Τεχνολογία Αεριοστροβίλων «Εισαγωγή»

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τεχνολογία Αεριοστροβίλων «Εισαγωγή» Διδάσκων: Δρ Βαφειάδης Κυριάκος 10o Εξάμηνο Ακαδημαϊκό έτος 2016-2017

Σκοπός του μαθήματος «Η κατανόηση και εμβάθυνση της λειτουργίας και της τεχνολογίας των αεριοστροβίλων, της βασικής θεωρίας τους και των εφαρμογών τους»

Στόχοι του μαθήματος Ο φοιτητής που θα παρακολουθήσει το μάθημα θα είναι σε θέση: Να κατανοεί τη λειτουργία όλων των διατάξεων αεριοστροβίλων Να κατανοεί τη λειτουργία των βασικών εξαρτημάτων αεριοστροβίλων Να υπολογίζει θερμοδυναμικούς κύκλους αεριοστροβίλων Να υπολογίζει λειτουργικά χαρακτηριστικά αεριοστροβίλων σε εφαρμογές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Να υπολογίζει λειτουργικά χαρακτηριστικά αεριοστρόβίλων σε εφαρμογές αεροπορικής πρόωσης Να εκτελεί υπολογισμούς με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού

Περιεχόμενα μαθήματος Επανάληψη βασικών αρχών Θερμοδυναμικής, Μηχανικής Ρευστών και Αεριοδυναμικής (gas dynamics) Ιστορικά στοιχεία και εξέλιξη της τεχνολογίας των αεριοστροβίλων Τρόπος λειτουργίας αεριοστροβίλων, τύποι, εξαρτήματα Περιοχές εφαρμογών αεριοστροβίλων Διατάξεις κινητήρων Κύκλοι παραγωγής μηχανικής ισχύος Κύκλοι αεροπορικής πρόωσης Ανάλυση των επιδόσεων και των λειτουργικών χαρακτηριστικών στο σημείο σχεδιασμού Ανάλυση των επιδόσεων και των λειτουργικών χαρακτηριστικών εκτός σημείου σχεδιασμού Λειτουργικά χαρακτηριστικά επιμέρους εξαρτημάτων αεριοστροβίλων

Δομή και αξιολόγηση του μαθήματος Παραδόσεις Ασκήσεις Εργασία με χρήση λογισμικού Αξιολόγηση Εργασία (προσθετική στον βαθμό της τελικής εξέτασης) Τελική εξέταση Υποστήριξη Σύγγραμμα Ιστοσελίδα μαθήματος Δυνατότητα εκπόνησης Διπλωματικών Εργασιών

Ιστορία των αεριοστροβίλων

Ιστορία των αεριοστροβίλων 150 BC Ήρωνας, «Αιολοπύλη» 1232 Στην Κίνα χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά όπλο που προωθούνταν με πυρίτιδα 1629 Ο Giovanni Branca σχεδίασε τον πρώτο στρόβιλο

Ιστορία Αεριοστροβίλων 1687 Ο Sir Isaac Newton ανακοινώνει τους τρείς Νόμους της Μηχανικής Κάθε σώμα που βρίσκεται σε κίνηση σταθερής ταχύτητας τείνει να διατηρεί την κίνηση αυτή εκτός αν εφαρμοστεί σε αυτό εξωτερική δύναμη F = ma Για κάθε δράση υπάρχει μία ίση και αντίθετη αντίδραση

Ιστορία Αεριοστροβίλων 1791 Ο Άγγλος John Barber σχεδίασε ένα σύστημα που λειτουργούσε με το θερμοδυναμικό κύκλο του σύγχρονου αεριοστρόβιλου 1808 Ο John Dumbell κατασκεύασε αεριοστρόβιλο όπως οι σημερινοί αλλά χωρίς σταθερά πτερύγια 1837 O Γάλλος M. Brenson σχεδίασε αεριοστρόβιλο παρόμοιο με τους σημερινούς

Σχηματική παράσταση αεριοστροβίλου Συμπιεστής Θάλαμος καύσης Ακροφύσιο εξαγωγής mv aircraft mv jet Άξονας Στρόβιλος

Λειτουργία Αεριοστροβίλων Κύκλος Brayton Καύσιμο Θάλαμος Καύσης Συμπιεστής Στρόβιλος Αέρας Καυσαέρια Ο θερμοδυναμικός κύκλος αεριοστροβίλων είναι Πολύ ευαίσθητος στις απώλειες που λαμβάνουν χώρα σε διάφορα εξαρτήματα Το ωφέλιμο έργο είναι η διαφορά δύο πολύ μεγάλων ποσοτήτων

Ιστορία Αεριοστροβίλων 1872 Ο Dr. F. Stolze σχεδίασε τον πρώτο πραγματικό αεριοστρόβιλο. Χρησιμοποίησε ένα πολυβάθμιο στρόβιλο και έναν συμπιεστή. Ο κινητήρας αυτός δε λειτούργησε ποτέ από μόνος του 1903 O Νορβηγός Aegidius Elling κατασκεύασε τον πρώτο αεριοστρόβιλο με περιστρεφόμενο συμπιεστή και στρόβιλο Ο πρώτος αεριοστρόβιλος που παρήγαγε περίσσεια ισχύος

Ο Στρόβιλος Elling Ατμοσφαιρικός αέρας εισάγεται στο συμπιεστή Β από όπου ένα μέρος απομακρύνεται από το C μεταφέροντας ωφέλιμη ισχύ Το υπόλοιπο μέρος εισάγεται στο θάλαμο καύσης D όπου γίνεται εισαγωγή καυσίμου E Ακολουθεί ψύξη των καυσαερίων με νερό που εξατμίζεται Τα καυσαέρια και ο ατμός διέρχονται από τον στρόβιλο

Χαρακτηριστικά αεριοστροβίλων Ο λόγος ισχύος προς βάρος είναι πολύ μεγάλος Δεν υπάρχουν παλινδρομικά εξαρτήματα και τα προβλήματα αζυγοσταθμίας είναι λίγα Η κατανάλωση του λιπαντικού ελαίου είναι πολύ μικρή Υπάρχει μεγάλη αξιοπιστία λειτουργίας

Ιστορία αεριοστροβίλων O Sir Frank Whittle, πήρε ευρεσιτεχνία για αεριοστρόβιλο για αεροπορική πρόωση (κινητήρας jet) Τα χαρακτηριστικά του πρώτου κινητήρα jet (W1) ήταν: Παροχή όγκου=25 lb/s, Κατανάλωση καυσίμου = 200 gal/hr or 1300 lb/hr, Δύναμη ώσης = 1000 lb, Ειδική κατανάλωση καυσίμου = 1.3 lb/hr/lb Χρησιμοποιήθηκε στο Βρετανικό αεροσκάφος Gloster E28/39 στις 15 Μαΐου 1941.

Ιστορία αεριοστροβίλων

Ιστορία αεριοστροβίλων Heinkel He-178 Hans von Ohain (1911-1998)

Ιστορία αεριοστροβίλων Αεριώθηση αεροπλάνων με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του ήχου Ma>1 Concorde επιβατικό αεροσκάφος προϊόν άγγλο- γαλλικής συνεργασίας Πτήση με Ma 2

Αεροπορική πρόωση

Αρχές αεριώθησης Ισορροπία Αντίδραση Δράση 3 ος Νόμος του Νεύτωνα

Αρχές αεριώθησης

Αρχές αεριώθησης 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

Αρχές αεριώθησης ΩΣΗ = ΜΑΖΑ ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ ΚΑΥΣΑΕΡΙΩΝ Η ποσότητα του αέρα και των καυσαερίων που επιταχύνονται καθώς και το μέγεθος της επιτάχυνσης καθορίζουν και την παραγόμενη ώση Η διαφορά της πίεσης των εξερχόμενων καυσαερίων προς την ατμοσφαιρική συμμετέχει στη δημιουργία της ώσης Η στατική ώση (static thrust, gross thrust) είναι η ποσότητα της ώσης που παράγει ένας κινητήρας όταν το αεροσκάφος βρίσκεται στο έδαφος ακίνητο Η καθαρή ώση (net thrust) είναι η ώση που παράγεται κατά την πτήση. Για τον υπολογισμό της πρέπει να ληφθεί υπόψη και η ταχύτητα του αεροσκάφους

Παράγοντες που επηρεάζουν την ώση Λειτουργικοί παράγοντες Αριθμός στροφών λειτουργίας. Καθορίζει τη μάζα του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα Εισαγωγή αέρα. Το μέγεθος και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αγωγού εισαγωγής Ροή καυσίμου. Όσο αυξάνει η ποσότητα του εγχυόμενου καυσίμου, επιτυγχάνεται αύξηση του αριθμού στροφών και αύξηση της ώσης Απαγωγή ποσότητας αέρα συμπίεσης. Επιτυγχάνεται από ειδική βαλβίδα και μειώνει την παραγόμενη ώση αφού μειώνεται η ποσότητα του συμπιεσμένου αέρα που εξέρχεται από τον συμπιεστή Θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο. Όσο μεγαλύτερη τόσο περισσότερη ενέργεια απορροφάται από τον στρόβιλο αύξηση στροφών συμπιεστή, εισροή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα Έγχυση νερού στον αγωγό εισαγωγής αέρα στον κινητήρα. Αυξάνονται πυκνότητα & μάζα εισερχόμενου αέρα έγχυση μεγαλύτερης ποσότητας καυσίμου Ταχύτητα του αεροσκάφους. Η επιτάχυνση από μηδενική ταχύτητα προκαλεί μείωση της ώσης. Στη συνέχεια, αυτή η εξάρτηση αναστρέφεται λόγω αναρρόφησης μεγαλύτερης ποσότητας αέρα (ram effect) με αποτέλεσμα αύξηση της ώσης Περιβαλλοντικές συνθήκες Θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα. Αύξησή της σημαίνει, αραιότερος αέρας και μείωση παραγόμενης ώσης Πίεση περιβάλλοντος αέρα (ανάλογη του ύψους στο οποίο πραγματοποιείται η πτήση του αεροσκάφους). Μείωσή της αντιστοιχεί σε μείωση της πυκνότητας και μείωση της παραγόμενης ώσης

Πρόωση με έλικα ή αεριοστρόβιλο Ο έλικας μετατοπίζει μεγάλη παροχή μάζας αέρα με χαμηλή ταχύτητα Mv jet Mv aircraft Thrust = M(v aircraft - v jet ) Thrust = m(v aircraft - V jet ) mv aircraft mv jet Ο αεριοστρόβιλος μετατοπίζει μικρή παροχή μάζας αέρα με υψηλή ταχύτητα Thrust = Ώση, m ή M = παροχή μάζας, V aircraft = ταχύτητα αεροσκάφους, V jet = ταχύτητα αερίων v aircraft = ταχύτητα αεροσκάφους, v jet = ταχύτητα αερίων

Πύραυλος (rocket engine) Δε χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση. Μεταφέρει στο εσωτερικό του φιάλες οξυγόνου (ή άλλου οξειδωτικού μέσου), το οποίο αναμιγνύεται µε το καύσιμο και παράγουν την απαιτούμενη ποσότητα καυσαερίων για την κίνησή του. Έτσι, έχει τη δυνατότητα να κινείται σε οποιοδήποτε ύψος, μέσα και έξω από την ατμόσφαιρα. Διακρίνονται δύο τύποι πυραύλων: Υγρών καυσίμων. Σύνηθες καύσιμο είναι η υδραζίνη (Ν2Η4) και συνηθέστερο οξειδωτικό το υγρό οξυγόνο ή το νιτρικό οξύ (ΗΝΟ3). Στερεών καυσίμων. Έχει αντικαταστήσει τον πύραυλο υγρών καυσίμων σε αρκετές εφαρμογές, όπως στην κίνηση βλημάτων, διαστημικών οχημάτων και στην παροχή περίσσειας ισχύος σε αεροσκάφη κατά την απογείωση. Συνήθως χρησιμοποιείται βαλιστίτης ως στερεό καύσιμο και είναι αναμεμειγμένος µε το οξειδωτικό.

Αθόδυλος (ram jet) - αεροθερµοδυναµικός αυλός (aerothermodynamic duct) Ο απλούστερος κινητήρας αεριώθησης διότι δεν έχει κινητά μέρη. Αποτελείται από τους ψεκαστήρες και τον μετρητή καυσίμου, τους συγκρατητές φλόγας, τα οποία βρίσκονται σε σωλήνα µε αποκλίνουσα εισαγωγή και αποκλίνουσα συγκλίνουσα (ή απλή συγκλίνουσα) εξαγωγή. Πρέπει να κινηθεί με μεγάλη ταχύτητα για να είναι σε θέση να παράγει ώση. Η απουσία συμπιεστή δεν επιτρέπει την εισαγωγή επαρκούς ποσότητας αέρα στον αθόδυλο σε χαμηλές ταχύτητες. Όταν εισέλθει αέρας στον κινητήρα, εγχύεται καύσιμο, παράγονται τα απαιτούμενα καυσαέρια που επιταχύνονται και παράγουν ώση. Επιβάλλεται η τοποθέτησή του σε πύραυλο ή αεροσκάφος. Στη συνέχεια, υποβοηθά µε την ώση που παράγει τον ίδιο το φορέα του ή αποσπάται από αυτόν και προωθεί άλλο σκάφος ή βαλλιστικό βλήμα, µε τα οποία συνδέεται. Ο αθόδυλος αποτελεί το αποδοτικότερο είδος κινητήρα σε ταχύτητες 3000 km/h και άνω.

Παλμικός αθόδυλος (pulse jet) Διαφέρει από τον αθόδυλο µόνο στην κατασκευή της εισαγωγής του αέρα. Εκεί, τοποθετούνται βαλβίδες εισαγωγής που διατηρούνται στην ανοικτή θέση µε ελατήρια. Τα παραγόμενα από την καύση καυσαέρια εκτονώνονται και εξαναγκάζουν τις βαλβίδες εισαγωγής να κλείσουν, οπότε και τα καυσαέρια επιταχύνονται προς την εξαγωγή. Τότε παράγουν την απαιτουμένη ώση. Τα ελατήρια ανοίγουν ξανά τις βαλβίδες εισαγωγής και ο κύκλος λειτουργίας επαναλαμβάνεται. Παροχή ισχύος διακεκομμένη. Θορυβώδης λειτουργία με έχει μικρή απόδοση. Μπορεί να λειτουργήσει από την ακινησία.

Αεριοστρόβιλος (gas turbine engine)

Αεριοστρόβιλος (gas turbine engine) Πηγή: Animagraffs.com

Τύποι αεροστροβίλων για αεροπορική πρόωση

Στροβιλοαντιδραστήρας - turbojet

Στροβιλοαντιδραστήρας με μετάκαυση Η μετάκαυση (afterburning) πραγματοποιείται µε την έγχυση καυσίμου στο χώρο μεταξύ στροβίλου και εξαγωγής, το οποίο καίγεται μετά την ανάμειξή του µε τα καυσαέρια. Χρησιμοποιείται για την αύξηση της παραγόμενης ώσης.

Ελικοστρόβιλος - turboprop

Ελικοστρόβιλος - turboprop Για αεροσκάφη χαμηλότερης ταχύτητας (μέχρι ~400knots) Χρησιμοποιείται ένα σύστημα γραναζιών ως μειωτήρας στροφών για τη μετάδοση κίνησης σε έναν έλικα. Ο μειωτήρας στροφών είναι απαραίτητος καθώς η βέλτιστη απόδοση της έλικας επιτυγχάνεται σε πολύ μικρότερες στροφές από αυτές της λειτουργίας του κινητήρα. Σχεδόν όλη η ενέργεια των καυσαερίων χρησιμοποιείται για την κίνηση του έλικα. Για το λόγο αυτό, η προσφερόμενη από τα καυσαέρια ώση είναι πολύ μικρή. Σε ορισμένους ελικοστρόβιλους χρησιμοποιείται ξεχωριστός στρόβιλος για την κίνηση του έλικα. Αυτός ονομάζεται ελεύθερος στρόβιλος (free turbine ή power turbine) και είναι συνδεδεμένος µε ξεχωριστό άξονα µε το μειωτήρα στροφών. Τα άλλα μέρη του κινητήρα (συμπιεστής, θάλαμος καύσης και στρόβιλος καυσαερίων gas turbine) λειτουργούν για να παρέχουν καυσαέρια µε υψηλή ενέργεια για την περιστροφή του ελεύθερου στροβίλου.

Ελικοστρόβιλος - turboprop Πλεονεκτήματα Επιτυγχάνει την καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου συγκριτικά µε οποιονδήποτε αεριοστρόβιλο άλλου τύπου. Η συμβολή του έλικα επιτρέπει την επιτάχυνση μεγάλων μαζών αέρα σε μικρές ταχύτητες. Η παραγόμενη ώση είναι μεγάλη και το αεροσκάφος έχει ικανοποιητικά χαρακτηριστικά στην απογείωση (μικρός διάδρομος) και στην άνοδο. Ικανοποιητική απόδοση ακόμη και σε σχετικά μεγάλα ύψη πτήσεων (6000 m). Μειονεκτήματα Η απόδοση μειώνεται όταν αυξάνεται η ταχύτητα (άνω των 650km/h) και το ύψος της πτήσης (άνω των 7.000 m). Πολυπλοκότητα κατασκευής. Βάρος μεγαλύτερο από ένα στροβιλοαντιδραστήρα µε ανάλογη ώση.

Turboprop the PT6 Pratt & Whitney Canada Παραμένει σε παραγωγή από το 1956 και χρησιμοποιείται σε μια μεγάλη σειρά εφαρμογών από μονοκινητήρια εκπαιδευτικά αεροσκάφη σε εκδόσεις που ποικίλλουν από 450 μέχρι 1500kW:

Αξονοστρόβιλος - Turboshaft Η ισχύς παρέχεται σχεδόν αποκλειστικά στον άξονά του ενώ ελάχιστη είναι η παραγωγή ώσης. Στην περίπτωση που ο ελεύθερος στρόβιλος του ελικοστρόβιλου κινητήρα δε συνδέεται µε έλικα αεροσκάφους, αλλά µε τον άξονα του στροφείου ενός ελικοπτέρου τότε έχουμε τον αξονοστρόβιλο. Χρησιμοποιείται και ως εναλλακτικό µέσο παροχής ισχύος (Auxiliary Power Unit) σε αεροσκάφη. Μπορεί να συνδεθεί και µε τον άξονα στροφείου πλοίου, αυτοκινήτου, ηλεκτρογεννήτριας.

Στροβιλοανεμιστήρας - Turbofan Ο κινητήρας αυτός συνδυάζει τα τεχνικά χαρακτηριστικά του στροβιλοαντιδραστήρα και του ελικοστρόβιλου.

Στροβιλοανεμιστήρας - Turbofan Επιταχύνει μικρότερη μάζα αέρα από τον ελικοστρόβιλο αλλά μεγαλύτερη από το στροβιλοαντιδραστήρα. Αναπτύσσει μεγάλες ταχύτητες πτήσης και σε μεγάλα ύψη (όπως ο στροβιλοαντιδραστήρας) ενώ, παράλληλα, δεν απαιτεί μεγάλο διάδρομο για την απογείωση (όπως και ο ελικοστρόβιλος). Ο περιορισμός της ταχύτητας πτήσης του ελικοστρόβιλου σε τιμές 550 έως 650km/h δεν υφίσταται. Τα πτερύγια του ανεμιστήρα σε αυτήν την περίπτωση είναι σχεδιασμένα µε τρόπο τέτοιο ώστε να µην επηρεάζονται ιδιαίτερα από την ταχύτητα του αεροσκάφους. Αυξημένη παροχή ισχύος ανά μονάδα βάρους. Καλή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Μειωμένος θόρυβος κατά την απογείωση και την προσγείωση. Περισσότερο αξιόλογοι τύποι κινητήρων αεριώθησης για μεγάλα αεροσκάφη.

Κινητήρας Turbofan Διάμετρος ανεμιστήρα: 2.95 metres Power A380 maiden flight Thrust 338kN (Trent 977) Civil turbofan (high bpr)

Θέσεις ανεμιστήρα

Θέσεις ανεμιστήρα & λόγος παράκαμψης Ο ανεμιστήρας βρίσκεται στο μπροστινό ή στο οπίσθιο τμήμα του κινητήρα. Η ροή του αέρα εισαγωγής διασπάται σε δύο ρεύματα: το θερμό και το ψυχρό. Το θερμό ρεύμα διέρχεται μέσα από τον κινητήρα. Το ψυχρό ρεύμα περνά περιφερειακά του σώματος του κινητήρα, µε την ίδια αξονική διεύθυνση (ροή παράκαμψης- bypass). Το ρεύμα αυτό συνεισφέρει στην παραγωγή του 80% της ώσης του κινητήρα. Ο ανεμιστήρας επιταχύνει ψυχρό αέρα προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα, χωρίς αυτός να αναμιγνύεται µε καύσιμο και να καίγεται. Έτσι, παράγεται ώση που προστίθεται στην ολική ώση του κινητήρα. Ο λόγος του ψυχρού ρεύματος προς το θερμό ρεύμα αέρα καλείται λόγος παράκαμψης (bypass ratio) και είναι χαρακτηριστικό του στροβιλοανεμιστήρα. Οι τιμές του κυμαίνονται από 2:1 έως 10:12. Ανάλογα µε τις τιμές του λόγου, ο στροβιλοανεμιστήρας χαρακτηρίζεται ως υψηλού ή χαμηλού λόγου παράκαμψης. Η έξοδος του αέρα παράκαμψης πραγματοποιείται από ειδικό αγωγό (duct) που βρίσκεται περιφερειακά του κύριου σώματος του κινητήρα.

Λόγος παράκαμψης (bypass ratio)

Έξοδος αέρα παράκαμψης Το μήκος του αγωγού είναι μικρό συνήθως στην περίπτωση χρήσης ανεμιστήρα μεγάλης διαμέτρου. Μεγάλο μήκος αγωγού: ο αγωγός εκτείνεται σε όλο το μήκος του κινητήρα. Στην περίπτωση αυτή επιτυγχάνεται μείωση της αεροδυναμικής αντίστασης και του θορύβου του κινητήρα. Χρησιμοποιούνται περισσότεροι από ένας στρόβιλοι για την κίνηση αποκλειστικά και μόνο του ανεμιστήρα. Ο συμπιεστής κινείται από άλλον ή άλλους στροβίλους.

Βιομηχανικές Εφαρμογές

Έξοδος αέρα παράκαμψης Διάρκεια ζωής ~ 100,000 ώρες χωρίς μεγάλη προγραμματισμένη επισκευή συντήρηση Περιορισμός στο μέγεθος και στο βάρος όχι τόσο σημαντικός Δεν αξιοποιούν την κινητική ενέργεια των αερίων που εξέρχονται από τον στρόβιλο, την οποία θεωρούν ως απώλεια και επιδιώκεται η διατήρησή της σε χαμηλά επίπεδα.

Μεγάλος στρόβιλος SIEMENS μονής ατράκτου Αεριοστρόβιλος SIEMENS V94 Διάταξη για εφαρμογές συνδυασμένου κύκλου Χρησιμοποιεί δυο μεγάλους εξωτερικούς καυστήρες τύπου silo και αποδίδει 150 MW Η εισαγωγή του αέρα βρίσκεται αρκετά υψηλότερα από το επίπεδο του εδάφους για την αποφυγή εισόδου διαφόρων ανεπιθύμητων στερεών κατακρημνισμάτων στον κινητήρα.

Συμπαγής μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής Ισχύος (Rolls-Royce) Μικρός σταθμός παραγωγής ισχύος όπου χρησιμοποιείται ένας αεριοστρόβιλος που προέρχεται από αεροπορικό κινητήρα. Η εισαγωγή του αέρα βρίσκεται αρκετά υψηλότερα από το επίπεδο του εδάφους για την αποφυγή εισόδου διαφόρων ανεπιθύμητων στερεών κατακρημνισμάτων στον κινητήρα.

Κινητήρας TRENT της Rolls-Royce Μεγάλος κινητήρας τύπου στροβιλοανεμιστήρα με τρία τύμπανα Ο μονοβάθμιος ανεμιστήρας οδηγείται από έναν πενταβάθμιο στρόβιλο χαμηλής πίεσης Βιομηχανική έκδοση: ο ανεμιστήρας αντικαταστάθηκε από ένα διβάθμιο συμπιεστή παρόμοιου λόγου πίεσης αλλά πολύ χαμηλότερης παροχής μάζας. Ο στρόβιλος χαμηλήες παράγει μια μεγάλη περίσσεια ισχύος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να οδηγεί τη γεννήτρια. Η ταχύτητα του άξονα χαμηλήε πίεσης του αεροσκάφους περιορίζεται από τη μέγιστη ταχύτητα των κορυφών των πτερυγίων του ανεμιστήρα και ισοδυναμεί με 3600 RPM. Το γεγονός αυτό επιτρέπει την άτρακτο εξόδου της βιομηχανικής έκδοσης να συνδεθεί απευθείας με μια γεννήτρια 60 Hz. Μπορεί να συνδεθεί και με γεννήτρια 50 Hz (3000 RPM) με αλλαγή της γωνίας των πτερυγίων του συμπιεστή ΧΠ.

Συμπαραγωγή ή Συνδυασμένη θερμότητα και ισχύς (CHP) Ο αεριοστρόβιλος οδηγεί μια γεννήτρια και τα αέρια εξαγωγής, συνήθως σε θερμοκρασία 500-600 C, χρησιμοποιούνται σαν πηγή θερμότητας κατώτερης ποιότητας. Πολλές βιομηχανικές διεργασίες απαιτούν μεγάλες ποσότητες ατμού και θερμού νερού (ποτοποιεία, χαρτοβιομηχανίες, τσιμεντοβιομηχανίες κλπ) Θέρμανση μεγάλων κτιρίων σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (Πανεπιστήμια, Νοσοκομεία, κλπ) Ο θερμοκρασιακός περιορισμός στον κύκλο αεριοστρόβιλου σημαίνει ότι πρέπει να χρησιμοποιηθούν υψηλοί λόγοι αέρα/καυσίμου, με αποτέλεσμα την παρουσία μεγάλου ποσοστού αχρησιμοποίητου οξυγόνου στην εξαγωγή, καθιστώντας τα αέρια της εξαγωγής πολύ κατάλληλα Η μονάδα μπορεί να σχεδιαστεί για να ικανοποιεί τις απαιτήσεις σε θερμό αέριο, με ή χωρίς παραγόμενη ισχύ ατράκτου και μερικές φορές να είναι σε θέση να καίει ένα καύσιμο που είναι ένα παραπροϊόν της χημικής διεργασίας.

Συμπαραγωγή ή Συνδυασμένη θερμότητα και ισχύς (CHP)

Μικρής κλίμακας διανεμημένη συμπαραγωγή Χρησιμοποιούνται μικροί αεριοστρόβιλοι ονομαστικής ισχύος 100kW Για χρήση σε μικρούς χρήστες (supermarkets, εμπορικά κέντρα, κλπ) Λόγω του μικρού μεγέθους τους θα διαθέτουν απλά χαρακτηριστικά, αλλά χρησιμοποιώντας τη θερμότητα χαμηλές ποιότητας στην εξαγωγή για θέρμανση κτιρίων κλιματισμό και παραγωγή θερμού νερού. Εφεδρική σύνδεση στο τοπικό δίκτυο ηλεκτρισμού και ένα εφεδρικό σύστημα θέρμανσης.

Περιβαλλοντικά Θέματα

Περιβαλλοντικά Θέματα Θόρυβος Ανάλογος της ταχύτητας των καυσαερίων Λύση: μείωση ταχύτητας δέσμης καυσαερίων, αύξηση παροχής μάζας Στροβιλοανεμιστήρας και λόγος παράκαμψης Εκπομπές Οξείδια Αζώτου (NOx) Άκαυστοι υδρογονάνθρακες (UHC) Διοξείδιο του άνθρακα CO2

Περιβάλλον - θόρυβος Η εμφάνιση σημαντικού αριθμού αεροθούμενων αεροσκαφών σε αεροδρόμια στο τέλος της δεκαετίας του 50 οδήγησε στο πρόβλημα ηχορύπανσης που υπήρχε κίνδυνος να εμποδίσει σημαντικά την ανάπτυξη των αερομεταφορών

Παραγωγή θορύβου Θόρυβος ~ v 8 (v = jet velocity) =>οδήγησε στην ανάπτυξη του στροβιλοανεμιστήρα

Περιβάλλον - θόρυβος Ο θόρυβος από τη δέσμη καυσαερίων υψηλής ταχύτητας στην εξαγωγή (Jet noise) προκαλείται από την ανάμιξη των καυσαερίων με την ατμόσφαιρα μέσω - Των διατμητικών στρωμάτων που δημιουργούνται μεταξύ θερμών καυσαερίων και ψυχρών μαζών αέρα - Η κλίση της ταχύτητας δημιουργεί εμφάνιση δινών - Κρουστικά κύματα δημιουργούν θόρυβο υψηλής συχνότητας

Μείωση θορύβου Μείωση θορύβου επιτυγχάνεται μέσω της επιτάχυνσης της διαδικασίας ανάμιξης με αύξηση της επιφάνειας του jet

Περιβάλλον - θόρυβος Ο θόρυβος απο τις περιστρεφόμενες στροβιλομηχανές Προκαλεί διακριτούς τόνους λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ σταθερών και περιστρεφόμενων σιερών πτερυγίων Η ένταση του απόρρου (wake) εξαρτάται από την απόσταση κατάντη της σειράς των πτερυγών Αποφυγή θορύβου από στροβιλομηχανές Υλικά που απορροφούν το θόρυβο και αύξηση της απόστασης μεταξύ διαδοχικών σειρών πτερυγίων Σε περίπου bpr = 5, ο θόρυβος από τις στροβιλομηχανές κυριαρχεί σε σχέση με το θόρυβο από το jet

Περιβάλλον αέριοι ρύποι NO x : Occur at very high combustion temperatures Increase with combustion inlet temperature Both increase turbine inlet temperature and increased pressure ratio leads to increased NO x formation => performance limiting effect UHC (unburned hydrocarbons): Large amounts of excess air during combustion => UHC problem less critical Main combustion product CO2: Greenhouse gas Improve efficiency of plant or replace fuel, e.g. hydrogen.

Η Διαδικασία Σχεδιασμού Αεριοστροβίλων

Λειτουργία Αεριοστροβίλων Για να υπάρχει δυνατότητα εκτόνωσης σε έναν στρόβιλο θα πρέπει να παρέχεται ένας λόγος συμπίεσης ή λόγος πίεσης και συνεπώς το πρώτο απαραίτητο βήμα στο θερμοδυναμικό κύκλο μιας μονάδας παραγωγής ισχύος αεριοστρόβιλου πρέπει να είναι η συμπίεση του εργαζόμενου μέσου. Απαραίτητη προϋπόθεση για την παραγωγή ισχύος από τον αεριοστρόβιλο είναι η προσθήκη ενέργειας για αύξηση της θερμοκρασίας του εργαζόμενου μέσου πριν από την εκτόνωση ΚΑΥΣΗ καυσίμου στον αέρα που έχει συμπιεστεί.

Σύγκριση αεριοστρόβιλου εμβολοφόρου κινητήρα

Πίεση και θερμοκρασία Πίεση (atmospheres) Θερμοκρασία (degrees C) 40 0 1500 0

Διατάξεις ανοικτού κύκλου, μονής και διπλής ατράκτου Σε σταθμούς παραγωγής ισχύος βασικού φορτίου, απαιτείται ο αεριοστρόβιλος να λειτουργεί σε συνθήκες σταθερής ταχύτητας και φορτίου και η διάταξη μονής ατράκτου είναι η πλέον κατάλληλη. Η ευελιξία λειτουργίας (π.χ. ταχύτητα απόκρισης μηχανής σε μεταβολές φορτίου) δεν αποτελεί σημαντική απαίτηση. Πλεονέκτημα η σχετικά υψηλή αδράνεια λόγω αντίστασης του συμπιεστή καθώς μειώνει τον κίνδυνο υπερτάχυνσης σε περίπτωση μείωσης του φορτίου. Εναλλάκτης θερμότητας. Μπορεί να προστεθεί για να βελτιώσει τον θερμικό βαθμό απόδοσης. Απαραίτητος για την επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης για χαμηλούς λόγους συμπίεσης αλλά λιγότερο ευνοϊκή η χρήση του για μεγάλους λόγους συμπίεσης.

Διατάξεις ανοικτού κύκλου, μονής και διπλής ατράκτου Μια τροποποιημένη μορφή διάταξης ανοικτού κύκλου για περιπτώσεις που το καύσιμο π.χ. κονιορτοποιημένος στερεός άνθρακας είναι τέτοιο που τα προϊόντα της καύσης περιέχουν συστατικά που μπορούν να διαβρώσουν ή να φθείρουν τα πτερύγια του στροβίλου. Χαμηλός βαθμός απόδοσης γιατί η πρόσδοση θερμότητας γίνεται μέσω του εναλλάκτη ο οποίος δεν είναι τέλειος. Χρησιμοποιείται μόνο όταν η παροχή του ακάθαρτου καυσίμου είναι διαθέσιμη σε πολύ χαμηλό κόστος.

Διατάξεις ανοικτού κύκλου, μονής και διπλής ατράκτου Όταν η ευελιξία στη λειτουργία είναι μεγάλης σημασίας π.χ. όταν ο αεριοστρόβιλος οδηγεί ένα φορτίο μεταβλητής ταχύτητας όπως ο συμπιεστής ενός αγωγού Φ.Α. ή προπέλα ενός πλοίου ή ένα αυτοκινούμενο όχημα είναι επιθυμητή η χρήση ενός μηχανικά ανεξάρτητου (ή ελεύθερου) στροβίλου ισχύος (free ή power turbine). Στο σχήμα ο στρόβιλος υψηλής πίεσης οδηγεί τον συμπιεστή και ο συνδυασμός των δυο δρα σαν μια μονάδα παραγωγής αερίων ή αεριοπαραγωγός για τον στρόβιλο χαμηλής πίεσης. Προπέλα πλοίου. Λειτουργεί σε χαμηλότερη ταχύτητα οπότε απαιτείται η χρήση μειωτήρα στροφών. Κινητήρες με δυο ατράκτους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κίνηση μιας ηλεκτρικής γεννήτριας και αυτοί οι κινητήρες συνήθως προέρχονται από αεροπορικούς jet όπου το προωθητικό ακροφύσιο αντικαθίσταται από έναν στρόβιλο ισχύος. Στρόβιλος χαμηλής πίεσης Στρόβιλος υψηλής πίεσης

Διατάξεις ανοικτού κύκλου, μονής και διπλής ατράκτου Πλεονεκτήματα Εύκολη εκκίνηση σε σύγκριση με την μονάδα μονής ατράκτου μιας και το σύστημα εκκίνησης χρειάζεται να υπολογιστεί να ξεκινά μόνο τον αεριοπαραγωγό. Το σύστημα εκκίνησης μπορεί να είναι ηλεκτρικό, υδραυλικός κινητήρας, στρόβιλος εκτόνωσης που τροφοδοτείται με μια παροχή Φ.Α. σε αγωγό μεταφοράς ένα κινητήρας diesel ή ένας ατμοστρόβιλος. Μειονεκτήματα Μια πτώση του ηλεκτρικού φορτίου μπορεί να οδηγήσει σε υπερτάχυνση του στροβίλου και απαιτείται κατάλληλα σχεδιασμένου σύστημα ελέγχου εμπόδισης του φαινομένου.

Διατάξεις ανοικτού κύκλου, μονής και διπλής ατράκτου Μεταβολή ισχύος Και στους δυο τύπους κινητήρων η μεταβολή ισχύος επιτυγχάνεται με έλεγχο της παροχής καυσίμου στον θάλαμο καύσης. Και στις δυο περιπτώσεις ο λόγος πίεσης του κύκλου και η μέγιστη θερμοκρασία μειώνονται με τη μείωση της ισχύος από την τιμή σχεδιασμού με αποτέλεσμα ο θερμικός βαθμός απόδοσης να μειώνεται σημαντικά κατά τη λειτουργία σε μερικό φορτίο. Βελτίωση επιδόσεων αεριοστροβίλων Οι επιδώσεις ενός αεριοστρόβιλου μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με την αύξηση του έργου εκτόνωσης και τη μείωση του έργου συμπίεσης. Αν η διεργασία συμπίεσης εκτελεστεί σε δυο στάδια (βαθμίδες) με ενδιάμεση ψύξη το έργο της συμπίεσης μπορεί να μειωθεί. Παρόμοια μπορεί να μειωθεί το έργο εκτόνωσης (με δυο ή περισσότερες βαθμίδες εκτόνωσης και αναθέρμανση του καυσίμου στη μέγιστη επιτρεπτή θερμοκρασία ανάμεσα στις βαθμίδες).

Διατάξεις πολλαπλών στροφίων Για την επίτευξη ενός υψηλού θερμικού βαθμού απόδοσης χωρίς τη χρήση ενός εναλλάκτη θερμότητας είναι σημαντικός ένα υψηλός λόγος συμπίεσης. Διάταξη πολλαπλών στροφίων. Αναπτύχθηκε αρχικά για αεροπορικές εφαρμογές. Σήμερα χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές παραγωγής ισχύος σε άτρακτο και στους περισσότερους από αυτούς το ακροφύσιο αντικαθίσταται από έναν ελεύθερο στρόβιλο. Η γεννήτρια και ο συμπιεστής ΧΠ λειτουργούν σε σταθερή περιστροφική ταχύτητα. Σε μικρότερους κινητήρες ο συμπιεστής ΥΠ είναι συχνά φυγοκεντρικού τύπου γιατί για τις μεγάλες τιμές πίεσης και πυκνότητας που εμφανίζονται η παροχή όγκου είναι χαμηλή και τα πτερύγια που θα απαιτούνταν για έναν αξονικό συμπιεστή θα ήταν πολύ μικρά για καλό βαθμό απόδοσης. Μονάδες διπλού στροφίου χρησιμοποιήθηκαν σε λόγο πίεσης ~10 και είναι κατάλληλοι για λόγους πίεσης κύκλων μέχρι 35:1. Διατάξεις τριπλού στροφείου μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλους κινητήρες τύπου στροβιλοανεμιστήρα όπου υπάρχει μεγάλη απαίτηση για πολύ υψηλό λόγο συμπίεσης και χαμηλή περιστροφική ταχύτητα για τον ανεμιστήρα με μεγάλη διάμετρο.

Κλειστοί κύκλοι αεριοστροβίλου Πλεονεκτήματα Δυνατότητα χρήσης υψηλής πίεσης (και υψηλής πυκνότητας αερίου) διαμέσου του κύκλου που οδηγεί σε μέγεθος των στροβιλομηχανών για δεδομένη ισχύ εξόδου και επίσης παρέχει τη δυνατότητα μεταβολής της παραγόμενης ισχύος μέσω αλλαγής στο επίπεδο πίεσης του κυκλώματος. Μπορεί να καλυφθεί ένα μεγάλο εύρος φορτίου χωρίς μεταβολή της μέγιστης θερμοκρασίας του κύκλου και συνεπώς με μικρή μεταβολή του βαθμού απόδοσης. Αποφεύγεται η φθορά των πτερυγίων του στροβίλου και άλλες βλαβερές επιπτώσεις από τα προϊόντα της καύσης. Εξαλείφεται η ανάγκη για φιλτράρισμα του εισερχόμενου αέρα, το οποίο αποτελεί ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα στη χρήση μονάδων ανοικτού κύκλου σε περιβάλλον με ρύπανση. Υψηλή πυκνότητα εργαζόμενου μέσου βελτιώνει τη μετάδοση θερμότητας οπότε επιτρέπει υψηλότερο βαθμό απόδοσης κατά την εναλλαγή θερμότητας. Μειονεκτήματα Αναγκαιότητα χρήσης μιας εξωτερικής πηγής πρόσδοσης θερμότητας που απαιτεί τη χρήση ενός βοηθητικού κύκλου και εισάγει μια θερμοκρασιακή διαφορά ανάμεσα στα καυσαέρια και στο εργαζόμενο μέσο. Η επιτρεπόμενη θερμοκρασία λειτουργίας των επιφανειών του θερμαντήρα θέτει επομένως ένα ανώτερο όριο στη μέγιστη θερμοκρασία του κύριου κύκλου.

Κλειστοί κύκλοι αεριοστροβίλου Υδρόψυκτος προψύκτης για το ρευστό του κύριου κύκλου ανάμεσα στον εναλλάκτη και στον συμπιεστή Η συσκευή πρόσδοσης θερμότητας στο αέριο αποτελεί μέρος του κύκλου ενός βοηθητικού ατμοστροβίλου Η ισχύς ελέγχεται μέσω μιας βαλβίδας απομάκρυνσης αερίου (blow-off valve) και μια παροχή συμπιεσμένου αερίου όπως παρουσιάζεται στο σχήμα.

Ιδεατοί κύκλοι Παραδοχή ιδεατών συνθηκών: Διεργασίες αντιστρεπτές και αδιαβατικές ισεντροπικές Μεταβολή κινητικής ενέργειας του εργαζόμενου μέσου μεταξύ εισόδου και εξόδου αμελητέα. Δεν υπάρχουν απώλειες πίεσης στους αγωγούς εισόδου, στους θαλάμους καύσης, στους εναλλάκτες στου ενδιάμεσους ψύκτες στους αγωγούς εξόδου και τους συνδετικούς αγωγούς. Το εργαζόμενο μέσο έχει την ίδια σύσταση σε όλο τον κύκλο και αποτελεί ένα τέλειο αέριο με σταθερές ειδικές θερμοχωρητικότητες. Η παροχή μάζας του αερίου είναι σταθερή σε όλο τον κύκλο. Η μεταφορά θερμότητας σε έναν εναλλάκτη θερμότητας είναι πλήρης οπότε η αύξηση θερμοκρασίας του ψυχρού ρεύματος είναι η μέγιστη δυνατή και ακριβώς ίση με τη θερμοκρασιακή πτώση στο θερμό ρεύμα.

1-2 Αδιαβατική συµπίεση. Ο αέρας εισάγεται µέσω της εισαγωγής στον κινητήρα. Αναρροφάται από το συµπιεστή, ο οποίος αυξάνει τη στατική του πίεση. Παράλληλα, παρατηρείται αύξηση της θερµοκρασίας και πτώση του όγκου του. 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 επιφέρει µείωση της πυκνότητας µε αποτέλεσµα την αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων, καθώς η διατοµή του κινητήρα σε αυτό το σηµείο δεν παρουσιάζει ουσιαστική µεταβολή. 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 διατίθεται για τη διεργασία της συµπίεσης. 4-5 Αδιαβατική εκτόνωση. Στη συνέχεια, µετά το στρόβιλο, παρουσιάζεται µικρή αντίσταση στη ροή των καυσαερίων. Αυτά εκτονώνονται στο ακροφύσιο εξαγωγής, όπου παρατηρείται µεγάλη αύξηση της ταχύτητάς τους µε παράλληλη µείωση της πίεσης και της θερµοκρασίας τους. 4-1 Ισοβαρής αποβολή θερµότητας. Η αποβολή της θερµότητας των καυσαερίων πραγµατοποιείται στην ατµόσφαιρα.

Λειτουργία αξονικού συμπιεστή και στροβίλου

Λειτουργία αξονικού συμπιεστή και στροβίλου Βαθμίδες Συμπιεστή Περιστρεφόμενη σειρά (δρομέας) Περιστρεφόμενη σειρά (δρομέας) Βαθμίδες στροβίλου Περιστρεφόμενη σειρά (δρομέας) Περιστρεφόμενη σειρά (δρομέας) Ροή αέρα Gas flow Σειρά σταθερών πτερυγίων Σειρά σταθερών πτερυγίων Σειρά σταθερών Πτερυγίων (nozzle) Σειρά σταθερών Πτερυγίων (nozzle)

Multiple Shafts - Trent 95,000 lbs Thrust IP System 8 Compressor stages 1 Turbine stage >7,500 rpm LP System 1 Fan stage 5 Turbine stages >3,000 rpm HP System 6 Compressor stages 1 Turbine stage >10,000 rpm

Λειτουργία θαλάμου καύσης

Λειτουργία καυστήρα Primary zone Intermediate zone Dilution zone Fuel spray nozzle