστή καυσίμου. Ανάλογα με τις συνθήκες πτήσης (υψόμετρο, ελιγμοί) η ταχύτητα του συμπιεστή χαμηλής πίεσης αυξάνεται ή μειώνεται. Η αρίθμηση των βαθμίδων αρχίζει, από το εμπρόσθιο προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα. Σε αρκετούς στροβιλοανεμιστήρες κινητήρες ο συμπιεστής διαιρείται σε τρία τμήματα και ονομάζεται τριπλός (triple-spool compressor, εικόνα 2.22). Σ` αυτή την περίπτωση, ο ανεμιστήρας είναι ο συμπιεστής χαμηλής πίεσης και συνδέεται μ` έναν πολυβάθμιο στρόβιλο χαμηλής πίεσης. Το αμέσως επόμενο τμήμα ονομάζεται ενδιάμεσος συμπιεστής (intermediate compressor) και τέλος το τρίτο τμήμα είναι ο συμπιεστής υψηλής πίεσης. Οι δύο αυτοί συμπιεστές παίρνουν κίνηση από τους μονοβάθμιους στροβίλους. 64

67 Εικόνα 2.22 Ο τριπλός αξονικός συμπιεστής (triple-spool compressor) Ο συμπιεστής χαμηλής πίεσης έχει μεγάλες βαθμίδες και συμπιέζει σε σχέση με τους άλλους δύο πολύ μεγαλύτερη μάζα αέρα. Το ψυχρό ρεύμα αερά παρακάμπτει τους δύο άλλους συμπιεστές κι εξέρχεται στην ατμόσφαιρα από ένα ιδιαίτερο δακτυλιοειδές ακροφύσιο. Η υπόλοιπη μάζα του αέρα (το θερμό ρεύμα) συμπιέζεται από τους άλλους συμπιεστές και στη συνέχεια οδηγείται στο θάλαμο καύσης Αρχές λειτουργίας Τα κινητά πτερύγια στρέφονται σε υψηλές ταχύτητες, από το στρόβιλο που είναι συνδεδεμένος ο συμπιεστής, ώστε να εξασφαλίζεται μία συνεχής ροή αέρα. Ο αέρας επιταχύνεται από τα κινητά πτερύγια και οδηγείται στα σταθερά πτερύγια που ακολουθούν. Εκεί, μειώνεται η ταχύτητα και αυξάνεται η πίεσή του, λόγω διάχυσης μεταξύ των σταθερών και κινητών πτερυγίων. Οι αλλαγές στην πίεση και την ταχύτητα του αέρα κατά τη διαδρομή του μέσα από το συμπιεστή φαίνονται, στην παρακάτω εικόνα Κατά τη διάρκεια της συμπίεσης, παρατηρείται μία σταδιακή αύξηση στη θερμοκρασία του αέρα. 65

68 Εικόνα 2.23 Οι μεταβολές των τιμών πίεσης και ταχύτητας κατά μήκος του συμπιεστή Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα Τα πλεονεκτήματα που συγκεντρώνει ο αξονικός συμπιεστής (σε σύγκριση με το φυγοκεντρικό) είναι τα παρακάτω: Ο λόγος συμπίεσης μπορεί να είναι μεγάλος, αφού μπορούν να χρησιμοποιηθούν όσες βαθμίδες χρειάζονται για το στόχο αυτόν. Η εμπρόσθια επιφάνεια του κινητήρα είναι μικρότερη για δεδομένο όγκο εισερχόμενου αέρα, οπότε η αεροδυναμική αντίσταση είναι μικρότερη. Επιτυγχάνεται καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου. Βέβαια, από την άλλη μεριά, ο αξονικός συμπιεστής έχει ιδιαίτερα μεγάλο βάρος, ενώ παράλληλα απαιτεί και μεγάλη κατανάλωση ισχύος κατά την εκκίνηση. Αυτό οφείλεται στη χαμηλή συμπίεση που επιτυγχάνεται από κάθε μεμονωμένη βαθμίδα, οπότε απαιτείται η εγκατάσταση πολλών βαθμίδων για την λειτουργία του. Ακόμη, ο αξονικός συμπιεστής παρουσιάζει ευπάθεια στην παγοποίηση και σε βλάβες από ξένα σώματα, ενώ είναι ιδιαίτερα ευπαθής σε αστάθειες της ροής. Τέλος, παρουσιάζει ιδιαίτερα πολύπλοκες κατασκευαστικές απαιτήσεις με αποτέλεσμα η τιμή του να είναι υψηλή. 66

69 Στροφεία αξονικού συμπιεστή Το στροφείο του αξονικού συμπιεστή είναι τύμπανο ή συναρμογή αριθμού δίσκων, όπως φαίνεται στη εικόνα Σε κάποιες περιπτώσεις χρησιμοποιείται και συνδυασμός των δύο τύπων. Εικόνα 2.24 Στροφείο αξονικού συμπιεστή (α) σε μορφή τυμπάνου, (β) με κατάλληλη συναρμογή αριθμού δίσκων. Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιείται ένα σφυρήλατο τύμπανο, πάνω στο οποίο ασφαλίζονται τα κινητά πτερύγια. Οι γειτονικές στη ρίζα του τυμπάνου περιοχές παραλαμβάνουν αξονικά και ακτινικά φορτία. Η συνολική ώση, δίνεται από το άκρο του τυμπάνου. Στη δεύτερη περίπτωση, κάθε σειρά κινητών πτερυγίων, ασφαλίζεται πάνω σ` ένα δίσκο, που προσαρμόζεται στον άξονα σύνδεσης με το στρόβιλο. Ανάμεσα στους δίσκους κάθε βαθμίδας τοποθετούνται δακτύλιοι απόστασης (spacers), που απορροφούν τα αξονικά φορτία. Τα ακτινικά φορτία προσδίδονται από τους δίσκους, ενώ οι τελευταίοι από αυτούς παραλαμβάνουν και τη συνολική ώση. 67

70 Κινητά πτερύγια αξονικού συμπιεστή Τα κινητά πτερύγια έχουν σχήμα αεροτομής (εικόνα 2.25) και μεταβλητή γωνία προσβολής (angle of incidence) ή συστροφή (twist) από τη ρίζα (root) προς το ακροπτερύγιο (tip). Η συστροφή επιτυγχάνει υψηλότερη πίεση στο ακροπτερύγιο, ώστε ν` αντισταθμίζεται η διαφοροποίηση της ταχύτητας του πτερυγίου που προκαλείται από την ακτίνα καμπυλότητάς του, Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του κινητού πτερυγίου από τον άξονα περιστροφής, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του. Το μήκος των πτερυγίων μεταβάλλεται ανάλογα με τη θέση που έχουν κατά μήκος του συμπιεστή. Τα μπροστινά είναι μεγαλύτερα. Εικόνα 2.25 Κινητό πτερύγιο συμπιεστή Μεγάλη σημασία για την ικανοποιητική λειτουργία του συμπιεστή παίζει το θέμα των ανοχών στα κινητά πτερύγια. Τ` ακροπτερύγιά τους πρέπει να έχουν το προβλεπόμενο από τον κατασκευαστή διάκενο με το περίβλημα του συμπιεστή. Επίσης, η ρίζα του κινητού πτερυγίου πρέπει να «παίζει», όταν αυτή τοποθετηθεί στο δίσκο ή στο τύμπανο. Η ανοχή επιτρέπεται, ώστε να είναι εύκολη η τοποθέτηση και η αφαίρεσή τους, καθώς και για την απορρόφηση των ταλαντώσεων, που δημιουργούνται κατά την περιστροφή. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την ασφάλιση των κινητών πτερυγίων στο στροφείο. Οι πιο συνηθισμένοι είναι (εικόνα 2.26): Σταθερή ρίζα (solid root) με πείρο συγκράτησης και ασφαλιστικούς δακτυλίους. Ρίζα με σχήμα ελάτου (fir tree root) με ή χωρίς πλάκα ασφαλείας. 68

71 Ρίζα με σχήμα ουράς περιστεριού (dove tail root), όπου ένα από τα πτερύγια χρησιμοποιείται ως ασφαλιστικό. Εικόνα 2.26 Τρόποι συναρμογής κινητών πτερυγίων συμπιεστή στο τύμπανο ή τους δίσκους Σταθερά πτερύγια αξονικού συμπιεστή Τα σταθερά πτερύγια τοποθετούνται, όπως είδαμε, μεταξύ των κινητών πτερυγίων και λειτουργούν ως διαχύτες. Ακόμα, διορθώνουν τη διεύθυνση ροής του αέρα κατά την έξοδό του από την προηγούμενη σειρά κινητών πτερυγίων, ώστε να εξασφαλίζεται η σωστή γωνία ροής, για την επόμενη σειρά. Η πρώτη σειρά των σταθερών πτερυγίων έχει το ρόλο των οδηγών πτερυγίων, που θα οδηγήσει το εισερχόμενο ρεύμα αέρα στην πρώτη βαθμίδα με τη βέλτιστη γωνία. Η τελευταία σειρά σταθερών πτερυγίων συνήθως χρησιμοποιείται για την εξομάλυνση της ροής και την αποφυγή δημιουργίας στροβιλισμών, κατά την έξοδο του αέρα από το συμπιεστή και την είσοδό του στο θάλαμο καύσης. Το σχήμα των σταθερών πτερυγίων είναι ίδιο με των κινητών πτερυγίων, σε σχήμα αεροτομής. Στηρίζονται απευθείας στο περίβλημα του στροβίλου (shrouded blades) ή σ` ένα δακτύλιο συγκράτησης (retaining ring), ο που με τη σειρά του ασφαλίζεται στο περίβλημα (Εικόνα 2.27Β). Σε πολλές περιπτώσεις τα πτερύγια ασφαλίζονται και στο ακροπτερύγιο για την αποφυγή των ανεπιθύμητων ταλαντώσεων. 69

72 Εικόνα 2.27 Σταθερά πτερύγια συμπιεστή Υλικά κατασκευής Γενικά τα υλικά κατασκευής των τμημάτων του συμπιεστή πρέπει να παρουσιάζουν αντοχή στις υψηλές πιέσεις συμπίεσης και στην άνοδο της θερμοκρασίας, που αναπτύσσεται κατά τη συμπίεση. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται επίσης στην αντοχή των υλικών κατασκευής για την αντιμετώπιση της αναρρόφησης ξένου σώματος. Το περίβλημα του συμπιεστή κατασκευάζεται από κράμα αλουμινίου ή μαγνησίου στο μπροστινό τμήμα του, ενώ για το οπίσθιο χρησιμοποιείται, συνήθως, χάλυβας. Για τα κινητά και τα σταθερά πτερύγια χρησιμοποιούνται, κράματα αλουμινίου, χάλυβας, νικέλιο ή τιτάνιο, ανάλογα με τη θέση και τις συνθήκες λειτουργίας τους. Σε κάποιες εφαρμογές, σε χαμηλές θερμοκρασίες συμπίεσης, χρησιμοποιούνται πτερύγια από συνθετικό υλικό, οπότε επιτυγχάνεται εξοικονόμηση βάρους Διαχύτες Η εργασία του διαχύτη είναι να κατευθύνει τη μάζα του αέρα, που εξέρχεται από το συμπιεστή, προς το θάλαμο καύσης. Ταυτόχρονα, μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αέρα σε στατική πίεση. Στο διαχύτη η τιμή της πίεσης λαμβάνει τη μεγαλύτερη τιμή της μέσα στον κινητήρα. Στο φυγοκεντρικό συμπιεστή ο αέρας εισέρχεται, συμπιεσμένος, σε περιφερειακά διατεταγμένους διαχύτες και στη 70

73 συνέχεια στο θάλαμο καύσης. Στον αξονικό συμπιεστή, ο συμπιεσμένος αέρας διέρχεται από σταθερά οδηγά πτερύγια στην τελευταία σταθερή βαθμίδα του συμπιεστή, για να εισέλθει τελικά στο διαχύτη. Μέσα σ` αυτόν, η συνεχώς αυξανόμενη διατομή προκαλεί μείωση της ταχύτητας του αέρα, και αύξηση της στατικής πίεσης, σύμφωνα με το νόμο του Μπερνούλλι (Bernoulli). Μετά από το διαχύτη, ο αέρας εισέρχεται στο θάλαμο καύσης με υψηλή πίεση και χαμηλή ταχύτητα, συνθήκες κατάλληλες, ώστε να αναμειχθούν ικανοποιητικά ο αέρας με το καύσιμο που εγχέεται. Εικόνα 2.28 Γενική μορφή διαχύτη. Ο διαχύτης αποτελεί συνέχεια του περιβλήματος του συμπιεστή ή μπορεί να είναι ένα τελειώς διαφορετικό κομμάτι (εικόνα 2.28). Και στις δύο περιπτώσεις φέρει θυρίδες για την παροχέτευση πεπιεσμένου αέρα για την εκτέλεση διάφορων βοηθητικών λειτουργιών του αεροσκάφους. Θυρίδες παροχέτευσης πεπιεσμένου αέρα υπάρχουν και στο τμήμα του συμπιεστή Απώλεια στήριξης - πάλμωση Οι βαθμίδες των συμπιεστών διακρίνονται μεταξύ τους από τα χαρακτηριστικά ροής τους. Ο αποτελεσματικός συνδυασμός των χαρακτηριστικών, 71

74 αυτών επιτυγχάνει και την αποδοτική λειτουργία του συμπιεστή. Όμως, το ευμετάβλητο των συνθηκών λειτουργίας ενός αεριοστρόβιλου (ροή αέρα, λόγος συμπίεσης, αριθμός στροφών) δεν εξασφαλίζει πάντοτε τη λειτουργία σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά ροής, που έχουν από το σχεδιασμό τους οι βαθμίδες. Στην περίπτωση που ο κινητήρας λειτουργεί σε συνθήκες ασταθούς ροής του αέρα γύρω από τα πτερύγια του συμπιεστή, δημιουργούνται οι συνθήκες εμφάνισης των φαινομένων της πάλμωσης (compressor surge) και της απώλειας στήριξης (compressor stall). Ο όρος «πάλμωση» μπορεί να περιγραφεί ως, αστάθεια λειτουργίας, ή και απώλεια πίεσης του συμπιεστή. Γενικά, τα φαινόμενα της πάλμωσης και της απώλειας στήριξης είναι πολύ στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους. Μάλιστα ορισμένες φορές τα δύο φαινόμενα μπορούν να θεωρηθούν ως ταυτόσημα. Όπως έχει αναφερθεί, η απώλεια στήριξης παρουσιάζεται στο συμπιεστή του αεριοστρόβιλου, συγκεκριμένα όταν η ροή γύρω από τα πτερύγιά του γίνει ασταθής. Συνήθως, η αστάθεια προκαλείται από την αιφνίδια αύξηση ή ελάττωση, της μάζας ρεύματος αέρα χωρίς την αντίστοιχη μεταβολή του λόγου συμπίεσης στο συμπιεστή. Δηλαδή, αποτελεί την αδυναμία των πτερυγίων του συμπιεστή, να προωθήσουν το εισερχόμενο ρεύμα του αέρα σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά σχεδιασμού τους. Γίνεται κατανοητό ότι τα πτερύγια του συμπιεστή (ιδιαίτερα του αξονικού), αποτελούν ουσιαστικά μικρές πτέρυγες. Με αποτέλεσμα τα πτερύγια να συμπεριφέρονται με τρόπο παρόμοιο με την πτέρυγα του αεροσκάφους. Κατά τη διάρκεια, λοιπόν, της λειτουργίας του συμπιεστή σε συνθήκες απώλειας στήριξης, παίζει ιδιαίτερο ρόλο η γωνία προσβολής του αέρα σε αυτά. Όταν αυτή υπερβεί μία συγκεκριμένη τιμή (η οποία αποτελεί σχεδιαστική παράμετρο), επέρχεται μείωση της ταχύτητας εισαγωγής του αέρα στο συμπιεστή (εικόνα 2.29 & 2.30). Εικόνα 2.29 Ρεύμα αέρα εισαγωγής με (α) υψηλή ταχύτητα. 72

75 Εικόνα 2.30 Ρεύμα αέρα εισαγωγής με (β) χαμηλή ταχύτητα Μετά τη μείωση της ταχύτητας στην εισαγωγή, παρατηρούνται περιοχές αποκόλλησης της ροής, δηλαδή παρουσιάζονται στροβιλισμοί του αέρα ανάμεσα στα πτερύγια του συμπιεστή. Αυτές κινούνται περιφερειακά με ταχύτητα μικρότερη της ταχύτητας περιστροφής του άξονα του κινητήρα και με την ίδια φορά. Στην εικόνα 2.31 παρουσιάζεται μία προσπάθεια ερμηνείας του φαινομένου. Εικόνα 2.31 Περιοχή αποκόλλησης της ροής στα κινητά πτερύγια του συμπιεστή Η δημιουργία περιοχής αποκόλλησης της ροής μόνο στο πτερύγιο Α επηρεάζει προοδευτικά και τα γειτονικά πτερύγια. Το πτερύγιο Β βρίσκεται αμέσως μετά από το Α από την πλευρά υποπίεσης και θα δεχτεί τη ροή του αέρα με 73

76 μεγαλύτερη γωνία προσβολής. Αντίθετα, το πτερύγιο Γ βρίσκεται αμέσως μετά το Α από την πλευρά της υπερπίεσης. Θα δεχτεί, λοιπόν, τη ροή με μικρότερη γωνία προσβολής. Η αύξηση της γωνίας προσβολής στο πτερύγιο Β οδηγεί στην εμφάνιση περιοχής αποκόλλησης της ροής σ` αυτό. Παράλληλα, μειώνεται η γωνία προσβολής στο πτερύγιο Α, οπότε η περιοχή αποκόλλησης της ροής σε αυτό μειώνεται και, τελικά, η ροή επανακολλάται. Παρατηρούμε, λοιπόν, ότι η περιοχή αποκόλλησης της ροής, ουσιαστικά, μεταφέρθηκε από το πτερύγιο Α στο πτερύγιο Β. Με όμοιο τρόπο θα μεταφερθεί και στα υπόλοιπα πτερύγια. Αναπτύσσεται με τον τρόπο αυτό μία περιστρεφόμενη αποκόλληση (rotating stall), αφού τα πτερύγια του συμπιεστή βρίσκονται σε περιφερειακή διάταξη μέσα στον κινητήρα. Γενικά, η εμφάνιση του φαινομένου της περιστρεφόμενης αποκόλλησης προέρχεται από τη διαταραχή στη σχέση μεταξύ ροής αέρα, λόγου συμπίεσης και αριθμού στροφών. Οι αιτίες που δημιουργούν είναι: Μείωση της ροής του αέρα λόγω πτήσης σε μεγάλο ύψος, παγοποίησης. Απότομη αύξηση της ροής του καυσίμου. Απότομη αλλαγή της ροής του αέρα λόγω ελιγμού του αεροσκάφους. Υψηλή θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής. Βλάβη ενός ή περισσότερων πτερυγίων του συμπιεστή. Παράδειγμα από αναρρόφηση ξένου σώματος, οπότε και αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας του. Μείωση της διατομής εισαγωγής αέρα καθώς και των διόδων των βαθμίδων όπως από επικαθίσεις. Αν η αιτία του φαινομένου συνεχίσει να υπάρχει, τότε η αστάθεια της ροής του αέρα προσβάλλει το σύνολο των βαθμίδων του συμπιεστή. Στο σημείο αυτό διαχωρίζονται οι έννοιες απώλεια στήριξης και πάλμωση. Η πρώτη αφορά την αστάθεια της ροής σε περιορισμένο αριθμό βαθμίδων, η πάλμωση θεωρείται ότι αποτελεί τη μετάβαση του φαινομένου σ` όλες τις βαθμίδες του συμπιεστή. Οπότε, παρατηρούνται συνολικές ταλαντώσεις της ροής σ` όλο το μήκος του δακτυλίου του συμπιεστή. Η ροή κατευθύνεται από την είσοδο προς της έξοδο του συμπιεστή αλλά και το αντίθετο αμέσως μετά. Η απώλεια στήριξης μικρής έντασης συνοδεύεται από ελαφρύ κραδασμό ή καθυστέρηση μεταβολής των στροφών σ` επιτάχυνση ή επιβράδυνση του κινητήρα. Συνήθως σ` αυτή την ένταση δεν 74

77 επηρεάζει τη λειτουργία του κινητήρα και αποκαθίσταται αμέσως, χωρίς την ανάγκη επέμβασης. Η απώλεια στήριξης με μεγαλύτερη ένταση συνοδεύεται από αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργία του στροβίλου του κινητήρα, κραδασμούς και εμφάνιση θορύβου από το συμπιεστή. Κατά την πλήρη απώλεια στήριξης (πάλμωση) δημιουργούνται ισχυροί κρότοι στο συμπιεστή και αύξηση στις θερμοκρασίες λειτουργίας του στροβίλου. Για ν` αποφευχθεί η λειτουργία σε συνθήκες απώλειας στήριξης και πάλμωσης, οι κατασκευαστές αεριοστροβίλων έχουν δημιουργήσει το πεδίο χαρακτηριστικών ή αλλιώς χάρτη του συμπιεστή. Για κάθε κινητήρα είναι διαφορετικό και σ` αυτό απεικονίζονται όλες οι καταστάσεις λειτουργίας του και προκύπτουν οι περιοχές ευσταθούς και ασταθούς λειτουργίας για το συγκεκριμένο συμπιεστή. Όπως φαίνεται στην εικόνα 2.32, κατά μήκος της καμπύλης κανονικής λειτουργίας, ο συμπιεστής θα λειτουργεί χωρίς την εμφάνιση πάλμωσης για διάφορες τιμές του λόγου συμπίεσης, της ροής μάζας αέρα και του αριθμού στροφών. Το σημείο κανονικής λειτουργίας βρίσκεται σ` αυτήν και δηλώνει τις συνθήκες κάτω από τις οποίες ο συμπιεστής θα λειτουργεί τις περισσότερες φορές. Οι τιμές του λόγου συμπίεσης που εξασφαλίζουν ικανοποιητική λειτουργία του κινητήρα είναι αυτές που βρίσκονται μεταξύ της καμπύλης κανονικής λειτουργίας και της καμπύλης πάλμωσης. Επίσης, για κάθε δεδομένη τιμή ροής μάζας αέρα, υπάρχει μία μικρή περιοχή τιμών του λόγου συμπίεσης, όπου ο κινητήρας θα λειτουργεί χωρίς την εμφάνιση πάλμωσης. Εικόνα 2.32 Διάγραμμα λειτουργίας αξονικού συμπιεστή 75

78 Η απώλεια στήριξης και η πάλμωση είναι, βέβαια, ανεπιθύμητες λειτουργίες. Η εμφάνισή τους επιφέρει κραδασμούς και σημαντική μείωση του βαθμού απόδοσης του συμπιεστή. Αυτή, σε συμπιεστές υψηλής ταχύτητας, συνοδεύεται από μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία σε συνδυασμό με τους κραδασμούς μπορεί να επιφέρει την ολική καταστροφή του συμπιεστή. Επίσης, η αναστροφή της ροής που παρατηρείται κατά την εμφάνιση της πάλμωσης μπορεί να οδηγήσει σε αναρρόφηση φλόγας από το θάλαμο καύσης και καταστροφή του συμπιεστή. Τα φαινόμενα της απώλειας στήριξης και της πάλμωσης αντιμετωπίζονται με τους παρακάτω τρόπους: Αποτελεσματική λειτουργία του εξαρτήματος του αυτόματου ρυθμιστή καυσίμου. Αυτός λαμβάνει υπόψη τις παραμέτρους της κατάστασης λειτουργίας, το λόγο συμπίεσης, τον αριθμό στροφών λειτουργίας του συμπιεστή και τη ροή εισερχόμενου αέρα και αντισταθμίζει τις μεταβολές τους, ιδιαίτερα κατά τις απότομες μετακινήσεις της μανέτας. Μείωση της γωνίας προσβολής των μπροστινών βαθμίδων του συμπιεστή ώστε να μην υπερβεί την κρίσιμη τιμή της. Χρήση συστήματος αυτόματου ελέγχου ροής, ώστε να επιτευχθεί λειτουργία χωρίς απώλεια στήριξης. Το σύστημα αυτό παροχετεύει ποσότητα αέρα από το μέσο ή το οπίσθιο μέρος του συμπιεστή προς την ατμόσφαιρα ή προς κάποια δευτερεύουσα ροή. Η ποσότητα του αέρα ρυθμίζεται μέσω βαλβίδας (handling bleed valve). Αυτή είναι ανοιχτή κατά τη λειτουργία του κινητήρα σε χαμηλούς λόγους συμπίεσης και κλείνει στους υψηλότερους. Όταν η βαλβίδα είναι ανοικτή, η ροή αέρα αυξάνεται στις μπροστινές βαθμίδες, ενώ μειώνεται στις οπίσθιες. Έτσι, επέρχεται ισορροπία στη ροή του αέρα κατά μήκος του συμπιεστή. Χρήση οδηγών πτερυγίων στην είσοδο του συμπιεστή και σταθερών πτερυγίων με μεταβλητή γωνία στις αρχικές βαθμίδες. Ο μηχανισμός ρύθμισης της γωνίας λαμβάνει υπόψη τον αριθμό των στροφών λειτουργίας και τη θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής. Χρήση διβαθμίου συμπιεστή (δύο στροφείων). Μ` αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η ρύθμιση των στροφών του συμπιεστή χαμηλής πίεσης στις καλύτερες δυνατές συνθήκες λειτουργίας και μειώνεται η πιθανότητα εμφάνισης απώλειας στήριξης. 76

79 Εικόνα 2.33 Συνδυασμός αξονικού και φυγοκεντρικού συμπιεστή Αρκετοί κατασκευαστές κινητήρων χρησιμοποιούν συνδυασμό φυγοκεντρικού και αξονικού συμπιεστή για να εκμεταλλευτούν τα πλεονεκτήματα και των δύο τύπων. Ο σχεδιασμός αυτός χρησιμοποιείται σε μικρούς κινητήρες που κινούν μικρά επιβατικά αεροσκάφη κι ελικόπτερα. Ένα παράδειγμα ο κινητήρας Garrett TFE731 που φαίνεται στην εικόνα 233. Ένας πολυβάθμιος αξονικός συμπιεστής χρησιμοποιείται σαν συμπιεστής χαμηλής πίεσης κι ένας μονοβάθμιος φυγοκεντρικός συμπιεστής σαν συμπιεστής υψηλής πίεσης. Ακόμα ο εμπρόσθιος ανεμιστήρας παίρνει κίνηση μέσω μειωτήρα στροφών, από τον άξονα, που δίνει κίνηση στο συμπιεστή χαμηλής πίεσης. 2.9 Θάλαμοι καύσης Γενικά Η βέλτιστη απόδοση κατά τη διαδικασία της καύσης του μείγματος αέρα καυσίμου σ` έναν αεριοστρόβιλο είναι απαραίτητη, διότι από την καύση καθορίζεται η ολική απόδοση του κινητήρα, το λειτουργικό κόστος του αεροσκάφους, αλλά και η ρύποι που θα επιβαρύνουν το περιβάλλον. Στην σύγχρονη εποχή, η ανάπτυξη των θαλάμων καύσης (combustion chambers) βασίζεται στην εμπειρία που αποκτήθηκε 77

80 από τη χρήση τους σε αεριωθούμενους κινητήρες που λειτούργησαν με περισσότερη ή λιγότερη επιτυχία στο παρελθόν. Είναι γνώρισμα της εξέλιξης ν` αναζητούνται συνεχώς διαφορετικές λύσεις για ένα σύστημα καύσης, όμως κάθε θάλαμος καύσης διέπεται από βασικές σχεδιαστικές αρχές. Η διαρκώς αυξανόμενη χρήση των αεροσκαφών, που σημειώνεται με την πάροδο των χρόνων, επιφέρει ταυτόχρονα σημαντική αύξηση στη μόλυνση του περιβάλλοντος. Γεγονός που εντείνει τις προσπάθειες σχεδιασμού βελτιωμένων θαλάμων καύσης με μειωμένες εκπομπές καυσαερίων Διαδικασία καύσης Στο θάλαμο καύσης γίνεται η καύση συγκεκριμένης ποσότητας μείγματος αέρα και καυσίμου. Τα παραγόμενα καυσαέρια δίνουν τη θερμική ενέργειά τους στο στρόβιλο, που βρίσκεται μετά το θάλαμο καύσης. Η διαδικασία της καύσης πραγματοποιείται στο θάλαμο καύσης και πρέπει να επιτυγχάνεται με την ελάχιστη δυνατή απώλεια πίεσης (ισοβαρής καύση). Αρχικά ο θάλαμος καύσης αποτελείται από το περίβλημα, το στροβιλιστή, τον εγχυτήρα καυσίμου και το φλογοσωλήνα όπου πραγματοποιείται η καύση. Το συμπιεσμένο ρεύμα αέρα εξέρχεται από το συμπιεστή με ταχύτητα 150 m/sec. Η ταχύτητα αυτή είναι απαγορευτική για τη διαδικασία της καύσης και πρέπει να μειωθεί σημαντικά. Η μείωση αυτή επιτυγχάνεται στην περιοχή του διαχύτη, που βρίσκεται μεταξύ του συμπιεστή και θαλάμου καύσης. Η διατομή του δακτυλίου ροής αυξάνει προοδευτικά, μειώνοντας με τον τρόπο αυτόν την ταχύτητα του ρεύματος αέρα, ενώ αυξάνεται η στατική του πίεση. Μετά τη δίοδο από το διαχύτη η ταχύτητα του ρεύματος αέρα είναι της τάξης των 25 m/sec, τιμή επίσης μεγάλη για την κανονική καύση. Η περαιτέρω μείωσή της σε τιμές της τάξης των 5 m/sec επιτυγχάνεται, με τη χρήση ενός διάτρητου δίσκου (perforated disk), που αποτελεί εξάρτημα του θαλάμου καύσης και βρίσκεται περιφερειακά από τον εγχυτήρα καυσίμου (fuel nozzle). Ένας ακόμη σκοπός του θαλάμου καύσης είναι, η παροχή της σωστής αναλογίας όσον αφορά το μείγμα αέρα καυσίμου. Ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα, ο λόγος αέρα καυσίμου παίρνει τιμές μεταξύ 45:1 και 80:1. Το χρησιμοποιούμενο καύσιμο, η κηροζίνη, αναφλέγεται αποδοτικά όταν ο παραπάνω λόγος έχει τιμή περίπου 15:1. Αυτό 78

81 σημαίνει ότι μόνο ένα μέρος του εισερχόμενου αέρα στο θάλαμο καύσης απαιτείται για την κανονική καύση και πρακτικά μόνον αυτό θ` αναμειχθεί με το καύσιμο. Η ανάμειξη αυτή πραγματοποιείται στο μπροστινό τμήμα του θαλάμου καύσης. Στην εικόνα 2.34 φαίνεται η ροή του αέρα μέσα στο θάλαμο καύσης που χρησιμοποιούμε σαν παράδειγμα. Εικόνα 2.34 Ροές στο θάλαμο καύσης Αρχικά, ένα ποσοστό (περίπου 25%) του εισερχόμενου αέρα στο θάλαμο καύσης, η αρχική ροή, διέρχεται από αγωγό με κατάλληλα διαμορφωμένη διατομή. Η υπόλοιπη ποσότητα του εισερχόμενου αέρα, η δευτερεύουσα ροή, είναι μεγαλύτερη περίπου 75%, εισέρχεται στο δακτυλιοειδή χώρο που δημιουργείται, μεταξύ της περιφέρειας του φλογοσωλήνα και του περιβλήματος του θαλάμου καύσης. Στην περιοχή του αγωγού εισόδου της πρωτεύουσας ροής υπάρχουν τα σταθερά πτερύγια (swirl vanes) του στροβιλιστή, που ανακόπτουν την αξονική ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα (10% περίπου), ενισχύοντας την περιφερειακή ταχύτητά του. Ένα ποσοστό 5% αέρα διέρχεται από το διάτρητο δίσκο, με αποτέλεσμα η ταχύτητά του να μειώνεται στα επιθυμητά επίπεδα. Τελικά, το ρεύμα αέρα που εισέρχεται στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης (primary combustion zone), έχει αποκτήσει στροβιλισμό, απαραίτητο για την ομαλή κυκλοφορία του μέσα στο φλογοσωλήνα, αλλά και για την καλή ανάμειξη του καύσιμου μείγματος. Η περιοχή αυτή αποτελεί το ένα τρίτο του συνολικού μήκους του φλογοθαλάμου κι εκεί πραγματοποιείται η έναυση και η καύση του καύσιμου μείγματος. 79

82 Οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται εκεί μπορούν να φτάσουν τους C, τιμή πολύ μεγαλύτερη από την αντοχή των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των φλογοθαλάμων. Για το λόγο αυτό, στην περιοχή της πρωτεύουσας ζώνης καύσης υπάρχουν δίοδοι εισαγωγής αέρα για την ψύξη των τοιχωμάτων του φλογοθαλάμου. Ο αέρας αυτός προέρχεται από την ποσότητα του διερχόμενου αέρα από τη περιφέρεια του φλογοσωλήνα, σε ποσοστό 10%. Η υπόλοιπη ποσότητα του ρεύματος αέρα εισέρχεται στο φλογοθάλαμο μέσω ειδικών οπών του, κατά μήκος της περιοχής αμέσως μετά την κύρια ζώνη καύσης. Ένα μέρος της ποσότητας του αέρα αυτού χρησιμοποιείται για τη μείωση της θερμοκρασίας των καυσαερίων, ώστε αυτά να μην καταστρέψουν το στρόβιλο και για την ψύξη των τοιχωμάτων του φλογοθαλάμου. Ακόμη, η ποσότητα αυτή του αέρα είναι δυνατό να αναμειχθεί με ποσότητα άκαυστου καυσίμου, με την πιθανότητα να προκαλέσει την καύση της. Τονίζεται ότι η διεργασία της καύσης, πρέπει να έχει τελειώσει, πριν την εισαγωγή της υπόλοιπης ποσότητας αέρα στο φλογοθάλαμο. Ο λόγος είναι ότι το ρεύμα αέρα, καθώς είναι σημαντικά ψυχρότερο από τα παραγόμενα καυσαέρια, θα επιφέρει μείωση στη θερμοκρασία τους. Συνολικά, από τον εισερχόμενο αέρα στο θάλαμο καύσης, ένα ποσοστό 20% έως 30% συμμετέχει στη διεργασία της καύσης, ενώ το υπόλοιπο 70% έως 80% χρησιμοποιείται για λόγους ψύξης. Ο απαραίτητος σπινθήρας για την έναυση παρέχεται μια φορά, από ειδικό σπινθηριστή που έχει ικανότητα παραγωγής έως και 100 σπινθήρων ανά λεπτό. Στη συνέχεια, η καύση διατηρείται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, που επικρατούν στην πρωτεύουσα ζώνη της καύσης. Τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του θαλάμου καύσης πρέπει να παρουσιάζουν, καλή αντοχή στις θερμικές καταπονήσεις (thermal stresses), στη διάβρωση που επιφέρουν τα προϊόντα της καύσης, και στους κραδασμούς της λειτουργίας. Συνήθως, για την κατασκευή του φλογοθαλάμου, χρησιμοποιούνται κράματα χάλυβα ενωμένα με νικέλιο και χρώμιο ενώ το περίβλημα κατασκευάζεται από ελαφρύ χάλυβα. Παροχή καυσίμου Στο σημείο αυτό θ` αναφέρουμε τους δύο διαφορετικούς τρόπους, που παρέχεται το καύσιμο, και στη συνέχεια θ` αναμιχθεί με την κατάλληλη ποσότητα αέρα για την πραγματοποίηση της καύσης. 80

83 Ο πρώτος τρόπος και ο πιο συνηθισμένος στηρίζεται στην έγχυση σταγονιδίων καυσίμου στο ρεύμα αέρα, που διέρχεται από το διάτρητο δίσκο στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης. Όσο μικρότερη είναι η διατομή των σταγονιδίων του καυσίμου τόσο πιο γρήγορη και αποδοτική είναι η διεργασία της καύσης. Ο δεύτερος τρόπος στηρίζεται στην ατμοποίηση του καυσίμου, πριν την εισαγωγή στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης. Στην περίπτωση αυτήν, ο θάλαμος καύσης δε διαθέτει σταθερά πτερύγια στροβιλισμού και διάτρητο έλασμα. Όπως απεικονίζεται στην εικόνα Εικόνα 2.35 Εξαέρωση καυσίμου πριν την εισαγωγή του στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης Η ροή του αέρα που προορίζεται για την καύση (πρωτεύουσα ροή) διέρχεται μέσω οπών σε μεταλλικό διάφραγμα. Σ` αυτό στηρίζεται ο σωλήνας παροχής καυσίμου. Το καύσιμο εγχέεται σε σωλήνες μικρής διατομής, που βρίσκονται μέσα στο φλογοθάλαμο και το ένα άκρο τους σχηματίζει γωνία 180 με τη ροή του αέρα. Το καύσιμο στη διαδρομή του σ` αυτούς τους σωλήνες θερμαίνεται και ατμοποιείται πριν εισέλθει στο φλογοθάλαμο. Ο αέρας της πρωτεύουσας ροής διέρχεται από τους ίδιους σωλήνες, με το καύσιμο που ατμοποιείται. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνεται η ανάμειξή τους. Η υπόλοιπη ποσότητα αέρα (δευτερεύουσα ροή) εισέρχεται στο φλογοσωλήνα για την επίτευξη ψύξης, όπως ακριβώς περιγραφθεί παραπάνω. 81

84 2.9.3 Λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης Για την πραγματοποίηση της βέλτιστης καύσης, θα πρέπει να ισχύουν συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα και του αεροσκάφους αναφορικά με την ταχύτητα πτήσης, την πτήση σε μεγάλο ύψος, την επιτάχυνση κατά την απογείωση, τη δυνατότητα επανεκκίνησης κ.α. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του θαλάμου καύσης καθορίζονται από συγκεκριμένες παραμέτρους, που θ` αναφερθούν παρακάτω Απόδοση καύσης Αρχικά το εγχεόμενο καύσιμο καίγεται ατελώς (ατελής καύση), με αποτέλεσμα την έκλυση μικρότερης ποσότητας θερμότητας, από αυτήν που μπορεί να παραχθεί θεωρητικά. Η αιτία της εμφάνισης ατελούς καύσης είναι η δυσκολία που παρουσιάζεται στην παροχή της σωστής ποσότητας αέρα καύσης στις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. Ο βαθμός απόδοσης της καύσης καθορίζεται από το ποσό της εκλυόμενης θερμότητας, σε σχέση με το ποσό της θερμότητας, που είναι ικανό το καύσιμο ν` αποδώσει θεωρητικά. Οι σύγχρονοι θάλαμοι καύσης παρουσιάζουν βαθμούς απόδοσης από 90% έως 98%. Άλλη μια σημαντική παράμετρος, για την απόδοση του θαλάμου καύσης, είναι η απώλεια πίεσης κατά τη διάρκεια της διεργασίας της καύσης. Όπως είναι γνωστό, ο κύκλος λειτουργίας των αεριοστρόβιλων κινητήρων παρουσιάζει σταθερή πίεση κατά τη διάρκεια της καύσης. Πρακτικά, όμως, η απώλεια της πίεσης είναι αναπόφευκτη λόγω των τριβών και του στροβιλισμού, που πραγματοποιείται στην πρωτεύουσα ροή αέρα. Συνήθως, οι απώλειες πίεσης είναι της τάξης 2% έως 7%. Οι προσπάθειες που γίνονται για τη μείωσή τους εστιάζονται στο σχεδιασμό των σταθερών πτερυγίων στροβιλισμού και του διάτρητου ελάσματος. Τέλος, στη Εικόνα 2.36 φαίνεται η απόδοσης της διεργασίας της καύσης σε σχέση με το λόγο αέρα καυσίμου ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα. 82

85 Εικόνα 2.36 Απόδοση θαλάμου καύσης ως προς το λόγο αέρα - καυσίμου Ευστάθεια καύσης Στις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα, μεγάλη σημασία έχει η διατήρηση της φλόγας, ώστε να επιτυγχάνεται η κανονική διεργασία της καύσης. Οι ακόλουθες παράμετροι αλλάζουν στην είσοδο του θαλάμου καύσης, κι επηρεάζουν τη διεργασία της καύσης, οι παράμετροι αυτοί είναι: Η στατική πίεση. Η στατική θερμοκρασία. Η ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα. Η ευσταθής περιοχή της καύσης εξαρτάται από τις τιμές του λόγου αέρα καυσίμου. Η περιοχή αυτή μικραίνει κατά τη διάρκεια πτήσεων σε μεγάλα ύψη, με μειωμένη ατμοσφαιρική πίεση μαζί με τη μειωμένη πίεση του εισερχόμενου ρεύματος αέρα, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.37(α). 83

86 Εικόνα 2.37 Απεικόνιση ευσταθής περιοχής της διεργασίας καύσης Οι στροβιλοανεμιστήρες με μεγάλο λόγο παράκαμψης, είναι λιγότερο ευπαθείς. Στην περίπτωση καύσης με στοιχειομετρικό λόγο αέρα καυσίμου, η ευσταθής καύση επιτυγχάνεται και σε αρκετά χαμηλές πιέσεις εισερχόμενου αέρα. Η ευσταθής περιοχή λειτουργίας, περιορίζεται όσο αυξάνεται η ταχύτητα του εισερχόμενου ρεύματος αέρα (εικόνα 2.37(β)). Αν αυτή υπερβεί ένα συγκεκριμένο όριο, η φλόγα θα σβήσει (flameout). Ακόμη, στην περίπτωση που η θερμοκρασία του εισερχόμενου ρεύματος αέρα, είναι μικρότερη από ένα όριο, θα επέλθει απώλεια της φλόγας (εικόνα 2.37(γ)) Κατανομή θερμοκρασίας Η βέλτιστη απόδοση του κινητήρα επιτυγχάνεται, όταν η θερμοκρασία των καυσαερίων που παράγονται στο θάλαμο καύσης λαμβάνει τις μεγαλύτερες δυνατές τιμές. Όμως δεν πρέπει να ξεχνάμε το περιορισμό, της ανόδου της θερμοκρασίας λόγω της αντοχής των υλικών κατασκευής των πτερυγίων και των στροβίλων. Οι προσπάθειες που καταβάλλονται για την επίτευξη καλύτερων κατανομών θερμοκρασιών των καυσαερίων έχουν να κάνουν με την καλύτερη ανάμειξη του καύσιμου μίγματος. Από την άλλη πλευρά, αυξάνεται το ενδεχόμενο να επιφέρουμε αύξηση των απωλειών πίεσης στο θάλαμο καύσης. 84

87 Ανάφλεξη Οι αυξημένες τιμές πίεσης και θερμοκρασίας, με την παράλληλη χαμηλή τιμή της ταχύτητας του εισερχόμενου ρεύματος αέρα στο θάλαμο καύσης, ευνοούν την ανάφλεξη του καύσιμου μείγματος. Στην περίπτωση όπου το μείγμα είναι πολύ φτωχό ή πολύ πλούσιο, η ανάφλεξη επηρεάζεται σημαντικά, καθώς η ροή των παραγόμενων καυσαερίων, δεν θα είναι σταθερή, με αποτέλεσμα την απότομη αύξηση της θερμοκρασίας του κινητήρα και της μη συνεχούς παραγωγή ώσης, για την ομαλή διεξαγωγή της πτήσης, όπως θα περιγράψουμε παρακάτω Επικαθήσεις Κατά τη λειτουργία με πλούσιο μείγμα αέρα καυσίμου, υπάρχει αυξημένη η πιθανότητα για τη δημιουργία επικαθήσεων άνθρακα στην πρωτεύουσα ζώνη καύσης, λόγω ατελούς καύσης. Στην περίπτωση αυτή, θα εμφανιστεί καπνός στην εξαγωγή του κινητήρα. Η επίδραση, ωστόσο, στο βαθμό απόδοσης της καύσης είναι πολύ μικρή. Να σημειώσουμε ότι η αλλαγή στην αναλογία του μίγματος αέρα καυσίμου μπορεί να επιφέρει επικαθήσεις άνθρακα σε διαφορετικό σημείο του φλογοθαλάμου Τύποι θαλάμων καύσης Η κατηγοριοποίηση των θαλάμων καύσης γίνεται σύμφωνα με τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά. Διακρίνουμε τρεις βασικούς τύπους: Τον πολλαπλό θάλαμο καύσης. Το δακτυλιοειδή θάλαμο καύσης. Σώληνο-δακτυλιοειδή θάλαμο καύσης. 85

88 Πολλαπλός θάλαμος καύσης (multiple combustion chamber) Αυτός ο τύπος θαλάμου καύσης χρησιμοποιήθηκε, στους αρχικούς αεριωθούμενους κινητήρες. Ουσιαστικά, αποτελείται από ένα συγκεκριμένο αριθμό ξεχωριστών θαλάμων καύσης σωληνοειδούς τύπου (can type combustion chamber), όπως αυτός που φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 2.38 Θάλαμος καύσης τύπου σωλήνα Οι θάλαμοι αυτοί είναι τοποθετημένοι περιφερειακά ως προς τον άξονα του κινητήρα, σε παράλληλη διάταξη (εικόνα 2.39). Η συνεργασία τους με τους φυγοκεντρικούς συμπιεστές είναι ιδανική. Κάθε ένας από τους θαλάμους καύσης συνδέεται με ξεχωριστό αγωγό, που του παρέχει ροή συμπιεσμένου αέρα, μετά τη διέλευσή του από το διαχύτη. Εικόνα 2.39 Θάλαμος καύσης πολλαπλού τύπου 86

89 Οι θάλαμοι είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους με ειδικούς αγωγούς διάδοσης της φλόγας (flame tubes). Η αρχική ανάφλεξη πραγματοποιείται σε δύο μόνο θαλάμους, οι οποίοι είναι εφοδιασμένοι μ` ένα σπινθηριστή ο καθένας. Η φλόγα μεταφέρεται στους υπόλοιπους θαλάμους μέσω των αγωγών διάδοσης και πραγματοποιείται ανάφλεξη του μίγματος αέρα καυσίμου σε κάθε έναν από αυτούς. Οι αγωγοί διάδοσης επιτυγχάνουν επίσης εξισορρόπηση της πίεσης μέσα στους θαλάμους καύσης και μ` αυτόν τον τρόπο αποφεύγεται η άνιση θερμική καταπόνηση των πτερυγίων του στροβίλου. Ένας τυπικός πολλαπλός θάλαμος καύσης αποτελείται από 8 ή 10 ξεχωριστούς θαλάμους. Το μεγάλο πλεονέκτημα του πολλαπλού θαλάμου καύσης είναι ότι οι μεγάλες καμπυλότητες που φέρει, εξασφαλίζουν μεγάλη αντοχή σε στρέβλωση (warping) λόγω θερμοκρασιών. Επίσης, η δυνατότητα της αποσυναρμολόγησης, κάθε μεμονωμένου θαλάμου ξεχωριστά παρέχει μεγάλη ευελιξία όσον αφορά το πρόγραμμα συντήρησης κι επισκευής του κινητήρα. Από την άλλη πλευρά, το σχήμα του πολλαπλού θαλάμου καύσης (μικρή διάμετρος - μεγάλο μήκος) δεν είναι εργονομικό, καθώς δεν εκμεταλλεύεται ικανοποιητικά το διαθέσιμο χώρο που υπάρχει στον κινητήρα ενώ, παράλληλα, προσθέτει βάρος σε αυτόν Δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης (annular combustion chamber) Στη σημερινή εποχή ο δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης χρησιμοποιείται σε πληθώρα αεροσκαφών, μικρών και μεγάλων. Αυτό συμβαίνει διότι αποτελεί τον περισσότερο αποδοτικό θάλαμο καύσης, όσον αφορά τη θερμική απόδοση, το βάρος και το μέγεθος. Ο δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης αποτελείται από το δακτυλιοειδή φλογοθάλαμο που σχηματίζεται από ένα εξωτερικό (outer liner) και ένα εσωτερικό κυλινδρικό περίβλημα ή δακτύλιο (inner liner), όπως φαίνεται στην εικόνα 2.40 (α). Ο θάλαμος είναι ανοικτός στο μπροστινό και το οπίσθιο τμήμα του προς το διαχύτη και το στρόβιλο, αντίστοιχα. 87

90 Εικόνα 2.40 (α) Δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης, (β) δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης αντίστροφης ροής Η πρωτεύουσα και η δευτερεύουσα ροή αέρα, πραγματοποιούνται σχεδόν με όμοιο τρόπο με αυτόν που εξετάσαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Στο Σχήμα 2.40 (β) φαίνεται ο δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης αντίστροφης ροής (reverse flow annular combustion chamber). Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης είναι ότι: Εκμεταλλεύεται πολύ αποδοτικά το χώρο, στον οποίο τοποθετείται κι επιτυγχάνει την καλή ανάμιξη του καύσιμου μείγματος. Το μήκος και η διάμετρος του δακτυλιοειδούς θαλάμου, είναι αρκετά μικρότερη από τους άλλους τύπους θαλάμων καύσης, για την ίδια παραγόμενη ισχύ. Η απουσία αγωγών διάδοσης της φλόγας εξασφαλίζει καλή απόδοση καύσης. Επιτυγχάνεται ένας βέλτιστος λόγος εσωτερικής επιφάνειας φλογοθαλάμου, προς τον συνολικό όγκο, οπότε εξασφαλίζεται μέγιστη ψύξη κατά τη διάρκεια της καύσης. Έχει απλή κατασκευή. Ως μειονέκτημα του δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης θεωρείται η ανάγκη αποσυναρμολόγησης πολλών τμημάτων του κινητήρα στην περίπτωση επισκευής 88

91 ή επιθεώρησης. Λόγω της γεωμετρίας του εσωτερικού και του εξωτερικού περιβλήματος του φλογοθαλάμου, αυτά είναι αρκετά ευάλωτα σε στρέβλωση και θερμική καταπόνηση Σώληνο-δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης (can-annular combustion chamber) Ο τύπος αυτός θαλάμου καύσης αποτελεί, ένα συνδυασμό μεταξύ του πολλαπλού και του δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης. Χρησιμοποιήθηκε κατά κόρον στους αεριοστρόβιλους που αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του Εικόνα 2.41 Σωληνο-δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης Αποτελείται από έναν αριθμό φλογοθαλάμων τοποθετημένων περιφερειακά του οριζόντιου άξονα σε κοινό δακτυλιοειδές πλαίσιο, όπως φαίνεται στην εικόνα Η παροχή της πρωτεύουσας ροής αέρα πραγματοποιείται από ξεχωριστούς αεραγωγούς για τον κάθε φλογοθάλαμο, ενώ η δευτερεύουσα ροή αέρα πραγματοποιείται στο δακτυλιοειδή χώρο που σχηματίζεται, μεταξύ των φλογοθαλάμων και του εξωτερικού περιβλήματος (εικόνα 2.42). Επίσης χρησιμοποιούνται αγωγοί μετάδοσης της φλόγας. 89

92 Εικόνα 2.42 Οι ροές αέρα στο σώληνο-δακτυλιοειδή θάλαμο καύσης. Η σχεδίαση του σώληνο-δακτυλιοειδούς θαλάμου καύσης επιτυγχάνει να συνδυάσει την ευκολία στην επιθεώρηση και επισκευή που παρουσιάζει ο πολλαπλός θάλαμος καύσης με την καλή εργονομία που επιτυγχάνει ο δακτυλιοειδής θάλαμος καύσης Στρόβιλος Γενικά Ο πρωταρχικός σκοπός του στροβίλου (turbine) σ` έναν αεριωθούμενο κινητήρα, είναι να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για την περιστροφή του συμπιεστή. Συμπληρωματικά, ο στρόβιλος εξασφαλίζει την κίνηση των παρελκυμένων (accessories). Στον ελικοστρόβιλο και τον αξονοστρόβιλο κινητήρα, ο στρόβιλος δίνει κίνηση και στον έλικα. Η ισχύς που παρέχει ο στρόβιλος κατά τη λειτουργία του μπορεί να πάρει τιμές της τάξης των ΗP. Η ισχύς αυτή λαμβάνεται από την ενέργεια των εξερχόμενων, από το θάλαμο καύσης, καυσαερίων. Υπολογίζεται ότι σχεδόν τα τρία τέταρτα της ενέργειας τους, απαιτούνται για την κίνηση. Ένα και μόνο πτερύγιο του στροβίλου μπορεί να παράγει ισχύ έως και 250 HP. Κι ας μην ξεχνάμε ότι η μετατροπή της θερμικής ενέργειας των καυσαερίων σε μηχανική ισχύ πραγματοποιείται μέσα στον περιορισμένο χώρο που κατέχει ο στρόβιλος ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα. Ακόμη, αξιοσημείωτες είναι οι θερμοκρασίες λειτουργίας στην είσοδο του στροβίλου, οι 90

93 οποίες μπορούν να φτάσουν και τους 1650 C του συμπιεστή σ` έναν αεριοστρόβιλο κινητήρα. Παρ` όλα αυτά η ανάπτυξη νέων υλικών κατασκευής των στροβίλων, καθώς και βελτιωμένων μεθόδων ψύξης τους, επιτρέπουν τη λειτουργία υπό αυτές τις συνθήκες και την παροχή ολοένα και μεγαλύτερων τιμών ισχύος Περιγραφή και λειτουργία του στροβίλου Για να περιγράψουμε τη λειτουργία του στροβίλου, θα πρέπει να έχουμε υπόψη, πώς λειτουργεί ο συμπιεστής. Επιγραμματικά ο συμπιεστής προσθέτει ενέργεια στο εισερχόμενο ρεύμα αέρα, μετατρέποντας τη μηχανική του ενέργεια σε δυναμική. Από την άλλη πλευρά, ο στρόβιλος απορροφά ενέργεια από το ρεύμα των θερμών καυσαερίων, κατά την έξοδό τους από το θάλαμο καύσης και στη συνέχεια τη μετατρέπει, σε μηχανική ενέργεια για την παραγωγή ισχύος. Τα στροφεία φυγοκεντρικού τύπου που βρίσκονται στο συμπιεστή έχουν αρκετές εφαρμογές, ενώ οι ακτινικοί στρόβιλοι (radial inflow turbines) χρησιμοποιούνται σε ελάχιστες περιπτώσεις, καθώς δεν είναι αποδοτικοί όσο οι αξονικοί. Ωστόσο, συγκεντρώνουν πλεονεκτήματα όπως η στιβαρή κατασκευή και το σχετικά μικρό κόστος τους. Οι ακτινικοί στρόβιλοι έχουν τη μορφή που φαίνεται στην εικόνα

94 Εικόνα 2.43 Χρήση ακτινικού στρόβιλου σε APU (GTCP85) Στους αεριοστρόβιλους κινητήρες χρησιμοποιείται αποκλειστικά ο στρόβιλος αξονικού τύπου, καθώς έχει την δυνατότητα να διαχειριστεί μεγάλη παροχή καυσαερίων σε υψηλό αριθμό στροφών. Όπως ο συμπιεστής, και ο στρόβιλος απαντάται σε μονοβάθμιο και πολυβάθμιο (εικόνα 2.44). Εικόνα 2.44 Μονοβάθμιος και τριβάθμιος στρόβιλος αξονικού τύπου Η βαθμίδα του στροβίλου αποτελείται από: Μία σειρά σταθερών πτερυγίων (vanes), γνωστά και ως στάτορας ή αλλιώς στάτης (stator), τα οποία ακολουθούνται από Μία σειρά κινητών πτερυγίων (blades), γνωστά και ως ρότορας (rotor) ή στροφείο. Γενικά, ο στρόβιλος αποτελείται από (εικόνα 2.45): Το περίβλημα (casing), το οποίο περιβάλλει το στάτορα και το ρότορα, σχεδόν πάντα φέρει φλάντζες στα δύο του άκρα, για τη σύνδεση του τμήματος του στροβίλου, με τα τμήματα του θαλάμου καύσης και του ακροφυσίου εξαγωγής. Το στάτορα. Το δακτύλιο (shroud), που τοποθετείται στην εσωτερική κι εξωτερική περιφέρεια των σταθερών πτερυγίων του στάτορα. Το ρότορα. 92

95 Εικόνα 2.45 Τα μέρη του στροβίλου Ο αριθμός των βαθμίδων και των στροβίλων που τοποθετούνται στο στρόβιλο εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: Τον αριθμό των αξόνων, που θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση του συμπιεστή με το στρόβιλο. Το ποσό της ενέργειας που θα εξαχθεί από τα καυσαέρια και την απαιτούμενη ισχύ. Τον αριθμό των στροφών λειτουργίας (RPM). Τη μέγιστη διάμετρο που μπορεί να λάβει το στροφείο του στροβίλου. Τις θερμοκρασίες και πιέσεις στην είσοδο και την έξοδο του στροβίλου. Οι αεριοστρόβιλοι που λειτουργούν με υψηλούς λόγους συμπίεσης, χρειάζονται πολυβάθμιους στρόβιλους. Επίσης, ο αριθμός των αξόνων που χρησιμοποιούνται θα καθορίσει και τον αριθμό των βαθμίδων που θα χρησιμοποιηθούν στους στρόβιλους. Η διάμετρος των πολυβάθμιων στροβίλων αυξάνεται κατά την κατεύθυνση της ροής των καυσαερίων, καθώς μειώνεται η ταχύτητα και η πίεση των τελευταίων. Στην εικόνα 2.46 φαίνεται στρόβιλος μονού άξονα με τρεις βαθμίδες. 93

96 Εικόνα 2.46 Στρόβιλος μονού άξονα Στην περίπτωση λειτουργίας του αεριοστρόβιλου με δύο συμπιεστές, όπως φαίνεται στην εικόνα 2.47, χρησιμοποιούνται δύο στροφεία στροβίλων. Ο στρόβιλος υψηλής πίεσης κινεί το συμπιεστή υψηλής πίεσης. Συνήθως είναι μονοβάθμιος, αφού είναι ο πρώτος που λαμβάνει τα καυσαέρια από το θάλαμο καύσης, τα οποία περιέχουν πολύ μεγάλη ενέργεια. Ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης κινεί το συμπιεστή χαμηλής πίεσης. Αυτός δέχεται τα καυσαέρια μετά την εκτόνωσή τους στο στρόβιλο υψηλής πίεσης, οπότε απαιτείται μεγαλύτερος αριθμός πτερυγίων για την επίτευξη ισχύος. Μ` αυτόν τον τρόπο στο στρόβιλο χρησιμοποιούνται περισσότερες από μία βαθμίδες ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα. Βέβαια, ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης περιστρέφεται με χαμηλότερη ταχύτητα από αυτήν του στροβίλου υψηλής πίεσης. 94

97 Εικόνα 2.47 Στρόβιλος διπλού άξονα Σε ορισμένους στροβιλοανεμιστήρες μεγάλου βαθμού παράκαμψης χρησιμοποιούνται τρεις άξονες, λόγω της ύπαρξης του συμπιεστή ενδιάμεσης πίεσης. Στην περίπτωση αυτή, όπως φαίνεται και στην εικόνα 2.48, ο στρόβιλος υψηλής πίεσης είναι μονοβάθμιος, όπως και προηγουμένως, ενώ οι στρόβιλοι ενδιάμεσης και χαμηλής πίεσης έχουν δύο ή περισσότερες βαθμίδες, ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα. Εικόνα 2.48 Στρόβιλος στροβιλοανεμιστήρα 95

98 Τέλος, στην περίπτωση ενός ελικοστρόβιλου κινητήρα, η ισχύς για την περιστροφή του έλικα παρέχεται συνήθως, από ένα ξεχωριστό στρόβιλο (power turbine), ενώ οι συμπιεστές λαμβάνουν κίνηση από ανάλογο με το πλήθος τους, αριθμό στροβίλων (εικόνα 2.49). Εικόνα 2.49 Στρόβιλος ισχύος σε ελικοστρόβιλο κινητήρα Στάτορας ή στάτης Τα σταθερά πτερύγια έχουν το σχήμα της αεροτομής, με το χείλος προσβολής τους να βρίσκεται προς την πλευρά του θαλάμου καύσης και να δέχεται πρώτα τα καυσαέρια που εξέρχονται απ` αυτόν. Η δίοδος που σχηματίζεται μεταξύ δύο διαδοχικών σταθερών πτερυγίων παρουσιάζει στένωση προς την πλευρά του χείλους εκφυγής τους, προσομοιάζοντας το σχήμα ενός ακροφυσίου (αγωγού που συγκλίνει, nozzle). Κατ` αυτόν τον τρόπο η ταχύτητα των καυσαερίων αυξάνεται, ώστε να έχει αρκετά μεγάλη τιμή όταν φτάσει στα κινητά πτερύγια. Για το λόγο αυτόν, τα σταθερά πτερύγια στη διεθνή ορολογία είναι γνωστά και με τον όρο nozzle guide vanes, ενώ το σύνολο του στάτορα ονομάζεται και turbine nozzle. Ακόμη, ένας άλλος στόχος της λειτουργίας των σταθερών πτερυγίων, είναι να δώσουν στα καυσαέρια την κατάλληλη κατεύθυνση, ώστε οι περιφερειακές δυνάμεις που θα δημιουργηθούν στα κινητά πτερύγια και θ` αποδώσουν την ισχύ στον άξονα του στροβίλου, να είναι οι μέγιστες. Η γωνία στην οποία τοποθετούνται στο στάτορα είναι στην ίδια κατεύθυνση με την περιστροφή του ρότορα. Αν αγνοήσουμε τις όποιες τριβές, μπορούμε να δεχτούμε ότι η ολική ενέργεια των 96

99 καυσαερίων παραμένει σταθερή. Mέρος της δυναμικής ενέργειάς τους μετατρέπεται σε κινητική, η πίεση μειώνεται με παράλληλη αύξηση της ταχύτητας. Ένας σημαντικός παράγοντας στο σχεδιασμό των σταθερών πτερυγίων, είναι η γεωμετρία στην περιοχή εισαγωγής τους (η οποία σημειώνεται σαν Χ στην εικόνα 2.50). Αν η επιφάνειά της είναι πολύ μικρή, θα δημιουργηθεί στραγγαλισμός της ροής στα πτερύγια, με αποτέλεσμα την εμφάνιση αυξημένης πίεσης στην έξοδο του συμπιεστή (back pressure). Στην περίπτωση που η επιφάνεια της εισαγωγής είναι αρκετά μεγάλη, τότε η λειτουργία του στρόβιλου δεν παρουσιάζει τη βέλτιστη απόδοση σχεδιασμού της. Η τελική μορφή της επιφάνειας εισόδου προέρχεται συμβιβάζοντας τις παραπάνω συμπεριφορές κατά το σχεδιασμό. Εικόνα 2.50 Ροή καυσαερίων διαμέσου των βαθμίδων του στροβίλου Ρότορας ή στροφείο Tα καυσαέρια εκτονώνονται κατά την δίοδό τους από το στρόβιλο, ενώ το εισερχόμενο στο συμπιεστή ρεύμα αέρα συμπιέζεται. Σημαντικό ρόλο παίζει ο σχεδιασμός των κινητών πτερυγίων του στροβίλου και του συμπιεστή. Η διατομή της περιοχής μεταξύ δύο διαδοχικών κινητών πτερυγίων του συμπιεστή αυξάνεται προς το χείλος εκφυγής τους. Λειτουργεί, δηλαδή, ως διαχύτης. Με τον τρόπο 97

100 αυτόν, μετατρέπεται η κινητική ενέργεια του εισερχόμενου ρεύματος αέρα σε πίεση. Από την άλλη πλευρά, το αντίθετο φαινόμενο πραγματοποιείται στο ρότορα του στροβίλου. Η διατομή της περιοχής μεταξύ δύο διαδοχικών κινητών πτερυγίων του στροβίλου μειώνεται προς το χείλος εκφυγής τους. Έτσι, η ροή των καυσαερίων επιταχύνεται, με παράλληλη μείωση της πίεσης και της θερμοκρασίας τους και οι συνθήκες γίνονται κατάλληλες για την παραγωγή έργου. Μία βαθμίδα στροβίλου κατηγοριοποιείται σύμφωνα με το ποσό της ενέργειας που μετατρέπεται στα σταθερά και τα κινητά πτερύγια. Διακρίνουμε: Το στρόβιλο δράσης ή σταθερής πίεσης (impulse turbine), τα σταθερά πτερύγια μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια των καυσαερίων σε κινητική. Στη συνέχεια, τα καυσαέρια συναντούν τα κινητά πτερύγια με μεγάλη ταχύτητα. Η περιστροφή του στροφείου του ρότορα επιτυγχάνεται από την ορμή που αποκτούν τα κινητά πτερύγια, τα οποία προκαλούν την αλλαγή της διεύθυνσης της ροής των καυσαερίων κρατώντας την πίεσή τους σχεδόν σταθερή (εικόνα 2.51(α)). Η σταθερή πίεση εξασφαλίζεται διότι η διατομή εισόδου και εξόδου μεταξύ, δύο διαδοχικών κινητών πτερυγίων, σ` αυτήν την περίπτωση, διατηρείται σταθερή. Οι στρόβιλοι σταθερής πίεσης, εξασφαλίζουν μεγαλύτερη ισχύ η οποία επιφέρει τη μείωση του αριθμού των χρησιμοποιούμενων βαθμίδων. Το στρόβιλο αντίδρασης (reaction turbine), Στο στρόβιλο αντίδρασης η εκτόνωση των καυσαερίων πραγματοποιείται τόσο στα σταθερά όσο και στα κινητά πτερύγια. Κατά τη δίοδο των καυσαερίων από τα σταθερά πτερύγια της βαθμίδας, συμβαίνουν τα ίδια φαινόμενα όπως και στο στρόβιλο δράσης, σε μικρότερη ένταση (εικόνα 2.51(β)). Κατά τη δίοδο των καυσαερίων από τα κινητά πτερύγια, παρατηρείται περαιτέρω επιτάχυνσή και πτώση της πίεσής τους, λόγω της γεωμετρίας της διατομής μεταξύ των διαδοχικών κινητών πτερυγίων. Το πλεονέκτημα της χρήσης στροβίλων αντίδρασης, είναι ότι επιτυγχάνουν καλύτερη απόδοση στη λειτουργία του στροβίλου. Το συνδυασμό τους (impulse reaction turbine). Μία συνήθης πρακτική, επιβεβλημένη πλέον στους σύγχρονους αεριοστρόβιλους, είναι η χρήση κινητών πτερυγίων, η κατασκευή των οποίων συνδυάζει τα στοιχεία τόσο των στροβίλων δράσης, όσο και των στροβίλων αντίδρασης. Συγκεκριμένα, η ρίζα των πτερυγίων έχει τη μορφή του πτερυγίου, του στρόβιλου δράσης ενώ το ακροπτερύγιο ακολουθεί την κατασκευή του στροβίλου αντίδρασης. Παρουσιάζουν, μία συστροφή 98

101 από τη βάση προς το ακροπτερύγιο. Με τον τρόπο αυτόν, εξασφαλίζεται η ίση απόδοση έργου από τα καυσαέρια, καθώς και η ομοιόμορφη κατανομή ταχύτητας και πίεσης κατά το μήκος των κινητών πτερυγίων του ρότορα Εικόνα 2.51 Κινητά πτερύγια τύπου (α) δράσης και (β) αντίδρασης Απώλειες Ο στρόβιλος είναι σχεδιασμένος με τρόπο τέτοιο, ώστε στην έξοδό του να επιτυγχάνεται ροή των καυσαερίων στην αξονική διεύθυνση και μόνο. Όμως, πάντα παρουσιάζονται στροβιλισμοί, οι οποίοι δεν συμβάλλουν στην παραγωγή ώσης και θεωρούνται σαν απώλειες. Μια μέθοδος εξάλειψής τους είναι, η τοποθέτηση στην έξοδο του στροβίλου μίας σειράς σταθερών πτερυγίων, ενώ συμβάλλει και η χρήση κινητών πτερυγίων με γεωμετρικά χαρακτηριστικά συνδυασμένου τύπου. Άλλες μορφές απωλειών είναι οι αεροδυναμικές απώλειες κατά τη δίοδο των καυσαερίων, από το στάτορα και ρότορα του στροβίλου, η διαρροή αέρα από τα ακροπτερύγια των κινητών πτερυγίων, καθώς και από το τμήμα της εξαγωγής. Η συνολική απόδοση του στροβίλου είναι της τάξης του 90%. 99

102 Κατασκευή των εξαρτημάτων του στροβίλου Ο τρόπος κατασκευής και συναρμολόγησης μεταξύ των μερών που αποτελούν το στρόβιλο, έχει ιδιαίτερη βαρύτητα στη λειτουργία και την απόδοση του κινητήρα. Ο λόγος έγκειται στο γεγονός, ότι τα μέρη αυτά εκτίθενται στις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων (της τάξης των C), αμέσως μετά την έξοδο των τελευταίων από το θάλαμο καύσης κατασκευή σταθερών πτερύγιων στάτορα Τα σταθερά πτερύγια στηρίζονται στο περίβλημα του στροβίλου και περιβάλλονται περιφερειακά, από έναν εσωτερικό (inner shroud) και έναν εξωτερικό δακτύλιο (outer shroud). Η σύνδεσή τους πρέπει να γίνεται κατά αυτόν τον τρόπο, ώστε να επιτρέπει τη διαστολή που θα επέλθει, κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κινητήρα, λόγω υψηλών θερμοκρασιών. Στην αντίθετη περίπτωση, οι ταχύτατες θερμοκρασιακές μεταβολές που παρατηρούνται, θα προκαλέσουν σοβαρά θερμικά σοκ, ερπυσμό (creep, μόνιμη παραμόρφωση του πτερυγίου κατά το μήκος του, στρέβλωση ή και αστοχία λόγω θερμικής κόπωσης (thermal fatigue) των σταθερών πτερυγίων. Ένας τρόπος για να αντιμετωπιστούν οι θερμικές διαστολές, είναι η τοποθέτηση των σταθερών πτερυγίων με κάποια ανοχή στους δακτύλιους στήριξής τους (εικόνα 2.52(α)). Για να εξασφαλιστεί η αντοχή και η στιβαρότητα των δακτυλίων, αυτοί ενισχύονται με επιπρόσθετους δακτυλίους. Ένας άλλος τρόπος αντιμετώπισης των θερμικών διαστολών είναι,τοποθέτηση των σταθερών πτερυγίων, με συγκόλληση ή πείρους στους δακτυλίους ανά τμήματα (segments). Όταν συμβεί η θερμική διαστολή, τα τμήματα διαστέλλονται και καλύπτουν τα κενά που υπάρχουν μεταξύ τους. Με τον τρόπο αυτόν αποφεύγεται η καταπόνηση και στρέβλωση των σταθερών πτερυγίων (εικόνα Κ.2.52(β)). 100

103 Εικόνα 2.52 (α) Ανοχή μεταξύ των σταθερών πτερυγίων, (β) κατασκευή των σταθερών πτερυγίων ανά τμήματα των τριών τεμαχίων. Ιδιαίτερα για την πρώτη σειρά σταθερών πτερυγίων, η οποία έρχεται πρώτη σ` επαφή με τα καυσαέρια, εφαρμόζεται η επικάλυψή τους με στρώμα θερμικής προστασίας (thermal coating). Το στρώμα αυτό έχει πάχος λίγα εκατοστά του χιλιοστού και ως υλικό χρησιμοποιούνται ανθεκτικά κράματα, όπως το κράμα νικελίου αλουμινίου, σε μορφή πούδρας. Με τον τρόπο αυτόν αυξάνεται η αντοχή τους στις διαβρωτικές επιπτώσεις της επαφής τους με τα καυσαέρια. Μια αποτελεσματική μέθοδος προστασίας από την υψηλή θερμοκρασία είναι και η ψύξη των πτερυγίων Κινητά πτερύγια Τα κινητά πτερύγια είναι χυτά ή σφυρήλατα. Όπως τα σταθερά, έτσι και τα κινητά πτερύγια αντιμετωπίζουν τις ίδιες θερμικές καταπονήσεις. Επιπρόσθετες καταπονήσεις προέρχονται από τις φυγοκεντρικές δυνάμεις, που αναπτύσσονται κατά την περιστροφή τους. Παράδειγμα ένα κινητό πτερύγιο βάρους 75 gr, εξασκεί στο δίσκο του ρότορα, κατά το μέγιστο αριθμό στροφών λειτουργίας, μία δύναμη ίση με 2 τόνους. Τα μέταλλα που έχουν καλή αντοχή στις θερμικές καταπονήσεις παρουσιάζουν, συνήθως, μεγάλη δυσκολία στη σφυρηλάτησή τους. Για το λόγο αυτό, για την κατασκευή πτερυγίων, πλέον, χρησιμοποιούνται συνήθως χυτά κράματα νικελίου με χρώμιο, κοβάλτιο, αλουμίνιο, τιτάνιο και μολυβδαίνιο. Τα 101

104 πτερύγια περνούν και από ειδική θερμική κατεργασία (heat treatment) μετά τη χύτευσή τους, ώστε να αποκτήσουν την επιθυμητή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασιακές και μηχανικές καταπονήσεις. Ο τρόπος της συναρμογής των κινητών πτερυγίων στην επιφάνεια του δίσκου του ρότορα έχει μεγάλη σημασία για την καλή λειτουργία του στροφείου. Η ρίζα του πτερυγίου πρέπει να έχει ανοχή όταν τοποθετηθεί στο δίσκο του στροφείου. Η ανοχή αυτή επιτρέπεται, ώστε να είναι εύκολη η τοποθέτηση και η αφαίρεση και για την απορρόφηση των θερμικών διαστολών. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τα κενά των ανοχών καλύπτονται. Συνήθως, ο δίσκος φέρει στην περιφέρειά του υποδοχές σε σχήμα ελάτου (fir tree). Ανάλογη διατομή έχει και η βάση του κινητού πτερυγίου. Η στήριξη επιτυγχάνεται με πείρους, ασφαλιστικούς κοχλίες ή παρεμβύσματα. Σε κάποιες εφαρμογές πραγματοποιούνται και συναρμογές όπου οι υποδοχές έχουν σχήμα ουράς περιστεριού. Οι τρόποι συναρμογής αυτοί προϋποθέτουν μεγάλη κατασκευαστική ακρίβεια, ώστε τα δύο μέρη να δεχτούν το ίδιο φορτίο. Σε κάποιες περιπτώσεις, τα κινητά πτερύγια φέρουν κάλυμμα στα ακροπτερύγια τους (shrouded blades, εικόνα 2.53β). Εικόνα 2.53 (α) Δίσκος και κινητά πτερύγια ελεύθερου ακροπτερυγίου με βάση σχήματος ελάτου, (β) Κινητά πτερύγια με κάλυμμα στα ακροπτερύγια τους Ο λόγος είναι η προσπάθεια μείωσης της απώλειας αέρα από το σημείο εκείνο, αλλά και η προσπάθεια μείωσης των ταλαντώσεων που παρατηρούνται από την περιστροφή του ρότορα. Η γεωμετρία του δακτυλίου φέρει ένα βήμα (στεγανοποιητής τύπου μαχαιριού, knife edge seal) στο πλάτος της, το οποίο εξασφαλίζει την καλή στεγανοποίηση. Οι δακτύλιοι αυτοί χρησιμοποιούνται σε 102

105 στρόβιλους, που δεν έχουν ιδιαίτερα μεγάλες περιστροφικές ταχύτητες. Το βάρος που προσθέτουν οι δακτύλιοι στην όλη κατασκευή των πτερυγίων κάνει τα τελευταία περισσότερο ευάλωτα στο φαινόμενο του ερπυσμού, από τις φυγοκεντρικές δυνάμεις και τις θερμοκρασιακές καταπονήσεις Ψύξη των πτερυγίων Η προστασία των σταθερών και των κινητών πτερυγίων του στροβίλου από τις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων επιτυγχάνεται σε μεγάλο βαθμό, με την ψύξη τους με αέρα. Στο εσωτερικό των πτερυγίων προβλέπονται δίοδοι για την κυκλοφορία αέρα ο οποίος παρέχεται από το συμπιεστή του κινητήρα. Διάφορες γεωμετρίες και μεθοδολογίες εφαρμόζονται στα πτερύγια, αλλά και στο δίσκο του ρότορα, των αεριοστρόβιλων κινητήρων, για να επιτευχθεί η βέλτιστη παροχή ψύξης. Στην εικόνα 2.54 παρουσιάζονται οι πλέον αντιπροσωπευτικές από αυτές. Εικόνα 2.54 Διάφοροι μέθοδοι ψύξης πτερυγίων του στροβίλου Εξαγωγή Γενικά Το σύστημα εξαγωγής στους αεριοστρόβιλους οδηγεί τα καυσαέρια, μετά την τελευταία κινητή βαθμίδα του στροβίλου, στην ατμόσφαιρα. Τα καυσαέρια, μετά το 103

106 στρόβιλο βρίσκονται σε μια κατάσταση υψηλής, σχετικά, πίεσης (ως προς την ατμοσφαιρική) και χαμηλής ταχύτητας. Σ` ένα στροβιλοαντιδραστήρα είναι απαραίτητη, για την παραγωγή ώσης, η αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων, τα οποία εξωθούνται στην ατμόσφαιρα. Συνεπώς το σύστημα εξαγωγής σ` έναν στροβιλοαντιδραστήρα, έχει ω στόχο τη μεγιστοποίηση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων στην έξοδο, μ` αντίστοιχη μείωση της πίεσης στα επίπεδα της ατμοσφαιρικής. Αντίθετα, σ` έναν ελικοφόρο στροβιλοαντιδραστήρα, όπου δεν υπάρχει απαίτηση παραγωγής ώσης και για τον οποίο η κύρια παραγωγή έργου πραγματοποιείται μέσω της εκτόνωσης των καυσαερίων στις βαθμίδες του στροβίλου, η βασική λειτουργία του συστήματος εξαγωγής είναι να οδηγήσει τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα, με τη μικρότερη δυνατή ταχύτητα. Ο σχεδιασμός της εξαγωγής καυσαερίων σε αεριοστρόβιλους, έχει πολύ μεγάλη σημασία για τις επιδόσεις του κινητήρα. Το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής επηρεάζουν τόσο τη θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο (Turbine Inlet Temperature TIT), την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και φυσικά την πίεση και την ταχύτητα του ρεύματος καυσαερίων, που εξωθούνται στην ατμόσφαιρα. Ως εκ τούτου, η αναπτυσσόμενη ώση, καθορίζεται, σε ένα βαθμό, από τη διαμόρφωση της εξαγωγής. Το σύστημα εξαγωγής σ` έναν αεριοστρόβιλο κινητήρα κατασκευάζεται από ειδικά κράματα χάλυβα, ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων. Για την αποφυγή της απαγωγής θερμότητας προς τα γειτονικά μέρη του αεροσκάφους προβλέπεται η ροή αέρα περιφερειακά του σωλήνα εξαγωγής ή η επένδυση των τμημάτων της εξαγωγής με ειδικό μονωτικό υλικό. Το σύστημα εξαγωγής εκτείνεται από το τέλος του τμήματος του ή των στροβίλων μέχρι την έξοδο των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα. Ένα τυπικό σύστημα εξαγωγής καυσαερίων περιλαμβάνει τρία βασικά συγκροτήματα(εικόνα 2.55). Tον κώνο εξαγωγής (exhaust cone), Τον αγωγό εξαγωγής (exhaust duct ή jet pipe ή tailpipe), Το ακροφύσιο εξαγωγής (exhaust nozzle). 104

107 Εικόνα 2.55 Εξαγωγή στροβιλοαντιδραστήρα Η χρήση αναστροφέα ώσης (για την ταχύτερη επιβράδυνση του αεροσκάφους στην προσγείωση), μειωτήρα θορύβου ή εξόδου μεταβλητής διατομής (για την αποτελεσματικότερη λειτουργία σε μεγαλύτερο εύρος συνθηκών λειτουργίας) μπορεί κάνει περίπλοκη την κατασκευή του συστήματος εξαγωγής Κώνος εξαγωγής Το συγκρότημα του κώνου εξαγωγής αποτελείται από το κέλυφος (outer duct), τον εσωτερικό κώνο (inner cone) και τις αντηρίδες (struts), όπως φαίνεται στην εικόνα Εικόνα 2.56 Το συγκρότημα του κώνου εξαγωγής 105

108 Η βασική λειτουργία του κώνου εξαγωγής είναι η διαμόρφωση του ρεύματος καυσαερίων, τα οποία εξέρχονται από το στρόβιλο. Ο κώνος εξαγωγής προστατεύει επίσης τα τελευταία τμήματα του άξονα του στροβίλου, από τις υψηλές, σχετικά, θερμοκρασίες των καυσαερίων. Η κωνική διαμόρφωση δημιουργεί αποκλίνουσα διαδρομή για τα καυσαέρια, με συνέπεια τη μείωση της ταχύτητάς τους, ενώ οι αντηρίδες, σε συνδυασμό πιθανώς με οδηγά πτερύγια (outlet guide vanes), ευθυγραμμίζουν τη ροή των καυσαερίων Αγωγοί εξαγωγής Ο αγωγός εξαγωγής οδηγεί τα καυσαέρια στο ακροφύσιο εξαγωγής ή στην ατμόσφαιρα. Στις περιπτώσεις των σύγχρονων μαχητικών αεροσκαφών, ο αγωγός εξαγωγής περιλαμβάνει και τη μετάκαυση. Η χρήση αγωγού εξαγωγής προκαλεί απώλειες στην πίεση των καυσαερίων εξαιτίας των τριβών με τα τοιχώματα. Η παρουσία του είναι γενικά απαραίτητη στις περιπτώσεις, όπου ο κινητήρας τοποθετείται μέσα στην άτρακτο του αεροσκάφους και θα πρέπει ως εκ τούτου αυτή να προστατευθεί από τις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων εικόνα Η σχεδίαση του αγωγού εξαγωγής προσπαθεί να: 1. Διατηρήσει τη διάμετρο του αγωγού όσο πιο μεγάλη γίνεται, έτσι ώστε οι ταχύτητες να παραμείνουν μικρές (μείωση απωλειών λόγω τριβής). 2. Διατηρήσει το μήκος του αγωγού στο ελάχιστο απαραίτητο. 3. Αποφύγει την παρουσία μη ευθύγραμμων τμημάτων ή οποιωνδήποτε εμποδίων στη ροή. Εικόνα 2.57 Ελικοστρόβιλος κινητήρας 106

109 Στο αρχικό τμήμα του αγωγού εξαγωγής, συνήθως μετά τις αντηρίδες, τοποθετούνται θερμοστοιχεία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εξαγωγής καυσαερίων (Exhaust Gas Temperature EGT). Αυτή η μέτρηση χρησιμοποιείται συχνά αντί της μέτρησης της θερμοκρασίας εισαγωγής του στροβίλου (Turbine Inlet Temperature TIT), ώστε να μειώνονται οι φθορές των θερμοστοιχείων, αφού η θερμοκρασία εξαγωγής καυσαερίων είναι σημαντικά χαμηλότερη της θερμοκρασίας εισαγωγής του στροβίλου. Η σχέση μεταξύ των δύο θερμοκρασιών είναι γνωστή από τη σχεδίαση του κινητήρα και, συνεπώς, η μέτρηση της θερμοκρασίας εξαγωγής καυσαερίων επιτρέπει τον υπολογισμό της θερμοκρασίας εισαγωγής του στροβίλου. Στην περίπτωση των αξονοστρόβιλων, το ρεύμα εξαγωγής των καυσαερίων δεν πρέπει να παρέχει ώση, μιας και κάτι τέτοιο θα προκαλούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου. Οι αγωγοί εξαγωγής είναι αποκλίνοντες, έτσι ώστε να εκμηδενίζεται η ώση, την οποία μπορούν ν` αποδώσουν τα καυσαέρια Ακροφύσια εξαγωγής Το μέγεθος του ακροφυσίου εξαγωγής καθορίζει την ταχύτητα εξόδου των καυσαερίων από τον κινητήρα. Ως εκ τούτου, η επιφάνεια του ακροφυσίου εξαγωγής στους κινητήρες χωρίς μετάκαυση είναι κρίσιμη και συνήθως καθορίζεται κατά την κατασκευή του. Στην περίπτωση συγκλίνοντος ακροφυσίου (convergent nozzle - μείωση διατομής, εικόνα 2.58), η ταχύτητα των καυσαερίων αυξάνεται, ενώ η πίεσή τους μειώνεται. Εικόνα 2.58 Συγκλίνον ακροφύσιο εξαγωγής 107

110 Η έξοδος στην ατμόσφαιρα γίνεται σε ταχύτητες, οι οποίες είναι πάντοτε μικρότερες ή ίσες της ταχύτητας του ήχου. Στην περίπτωση πάντως των στροβιλοαντιδραστήρων και των στροβιλοανεμιστήρων χαμηλού λόγου παράκαμψης, η ταχύτητα εξαγωγής των καυσαερίων είναι αρκετά κοντά στην ταχύτητα του ήχου (Mach = 1) Συγκλίνον-αποκλίνον ακροφύσιο Στην περίπτωση κατά την οποία η πίεση των καυσαερίων, μετά το στρόβιλο, είναι αρκετά υψηλή, έτσι ώστε να μπορούν αυτά να επιταχυνθούν σε ταχύτητες, μεγαλύτερες από την ηχητική, χρησιμοποιείται συγκλίνον- αποκλίνον ακροφύσιο (convergent-divergent nozzle, εικόνα 2.59). Σ` αυτήν την περίπτωση το ακροφύσιο περιλαμβάνει ένα τμήμα, στο οποίο η διατομή μειώνεται κι ένα δεύτερο στο οποίο η διατομή αυξάνει. Εικόνα 2.59 Συγκλίνον-αποκλίνον ακροφύσιο εξαγωγής Στο πρώτο τμήμα του συγκλίνοντος-αποκλίνοντος ακροφυσίου η ροή επιταχύνεται σε υποηχητικές ταχύτητες, ενώ η πίεση μειώνεται. Στο σημείο ελάχιστης διατομής του ακροφυσίου (λαιμός throat) η ταχύτητα είναι ίση με αυτήν του ήχου (Mach = 1). Το αποκλίνον τμήμα του ακροφυσίου μειώνει περισσότερο την πίεση, ενώ η ταχύτητα αυξάνεται σε τιμές, οι οποίες αντιστοιχούν σε αριθμούς Mach μεγαλύτερους του 1 (υπερηχητική ροή). Η μεγάλη ταχύτητα των καυσαερίων κατά την εξαγωγή τους έχει σαν αποτέλεσμα την παραγωγή υψηλότερης ώσης. Σε 108

111 πολλές περιπτώσεις, ιδιαίτερα σε συγκλίνοντα-αποκλίνοντα ακροφύσια, η διατομή εξόδου των καυσαερίων μπορεί να μεταβάλλεται (ακροφύσια μεταβλητής διατομής variable area exhaust nozzles, εικόνα 2.60). Εικόνα 2.60 Ακροφύσιο μεταβλητής διατομής Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται η επιτάχυνση της ροής στο ακροφύσιο, ενώ ο τρόπος μεταβολής της διατομής του ακροφυσίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των επιδόσεων του κινητήρα. Τα ακροφύσια μεταβλητής διατομής επιβαρύνουν τον κινητήρα, τόσο όσο προς την πολυπλοκότητα σχεδίασης, όσο και προς το βάρος του. Ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη που πετούν σε υψηλούς αριθμούς Mach Ακροφύσια μεταβλητής διεύθυνσης εξαγωγής Τελευταία εξέλιξη στο σχεδιασμό ακροφυσίων, αποτελούν τα ακροφύσια με μεταβλητή διεύθυνση εξαγωγής καυσαερίων (Thrust vectoring nozzles, εικόνα 2.61) ή διδιάστατα ακροφύσια (2-D nozzles). Τα ακροφύσια αυτά έχουν ορθογωνική διατομή (σε αντίθεση με την κυκλική διατομή των παραδοσιακών ακροφυσίων) και επιτρέπουν αφενός την μεταβολή της διεύθυνσης εξόδου ή και την αναστροφή των 109

112 καυσαερίων από τον κινητήρα και αφετέρου τη μεταβολή της επιφάνειας εξόδου κατά τη λειτουργία της μετάκαυσης. Επιτυγχάνεται, έτσι, ουσιαστική μείωση του μήκους του διαδρόμου κατά την απογείωση και την προσγείωση αλλά και αυξημένες δυνατότητες ελιγμών σε μεγάλους αριθμούς Mach. Εικόνα 2.61 Ακροφύσιο με μεταβλητή διεύθυνση εξαγωγής καυσαερίων (Α/Κ F119 της P&W) 110

113 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΩΣΗΣ 3.1 Επιβράδυνση αεροσκάφους κατά την προσγείωση Το σημαντικό πρόβλημα της ανακοπής της πορείας ενός αεροσκάφους, μετά την προσγείωσή του, γίνεται εντονότερο στα σύγχρονα, μεγάλα αεροσκάφη, τα οποία προσγειώνονται με υψηλά φορτία και ταχύτητες. Τα φρένα των τροχών δεν επαρκούν για το σταμάτημα του αεροσκάφους. Ιδιαίτερα μάλιστα σε περιπτώσεις βρεγμένων ή παγωμένων διαδρόμων προσγείωσης, η χρήση των φρένων αποκλειστικά είναι επικίνδυνη. Στα ελικοφόρα αεροσκάφη (με εμβολοφόρους, ή ελικοστρόβιλους κινητήρες), η ανακοπή της πορείας επιτυγχάνεται με την αναστροφή του βήματος (pitch) του έλικα. Στα αεροσκάφη με τουρμπίνες οι μέθοδοι ανακοπής της πορείας τους μετά την προσγείωσή τους είναι: Η χρήση «αλεξιπτώτου προσγείωσης» (parabrake, εικόνα 3.1). Αν και χρησιμοποιείται σε κάποια πολεμικά αεροσκάφη, το «αλεξίπτωτο προσγείωσης» παρουσιάζει σημαντικά μειονεκτήματα, όπως η πρόωρη ενεργοποίησή του και η μη ενεργοποίησή του. Θα πρέπει επίσης να περισυλλέγεται και να επιδιορθώνεται μετά από κάθε χρήση (ή και να αντικαθίσταται σε περίπτωση απώλειας). Ας σημειωθεί τέλος, ότι ο χειριστής δεν έχει κανέναν απολύτως έλεγχο στη λειτουργία του «αλεξιπτώτου προσγείωσης» μετά το άνοιγμά του (εκτός φυσικά από το να το αποσυνδέσει από το σκάφος). Εικόνα 3.1 Αλεξίπτωτο προσγείωσης διαστημικού λεωφορείου Atlantis 111

114 Άγκιστρα επιβράδυνσης (arresting hooks). Χρησιμοποιούνται κυρίως σε αεροπλανοφόρα, ή σε στρατιωτικές βάσεις για τον περιορισμό του απαραίτητου μήκους του διαδρόμου προσγείωσης. Ο ευρύτερα διαδεδομένος τρόπος για την ταχεία επιβράδυνση του αεροσκάφους, είναι η χρήση αναστροφέων ώσης (thrust reversers), πρόκειται για το σημαντικότερο υποσυγκρότημα της ατράκτου του κινητήρα, από άποψη βάρους αλλά και κόστους. Κατά τη φάση της προσγείωσης του αεροσκάφους, ενώ αυτό τροχιοδρομεί, ο αναστροφέας ώσης «κλείνει» την εξαγωγή των καυσαερίων, έτσι ώστε αυτά να κατευθυνθούν προς το εμπρόσθιο τμήμα της ατράκτου. Μ` αυτό τον τρόπο, δημιουργείται μία «δύναμη φρεναρίσματος», η οποία βοηθά σημαντικά στην ταχεία επιβράδυνση του αεροσκάφους Αναστροφείς ώσεις Πλεονεκτήματα και χρήσεις των αναστροφέων ώσης Η εξέλιξη των αεροσκαφών, με τη σημαντική αύξηση του μεταφερόμενου βάρους και της ώσης που παρέχουν οι κινητήρες, έχει σαν αποτέλεσμα και την αντίστοιχη αύξηση της κινητικής ενέργειας, η οποία θα πρέπει ν` απορροφηθεί κατά το φρενάρισμα. Η ύπαρξη μικρής ώσης, η οποία διατηρείται κατά τη λειτουργία κράτησης, αλλά και η σχετική καθυστέρηση απόκρισης του αεροσκάφους στους χειρισμούς του πιλότου (εξαιτίας βέβαια και της μεγάλης ταχύτητας), ενισχύουν το πρόβλημα της ανακοπής της πορείας του αεροσκάφους κατά την τροχιοδρόμηση προσγείωσης. Τα φρένα των σύγχρονων αεροσκαφών είναι πολύ αποτελεσματικά, όμως σε υγρή, παγωμένη ή χιονισμένη πίστα, η αποτελεσματικότητα αυτή μπορεί να μειωθεί εξαιτίας της απώλειας πρόσφυσης των ελαστικών. Επιπλέον, σε ιδιαίτερες περιπτώσεις, όπως η διακοπή απογείωσης, η χρήση ενός συστήματος, συμπληρωματικού προς τα φρένα, μπορεί να αποδειχθεί σωτήρια. Για τους παραπάνω λόγους, η χρήση αναστροφέων ώσης έχει γίνει ευρέως αποδεκτή, τόσο στα πολιτικά (εικόνα 3.2), όσο και στα στρατιωτικά αεροπλάνα. 112

115 Εικόνα 3.2 Θέση αναστροφέα ώσης σε στροβιλοανεμιστήρα Θα πρέπει επίσης να σημειωθούν ορισμένα επιπλέον πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση των αναστροφέων ώσης: Μείωση του απαιτούμενου μήκους του διαδρόμου προσγείωσης. Η μείωση αυτή είναι 25% περίπου, στην περίπτωση στεγνής πίστας και 50% σε περίπτωση υγρής ή παγωμένης πίστας (εικόνα 3.3). Μείωση του χρόνου παραμονής στο διάδρομο κατά την προσγείωση και αντίστοιχη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου. Αύξηση της ζωής των ελαστικών και των φρένων. Εικόνα 3.3 Προσγείωση σε παγωμένη πίστα (α) με την χρήση αναστροφέα ώσης και (β) χωρίς αναστροφέα ώσης 113