ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Transcript

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Υπεύθυνος: Επικ. Καθηγητής Δρ. Α. ΦΑΤΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 1 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Κατηγορίες Αεριοστροβίλων Σελίδα 1 από 10

2 ΑΣΚΗΣΗ 1: Κατηγορίες στροβιλοκινητήρων Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τις βασικές κατηγορίες που χωρίζονται οι αεροπορικοί και βιομηχανικοί αεριοστρόβιλοι. (β) Τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ειδών αεριοστροβίλων της κάθε κατηγορίας. (γ) Το να επιλέγει το είδος στροβιλοκινητήρα που πρέπει να χρησιμοποιηθεί ανάλογα με την εφαρμογή (αεροπορική ή βιομηχανική). Α. Θεωρητικό Μέρος Ανάλογα προς τον τρόπο εκμετάλλευσης της ενέργειας και ανάλογα προς την ροή του αέρα: 1. Αεροπορικοί Αεριοστρόβιλοι 1.1 Turbojet (στροβιλοαντιδραστήρας) Είναι ο κινητήρας στον οποίο ολόκληρη η ποσότητα του εισερχόμενου αέρα από το τμήμα εισαγωγής υφίσταται τη διαδικασία συμπίεσης και καύσης. Με άλλα λόγια όλη αυτή η ποσότητα του αέρα περνά μέσα από τον συμπιεστή και στα υπόλοιπα τμήματα του κινητήρα. Οι κινητήρες αυτοί αποτελούσαν την παλαιότερη γενιά των κινητήρων αντίδρασης, τότε που το βασικό ζητούμενο ήταν η απόδοση μεγάλης ισχύος χωρίς κανένα περιορισμό. Όμως η εξέλιξη των πραγμάτων έδειξε ότι οι κινητήρες αυτοί ήταν αφενός μεν καυσιμοβόροι, αφετέρου δε επιβάρυναν το περιβάλλον με υψηλών εντάσεων θορύβους. Σελίδα 2 από 10

3 Σχήμα 1α: Είδη κινητήρων turbojet μονού άξονα Σελίδα 3 από 10

4 Σχήμα 1β: Είδη κινητήρων turbojet διπλού άξονα 1.2 Turbofan (στροβιλοανεμιστήρας) Έτσι, επινοήθηκε ο κινητήρας turbofan (κινητήρας διπλής ροής), υψηλού λόγου παράκαμψης. Στην περίπτωση του turbofan ένα μέρος μόνο αέρα περνά μέσα στον συμπιεστή και υφίσταται τη διαδικασία συμπίεσης, καύσης κλπ. Ένα άλλο Σελίδα 4 από 10

5 μέρος, αφού υποστεί μικρή συμπίεση και επιταχυνθεί από μία ή δύο σειρές πτερυγίων που ονομάζεται fan, εκτονώνεται προς τα πίσω από την εξαγωγή του ρεύματος παράκαμψης, χωρίς να περάσει από τον συμπιεστή, τους θαλάμους καύσης, το στρόβιλο κλπ., σε μια ανάλογη διαδικασία με αυτήν της έλικας, αλλά μέσα από έναν δακτύλιο ή κέλυφος, το ονομαζόμενο fan case. Με τη διαδικασία αυτή παράγεται ώση με οικονομία καυσίμου. Η λογική απλή. Πολύ λιγότερος αέρας μπαίνει μέσα στον κινητήρα για καύση, άρα περίπου ανάλογα μικρότερη και η ποσότητα καυσίμου που απαιτείται για να τη συντηρήσει. Πέρα από αυτό, η περιστροφή του fan αποδίδει σημαντικά μεγαλύτερη ώση σε σχέση με την απορροφούμενη ενέργεια. Έχουμε λοιπόν μεγάλες αποδόσεις με μικρότερη κατανάλωση καυσίμου. Έτσι ο κινητήρας παράγει ταυτόχρονα ώση και από τον κυρίως κινητήρα (core engine) και από το fan. Και είναι άξιο αναφοράς το γεγονός ότι, στους κινητήρες υψηλού βαθμού παράκαμψης, η ώση που παράγεται από τη μοναδική βαθμίδα του fan μπορεί να πλησιάζει το 75-80% της συνολικά αποδιδόμενης ώσης του κινητήρα και το υπόλοιπο 20-25% να παράγεται από τον core engine. Προσοχή όμως, καθόσον τεράστια ποσά ενέργειας απορροφούνται από τους στροβίλους για την περιστροφή των συμπιεστών, του fan και του κιβωτίου παρελκομένων (accessories gear box-agb). Ακόμη, στους κινητήρες αυτούς, ιδιαίτερα τους μεγάλου λόγου παράκαμψης, το fan λειτουργεί σαν μια έλικα, αποδίδοντας το μέγιστο της ώσης σε χαμηλές ταχύτητες του αεροσκάφους, όπως στη φάση της απογείωσης. Η ιδιότητα αυτή έχει καταλυτική σημασία στη χρήση τους σε εμπορικά αεροσκάφη. Αντιθέτως, οι κινητήρες turbojet ή turbofan χαμηλού λόγου παράκαμψης χρησιμοποιούνται στα μαχητικά αεροσκάφη υψηλών επιδόσεων και αποδίδουν το μέγιστο της ισχύος τους σε υψηλές ταχύτητες. Εδώ, αν και η οικονομία καυσίμου που εξυπηρετεί τη διάρκεια παραμονής του αεροσκάφους αυτόνομα στον αέρα είναι σημαντικός παράγοντας, δεν μπορεί να τεθεί πριν από άλλους, όπως η ταχύτητα, η ευελιξία κλπ. Σελίδα 5 από 10

6 Σελίδα 6 από 10

7 Σχήμα 2: Είδη κινητήρων turbfan αεροπορικών εφαρμογών 1.3 Turboprop (στροβιλοελικοφόρος κινητήρας) Είναι και αυτός ένας turbojet με μια επιπλέον τουρμπίνα η οποία οδηγεί προπέλα απευθείας ή μέσω κιβωτίου μείωσης στροφών, απορροφώντας βεβαίως όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας των παραγόμενων καυσαερίων. Φυσικά πάντοτε θα υπάρχει ένα μέρος ενέργειας που θα προκαλεί ώση με τη λογική δράσης αντίδρασης, αλλά αυτό είναι πολύ μικρό. Ο κινητήρας turboprop είναι μονόδρομος για αεροσκάφη σχετικά χαμηλών ταχυτήτων και ύψους πλεύσης (π.χ 400mph / πόδια) αφού προσφέρει πολύ καλή οικονομία καυσίμου. Πάντως, αξίζει να σημειωθεί ότι το μεγαλύτερο άλμα στην απόδοσή τους έχει συμβεί στην τελευταία πενταετία με την εμφάνιση νέων, πολύ αποδοτικών και ελαφρών ελίκων. Η ισχύς του turboprop μετράται σε total equivalent horsepower (tehp) ή kilowatt (kw) που είναι η shaft horsepower συν την εναπομένουσα ώση που προκαλείται από τα καυσαέρια. Σχήμα 3: Είδη κινητήρων turboprop Σελίδα 7 από 10

8 2. Βιομηχανικοί αεριοστρόβιλοι Είναι κυρίως Αξονοστροβιλοκινητήρες (turboshaft) που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτροπαραγωγικές μονάδες, αντλητικά συγκροτήματα μεταφοράς φυσικού αερίου ή σε πλωτές εξέδρες άντλησης υδρογονανθράκων, πλοία, τρένα, ελικόπτερα. Χαρακτηριστικό αυτών των αεριοστροβίλων είναι ότι όλη σχεδόν η ωφέλιμη ενέργεια παρέχεται σαν περιστροφική ενέργεια στον άξονα εξόδου. Τα καυσαέρια ένεκα του διαχύτη που τοποθετείται στην έξοδο του κινητήρα εξέρχονται από τον αγωγό εξαγωγής με τη μικρότερη δυνατή ταχύτητα. Σχήμα 4: Ο Βιομηχανικός αεριοστρόβιλος GT24 της ALSTOM Σελίδα 8 από 10

9 Σχήμα 5: Σχηματικές διατάξεις βιομηχανικών αεριοστροβίλων Β. Πρακτικό Μέρος 1. (α) Τι είδους κινητήρας μπορεί να τοποθετηθεί σε μαχητικό αεροσκάφος και γιατί; (β) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα πλεονεκτήματα αυτού του είδους του (γ) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα μειονεκτήματα αυτού του είδους του Σελίδα 9 από 10

10 2. (α) Τι είδους κινητήρας μπορεί να τοποθετηθεί σε μικρό πολιτικής χρήσης αεροσκάφος μικρής εμβέλειας και γιατί; (β) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα πλεονεκτήματα αυτού του είδους του (γ) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα μειονεκτήματα αυτού του είδους του 3. (α) Τι είδους κινητήρας μπορεί να τοποθετηθεί σε αεροσκάφος πολιτικής αεροπορίας μεγάλων αποστάσεων και γιατί; (β) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα πλεονεκτήματα αυτού του είδους του (γ) Να αναφέρετε σε σχετικό πίνακα τα μειονεκτήματα αυτού του είδους του 4. Τι είδους αεριοστρόβιλος χρησιμοποιείται σε ταχέα πλοία του πολεμικού ναυτικού; Πως μεταδίδεται η κίνηση στην έλικα του πλοίου; Σελίδα 10 από 10