1) Γενικά για την αεριώθηση Ιστορική Εξέλιξη

Transcript

1 Υπάρχουν δυο είδη κινητήρων αεροσκαφών, αυτά των εμβολοφόρων και αυτά των αεριοστρόβιλων κινητήρων. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε τις βασικές αρχές λειτουργίας των αεροστρόβιλων αεροπορικών κινητήρων, να κατανοήσουμε την λειτουργία των διάφορων συστημάτων τους, τον κύκλο λειτουργίας τους και τον τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιείται η καύση μέσα στον κινητήρα. Γίνεται αναφορά στην ιστορική τους εξέλιξη και στα μέρη τα οποία απαρτίζουν ένα αεριοστρόβιλο κινητήρα αεροσκαφών. 1) Γενικά για την αεριώθηση Αρχές αεριώθησης Ώση Οι τύποι του αεριοστροβίλου Σχεδίαση, κατασκευή, μέρη και εξαρτήματα 2) Κύκλος λειτουργίας αεριοστροβίλων Κριτήρια λειτουργικής απόδοσης 3) Εισαγωγή αέρα Συμπιστές Διαχυτές 4) Θάλαμοι καύσης 5) Στρόβιλος 6) Εξαγωγή 7) Μετάκαυση

2 1) Γενικά για την αεριώθηση Ιστορική Εξέλιξη Ανατρέχοντας την ιστορία δε θα βρει κανείς ποιος ήταν εκείνος στον οποίο ανήκει το προνόμιο της ανακάλυψης της αρχής της αεριώθησης αλλά αρκετοί ήταν αυτοί οι οποίοι ασχολήθηκαν με αυτήν. Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς (1 ο αιώνα μ.χ.) ήταν εκείνος ο οποίος πραγματοποίησε την πρώτη εφαρμογή της αεριώθησης. Η μηχανή που κατασκεύασε θεωρείται πρόδρομος των αεριοστρόβιλων κινητήρων. Ένα κλειστό στρογγυλό δοχείο με νερό θερμαινόταν μέχρι να παραχθεί ατμός ο

3 οποίος έβρισκε έξοδο μέσα από δύο αυλάκια, έτσι με την δύναμη του ατμού το δοχείο άρχιζε σιγά σιγά να περιστρέφεται. Το 1629, ο Ιταλός μηχανικός Jovanni Branca σχεδίασε ουσιαστικά τον πρώτο στρόβιλο. Ατμός παραγόμενος σε θερμαινόμενο δοχείο περιέστρεφε έναν δίσκο ο οποίος που έφερε κοιλότητες στην περιφέρειά του. Καθώς ο δίσκος περιστρεφόταν, μέσω ενός συστήματος γραναζιών, περιστρεφόταν και ένας άλλος άξονας. Το σύστημα αυτό βρήκε εφαρμογή σε μύλο ελαιοτριβείου. Ο Ισαάκ Νεύτων το 1687 κατάφερε να κινήσει ένα όχημα με την παραγωγή ατμού, το όχημα αυτό διέθετε μικρή ισχύ. Το 1850 ο Fernihough επινόησε τον πρώτο αεριοστρόβιλο κινητήρα με την βοήθεια του ατμού. Ο Frank Whittle το 1930 κατοχύρωσε μια κατασκευή που θεωρείται ο πρώτος επιτυχημένος αεριοστρόβιλος κινητήρας για την κίνηση αεροσκάφους. Ο Γερμανός μηχανικός Hans von Ohain σχεδίασε και κατασκεύασε έναν κινητήρα ο οποίος δοκιμάστηκε με επιτυχία το Αυτή θεωρείται πρακτικά ως η πρώτη πτήση αεριωθούμενου αεροσκάφους. Από την εποχή εκείνη έχει αναπτυχθεί πολύ η επιστήμη και έχουν κατασκευαστεί αεροσκάφη τα οποία έχουν καταφέρει ακόμα και να σπάσουν το φράγμα του ήχου όπως είναι το SR-71 Blackbird της General Electric αλλά και το αγγλογαλλικό Concorde. Πληροφοριακό υλικό Οι αεριοστρόβιλοι ανήκουν στην κατηγορία των Μηχανών Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) και χαρακτηρίζονται ως περιστροφικές μηχανές. Ως καύσιμο συνήθως χρησιμοποιείται το ελαφρύ πετρέλαιο το φυσικό αέριο. Για την λειτουργία των αεριοστροβίλων χρησιμοποιείται το λεγόμενο ανοιχτό κύκλωμα, ο αέρας με τα καυσαέρια που παράγεται από την καύση του καυσίμου. Στο κλειστό κύκλωμα, αντίστοιχα χρησιμοποιείται μόνο ο αέρας ή άλλο κατάλληλο αέριο (κρυπτό, ήλιο, αργό). Και στις δυο περιπτώσεις, οι αεριοστρόβιλοι εφοδιάζονται απαραίτητα με έναν αεριοσυμπιεστή, ο οποίος συμπιέζει τον αέρα, είτε πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ως εργαζόμενη ουσία για την παραγωγή καυσαερίων, είτε πρόκειται να χρησιμοποιηθεί μόνο ως εργαζόμενη ουσία των αεριοστρόβιλων κλειστού κυκλώματος. Οι αεριοστρόβιλοι σήμερα έχουν εξελιχθεί πάρα πολύ και εξελίσσονται ολοένα και περισσότερο. Αναμένεται ότι σε μερικά χρόνια η χρήση τους θα είναι πραγματικά μεγάλη και θα αντικαθαστήσουν διάφορες ΜΕΚ απόπολλές εφαρμογές. Αρχές αεριώθησης Ο κινητήρας αεριώθησης παράγει προωθητική δύναμη (ώση, thrust) προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, εξαναγκάζοντας μια μάζα αερίου να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εφαρμόζει δηλαδή τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα <<Σε κάθε δράση αντιστοιχεί μια ίση και αντίθετη σε φορά, αντίδραση>>. Ως δράση

4 θεωρούμε τη δύναμη που εξασκείται σε μία μάζα καυσαερίων προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα του αεροσκάφους. Ως αντίδραση στην έξοδο της μάζας αυτής λαμβάνεται 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 των εξερχομένων αερίων. Για την καλύτερη κατανόηση της αρχής δράσης-αντίδρασης, θεωρούμε ως παράδειγμα ένα μπαλόνι γεμάτο αέρα και κρατάμε το στόμιό του κλειστό. Ο αέρας που εμπεριέχεται είναι υπό πίεση, η οποία εξασκείται ομοιόμορφα σε όλες τις κατευθύνσεις και πιέζει εξίσου τα εσωτερικά τοιχώματα του μπαλονιού. Στη συνέχεια, απελευθερώνοντας το στόμιο του μπαλονιού, αυτό χάνει αέρα και μετά από μία σύντομη πτήση καταλήγει στο έδαφος. Μια δύναμη είναι αντίθετη από αυτήν που ασκεί ο αέρας στα τοιχώματα του μπαλονιού και εξαναγκάζει τον αέρα να εξέλθει από το στόμιο του μπαλονιού, έτσι αυτό κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ένας κινητήρας αεριώθησης κινείται κάτω από την επίδραση παρόμοιων δυνάμεων. Στον κινητήρα αεριώθησης τα καυσαέρια ωθούνται προς την εξαγωγή (δράση) και αυτά ασκούν μία δύναμη ή ώση (αντίδραση), στην αντίθετη κατεύθυνση, προς τον κινητήρα και το αεροσκάφος, όπως φαίνεται και στο σχήμα Ώση Όπως αναφέραμε παραπάνω, η ώση είναι μία δύναμη αντίδρασης. Μετριέται σε kp, pounds ή lbf. Εξαρτάται από την επιτάχυνση μίας μάζας αερίου, σύμφωνα με το δεύτερο νόμο του Νεύτωνα. Όσο πιο μεγάλη είναι η παραγόμενη ποσότητα αέρα και καυσαερίων, τόσο πιο μεγάλη θα είναι και η παραγόμενη ώση. Επίσης, η διαφορά της πίεσης των παραγόμενων καυσαερίων προς την ατμοσφαιρική πίεση, συμμετέχει στην δημιουργία της ώσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ώση ενός αεριωθούμενου κινητήρα διακρίνονται σε αυτά των λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε αυτά που έχουν σχέση με τις συνθήκες του περιβάλλοντος της πτήσης. Οι λειτουργικοί παράγοντες που επηρεάζουν την ώση ενός κινητήρα αεριώθησης είναι οι ακόλουθοι: Αριθμός στροφών κινητήρα Εισαγωγή αέρα Ροή καυσίμων Μείωση παραγόμενης ώσης με την μείωση συμπιεσμένου αέρα Θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στον στρόβιλο Ψύξη του κινητήρα με την εισαγωγή νερού Ταχύτητα του αεροσκάφους

5 Οι περιβαλλοντικές συνθήκες που επηρεάζουν την ώση του αεροσκάφους κατά την πτήση είναι οι ακόλουθοι: Θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα Πίεση περιβάλλοντος αέρα Οι τύποι του αεριοστρόβιλου Α) Στροβιλοαντιδραστήρας (turbojet engine) Η αρχή λειτουργίας του είναι όμοια με αυτήν που ανέπτυξα προηγουμένως. Ο στροβιλοαντιδραστήρας αποτελεί την απλούστερη μορφή αεροστρόβιλου κινητήρα. Χρησιμοποιεί τη ροή των καυσαερίων που σχηματίζεται στο ακροφύσιο εξαγωγής ως το μοναδικό μέσο παραγωγής ώσης για την κίνηση του αεροσκάφους. Για να παραχθεί η ώση επιταχύνονται μικρά σωματίδια αέρα με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Δυο μειονεκτήματα στους στροφιλοαντιδραστήρες είναι η αυξημένη κατανάλωση καυσίμου και το ότι στις χαμηλές ταχύτητες, η ώση του αεροσκάφους είναι σχετικά μικρή. Γι αυτό και αυτά τα αεροσκάφη χρειάζονται πολύ μεγάλο διάδρομο απογείωσης ώστε να αυξηθεί σημαντικά η πίεση εισαγωγής και συνεπώς η ώση για την απογείωσή του. Β) Τουρμποστρόβιλος (turboprop engine) Είναι όμοιος με τον στροβιλοαντιδραστήρα με τη διαφορά ότι στον τουρμποστρόβιλο χρησιμοποιείται ένα σύστημα γραναζιών ως μειωτήρας στροφών για τη μετάδοσης κίνησης σε έναν έλικα. Στον ελικοστρόβικο σχεδόν όλη η ενέργεια των χρησιμοποιείται για την κίνηση του έλικα. Για τον λόγο αυτό η προσφερόμενη ώση από τα καυσαέρια είναι πολύ μικρή. Το μεγάλο του πλεονέκτημα είναι ότι επιτυγχάνει την καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου συγκριτικά με οποιονδήποτε άλλο αεριοστρόβιλο κινητήρα. Ο έλικας επιτρέπει την μεγαλύτερη

6 επιτάχυνση μαζών αέρα σε χαμηλές ταχύτητες ενώ, η παραγώμενη ώση είναι μεγάλη και ικανοποιητική για την απογείωση του αεροσκάφους. Επίσης προσφέρει και υψηλά ύψη πτήσεων. Τα μειονεκτήματά του είναι σε ακόμα μεγαλύτερα ύψη και υψηλές ταχύτητες. Είναι αρκετά πολύπλοκος ως προς την κατασκευή, παρουσιάζει προβλήματα, δύσκολο στη συντήρηση και το βάρος του είναι μεγαλύτερο από έναν στροβιλοαντιδραστήρα με την ίδια ώση. Γ) Αξονοστρόβιλος (turboshaft engine) Αυτός ο τύπος παρέχει ισχύ σχεδόν αποκλειστικά στον άξονά του ενώ ελάχιστη είναι η παραγωγή ώσης. Η ομοιότητά του είναι μεγάλυ με τον ελικοστρόβιλο κινητήρα. Σε έναν ελικοστροβιλοκινητήρα, όταν ο ελεύθερος στρόβιλος δεν συνδέεται με έλικα αεροσκάφους, αλλά με τον άξονα ενός στροφείου ενός ελικοπτέρου, τότε έχουμε τον αξονοστρόβιλο. Η παραγόμενη ισχύς του αξονοστρόβιλου (αξονική ισχύ), είναι αυτή που παράγεται από τον ελεύθερο στρόβιλο. Δ) Στροβιλοανεμιστήρας (turbofan engine) Είναι παραλλαγή του στροβιλοαντιδραστήρα και αποτελεί μια πολύ σπουδαία τεχνική εξέλιξη επειδή συνδυάζει τα τεχνικά χαρακτηριστικά του στροβιλοαντιδραστήρα και του ελικοστρόβιλου. Ο στροβιλοανεμιστήρας επιταχύνει μικρότερη μάζα αέρα από τον ελικοστρόβιλο και μεγαλύτερη από τον στροβιλοαντιδραστήρα. Αναπτύσσει μεγάλες ταχύτητες πτήσης και σε υψηλά ύψη ενώ παράλληλα δεν απαιτεί μεγάλο διάδρομη για την απογείωση. Σημαντικό πλεονέκτημα είναι η αυξημένη παροχή ισχύος ανά μονάδα βάρους, η καλή ειδική κατανάλωση καυσίμου και ο μειωμένος θορύβος κατά την απογείωση και προσγείωση. Ουσιαστικά ο στροβιλοανεμιστήρας είναι ένας ελικοστρόβιλος με τον έλικα μέσα σε έναν κινητήρα, δηλαδή είναι ανεμιστήρας-fan. Η ροή του αέρα διασπάται στο θερμό ρεύμα το οποίο δίερχεται μέσα από τον κινητήρα και στο ψυχρό που περνά περιφεριακά του σώματος του κινητήρα (bypass). Το ρεύμα αυτό συνησφέρει στο 80% της ώσης του κινητήρα. Ο ανεμιστήρας επιταχύνει τον ψυχρό αέρα προς το πίσω μέρος του κινητήρα χωρίς αυτός να αναμιγνύεται με καύσιμο και να καίγεται. Ο λόγος του ψυχρού προς το θερμό ρεύμα ονομάζεται λόγος

7 παράκαμψης (bypass ratio), είναι χαρακτηριστικό σε έναν στροβιλοανεμιστήρα και είναι της τάξης του 2:1 έως 10:1. Σχεδίαση Κατασκευή Μέρη και εξαρτήματα Η σχεδίαση, η μελέτη και η κατασκευή ενός κινητήρα αεριόθησης είναι χρονοβόρα και ο συνολικός χρόνος ανάπτυξής τους ως προιόν μπορεί να φτάσει και τα 10 χρόνια. Ακόμα και μετά την έναρξη λειτουργίας του κινητήρα στο αεροσκάφος, οι επιδόσεις του παρακολουθούνται. Με τον τρόπο αυτό εντοπίζονται τυχόν βλάβες και βελτίωση πιθανών αδύναμων λειτουργιών. Σημαντικό ρόλο παίζει και το γεγονός ότι η σχεδίαση του κινητήρα βασίζεται σε πολύ μεγάλο βαθμό σε προγενέστερο κινητήρα. Τα εξαρτήματα που απαρτ ιζουν έναν αεριοστρόβιλο κινητήρα είναι τα εξής: Α) Το κέλυφος. Αποτελείται από δύο επιμέρους κελύφη που συνδέονται στεγανά μεταξύ τους και αποτελούν την περίμετρο του κινητήρα. Στο εσωτερικό του κελύφους παράγεται το έργο. Β) Το στροφείο. Αποτελείται από το συμπιεστή και το στρόβιλο. Ο συμπιεστής παίρνει κίνηση από τον άξονα του στροβίλου και συμπιέζει ποσότητες αέρα προς το θάλαμο καύσης. Γ) Ο στρόβιλος. Ο κυρίως στρόβιλος, μέσα στον αποίο παράγεται το έργο, είναι συνήθως αξονικού τύπου. Ο αξονικός στρόβιλος στην απλή του μορφή αποτελείται από ένα διανομέα και ένα στροφείο. Τα θερμά καυσαέρια εισέρχονται στο διανομέα μέσα στον οποίο αποκτούν μεγάλη ταχύτητα. Στη συνέχεια, η κινητική τους ενέργεια μέσα στο στροφείο μετατρέπεται σε μηχανική η οποία περιστρέφει το στροφείο.

8 Δ) Τα πτερύγια. Τα πτερύγια κατά τη λειτουργία του στροβίλου υπόκινται σε τεράστιες δυνάμεις κάθε φύσεως. Αντιμετοπίζουν ισχυρές φυγοκεντςικές δυνάμεις που οφείλονται στην περιστροφή του στροφείου. Τα αποτελέσματα των δυνάμεων αυτών είναι περισσότερο εμφανή όσο αυξάνεται η θερμοκρασια λειτουργίας του αεριοστροβίλου. Για το λόγο αυτό υπάρχει συνεχής παρακολούθηση της θερμοκρασίας. Ε) Θάλαμος καύσης. Οι βασικοί τύποι των θαλάμων καύσης είναι ο σωλινοειδής και ο δακτυλοειδής. Ο σωλινοειδής αποτελείται από το φλωγοσωλήνα, δηλαδή το εξωτερικό κέλυφος μέσα στο οποίο τοποθετείται ένα χιτώνιο από ανωδείδωτο χάλυβα. Το χιτώνιο αυτό είναι εφοδιασμένο με πολλές οπές για να αναμειγνύεται ο αέρας με το καύσιμο. Υπάρχουν περισσότεροι από ένας θάλαμοι καύσης οι οποίοι επικοινωνούν μεταξύ τους έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη εξάπλωση της φλόγας. Η καύση γίνεται με μια συγκεκριμένη ποσότητα αέρα η οποία προέρχεται από το πρωτεύων ρεύμα αέρα (θερμό ρεύμα). Στους δακτυλοειδής θαλάμους καύσης, η καύση γίνεται κάπως διαφορετικά. Ο δακτύλιος καλύπτει ολόκληρη την περιφέρεια του στροβίλου στο τμήμα που βρίσκεται ανάμεσα στον συμπιεστή και στον στρόβιλο. Δηλαδή υπάρχει ένας ενιαίος θάλαμος καύσης, έτσι επιτυγχάνεται άμεση εξάπλωση της καύσης κατά την εκκίνηση. Επίσης ο θάλαμος καύσης σχηματίζει ορισμένες πτυχές οι οποίες στροβιλίζουν την ροή του αέρα για καλύτερη καύση. Αρχικά σχηματίζεται σπινθήρας σε δυο σημεία του θαλάμου, εξαπλώνεται η καύση και αποδίδεται έργο στα πτερύγια του στροβίλου. 2) Κύκλος λειτουργίας αεριοστροβίλων Ο αεριοστρόβιλος κινητήρας όπως και ο εμβολοφόρος στηρίζουν την λειτουργία τους στην επιτάχυνση μιας μάζας αέρα προς τα πίσω. Οι φάσεις λειτουργίας είναι οι εξής: εισαγωή, συμπίεση, καύση, εκτόνωση-εξαγωγή.

9 Σε αντίθεση με τον εμβολοφόρο κινητήρα που οι φάσεις πραγματοποιούνται διδοχικά (η μια μετά την άλλη), στον αεριοστρόβιλο οι ίδιες φάσεις λειτουργίες πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και συνεχώς. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνει ομαλή λειτουργία και συνεχή παραγωγή ισχύος. Κριτήρια λειτουργικής απόδοσης Αν στην ανάμιξη καυσίμου-αέρα θεωρήσουμετην ποσότητα του καυσήμου αμελητέα και συμβολίσουμε με m την παροχή της μάζας αέρα, με Va την ταχύτητα του αεροσκάφους, με Vj την ταχύτητα απόρριψης των καυσαερίων ατην ατμόσφαιρα και F την παραγώμενη (καθαρή) ώση, τότε ισχύει η σχέση: F=(Δm/Δt)*(Vj-Va) Σε περίπτωση που η πίεση των καυσερίων (Pj) Κατά την έξοδό τους από το ακροφύσιο εξαγωγής είναι μεγαλύτερη από την πίεση του ρεύματος αέρα στην εισαγωγή (Pa), τότε θα υπάρξει επιπρόσθετη ώση πίεσης στην επιφάνεια εξόδου των καυσαερίων (Aj). Η ολική ώση θα είναι ίση με το άθροισμα της ώσης ορμής και της ώσης πίεσης: F=(Δm/Δt)*(Vj-Va) + Aj(Pj-Pa) Αν θεωρήσουμε ότι η εκτόνωση των καυσαερίων είναι τέλεια (Pj=Pa), τότε θα ισχύει η πρώτη σχέση. Από αυτό κατάλαβαίνουμε ότι η απιατούμενη ώση προέρχεται από έναν κινητήρα ο οποίος θα λειτουργεί με υψηλή ταχύτητα απόρριψης καυσαερίων και χαμηλή παροχή αέρα, ή το αντίθετο. Η απόδοση ώσης (ή πρόωσης) Νp, ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος ώσης προς το άθροισμα της ισχύος ώσης και της μη-χρησιμοποιηθείσας κινητικής ενέργειας καυσαερίων: Νp=2*Va/ (Vj+Va) Η μέγιστη ταχύτητα ώσης επιτυγχάνεται στην περίπτωση που οι δύο ταχύτητες είναι ίσες. 3) Εισαγωγή αέρα Συμπιεστές Διαχυτές Η εισαγωγή του αέρα,που πραγματοποιείται από ειδικό αεραγωγό εισαγωγής, αποτελεί τμήμα του αεροσκάφους και όχι του κινητήρα. Σκοπός του αεραγωγού είναι να κατευθύνει το ρεύμα του εισερχόμενου αέρα προς τον συμπιεστή με τις λιγότερες δυνατές απώλειες, λόγω τριβών και στροβιλισμών και με ομοιόμορφη

10 ροή. Σκοπός είναι να λειτουργεί σε όλες τις ταχύτητες και καταστάσεις της πτήσης. Στο τελευταίο τμήμα του αεραγωγού, ακριβώς μπροστά από τον συμπιεστή, η ροή πρέπει να επιβραδυνθεί ώστε να αυξηθεί η στατική της πίεση. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται ανάκτηση πίεσης. Το σχήμα και η θέση του αεραγωγού εξαρτάται από τον τύπο του αεροσκάφους. Σε ορισμένες περιπτώσεις τοποθετούνται ειδικά πτερύγια ώστε να ομαλοποιείται η τιμή του εισερχόμενου ρεύματος αέρα πριν την είσοδό του στον συμπιεστή. Η αρχή λειτουργίας του αεριωθούμενου κινητήρα συνδέει την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα με την παραγωγή της απαιτούμενης ώσης για την πτήση του αεροσκάφους. Το εξάρτημα που παρέχει τις κατάλληλες ποσότητες αέρα στον κινητήρα είναι ο συμπιεστής. Βρίσκεται ακριβώς μετά τον αεραγωγό εισαγωγής και η λειτουργία του έχει άμεση επίδραση στον κινητήρα. Σκοπός λειτουργίας του είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα ώστε κατά την έξοδό του από τον συμπιεστή να έχει αποκτήσει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα. Έτσι, η παραγόμενη ώση θα είναι μεγάλη αφού ο κινητήρας θα μπορεί να χειρίζεται πάρα πολύ μεγάλες ποσότητες αέρα, σε σχέση με τον μικρό του όγκο. Εκτός από την συμπίεση του εισερχόμενου αέρα, ο συμπιεστής μπορεί να παρέχει αέρα για την ψύξη του τμήματος του στροβίλου, για την λειτουργία του συστήματος αντιπάγωσης, για τις ανάγκες της καμπίνας πληρώματος ή/και επιβατών και για για λειτουργία διάφορων εξαρτημάτων. 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 και από την θερμοκρασία εισαγωγής του αέρα. Όταν αυτή λαμβάνει χαμηλές τιμές, τότε η συμπίεση είναι μεγαλύτερη. Σκοπός των διαχυτών είναι να κατευθύνει τη μάζα του αέρα, που εξέρχεται από τον συμπιεστή, προς το θάλαμο καύσης. Ο διαχυτής μετατρέπει την κινητική ενέργεια του αέρα σε στατική πίεση. Στον διαχυτή η τιμή της πίεσης λαμβάνει τη μεγαλύτερη τιμή της μέσα στον κινητήρα. Μέσα από τον διαχυτή ο αέρας εισέρχεται στον θάλαμο καύσης με υψηλή πίεση και χαμηλή ταχύτητα, συνθήκες κατάλληλες για την ικανοποιητική τους ανάμιξη με το καύσιμο που εγχύεται. Ο διαχυτής αποτελεί συνέχεια του περιβλήματος του συμπιεστή ή μπορεί να είναι και διαφορετικό κομμάτι. Και στις δυο περιπτώσεις φέρει θυρίδες παροχής πεπιεσμένου αέρα για την εκτέλεση διάφορων βοηθητικών λειτουργιών του αεροσκάφους.

11 4) Θάλαμοι καύσης Η βέλτιστη απόδοση κατά την διάρκεια της καύσης του μείγματος αέρακαυσίμου καθορίζει τη συνολική απόδοση του κινητήρα, το λειτουργικό κόστος του αεροσκάφους και την επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τους ρύπους που εκπέπονται κατά την πτήση του. Ο βασικός στόχος του θαλάμου καύσης είναι να επιτύχει την καύση συγκεκριμένης ποσότητας μίγματος αέρα (που εξέρχεται από τον συμπιεστή) και καυσίμου. Τα παραγόμενα καυσαέρια αποδίδουν την θερμική τους ενέργεια στον στρόβιλο που βρίσκεται μετά τον θάλαμο καύσης. Η διαδικασία της καύσης πραγματοποιείται στον περιορισμένο χώρο του θαλάμου καύσης και πρέπει να επιτυγχάνεται με την ελάχιστη δυνατή απώλεια πίεσης (ισοβαρή πίεση). Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για την παροχή καυσίμου και την πραγματοποίηση της καύσης, είναι η έκχυση σταγονιδίων καυσίμου στο ρεύμα αέρα που διέρχεται. Όσο μικρότερη είναι η διατομή έκχυσης των σταγονιδίων καυσίμου, τόσο πιο αποδοτική είναι η καύση. Η ροή του αέρα που προορίζεται για την καύση διέρχεται μέσω οπών σε μεταλλικό διάφραγμα. Το καύσιμο εγχύεται σε σωλήνες μικρής διατομής και το ένα άκρο ένα άκρο τους είναι παράλληλο μεαυτό της ροής του αέρα. Ο αέρας κατά την διαδρομή του σε αυτούς τους σωλήνες, αναμιγνύεται με το καύσιμο, θερμαίνονται και ατμοποιειούνται στον θάλαμο καύσης. Η υπόλοιπη ποσότητα αέρα χρεισιμοποιείται για την ψύξη. 5) Στρόβιλος

12 Ο πρωταρχικός σκοπός του στροβίλου (turbine) είναι να παράγει την απαιτούμενη ισχύ για την περιστροφή του συμπιεστή. Ο στρόβιλος απορροφά ενέργεια από το ρεύμα των θερμων καυσαερίων κατά την έξοδό τους από τον θάλαμο καύσης και την μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια για την παραγωγή ισχύος ή ροπής. Γενικά ο στρόβιλος αποτελείται από το περίβλημα, το στάτορα, τα δακτύλιο και το ρότορα. Το περίβλημα περιβάλει το στάτορα και το ρότορα. Φέρει φλάτζες στα δυο άκρα του για την σύνδεση του τμήματος του στροβίλου με τα τμήματα του θαλάμου καύσης και του ακροφύσιου εξαγωγής. Ο στάτορας βρίσκεται προς την πλευρά του θαλάμου καύσης και δέχεται πρώτο τα καυσαέρια που εξέρχονται από αυτόν και είναι σταθερά πτερύγια που έχουν το σχήμα αεροτομής. Τα πτερύγια παρουσιάζουν στένωση, έτσι η ταχύτητα των καυσαερίων να αυξάνεται ώστε να έχουν αρκετά μεγάλη τιμή όταν φτάσουν στα κινητά πτερύγια. Τα πτερύγια ακόμα δίνουν στα καυσαέρια την κατάλληλη κατεύθυνση ώστε να αποδώσουν την μέγιστη ισχύ στον στρόβιλο. Ο δακτύλιος τοποθετείται στην εσωτερική και εξωτερική περιφέρεια των πτερυγίων του στάτορα. Ο ρότορας ή στροφείο λειτουργεί ως διαχύτης. Με τον τρόπο αυτό μετατρέπει το εισερχόμενο αέρα σε πίεση. Η διατομή δυο διαδοχικών κινητών πτερυγίων του στροβίλου, μειώνεται προς το χείλος εκφυγής τους. Έτσι η ροή των καυσαερίων επιταχύνεται. Έτσι έχουμε μείωση της πίεσης και της θερμοκρασίας, δηλαδή συνθήκες κατάλληλες για την παραγωγή έργου.

13 6) Εξαγωγή Το σύστημα εξαγωγής στους αεροστρόβιλους οδηγεί τα καυσαέρια, μετά την τελευταίαβαθμίδα του στροβίλου στην ατμόσφαιρα. Τα καυσαέρια μετά τον στρόβιλο βρίσκονται σε μια κατάσταση σχετικά υψηλής πίεσης και χαμηλής ταχύτητας. Σε έναν αεριοστρόβιλο είναι απαραίτητη, η παραγωγή ώσης, η αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων τα οποία ωθούνται στην ατμόσφαιρα. Συνεπώς, το σύστημα εξαγωγής έχει ως σκοπό τη μεγιστοποίηση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων στην έξοδο και μείωση της πίεσης στα επίπεδα της ατμοσφαιρικής. Ο σχεδιασμός της εξαγωγής των καυσαερίων έχει πολύ μεγάλη σημασία για τις επιδόσεις του κινητήρα. Το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής επηρεάζουν την θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στον στρόβιλο, την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα, την πίεση και την ταχύτητα των καυσαερίων που εξωθούνται στην ατμόσφαιρα. Η παραγώμενη ώση σε έναν βαθμό εξαρτάται από την διαμόρφωση της εξαγωγής. Το σύστημα εξαγωγής εκτείνεται από το τέλος των στροβίλων μέχρι το τέλος των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα. Ένα βασικό σύστημα εξαγωγής καυσαερίων περιλαμβάνει τρία βασικά συγκροτήματα. Τον κώνο εξαγωγής

14 Στον οποίο βασική του λειτουργία είναι η διαμόρφωση του ρεύματος καυσαερίων τα οποία διέρχονται από τον στρόβιλο. Προστατεύει επίσης τα τελευταία τμήματα του άξονα του στροβίλου από τις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων. Η κωνική του διαμόρφωση οδηγεί αποκλίνουσα διαδρομή για τα καυσαέρια, με συνέπεια την μείωση της ταχύτητάς τους, ενώ οι αντηρίδες ευθυγραμίζουν την ροή των καυσαερίων. Ο αγωγός εξαγωγής οδηγεί τα καυσαέρια στο ακροφύσιο εξαγωγής. Στις περιπτώσεις των σύγχρονων μαχητικών αεροσκαφών, ο αγωγός εξαγωγής περιλαμβάνει και την μετάκαυση. Η χρήση του αγωγού προκαλεί απώλειες στην πίεση των καυσαερίων εξαιτίας των τριβών με τα τοιχώματα. Η σχεδίαση του αγωγού εξαγωγής προσπαθεί να διατηρήσει τη διάμετρο του αγωγού όσο πιο μεγάλη γίνεται, έτσι ώστε οι ταχύτητες να παραμένουν μικρές και την διατήρηση του μήκους του αγωγού στο ελάχιστο δυνατό. Τελευταίο είναι το ακροφύσιο εξαγωγής του οποίου το μέγεθος καθορίζει την ταχύτητα εξόδου των καυσαερίων από τον κινητήρα. Στην περίπτωση συγκλίνοντος ακροφυσίου (μείωση διατομής) η ταχύτητα των καυσαερίων

15 αυξάνεται, ενώ η πίεσή τους μειώνεται. Η έξοδός τους στην ατμόσφαιρα γίνεται με ταχύτητες, οι οποίες είναι πάντοτε μικρότερες ή ίσες με την ταχύτητα του ήχου (Mach=1). Στην περίπτωση κατά την οποία η πίεση των καυσαερίων μετά τον στρόβιλο είναι αρκετά υψηλή, έτσι ώστε αυτά να μπορούν να επιταχυνθούν με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του ήχου, χρησιμοποείται συγκλίνον-αποκλίνον ακροφύσιο. Σε αυτήν την περίπτωση το ακροφύσιο περιλαμβάνει ένα τμήμα στο οποίο η διατομή μειώνεται και ένα δεύτερο στο οποίο η διατομή αυξάνεται. Στο πρώτο τμήμα του ακροφυσίου η ροή επιταχύνεται σε υπουχητικές ταχύτητες ενώ η πίεση μειώνεται. Στον λαιμό του ακροφυσίου (η ελάχιστη διατομή του ακροφυσίου), η ταχύτητα είναι ίση με αυτήν του ήχου. Το αποκλίνον τμήμα του ακροφυσίου μειώνει περισσότερο την πίεση, ενώ η ταχύτητα παίρνει υπερηχητικές τιμές (Mach>1). Η μεγάλη των καυσαερίων κατά την εξαγωγή τους έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή υψηλότερης ώσης. Σε πολλές περιπτώσεις η διατομή εξόδου μπορεί να μεταβάλλεται. Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται η επιτάχυνση ροής στο ακροφύσιο. Παρ ότι επιβαρύνουν τον σχεδιασμό του κινητήρα με την πολυπλοκότητά τους, χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη που πετούν με υψηλούς αριθμούς Mach. 7) Μετάκαυση Σ ε συγκεκριμένες περιπτώσεις χρειάζεται μια τιμή ώσης μεγαλύτερη

16 από αυτήν που είναι σε θέση να προσφέρει ο κινητήρας. Η απαίτηση αυτή αφορά μικρά χρονικά διαστήματα και περιπτώσεις όπως η μείωση του χρόνου και του μήκους του αεροδιαδρόμου που είναι αναγκαία για την απογείωση ή την παροχή ισχύος σε μαχητικά για την εκτέλεση ελιγμών μάχης. Στις περιπτώσεις αυτές δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας μεγάλος κινητήρας επειδή θα επιβαρύνει το αεροσκάφος με μεγαλύτερη επιφάνεια, επιπρόσθετο βάρος και μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμου. Η καλύτερη λύση είναι η χρησιμοποίηση ενός μετακαυστήρα (afterburner). Η μετάκαυση είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος αύξησης της ώσης ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα σε ποσοστό εως και 100%. Χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε κινητήρες υπερηχητικών μαχητικών αεροσκαφών αλλά οι κινητήρες αυτοί είναι απαγορευτικοί σε σε πολιτικά και εμπορικά αεροσκάφη λόγω της θορύβου που προκαλούν. Ο μετακαυστήρας τοποθετείται μεταξύ του στροβίλου και του ακροφύσιου εξαγωγής. Περίπου το 25% του εισερχόμενου αέρα στον στρόβιλο, χρησιμοποιείται για την διαδικασία της καύσης, το υπόλοιπο 75% χρησιμοποιείται για την ψύξη του κινητήρα (όπως ακριβώς φαίνεται και στο σχήμα Α της σελίδας 7). Ο μετακαυστήρας εκμεταλεύεται ακριβώς αυτό το γεγονός, τα καυσαέρια μετά την εκτόνωσή τους στον στρόβιλο, περιέχουν ακόμα αρκετή ποσότητα οξυγόνου. Με την παροχή καυσήμου στον μετακαυστήρα, γίνεται ανάμιξή του με την υπόλοιπη ποσότητα αέρα και πραγματοποιείται καύση, ή μετάκαυση. Έτσι, τα παραγόμενα καυσαέρια αποκτούν περισσότερη ενέργεια η οποία θα αξιοποιηθεί κατά την εκτόνωσή τους στο ακροφύσιο εξαγωγής. Το αποτέλεσμα είναι η αύξηση της ταχύτητας εξαγωγής των καυσαερίων, δηλαδή και της παραγώμενης ώσης του κινητήρα. Κατά την λειτουργία του μετακαυστήρα, η φλόγα από την καύση είναι ορατή στην εξαγωγή του κινητήρα. Τα επίπεδα θορύβου κατά την διαδικασία της μετάκαυσης, ξεπερνούν κατά πολύ αυτών χωρίς μετάκαυση.