Zagadnienia na egzamin - opracowane.doc

2012-06-01

ZAGADNIENIA NA EGZAMIN Z PRZEDMIOTU

TURBINOWE SILNIKI LOTNICZE

1.            Główne zespoły jednoprzepływowego turbinowego silnika odrzutowego i jego działanie.

Napęd lotniczy

Jest to ogół urządzeń i instalacji zapewniających statkowi powietrznemu niezbędną wartość siły ciągu i wymagany jej kierunek oraz niezawodność użytkowania w całym zakresie eksploatacyjnych warunków lotu. Podstawowym zadaniem napędu lotniczego jest wytworzenie ciągu o wartości umożliwiającej start i lot samolotu (śmigłowca) w wymaganym zakresie warunków zewnętrznych.

Główne zespoły turbinowego silnika odrzutowego (TSO) i ich przeznaczenie

Wlot powietrza

Doprowadza strumień powietrza do sprężarki z możliwie minimalnymi stratami energii kinetycznej, przy odpowiednio dużej prędkości lotu spręża go dynamicznie.

W zależności od usytuowania silnika, wlot powietrza może mieć różne wymiary i kształty, często związany jest konstrukcyjnie z płatowcem samolotu chociaż pracuje na korzyść silnika.

Sprężarka

Spręża przepływający strumień powietrza i kieruje go do komory spalania (ks).

W zależności od typu zastosowanej sprężarki, zakresu pracy silnika i warunków lotu, ciśnienie strumienia za sprężarką jest od kilku do kilkudziesięciu razy większe niż przed sprężarką. Odpowiedni wzrost ciśnienia warunkuje poprawną i efektywną pracę komory spalania.

Wraz ze wzrostem prędkości lotu maleje udział sprężarki w procesie sprężania strumienia powietrza w kanale przepływowym TSO, a zwiększa - wlotu powietrza.

Komora spalania

Jest zasadniczym zespołem silnika (TSO jest silnikiem cieplnym). W ks zachodzą wszystkie procesy związane z przekształceniem energii chemicznej, zawartej w doprowadzanym do komory  paliwie, w energię cieplną, która przejmowana jest przez przepływający przez nią strumień powietrza w celu zwiększenia jego energii (spaliny).

Turbina

Służy do napędu sprężarki. W turbinowych silnikach śmigłowych lub śmigłowcowych (TSŚ) - także do napędu śmigła lub wirnika nośnego i śmigła ogonowego. We wszystkich silnikach turbinowych niewielka część mocy turbiny (1÷2%) przeznaczona jest ponadto do napędu agregatów zabezpieczających pracę silnika i systemów płatowcowych (pompy paliwowe, olejowe, hydrauliczne, prądnice, itp.). Turbina przekształca część energii strumienia spalin w pracę mechaniczną przekazywaną za pośrednictwem wału na napęd sprężarki (śmigła, wirnika) i agregatów.

W TSO sprężarka i turbina wraz z łączącym je wałem tworzy wirnik silnika.

Układ wylotowy

Szczególną rolę odgrywa w silnikach odrzutowych. Dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu kanału przepływowego, zamienia entalpię statyczną strumienia spalin (energię wewnętrzną i potencjalną) w energię kinetyczną w celu uzyskania możliwie jak największej prędkości wypływu strumienia z silnika. Zasadniczym elementem układu wylotowego jest dysza wylotowa. W zależności od przeznaczenia silnika w skład układu wylotowego mogą wchodzić inne elementy (dopalacz, odwracacz ciągu, tłumik hałasu). W TSŚ rola układu wylotowego ogranicza się w zasadzie do odprowadzenia strumienia spalin poza silnik.
Charakterystyczne przekroje silnika i zmiana parametrów strumienia
wzdłuż kanału przepływowego

  wlot powietrza                         sprężarka                                 komora spalania           turbina        układ wylotowy

2.            Ciąg silnika i parametry jednostkowe.

Siła ciągu

Przepływający przez silnik strumień powietrza (spalin) zwiększa swoją energię kinetyczną na skutek doprowadzonego do niego ciepła w komorze spalania silnika. Przyspieszenie strumienia jest możliwe dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu ścian kanału przepływowego.

Oznacza to, że na strumień działa niezrównoważony układ sił od ścian kanału przepływowego. Zgodnie z prawem akcji i reakcji na ściany działają siły reakcji pochodzące od ciśnień wywieranych przez strumień.

Siła ciągu (ciąg silnika) powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania ścian kanału przepływowego silnika i strumienia gazu przepływającego przez ten kanał oraz powietrza opływającego silnik z zewnątrz.

__________________________________________________________________________________

Ciąg silnika odrzutowego (K) jest to składowa osiowa wypadkowej układu sił działających na ścianki  kanału przepływowego silnika i siły oporu powstającej w wyniku opływu zewnętrznego.

W celu wyznaczenia K rozpatruje się przyrost ilości ruchu masy strumienia (równanie ilości ruchu Eulera), przy założeniu że opór zewnętrzny nie istnieje:

gdzie:

– masowe natężenie przepływu (strumień masy) spalin

c5 – prędkość wypływu strumienia z dyszy wylotowej

V – prędkość lotu

– masowe natężenie przepływu (strumień masy) powietrza

– pole przekroju na wylocie z dyszy silnika

p5 – ciśnienie strumienia w przekroju wylotowym dyszy

pH – ciśnienie otoczenia

;

Cs – sekundowe zużycie paliwa

t – względne zużycie paliwa;

      V=cH

Jeżeli , co oznacza zupełne rozprężanie strumienia w dyszy do ciśnienia atmosferycznego, zależność przyjmie postać:

Przy pracy silnika w warunkach statycznych (V = cH =0) i przy zupełnym rozprężaniu strumienia do ciśnienia otoczenia, ciąg silnika można wyrazić wzorem:

Parametry jednostkowe.

Podstawowym parametrem charakteryzującym silnik odrzutowy jest siła ciągu a silnik śmigłowy (śmigłowcowy) moc lub moment przekazywany na wał. Porównanie napędu śmigłowego i odrzutowego jest trudne, co jest powodem oddzielnego ich traktowania.

Stosuje się umowny podział wielkości napędów zależnie od osiąganych ciągów lub mocy:

·         jednostki małe              – ciąg do 2000 daN, moc do 1500 kW;

·         jednostki średnie               – ciąg 2000÷5000 daN, moc 1500÷3500 kW);

·         jednostki duże               – o ciągu (mocy) większej.

W celu porównania jakości napędów o różnych wartościach ciągów czy mocy, zdefiniowano kilka parametrów jednostkowych.

1.      ciąg jednostkowy – wartość tego parametru określa przyrost prędkości strumienia w silniku. Jest to stosunek ciągu (K) silnika do masowego natężenia przepływu:

Przy warunku p5 = pH

[m/s]

·         kj = 60÷100 daN/(kg/s) - dla silników jednoprzepływowych;

·         kj = 30÷50 daN/(kg/s) - dla silników dwuprzepływowych;

2.      jednostkowe zużycie paliwa – określa ekonomiczność silnika i jest podstawą obliczeń długotrwałości i zasięgu lotu. Jest to stosunek godzinowego zużycia paliwa (C) do ciągu (K)silnika

Dla silników odrzutowych można wykorzystać zależność:

  oraz 

gdzie:                             q0 – teoretyczna ilość ciepła doprowadzona w komorze spalania do 1 kg;

- masowe natężenie przepływu;

Cs - sekundowe zużycie paliwa;

Wu – wartość opałowa paliwa,

a zatem:

·         cj = 0,75÷0,9 kg/daNh – dla silników jednoprzepływowych;

·         cj = 0,30÷0,6 kg/daNh – dla silników dwuprzepływowych;

3. masa jednostkowa – parametr ten charakteryzuje silnik pod względem masowym, pośrednio określa zaawansowanie technologiczne producenta. Jest to stosunek masy silnika (ms) do jego ciągu (K):

·         mj = 0,20 – 0,30 kg/daN – dla silników jednoprzepływowych;

·         mj = 0,15 – 0,20 kg/daN – dla silników dwuprzepływowych;

3.            Obieg porównawczy i rzeczywisty TSO.

4.            Praca wewnętrzna i praca użyteczna obiegu TSO.

5.            Poddźwiękowe i naddźwiękowe wloty powietrza – zakresy stosowania.

Klasyfikacja wlotów.

Wloty silników turbinowych stanowią czołową część kanału przepływowego. Mogą one być integralną częścią konstrukcji silnika lub stanowić część płatowca.

Zadaniem wlotu jest:

-        wprowadzenie powietrza do kanału przepływowego silnika z możliwie małymi stratami;

-        zapewnienie możliwie jednorodnego pola parametrów strumienia na wlocie do sprężarki (w silnikach strumieniowych – do komory spalania z zachowaniem warunków pełnej stateczności procesu spalania);

-        wstępne podwyższenie ciśnienia powietrza w wyniku wykorzystania spiętrzenia strumienia przed wlotem.

Podstawowy podział uwzględnia zakres prędkości lotu. Rozróżniamy:

¨      wloty poddźwiękowe – wykorzystywane przy prędkościach lotu do 1,5 Ma;

¨      wloty naddźwiękowe – stosowane w samolotach o prędkościach wyższych.

Wloty poddźwiękowe są nieregulowane. We wlotach naddźwiękowych wymagane jest usytuowanie fali uderzeniowej w celu zmniejszenia strat przepływu. Usytuowanie to realizowane może być prze wykorzystaniu elementu stałego lub regulowanego.

Ze względu na usytuowanie wlotu w samolocie wloty dzielimy na:

§         czołowe ( z ciałem centralnym lub bez);

§         boczne (półkołowe, klinowe, płaskie z klinem poziomym lub pionowym);

§         podkadłubowe (nadkadłubowe).

6.            Spręż wlotu i straty ciśnienia całkowitego we wlocie.

Miernikiem efektywności wlotu jest jego spręż:

Straty ciśnienia całkowitego:

7.            Zasada działania stopnia sprężarki osiowej: budowa stopnia, trójkąty prędkości, zmiana parametrów strumienia, wstępne zawirowanie powietrza.

Sprężarki osiowe lotniczych silników turbinowych charakteryzują się:

zalety

q       wysoki spręż

q       duży strumień masy przepływającego powietrza

q       niewielka powierzchnia czołowa (w porównaniu do sprężarki promieniowej o podobnych parametrach ok. 2÷3 razy mniejsza)

q       największa sprawność spośród znanych typów sprężarek (hS = 0,83÷0,87)

wady

q       złożona konstrukcja, wysoki koszt produkcji i remontu

q       wrażliwość na zanieczyszczenie strumienia powietrza, w tym ciała obce

q       wrażliwość na zmianę warunków pracy w stosunku do warunków obliczeniowych

KONSTRUKCJA SPRĘŻAREK PODDŹWIĘKOWYCH

Sprężarkę nazywa się poddźwiękową, gdy wszystkie jej stopnie są poddźwiękowe.

Stopień sprężarki nazywa się poddźwiękowym, gdy łopatki wieńca wirnikowego (WW) posiadają profile, których charakterystyka geometryczna zapewnia wysoką sprawność procesu sprężania w warunkach przepływu poddźwiękowego:

Stopień poddźwiękowy pracuje w warunkach wstępnego zawirowania

Przed pierwszym stopniem wytwarza je wlotowy wieniec kierownic (WWK) a przed kolejnymi stopniami – aparat kierujący (AK) stopnia poprzedniego.

...