Λύσεις — Ενότητα 2.1: Γενικά για την Αεριώθηση (σελ. 375) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Ενότητα 2.1: Γενικά για την Αεριώθηση
Ερωτήσεις κατανόησης για την ενότητα 2.1 (Γενικά για την αεριώθηση): ιστορική εξέλιξη (μηχανή του Ήρωνα, Whittle, von Ohain), αρχές αεριώθησης και ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα, η ώση (στατική/καθαρή, λειτουργικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες), οι τύποι αεριωθητών (πύραυλος, αθόδυλος, παλμικός αθόδυλος, αεριοστρόβιλος, στροβιλο-αθόδυλος, πυραυλοστρόβιλος), οι τύποι αεριοστρόβιλων (στροβιλοαντιδραστήρας, ελικοστρόβιλος, αξονοστρόβιλος, στροβιλοανεμιστήρας), η σύγκριση και οι χρήσεις τους, καθώς και η σχεδίαση/κατασκευή/υλικά κατασκευής των κινητήρων αεριώθησης.
Η λειτουργία της μηχανής του Ήρωνα
Ερώτηση: Εξηγήστε τη λειτουργία της μηχανής του Ήρωνα.
Απάντηση:
- §2.1.1. «Ένα κλειστό δοχείο με νερό θερμαινόταν ώστε να παραχθεί ατμός. Αυτός μεταφερόταν μέσω δύο κάθετων σωλήνων σε μία σφαίρα, η οποία έφερε αυλούς στη διεύθυνση της ακτίνας της. Καθώς η σφαίρα γέμιζε με ατμό, περιστρεφόταν και ο ατμός εύρισκε οδό διαφυγής από τους ακτινικούς αυλούς.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η μηχανή του Ήρωνα (αιολοπύλη) λειτουργούσε ως εξής: ένα κλειστό δοχείο με νερό θερμαινόταν ώστε να παραχθεί ατμός. Ο ατμός αυτός μεταφερόταν μέσω δύο κάθετων σωλήνων σε μία σφαίρα, η οποία έφερε αυλούς (σωληνάκια) στη διεύθυνση της ακτίνας της. Καθώς η σφαίρα γέμιζε σταδιακά με ατμό υπό πίεση, ο ατμός έβρισκε διέξοδο διαφυγής από τους ακτινικούς αυλούς και η αντίδραση σε αυτή τη διαφυγή προκαλούσε την περιστροφή της σφαίρας. Θεωρείται πρόδρομος των αεριοστρόβιλων κινητήρων, καθώς εφαρμόζει στην ουσία την αρχή δράσης-αντίδρασης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Θέρμανση νερού → παραγωγή ατμού → μεταφορά σε περιστρεφόμενη σφαίρα → διαφυγή ατμού από ακτινικούς αυλούς → περιστροφή (δράση-αντίδραση)
Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα στην αεριώθηση
Ερώτηση: Αναλύστε την εφαρμογή που βρίσκει ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα στους κινητήρες αεριώθησης.
Απάντηση:
- §2.1.2. «Ο κινητήρας αεριώθησης παράγει προωθητική δύναμη (ώση, thrust), προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, εξαναγκάζοντας μία μάζα αερίου να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εφαρμόζει, δηλαδή, τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα... Ως δράση θεωρούμε τη δύναμη που εξασκείται σε μία μάζα καυσαερίων προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα... Ως αντίδραση... λαμβάνεται μία δύναμη (ώση) προς το εμπρόσθιο τμήμα του κινητήρα και του αεροσκάφους.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο τρίτος νόμος του Νεύτωνα («σε κάθε δράση αντιστοιχεί μία ίση και αντίθετη, σε φορά, αντίδραση») εφαρμόζεται άμεσα στη λειτουργία κάθε κινητήρα αεριώθησης: ο κινητήρας παράγει προωθητική δύναμη (ώση) προς μία κατεύθυνση εξαναγκάζοντας μία μάζα αερίου (καυσαέρια) να κινηθεί προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η δύναμη που ασκείται στη μάζα των καυσαερίων προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα θεωρείται η δράση, ενώ η δύναμη (ώση) που αναπτύσσεται προς το εμπρόσθιο τμήμα του κινητήρα και του αεροσκάφους, ως αποτέλεσμα αυτής της δράσης, είναι η αντίδραση. Το μέγεθος της παραγόμενης δύναμης εξαρτάται από την ποσότητα της μάζας αερίου που εισέρχεται στον κινητήρα και το βαθμό επιτάχυνσης που αποκτούν τα εξερχόμενα αέρια.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δράση: ώθηση καυσαερίων προς τα πίσω· Αντίδραση: ώση κινητήρα/αεροσκάφους προς τα εμπρός
Προέλευση της ώσης (Σωστό/Λάθος)
Ερώτηση: Τα καυσαέρια ωθούν τον άερα πίσω από τον κινητήρα και το αεροσκάφος κινείται στην αντίθετη κατεύθυνση.
ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐
Απάντηση:
- §2.1.2. «Μία κοινή, λανθασμένη ωστόσο, εντύπωση είναι ότι τα καυσαέρια ωθούν τον αέρα πίσω από τον κινητήρα για κινήσουν το αεροσκάφος αντίθετα. Η ώση προέρχεται από τις δυνάμεις που εξασκούν τα καυσαέρια μέσα στον κινητήρα. Αυτά εκτονώνονται και πιέζουν τα πλαϊνά τοιχώματα και το εμπρόσθιο μέρος του κινητήρα.»
Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι πρόκειται για κοινή αλλά λανθασμένη εντύπωση. Η ώση δεν προέρχεται από την ώθηση του εξωτερικού αέρα πίσω από τον κινητήρα, αλλά από τις δυνάμεις που ασκούν τα καυσαέρια μέσα στον ίδιο τον κινητήρα, πιέζοντας τα πλαϊνά τοιχώματα και το εμπρόσθιο μέρος του. Το οπίσθιο άκρο του κινητήρα είναι ουσιαστικά μία τεράστια οπή όπου δεν ασκείται δύναμη, οπότε ο κινητήρας κινείται προς την κατεύθυνση της μη εξισορροπημένης δύναμης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- ΛΑΘΟΣ: η ώση προέρχεται από τις δυνάμεις που ασκούν τα καυσαέρια στο εσωτερικό του κινητήρα, όχι από ώθηση του εξωτερικού αέρα
Παράγοντες που καθορίζουν την ώση
Ερώτηση: Ποιοι παράγοντες καθορίζουν την παραγόμενη ώση του κινητήρα;
Απάντηση:
- §2.1.3.1-2. «Οι παράγοντες που επηρεάζουν την ώση ενός κινητήρα αεριώθησης διακρίνονται σε δύο τύπους: α) αυτούς που έχουν σχέση με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα και β) αυτούς που έχουν σχέση με τις συνθήκες του περιβάλλοντος της πτήσης» — με αναλυτική παράθεση: αριθμός στροφών, εισαγωγή αέρα, ροή καυσίμου, απαγωγή αέρα συμπίεσης, θερμοκρασία εισαγωγής καυσαερίων στο στρόβιλο, έγχυση νερού, ταχύτητα αεροσκάφους, θερμοκρασία/πίεση περιβάλλοντος αέρα.
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι παράγοντες που καθορίζουν την παραγόμενη ώση διακρίνονται σε δύο κατηγορίες. Λειτουργικοί παράγοντες: ο αριθμός στροφών λειτουργίας (ο πιο σημαντικός παράγοντας, καθορίζει τη μάζα αέρα που εισέρχεται), η εισαγωγή αέρα (μέγεθος/γεωμετρία αγωγού εισαγωγής), η ροή καυσίμου (η αύξησή της αυξάνει στροφές και ώση), η απαγωγή ποσότητας αέρα συμπίεσης (μειώνει την ώση), η θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο (όσο μεγαλύτερη τόσο μεγαλύτερη η τελική ώση), η έγχυση νερού στον αγωγό εισαγωγής αέρα (αυξάνει την πυκνότητα/μάζα αέρα και άρα την ώση) και η ταχύτητα του αεροσκάφους (αρχικά μειώνει, με την αύξηση της ταχύτητας λόγω ram effect αυξάνει την ώση). Περιβαλλοντικές συνθήκες: η θερμοκρασία περιβάλλοντος αέρα (αύξησή της μειώνει την ώση λόγω αραιότερου αέρα) και η πίεση περιβάλλοντος αέρα (μείωσή της, ανάλογη του ύψους πτήσης, μειώνει την ώση).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Λειτουργικοί: στροφές, εισαγωγή αέρα, ροή καυσίμου, απαγωγή αέρα συμπίεσης, θερμοκρασία εισαγωγής καυσαερίων, έγχυση νερού, ταχύτητα α/φ· Περιβαλλοντικοί: θερμοκρασία/πίεση αέρα περιβάλλοντος
Θερμοκρασία εισαγωγής καυσαερίων στο στρόβιλο (συμπλήρωση κενού)
Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Όσο ……….. είναι η τιμή της θερμοκρασίας εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο τόσο περισσότερη ενέργεια απορροφάται από αυτόν.
Απάντηση:
- §2.1.3.1. «Θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της τόσο περισσότερη ενέργεια απορροφάται από το στρόβιλο με αποτέλεσμα την αύξηση των στροφών του συμπιεστή, την εισροή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στον κινητήρα και, τελικά, την παραγωγή μεγαλύτερης ώσης.»
Σύνοψη: Η σωστή λέξη είναι «μεγαλύτερη»: «Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή της θερμοκρασίας εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο, τόσο περισσότερη ενέργεια απορροφάται από αυτόν, με αποτέλεσμα την αύξηση των στροφών του συμπιεστή, την εισροή μεγαλύτερης ποσότητας αέρα στον κινητήρα και τελικά την παραγωγή μεγαλύτερης ώσης.»
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστή λέξη: «μεγαλύτερη»
Σύγκριση επιτάχυνσης αεριωθούμενου και ελικοφόρου κινητήρα (συμπλήρωση κενών)
Ερώτηση: Συμπληρώστε τα κενά: Ο κινητήρας αεριώθησης δίνει…………. επιτάχυνση σε σχετικά…………. μάζα αέρα ενώ ο ελικοφόρος κινητήρας δίνει………….. επιτάχυνση σε…………. μάζα αέρα.
Απάντηση:
- §2.1.3. «ένας κινητήρας αεριώθησης δίνει μεγάλη επιτάχυνση σε σχετικά μικρή μάζα αέρα ενώ ένας ελικοφόρος δίνει μικρή επιτάχυνση σε μεγαλύτερη μάζα αέρα.»
Σύνοψη: Οι σωστές λέξεις, με τη σειρά, είναι: «μεγάλη» - «μικρή» - «μικρή» - «μεγαλύτερη». Δηλαδή: «Ο κινητήρας αεριώθησης δίνει μεγάλη επιτάχυνση σε σχετικά μικρή μάζα αέρα ενώ ο ελικοφόρος κινητήρας δίνει μικρή επιτάχυνση σε μεγαλύτερη μάζα αέρα.»
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σειρά συμπλήρωσης: μεγάλη – μικρή – μικρή – μεγαλύτερη
Τύποι αεριωθητών
Ερώτηση: Αναφέρετε τους τύπους αεριωθητών.
Απάντηση:
- §2.1.4.1. «Τα είδη αυτά είναι: ο πύραυλος, ο αθόδυλος ή αυλωθητής, ο παλμικός αθόδυλος ή παλμωθητής, ο αεριοστρόβιλος, ο στροβιλο-αθόδυλος και ο πυραυλο-στρόβιλος.»
Σύνοψη: Οι τύποι αεριωθητών είναι έξι: ο πύραυλος (rocket), ο αθόδυλος ή αυλωθητής (ram jet), ο παλμικός αθόδυλος ή παλμωθητής (pulse jet), ο αεριοστρόβιλος (gas turbine engine), ο στροβιλο-αθόδυλος (turboramjet) και ο πυραυλοστρόβιλος (turborocket). Όλοι εκτός από τον πύραυλο χρησιμοποιούν ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση του καυσίμου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Πύραυλος, αθόδυλος, παλμικός αθόδυλος, αεριοστρόβιλος, στροβιλο-αθόδυλος, πυραυλοστρόβιλος
Γιατί ο πύραυλος κινείται σε οποιοδήποτε ύψος
Ερώτηση: Γιατί ο πύραυλος έχει τη δυνατότητα να κινείται σε οποιοδήποτε ύψος, μέσα και έξω από την ατμόσφαιρα;
Απάντηση:
- §2.1.4.2. «Ο πύραυλος δε χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση. Μεταφέρει στο εσωτερικό του φιάλες οξυγόνου (ή άλλου οξειδωτικού μέσου), το οποίο αναμειγνύεται 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.»
Σύνοψη: Ο πύραυλος, σε αντίθεση με τους υπόλοιπους τύπους αεριωθητών, δε χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση. Μεταφέρει ο ίδιος στο εσωτερικό του φιάλες οξυγόνου ή άλλου οξειδωτικού μέσου, το οποίο αναμειγνύεται με το καύσιμο για την παραγωγή των απαιτούμενων καυσαερίων. Επειδή δεν εξαρτάται από εξωτερικό αέρα για την καύση, μπορεί να λειτουργεί και να κινείται σε οποιοδήποτε ύψος, τόσο μέσα όσο και έξω από την ατμόσφαιρα (π.χ. στο διάστημα).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μεταφέρει δικό του οξειδωτικό (π.χ. οξυγόνο) — δεν εξαρτάται από ατμοσφαιρικό αέρα για την καύση
Γιατί ο αθόδυλος χρειάζεται μεγάλη ταχύτητα
Ερώτηση: Για ποιο λόγο πρέπει ο αθόδυλος να αποκτήσει με κάποιο τρόπο μεγάλη ταχύτητα για να παράγει ώση;
Απάντηση:
- §2.1.4.3. «Η απουσία περιστρεφόμενου συμπιεστή δεν επιτρέπει την εισαγωγή επαρκούς ποσότητας αέρα στον αθόδυλο στις χαμηλές ταχύτητες. Πρέπει, έτσι, να κινηθεί με μεγάλη ταχύτητα προτού να είναι σε θέση να παράσχει ώση (ram effect).»
Σύνοψη: Ο αθόδυλος δεν διαθέτει περιστρεφόμενο συμπιεστή, οπότε στις χαμηλές ταχύτητες δεν μπορεί να εισαγάγει επαρκή ποσότητα αέρα στο εσωτερικό του για να παραχθεί ικανοποιητική ώση. Γι' αυτό πρέπει πρώτα να αποκτήσει μεγάλη ταχύτητα (με τη βοήθεια άλλου μέσου, όπως πύραυλος ή αεροσκάφος στο οποίο είναι τοποθετημένος), ώστε η ίδια η κίνησή του μέσα στον αέρα να συμπιέζει επαρκώς τον εισερχόμενο αέρα (φαινόμενο ram effect) πριν μπορέσει να παράξει ώση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δεν έχει περιστρεφόμενο συμπιεστή· χρειάζεται ταχύτητα για ικανοποιητική πίεση εισαγωγής αέρα (ram effect)
Βασικά μέρη και λειτουργία του αεριοστρόβιλου
Ερώτηση: Ποια είναι τα βασικά μέρη του αεριοστρόβιλου κινητήρα και η λειτουργία τους;
Απάντηση:
- §2.1.4.5. «Τα βασικά του μέρη είναι ο συμπιεστής, ο θάλαμος καύσης, ο στρόβιλος και το ακροφύσιο εξαγωγής... Μία μάζα αέρα οδηγείται από το τμήμα εισαγωγής στο συμπιεστή. Εκεί συμπιέζεται και οδηγείται στο θάλαμο καύσης. Αναμιγνύεται με εγχυόμενο καύσιμο και επιτυγχάνεται καύση. Τα παραγόμενα θερμά καυσαέρια εκτονώνονται και οδηγούνται προς την εξαγωγή... προκαλούν την περιστροφή του στροβίλου ο οποίος συνδέεται με το συμπιεστή με κοινό άξονα... περνώντας από το ακροφύσιο εξόδου, εξέρχονται από τον κινητήρα.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα βασικά μέρη ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα είναι ο συμπιεστής, ο θάλαμος καύσης, ο στρόβιλος και το ακροφύσιο εξαγωγής. Ο συμπιεστής αποτελεί το «ψυχρό» τμήμα του κινητήρα: παραλαμβάνει τη μάζα αέρα από την εισαγωγή και τη συμπιέζει, οδηγώντας την προς το θάλαμο καύσης. Στο θάλαμο καύσης ο συμπιεσμένος αέρας αναμειγνύεται με εγχυόμενο καύσιμο και καίγεται, παράγοντας θερμά καυσαέρια. Τα καυσαέρια αυτά εκτονώνονται και οδηγούνται προς την εξαγωγή, προκαλώντας κατά τη διαδρομή την περιστροφή του στροβίλου, ο οποίος συνδέεται με το συμπιεστή μέσω κοινού άξονα και του παρέχει την ενέργεια που χρειάζεται για να λειτουργεί. Τέλος, τα καυσαέρια συνεχίζουν την εκτόνωσή τους περνώντας από το ακροφύσιο εξόδου, από όπου εξέρχονται με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από αυτήν της εισερχόμενης μάζας αέρα· η διαφορά αυτή ταχυτήτων παράγει την ώση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συμπιεστής (συμπίεση αέρα) → θάλαμος καύσης (ανάμειξη/καύση) → στρόβιλος (εκτόνωση, κινεί συμπιεστή) → ακροφύσιο εξαγωγής (επιτάχυνση εξόδου → ώση)
Παραγωγή ώσης και θερμότητα καύσης (Σωστό/Λάθος)
Ερώτηση: Στον αεριοστρόβιλο κινητήρα η παραγωγή ώσης είναι ανάλογη του ποσού θερμότητας που εκλύεται κατά την καύση.
ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐
Απάντηση:
- §2.1.4.5. «Στον αεριοστρόβιλο, η παραγωγή ισχύος είναι ανάλογη του ποσού της θερμότητας που εκλύεται κατά την καύση.» ...«η αύξηση της θερμοκρασίας καύσης οδηγεί σε μεγαλύτερη εκτόνωση των καυσαερίων. Το αποτέλεσμα είναι η παραγωγή μεγαλύτερης ποσότητας ώσης.»
Σύνοψη: ΣΩΣΤΟ. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι στον αεριοστρόβιλο η παραγωγή ισχύος (και κατ' επέκταση η παραγωγή ώσης) είναι ανάλογη του ποσού θερμότητας που εκλύεται κατά την καύση, όχι μόνο της θερμοκρασίας: η αύξηση της θερμοκρασίας καύσης οδηγεί σε μεγαλύτερη εκτόνωση των καυσαερίων και άρα παραγωγή μεγαλύτερης ώσης, με μοναδικό περιορισμό την αντοχή των υλικών κατασκευής του θαλάμου καύσης και του στροβίλου.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- ΣΩΣΤΟ: όσο περισσότερη θερμότητα εκλύεται κατά την καύση, τόσο μεγαλύτερη ισχύς/ώση παράγεται (με όριο την αντοχή των υλικών)
Ο λόγος πίεσης μηχανής (EPR)
Ερώτηση: Τι είναι ο λόγος πίεσης μηχανής (Engine Pressure Ratio - ERP);
Απάντηση:
- §2.1.5.1. «Μία χαρακτηριστική παράμετρος του στροβιλοαντιδραστήρα είναι ο λόγος συμπίεσης ή λόγος πίεσης μηχανής (engine pressure ratio - EPR). Το μέγεθος αυτό αποτελεί το λόγο της πίεσης εξαγωγής των καυσαερίων από το στρόβιλο προς την πίεση του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα. Η τιμή του EPR αποτελεί ένδειξη της παραγόμενης ώσης για μία συγκεκριμένη παροχή ισχύος.»
Σύνοψη: Ο λόγος πίεσης μηχανής (Engine Pressure Ratio - EPR, ορθή απόδοση των αρχικών· στην εκφώνηση εμφανίζεται ως «ERP») είναι μία χαρακτηριστική παράμετρος του στροβιλοαντιδραστήρα (και γενικότερα των αεριοστρόβιλων). Ορίζεται ως ο λόγος της πίεσης εξαγωγής των καυσαερίων από το στρόβιλο προς την πίεση του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα. Η τιμή του EPR αποτελεί ένδειξη της παραγόμενης ώσης για μία συγκεκριμένη παροχή ισχύος του κινητήρα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- EPR = πίεση εξαγωγής καυσαερίων στροβίλου / πίεση εισερχόμενου αέρα — ένδειξη ώσης
Ειδική κατανάλωση καυσίμου: στροβιλοαντιδραστήρας ή ελικοστρόβιλος; (Σωστό/Λάθος)
Ερώτηση: Ο στροβιλοαντιδραστήρας επιτυγχάνει την καλύτερη ειδική κατανάλωσης καυσίμου σε σχέση με οποιονδήποτε άλλο αεριοστρόβιλο κινητήρα.
ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐
Απάντηση:
- §2.1.5.2. «Το μεγάλο πλεονέκτημα του ελικοστρόβιλου κινητήρα είναι ότι επιτυγχάνει την καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου συγκριτικά με οποιονδήποτε αεριοστρόβιλο κινητήρα άλλου τύπου.»
Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Σύμφωνα με το βιβλίο, η καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου σε σχέση με οποιονδήποτε άλλο τύπο αεριοστρόβιλου κινητήρα επιτυγχάνεται από τον ελικοστρόβιλο κινητήρα (turboprop), όχι από τον στροβιλοαντιδραστήρα (turbojet). Ο στροβιλοαντιδραστήρας μάλιστα αναφέρεται να έχει αυξημένη κατανάλωση καυσίμου ως χαρακτηριστικό μειονέκτημα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- ΛΑΘΟΣ: η καλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίμου ανήκει στον ελικοστρόβιλο, όχι στον στροβιλοαντιδραστήρα
Ώση καυσαερίων στον ελικοστρόβιλο (συμπλήρωση κενού)
Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: στον ελικοστρόβιλο κινητήρα η προσφερόμενη από τα καυσαέρια ώση είναι πολύ…………….
Απάντηση:
- §2.1.5.2. «Στον ελικοστρόβιλο, 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. Πιο συγκεκριμένα, η ενέργεια των καυσαερίων ενός ελικοστρόβιλου κινητήρα αποδίδεται - σε ποσοστό έως 90% - ως ισχύς στον άξονα που κινεί τον έλικα. Μόνο το υπόλοιπο 10% της ενέργειας των καυσαερίων παρέχεται υπό μορφή ώσης.»
Σύνοψη: Η σωστή λέξη είναι «μικρή»: στον ελικοστρόβιλο κινητήρα η προσφερόμενη από τα καυσαέρια ώση είναι πολύ μικρή, καθώς σχεδόν όλη η ενέργεια των καυσαερίων (έως 90%) χρησιμοποιείται για την κίνηση του έλικα μέσω του άξονα, και μόνο το υπόλοιπο 10% περίπου παρέχεται με τη μορφή ώσης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστή λέξη: «μικρή» (~90% της ενέργειας καυσαερίων κινεί τον έλικα, ~10% γίνεται ώση)
Ο ρόλος του ελεύθερου στροβίλου
Ερώτηση: Ποιος είναι ο ρόλος του ελεύθερου στροβίλου σε έναν ελικοστρόβιλο κινητήρα;
Απάντηση:
- §2.1.5.2. «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.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Σε ορισμένους ελικοστρόβιλους κινητήρες χρησιμοποιείται ξεχωριστός στρόβιλος αποκλειστικά για την κίνηση του έλικα, ο οποίος ονομάζεται ελεύθερος στρόβιλος (free turbine ή power turbine). Ο ελεύθερος στρόβιλος είναι συνδεδεμένος με ξεχωριστό άξονα με το μειωτήρα στροφών που κινεί τον έλικα, ανεξάρτητα μηχανικά από τον άξονα του γεννήτορα αερίου (συμπιεστή). Τα υπόλοιπα μέρη του κινητήρα -συμπιεστής, θάλαμος καύσης και στρόβιλος καυσαερίων- λειτουργούν απλώς ώστε να παράγουν καυσαέρια υψηλής ενέργειας, τα οποία στη συνέχεια περιστρέφουν τον ελεύθερο στρόβιλο και μέσω αυτού τον έλικα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ο ελεύθερος στρόβιλος κινεί τον έλικα (μέσω μειωτήρα, σε ξεχωριστό άξονα), ανεξάρτητα από τον στρόβιλο που κινεί το συμπιεστή
Η λειτουργία του στροβιλοανεμιστήρα
Ερώτηση: Αναλύστε τη λειτουργία του στροβιλοανεμιστήρα.
Απάντηση:
- §2.1.5.4. «Η ροή του αέρα εισαγωγής διασπάται σε δύο ρεύματα: το θερμό και το ψυχρό. Το πρώτο ρεύμα διέρχεται μέσα από τον κινητήρα, κατά τα γνωστά. Το ψυχρό ρεύμα περνά περιφερειακά του σώματος του κινητήρα, με την ίδια, βέβαια, αξονική διεύθυνση (ροή παράκαμψης - bypass). Το ρεύμα αυτό συνεισφέρει στην παραγωγή του 80% της ώσης του κινητήρα.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο στροβιλοανεμιστήρας (turbofan) είναι ουσιαστικά ένας ελικοστρόβιλος με τον «έλικα» -δηλαδή τον ανεμιστήρα (fan)- τοποθετημένο μέσα στον κινητήρα, στο μπροστινό ή στο οπίσθιο τμήμα του. Η ροή του αέρα εισαγωγής διασπάται σε δύο ρεύματα: το θερμό ρεύμα, το οποίο διέρχεται μέσα από τον πυρήνα του κινητήρα (συμπιεστής, θάλαμος καύσης, στρόβιλος, όπως σε στροβιλοαντιδραστήρα), και το ψυχρό ρεύμα, το οποίο περνά περιφερειακά του σώματος του κινητήρα, στην ίδια αξονική διεύθυνση, χωρίς να αναμειγνύεται με καύσιμο και να καίγεται (ροή παράκαμψης, bypass). Το ψυχρό ρεύμα, που επιταχύνεται από τον ανεμιστήρα, συνεισφέρει σημαντικά (έως και το 80%) στην παραγωγή της συνολικής ώσης του κινητήρα. Ο λόγος του ψυχρού προς το θερμό ρεύμα αέρα καλείται λόγος παράκαμψης (bypass ratio, με τιμές από 2:1 έως 10:1) και χαρακτηρίζει τον κινητήρα ως υψηλού ή χαμηλού λόγου παράκαμψης.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ανεμιστήρας (fan) διασπά τον αέρα σε θερμό ρεύμα (μέσα στον πυρήνα) και ψυχρό ρεύμα παράκαμψης (bypass) γύρω από τον πυρήνα· λόγος παράκαμψης = ψυχρό/θερμό ρεύμα
Λόγος παράκαμψης (συμπλήρωση κενών)
Ερώτηση: Συμπληρώστε την πρόταση: ο λόγος του ………….. ρεύματος προς το …………. ρεύμα αέρα καλείται λόγος παράκαμψης στο στροβιλοανεμιστήρα.
Απάντηση:
- §2.1.5.4. «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 10:1.»
Σύνοψη: Οι σωστές λέξεις είναι «ψυχρού» και «θερμό»: «Ο λόγος του ψυχρού ρεύματος προς το θερμό ρεύμα αέρα καλείται λόγος παράκαμψης στο στροβιλοανεμιστήρα.» Πρόκειται για χαρακτηριστικό μέγεθος του στροβιλοανεμιστήρα, με τιμές που κυμαίνονται από 2:1 έως 10:1.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σωστές λέξεις: «ψυχρού» και «θερμό»
Ανώτατο όριο ταχύτητας ελικοστρόβιλου
Ερώτηση: Από ποιο παράγοντα καθορίζεται το ανώτατο όριο ταχύτητας ενός αεροσκάφους που κινείται με ελικοστρόβιλο κινητήρα;
Απάντηση:
- §2.1.7. «Οι ελικοστρόβιλοι συνδυάζουν μικρό βάρος και υψηλή απόδοση, επιτυγχάνοντας πολύ καλή ειδική κατανάλωση καυσίμου. Χρησιμοποιούνται για την κίνηση μεταφορικών αεροσκαφών, μέσης και μεγάλης εμβέλειας, σε υψηλές υποηχητικές ταχύτητες. Το ανώτατο όριο της ταχύτητάς τους καθορίζεται από την απόδοση του έλικα.»
Σύνοψη: Το ανώτατο όριο της ταχύτητας ενός αεροσκάφους που κινείται με ελικοστρόβιλο κινητήρα καθορίζεται από την απόδοση του έλικα. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα πτήσης, η απόδοση του έλικα μειώνεται (λόγω απώλειας αεροδυναμικής στήριξης στα άκρα των πτερυγίων και δημιουργίας κυμάτων κρούσης), γεγονός που περιορίζει την ανώτατη πρακτική ταχύτητα των ελικοστρόβιλων αεροσκαφών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Από την απόδοση του έλικα
Κατάλληλος τύπος κινητήρα για ταχύτητα 500-550km/hr
Ερώτηση: Ποιον τύπο αεριστρόβιλου κινητήρα θα χρησιμοποιούσατε σε ένα αεροσκάφος για ταχύτητα πτήσης μεταξύ 500 και 550km/hr;
Απάντηση:
- §2.1.5.2. «Τα παραπάνω πλεονεκτήματα μειώνονται όταν αυξάνεται η ταχύτητα (άνω των 650km/h)...» §2.1.5.1. «ο στροβιλοαντιδραστήρας επιτυγχάνει μικρότερη απόδοση σε ταχύτητες πτήσης κάτω των 750km/h.»
Σύνοψη: Για ταχύτητα πτήσης μεταξύ 500 και 550km/h ο καταλληλότερος τύπος είναι ο ελικοστρόβιλος (turboprop), καθώς σε αυτό το εύρος ταχυτήτων διατηρεί τα πλεονεκτήματά του (καλή ειδική κατανάλωση καυσίμου, μεγάλη ώση), τα οποία αρχίζουν να μειώνονται μόνο πάνω από τα 650km/h. Αντίθετα, ο στροβιλοαντιδραστήρας παρουσιάζει μικρότερη απόδοση σε ταχύτητες κάτω των 750km/h, οπότε δεν θα ήταν η κατάλληλη επιλογή σε αυτό το εύρος ταχυτήτων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ελικοστρόβιλος (turboprop) — αποδοτικός σε ταχύτητες έως ~650km/h, ενώ ο στροβιλοαντιδραστήρας υστερεί κάτω των 750km/h
Τομείς εστίασης νέων τεχνικών σχεδίασης
Ερώτηση: Σε ποιους τομείς εστιάζονται οι νέες τεχνικές σχεδιάσης των κινητήρων αεριώθησης;
Απάντηση:
- §2.1.8. «Οι προσπάθειες εστιάζονται σε τομείς όπως: η βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και του λόγου παραγόμενης ώσης προς βάρος, η αύξηση της παραγόμενης ώσης, του λόγου συμπίεσης και της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων από το θάλαμο καύσης (με παράλληλη χρήση πιο ανθεκτικών υλικών κατασκευής του θαλάμου καύσης και του στροβίλου), η μείωση της στάθμης θορύβου λειτουργίας και των εκπομπών καυσαερίων στην ατμόσφαιρα.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι νέες τεχνικές σχεδίασης των κινητήρων αεριώθησης εστιάζονται σε τρεις κύριους τομείς: πρώτον, στη βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και του λόγου παραγόμενης ώσης προς βάρος· δεύτερον, στην αύξηση της παραγόμενης ώσης, του λόγου συμπίεσης και της θερμοκρασίας εξόδου των καυσαερίων από το θάλαμο καύσης, κάτι που απαιτεί παράλληλα τη χρήση πιο ανθεκτικών υλικών κατασκευής για το θάλαμο καύσης και το στρόβιλο· και τρίτον, στη μείωση της στάθμης θορύβου λειτουργίας και των εκπομπών καυσαερίων στην ατμόσφαιρα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Βελτίωση ειδικής κατανάλωσης/λόγου ώσης-βάρους, αύξηση ώσης/λόγου συμπίεσης/θερμοκρασίας καυσαερίων (με ανθεκτικότερα υλικά), μείωση θορύβου και εκπομπών
