Turboreactor

Schema de funcționare a unui turboreactor.

Turbojet ( în engleză : turbojet ) [ ¹^{] este} cel mai vechi tip de motor cu reacție de uz general. Conceptul a fost dezvoltat în motoare practice la sfârșitul anilor 1930 , independent de doi ingineri, Frank Whittle în Marea Britanie și Hans von Ohain în Germania ; cu toate acestea, meritul pentru crearea primului turboreactor este acordat lui Whittle pentru că a fost primul care a conceput, descris formal, brevetat și a construit un motor funcțional. Von Ohain, pe de altă parte, a fost primul care a folosit turboreactorul pentru a propulsa aavion .

Ciclul de lucru al acestui tip de motor este cel al lui Brayton , este asemanator cu cel al motorului reciproc deoarece are aceeasi aranjare a timpilor de lucru (admisie, compresie, ardere si evacuare sau expansiune). Un turboreactor este format dintr-o priză de aer, un compresor de aer , o cameră de ardere , o turbină cu gaz (care antrenează compresorul de aer) și o duză . Aerul comprimat intră în cameră, este încălzit și se extinde prin acțiunea combustibilului și este apoi expulzat prin turbină către duză, fiind accelerat la viteze mari pentru a furniza propulsie . ^{[ 2} ]

Turboreacțiile sunt eficiente doar la viteze supersonice ^{[ 3 ]} și sunt foarte zgomotoase. De aceea, majoritatea aeronavelor moderne folosesc în schimb motoare turbopropulsoare la turații mici sau turboventilatoare la viteze mari, care consumă mai puțin combustibil și sunt mai silențioase. Cu toate acestea, turborreactoarele sunt încă foarte frecvente în rachetele de croazieră cu rază medie de acțiune datorită vitezei lor mari de evacuare, a zonei frontale scăzute și a simplității relative.

Din același motiv, utilitatea sa în alte tipuri de vehicule este foarte limitată. Ele au fost folosite în cazuri izolate pentru a doborî recordurile de viteză pe teren, ca în cazul Thrust SSC .

Operațiune

Vedere în secțiune a unui de Havilland Goblin , un turborreactor cu flux centrifugal utilizat în avioanele cu reacție britanice timpurii.

Diagrama care arată funcționarea unui turboreactor cu debit centrifugal.

Vedere în secțiune a unui General Electric J85 , un turborreactor cu flux axial proiectat în anii 1950, folosit de Northrop F-5 și de alte avioane militare.

Diagrama care arată funcționarea unui motor turborreactor cu flux axial.

Pentru faza de compresie se folosesc compresoare axiale sau centrifugale care comprimă volume mari de aer la o presiune cuprinsă între 4 și 32 de atmosfere . ^{[ citare necesară ]} Odată ce aerul este comprimat, acesta este introdus în camerele de ardere unde combustibilul este ars continuu. Aerul la presiune mare și temperatură ridicată (adică cu mai multă energie decât la intrare) este dus la turbină, unde este parțial expandat pentru a obține energia care permite mișcarea compresorului (similar cu funcționarea turbocompresorului găsit în turbocompresoarele).maşini). Apoi, aerul trece printr-o duză unde este accelerat până la viteza de ieșire.

La acest tip de motor, forța motrice sau împingerea se obține prin variația cantității de mișcare conform celei de-a treia legi a lui Newton , care stabilește că fiecare acțiune implică o reacție egală în sens invers. Prin propulsarea unor volume mari de aer înapoi la viteză mare, are loc o reacție care propulsează aeronava înainte. În prezent, aceste motoare ating tracțiuni de până la 50 de tone. ^{[ necesită citare ]}

Comparație cu alte motoare similare

Acest tip de motor este utilizat pe scară largă în aeronautică , deoarece are mai multe avantaje față de motoarele alternative:

Este mai eficient din punct de vedere al consumului de combustibil.
Este mai simplu și are mai puține părți mobile.
Are un raport putere/greutate mai bun.
Necesită mai puțină întreținere.
Durata de viață este mai lungă.

Deși turboreactorul este mai eficient în anumite privințe decât alte tipuri de motoare de aeronave, în comparație cu ramjet -urile are dezavantaje tehnice când vine vorba de construcție și întreținere. Ramjeturile , spre deosebire de jeturile, jeturile de impuls și motoarele cu ardere internă, oferă sistemul fără supapă (fără o supapă ca tipul Lockwood Hiller ) și au avantaje semnificative precum:

Lipsa pieselor mobile.
Raport de tracțiune/greutate mai mare decât jeturile.
Imposibilitatea defecțiunii din cauza ingerării particulelor solide.
Face posibilă utilizarea altor combustibili precum uleiuri naturale, alcooli sau gaze lichefiate fără nicio modificare.
Construcție simplă.
Disponibilitate ușoară a materialelor.

Îmbunătățiri ale eficienței

Raportul de compresie a crescut progresiv de la primele turborreatoare (în 1930 era între 3:1 și 6:1, în timp ce cele mai recente variază între 40:1 și 50:1). ^{[ 4 ]} Aceasta mărește eficiența ciclului termodinamic conform ecuației , fiind randamentul și presiunile la intrarea și respectiv la ieșire din compresor și coeficientul de dilatare adiabatică (în aer este de aproximativ 1,4). $\eta =1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }$ $\eta$ $P_1$ $P_2$ $\gamma$

Raport de presiune crescut în compresor

Cu cât distanța dintre cele două izobare este mai mare, cu atât randamentul ciclului Brayton este mai mare .

Prin utilizarea paletelor variabile în stator , pot fi realizate sisteme mai bune de control al debitului de aer și sunt evitate scurgerile de aer la presiuni și temperaturi ridicate. ^{[ 4} ]

În plus, o configurație cu două rotoare coaxiale oferă avantaje suplimentare: ^{[ 4} ]

Selectarea vitezelor optime pentru treptele de înaltă și joasă presiune (abreviate HP și LP, din engleză High Pressure și Low Pressure ).
Reducerea numărului de trepte în compresor.
Răcirea cu aer se face mai ușor între ambele rotoare.
Pornirea motorului este mai ușoară deoarece doar rotorul de înaltă presiune trebuie să se rotească.

Creșterea temperaturii la turbina de înaltă presiune

Ca și în cazul presiunii, temperatura la intrarea turbinei influențează eficiența ciclului Brayton .

Primele turboreactoare foloseau pale solide, astfel încât temperatura maximă depindea direct de îmbunătățirile materialelor structurale (aproximativ 1100 °C). ^{[ 4 ]} Începând cu anii 1960 și 1970, lamele goale cu răcire internă au început să fie construite folosind turnarea cu ceară pierdută . În prezent, această răcire se realizează folosind tehnica turnării monocristalului sau turnării monocristalului, ceea ce mărește timpul în care pot fi supuși la mare stres.

Flux de aer dublu

Într-un motor turboventilator , o parte a aerului este deviată către un flux lateral.

Majoritatea aeronavelor moderne, atât civile, cât și militare, folosesc o versiune modificată a turbojetului numită turbofan , care are următoarele avantaje: ^{[ 5} ]

Evită pierderile de compresibilitate care limitează viteza de croazieră la care aeronavele cu elice pot fi pilotate eficient.

Greutatea pe unitatea de putere este semnificativ mai mică sau, ceea ce este același, raportul tracțiune-greutate este crescut .
Este capabil să producă o cantitate enormă de putere fără restricții mecanice semnificative.
Eficiența este aproximativ aceeași cu cea a celor mai eficiente motoare cu piston, concepute pentru aviație, cu avantajul că această performanță maximă se realizează la o viteză mai mare.
Este mai fiabil și poate funcționa mai multe ore decât alte motoare fără întreținere extinsă.

Vezi și

Referințe

↑ Jorge García de la Cuesta Terminologie aeronautică
^ „Motor turboreactor” (în engleză) . Centrul de cercetare Glenn NASA. Arhivat din original pe 8 mai 2009 . Consultat la 16 aprilie 2010 .
↑ Ernest Vallbona. „Motor cu turbină” . Consultat la 21 noiembrie 2014 .
^ ^a ^b ^c ^d „Proiectarea mecanică a motoarelor cu turboreacție” . Universitatea din Liège (în engleză) . Consultat la 21 noiembrie 2014 .
^ „Sisteme cu turboreacție și turboventilatoare” . NASA (în engleză) . Consultat la 21 noiembrie 2014 .

[1] Jorge García de la Cuesta Terminologie aeronautică

[2] „Motor turboreactor” (în engleză) . Centrul de cercetare Glenn NASA. Arhivat din original pe 8 mai 2009 . Consultat la 16 aprilie 2010 .

[3] Ernest Vallbona. „Motor cu turbină” . Consultat la 21 noiembrie 2014 .

[:0-4] „Proiectarea mecanică a motoarelor cu turboreacție” . Universitatea din Liège (în engleză) . Consultat la 21 noiembrie 2014 .

[5] „Sisteme cu turboreacție și turboventilatoare” . NASA (în engleză) . Consultat la 21 noiembrie 2014 .

1

[ 2

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5