Studiul injecției de lichid asupra factorului de dublu flux și a performanțelor unui motor turboreactor dublu flux cu fluxuri separate

Motoarele turboreactoare dublu flux moderne pot oferi performanțe specifice considerabile fără un consum semnificativ de combustibil, prin comparație cu cele turbopropulsoare. Prin folosirea aerului prelevat de ventilator și introducerea unei părți a acestuia în compresor, motorul turboreactor dublu flux poate folosi o cantitate minimă de combustibil necesară propulsiei și întreținerii aeronavei în zbor. Cantitatea de combustibil utilizată de motor poartă denumirea de consum, iar dacă o raportăm la puterea acestuia vom obține consumul specific. Factorul de dublu flux este un parametru adimensional care are rolul de a mări eficiența generală a motorului. Acesta arată că randamentul motorului turboreactor dublu flux cu fluxuri separate poate fi determinat prin calculul și variația performanțelor specifice ale sale (forța specifică, consum specific).

Factorul de dublu flux este un parametru influențat în primul rând de misiunea aeronavei. Motoarele cu factor mare de dublu flux sunt folosite în special pentru aeronavele comerciale cu rază lungă de acțiune, datorită economiei de combustibil.

Prin mărirea tracțiunii motorului turboreactor se înțelege totalitatea metodelor care contribuie la creșterea forței de tracțiune în raport cu cea realizată la nivelul regimului maxim de funcționare. Ca urmare, prin mărirea performanțelor specifice nu se urmărește proiectarea unui nou motor cu factor de dublu flux luând valori peste 10 ci găsirea unor motalități, soluții teoretice sau practice de creștere/ îmbunătățire a acestora, în momente cheie precum decolarea, aterizarea, pantă de urcare sau zborul comercial.

Așadar, în cadrul acestei lucrări s-au analizat pe rând influența unei metode directe de îmbunătățire a randamentului, anume a injecției de lichid în ventilatorul motorului (și efectele sale asupra factorului de dublu flux), îmbunătățirea performanțelor specifice, găsirea unui factor de dublu flux economic, urmând ca în final să se facă simularea injecției de lichid. Noutatea lucrării scoate în evidență variația debitului pe fluxul secundar, în dispozitivul de evacuare, în condițiile în care curgerea este critică.

Capitolul I

Introducere

1.1. Generalități

Într-un motor în care factorul de dublu flux este 0, temperatura este ridicată, gazele de ardere sunt accelerate prin expansiune, astfel că toate componentele motorului contribuie la crearea forței de tracțiune, compresorul absorbind puterea mecanică produsă de turbină. În cazul în care vorbim de un design cu factor de dublu flux ce ia valori pozitive, dar nu mai mari de 1,8, maxim 2, putem spune că motorul echipează un avion militar, K numindu-se în acest caz factor de diluție. Dacă acesta depășește valoarea 3, motorul fiind echipat cu turbină și ventilator de diametre mai mari de 50 cm, putem vorbi despre o accelerare a aerului în partea frontală a motorului care contribuie la creșterea performanțelor acestuia. Într-un design cu factor de dublu flux mare, ventilatorul produce cea mai mare parte a accelerării aerului. Motoarele turboreactoare sunt în strânsă legătură cu turbopropulsoarele, deoarece ambele transferă o parte din puterea gazului turbinei cu ajutorul unor instalații suplimentare, prin intermediul a două fluxuri separate sau amestecate. Extinderea puterii motorului și folosirea acesteia pentru antrenarea ventilatorului induce pierderi suplimentare ce pot fi compensate prin diferite metode de creștere a tracțiunii și economicității. Prin comparație cu motorul turbopropulsor, care are pierderi cauzate de prezența elicei și de componentele suplimentare, ventilatorul, supapa de by-pass și prezența instalației de injecție a lichidului nu influențează negativ economicitatea acestuia.

Pentru a înțelege importanța creșterii factorului de dublu flux asupra eficienței totale a aeronavei, trebuie analizată influența parametrilor ciclului Brayton sau a eficienței componentelor motorului. Acestea pot fi analizate și în funcție de metodele de creștere a randamentului total al motorului, precum postcombustia, injecția de lichid în camera de ardere, la intrarea în compresor sau în ventilator. Bennett[1] arată că în acest caz, o creștere relativ lentă a puterii duce la o scădere rapidă a pierderilor de evacuare cu o îmbunătățire semnificativă în forța de propulsie.

Un raport de dublu flux de 10:1, de exemplu, arată că 10 kg de aer trec prin canalul de lucru de pe fluxul secundar pentru fiecare 1 kg de aer prelevat de fluxul primar, introdus în compresor iar mai apoi în camera de ardere. În practică, motoarele turboreactoare dublu flux sunt descrise de valoarea factorului K, care, împreună cu raportul general de presiune, temperatura turbinei și raportul de presiune al ventilatorului sunt parametri caracteristici în studiul proiectării motorului.

Referințe. Bibliografie

[1] Nag, P.K. "Basic And Applied Thermodynamics" p550. Published by Tata McGraw-Hill Education. Quote;

[2] Ilan Kroo and Juan Alonso. "Aircraft Design: Synthesis and Analysis, Propulsion Systems: Basic Concepts Archive" Stanford University School of Engineering, Department of Aeronautics and Astronautics;

[3] The turbofan engine", page 7. SRM University, Department of aerospace engineering;

[4] Von Ohain, J. M., Marchall, R. L., & Riecke, G. T. (1971) Combustion Instability in Turbojet and Turbofan Augmentors”, AIAA 71-698, Proceedings of 7th AIAA/SAE Propulsion Joint Specialist Conference Exhibit, Salt Lake City, UT 1971;

[5] Bräunling W.J.G , Ranger, A. A. & Nicholls, J. A. (1969). The Aerodynamic Shattering of Liquid Drops. AIAA Journal, Vol. 7, No. 2, pp. 285-290;

[6] Rolls-Royce Aero Engines" Bill Gunston, Patrick Stevens Limited;

[7] Centenary of the First Gas Turbine to Give Net Power Output: A Tribute to Ægidius Elling". The American Society of Mechanical Engineers. 14 June 2004. Retrieved 26 April 2015;

[8] Tsygulev (1939). Aviacionnye motory voennykh vozdushnykh sil inostrannykh gosudarstv (Aвиaциoнныe мoтopы вoeнныx вoздyшныx cил инocтpaнныx гocyдapcтв) (in Russian). Moscow: Gosudarstvennoe voennoe izdatelstvo Narkomata Oborony Soyuza SSR. Archived from the original on 2009-03-24;

[9] The Aircraft Gas Turbine Engine and Its Operation Pratt & Whitney Aircraft, E. Hartford, CT, May 1974;

[10] Young, Donald F.; Bruce R. Munson; Theodore H. Okiishi; Wade W. Huebsch (2010). A Brief Introduction to Fluid Mechanics (5 ed.). John Wiley & Sons. p. 95. ISBN 978-0-470-59679-1;

[11] Christopher E. Hugess, Gleen Research Center, Cleveland, Ohio, 2013;

[12] Arvin L Keith Jr, Langley Research Center, Hampton Va 23665; A brief study of the effects of turbofan-engine bypass ratio on short and long haul cruise aircraft, NASA, December 2008;

[13] Manole, I Calculul și construcția motoarelor aeroreactoare, 1997;

[14] Michael J Doty, High Bypass Ratio Jet Noise Reduction and Installation Effects Including Shielding Effectiveness;

[15] Stanciu Virgil; Levențiu Constantin, Optimizarea tracțiunii turbomotoarelor, București, 2003;

[16] Stanciu Virgil, Calculul și optimizarea performanțelor sistemelor de propulsie, București, 1992;

[17] Stanciu Virgil, Teoria și construcția sistemelor de propulsive. Calculul caracteristicilor, București, 1985;

[18] Marius Brebenel, Note de curs, Modelarea și simularea turbomotoarelor;

[19] Stanciu Virgil, Catalog de motoare cu reacție, București, 1992;

[20] Victor Pimsner, Teoria și construcția sistemelor de propulsie, 1994;

[21] Victor Pimsner, Contribuții asupra unei metode de mărire a forței de tracțiune a motorului turboreactor, București, 1964;

[22] Stefan Ispas, Motorul Turboreactor, București, 1981;

[23] Stanciu Virgil, Sisteme moderne de creștere a tracțiunii și economicității motoarelor turboreactoare, București, 1993;

[24] Stanciu V, Iagăru M, Cipoieru V Calculul și optimizarea performanțelor sistemelor de propulsie, Editura I.P.B, București, 1992;

[25] Virgil Stanciu, Optimizarea performanțelor turbomotoarelor, Editura Printech, București, 2013;

[26] Anderson, J.D. Modern compressible flow, McGraw Hill, New York, 1990;

[27] Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets Jack D. Mattingly Foreword by Hans von Ohain German Inventor of the Jet Engine;

[28] Mattingly Jack D. (2006), “Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets / Jack D Mattingly foreword by Hans von Ohain”, American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc., Reston, Virginia, USA.