Turbojet

Diagram over driften af ​​en turbojet.

Turbojet ( engelsk : turbojet ) ] er den ældste type jetmotor i almindelig brug Konceptet blev udviklet til praktiske motorer i slutningen af ​​1930'erne uafhængigt af to ingeniører, Frank Whittle i Storbritannien og Hans von Ohain i Tyskland ; men æren for at skabe den første turbojet gives til Whittle for at være den første til at udtænke, formelt beskrive, patentere og bygge en fungerende motor. Von Ohain, på den anden side, var den første, der brugte turbojet til at drive et fly frem .

Arbejdscyklussen for denne type motor er den for Brayton , den ligner den for den gensidige motor, fordi den har det samme arrangement af arbejdstider (indtag, kompression, forbrænding og udstødning eller ekspansion). En turbojet består af et luftindtag, en luftkompressor , et forbrændingskammer , en gasturbine (som driver luftkompressoren) og en dyse . Den komprimerede luft kommer ind i kammeret, opvarmes og udvider sig ved påvirkning af brændstoffet og bliver derefter udstødt gennem turbinen mod dysen og accelereres til høje hastigheder for at levere fremdrift . ]

Turbojets er kun effektive ved supersoniske hastigheder og er meget støjende. Derfor bruger de fleste moderne fly turbopropmotorer ved lave hastigheder eller turbofans ved høje hastigheder i stedet, som bruger mindre brændstof og er mere støjsvage. Turbojetfly er dog stadig meget almindelige i krydsermissiler med mellemdistance på grund af deres høje udstødningshastighed, lave frontareal og relative enkelhed.

Af samme grund er dens anvendelighed i andre typer køretøjer meget begrænset. De er blevet brugt i isolerede tilfælde til at bryde landhastighedsrekorder, som i tilfældet med Thrust SSC .

Operation

Udskåret billede af en de Havilland Goblin , en centrifugal flow turbojet brugt i tidlige britiske jetfly.

Diagram, der viser driften af ​​en turbojetmotor med centrifugal flow.

Udskåret billede af en General Electric J85 , en turbojet med aksial strømning designet i 1950'erne brugt af Northrop F-5 og andre militærfly.

Diagram, der viser driften af ​​en turbojetmotor med aksial flow.

Til kompressionsfasen anvendes aksial- eller centrifugalkompressorer, der komprimerer store luftmængder ved et tryk på mellem 4 og 32 atmosfærer . ^{[ Redigering nødvendig ]} Når luften er komprimeret, indføres den i forbrændingskamrene, hvor brændstoffet forbrændes kontinuerligt. Luft ved højt tryk og høj temperatur (det vil sige med mere energi end ved indløbet) føres til turbinen, hvor den delvist udvides for at opnå den energi, der tillader kompressoren at bevæge sig (svarende til driften af ​​turboladeren , der findes i turboladerne). biler). Luften passerer derefter gennem en dyse, hvor den accelereres til sin udgangshastighed.

I denne type motor opnås drivkraften eller fremstødet ved variationen af ​​mængden af ​​bevægelse i henhold til Newtons tredje lov , som fastslår, at enhver handling medfører en lige stor reaktion i den modsatte retning. Ved at drive store luftmængder bagud med høj hastighed sker der en reaktion, der driver flyet fremad. I øjeblikket når disse motorer fremdrift på op til 50 tons. ^{[ henvisning nødvendig ]}

Sammenligning med andre lignende motorer

Denne type motor er meget udbredt inden for luftfart , da den har flere fordele i forhold til alternative motorer:

• Det er mere effektivt med hensyn til brændstofforbrug.
• Det er enklere og har færre bevægelige dele.
• Den har et bedre kraft/vægt-forhold.
• Det kræver mindre vedligeholdelse.
• Levetiden er længere.

Selvom turbojetmotoren i nogle henseender er mere effektiv end andre typer flymotorer, har den i forhold til ramjets tekniske ulemper, når det kommer til konstruktion og vedligeholdelse. Ramjets, i modsætning til jetfly, pulsjets og forbrændingsmotorer, tilbyder det ventilløse system (uden en ventil som Lockwood Hiller -typen ), og de har betydelige fordele såsom:

• Mangel på bevægelige dele.
• Højere tryk/vægt-forhold end jetfly.
• Det er umuligt at fejle på grund af indtagelse af faste partikler.
• Det gør det muligt at bruge andre brændstoffer såsom naturlige olier, alkoholer eller flydende gasser uden ændringer.
• Enkel konstruktion.
• Nem tilgængelighed af materialer.

Effektivitetsforbedringer

Kompressionsforholdet er steget gradvist siden de første turbojetfly (i 1930 var det mellem 3:1 og 6:1, mens de nyere varierer mellem 40:1 og 50:1). Dette øger effektiviteten af ​​den termodynamiske cyklus i henhold til ligningen , der er effektiviteten, og trykkene ved henholdsvis kompressorens ind- og udløb og koefficienten for adiabatisk udvidelse (i luft er den ca. 1,4). $\eta =1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }$$\eta$$P_1$$P_2$$\gamma$

Øget trykforhold i kompressoren

Jo større afstanden er mellem de to isobarer , jo større er udbyttet af Brayton-cyklussen .

Ved at bruge variable blade i statoren kan der opnås bedre luftstrømskontrolsystemer og luftlækager ved høje tryk og temperaturer undgås. ]

Derudover giver en konfiguration med to koaksiale rotorer yderligere fordele: ]

• Valg af optimale hastigheder til høj- og lavtrykstrinene (forkortet HP og LP, fra det engelske High Pressure and Low Pressure ).
• Reduktion af antallet af trin i kompressoren.
• Luftkøling udføres lettere mellem begge rotorer.
• Motorstart er nemmere, da kun højtryksrotoren skal rotere.

Temperaturstigning i højtryksturbine

Som med tryk påvirker temperaturen ved turbinens indløb effektiviteten af ​​Brayton-cyklussen .

De første turbojetfly brugte solide vinger, så den maksimale temperatur var direkte afhængig af forbedringerne i de strukturelle materialer (ca. 1100 °C). Fra 1960'erne og 1970'erne begyndte man at bygge hule vinger med indvendig køling ved hjælp af støbning med tabt voks . I øjeblikket udføres denne afkøling ved hjælp af enkeltkrystalstøbeteknikken eller enkeltkrystalstøbning, hvilket øger den tid, de kan udsættes for stor belastning.

Dobbelt luftstrøm

I en turbofanmotor bliver en del af luften omdirigeret til en sidestrøm.

De fleste moderne fly, både civile og militære, bruger en modificeret version af turbojetflyet kaldet turbofanen , som har følgende fordele: ]

• Det undgår kompressibilitetstab, der begrænser den marchhastighed , hvormed propeldrevne fly kan flyves effektivt.

• Vægten pr. kraftenhed er væsentligt mindre, eller hvad der er det samme, forholdet mellem tryk og vægt øges .
• Den er i stand til at producere en enorm mængde strøm uden væsentlige mekaniske begrænsninger.
• Effektiviteten er omtrent den samme som de mest effektive stempelmotorer designet til luftfart, med den fordel at denne maksimale ydeevne opnås ved højere hastighed.
• Den er mere pålidelig og kan køre længere timer end andre motorer uden omfattende vedligeholdelse.

Se også

• pulsstråle
• Flymotor
• turbofan
• turboprop
• Flymotor
• Luftfartsturbinebrændstof