Λύσεις — Ενότητα 2.2: Κύκλος Λειτουργίας Αεριοστροβίλων (σελ. 375-376) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.2: Κύκλος Λειτουργίας Αεριοστροβίλων

Δέκα ερωτήσεις για τον κύκλο λειτουργίας των αεριοστρόβιλων κινητήρων: το θεωρητικό κύκλο Μπράιτον και τις πέντε φάσεις του, το ωφέλιμο έργο από το διάγραμμα λειτουργίας, το ρόλο του ακροφυσίου πρόωσης, τα κριτήρια λειτουργικής απόδοσης (ολική απόδοση και ταχύτητα πτήσης) και τους λόγους/μορφές απόκλισης του πραγματικού κύκλου από τον θεωρητικό (απώλειες στο συμπιεστή, στο θάλαμο καύσης και κατά την εκτόνωση).

Θερμοδυναμικός κύκλος αεριοστροβίλου

Ερώτηση: Ποιος θερμοδυναμικός κύκλος περιγράφει τη λειτουργία του αεροστρόβιλου κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.2.2. «Ο κύκλος λειτουργίας του αεριοστρόβιλου κινητήρα στηρίζεται στο θερμοδυναμικό κύκλο του Μπράιτον (Brayton). Η ανάλυση των διεργασιών του κύκλου στηρίζεται στον 1ο και στο 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.»

Σύνοψη: Τη λειτουργία του αεριοστρόβιλου κινητήρα περιγράφει ο θερμοδυναμικός κύκλος του Μπράιτον (Brayton). Η ανάλυση των διεργασιών του κύκλου στηρίζεται στον 1ο και στο 2ο νόμο της θερμοδυναμικής, και ο ιδανικός (θεωρητικός) κύκλος βασίζεται σε παραδοχές όπως αντιστρεπτές/αδιαβατικές (ισεντροπικές) διαδικασίες συμπίεσης-εκτόνωσης και απουσία απωλειών πίεσης και τριβών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κύκλος Μπράιτον (Brayton)

Σειρά φάσεων λειτουργίας

Ερώτηση: Στον αεριοστρόβιλο κινητήρα οι φάσεις λειτουργίας πραγματοποιούνται διαδοχικά.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.2.1. «Η σημαντική διαφορά είναι ότι στον εμβολοφόρο κινητήρα οι φάσεις πραγματοποιούνται διαδοχικά, η μία μετά την άλλη, επειδή το έμβολο συμμετέχει σε όλες. Αντίθετα, στον αεριοστρόβιλο, οι ίδιες φάσεις λειτουργίας πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και συνεχώς, από ένα εξάρτημα αποκλειστικά η κάθε μία.»

Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Η διαδοχική πραγματοποίηση των φάσεων λειτουργίας (εισαγωγή, συμπίεση, καύση, εκτόνωση-εξαγωγή) χαρακτηρίζει τον εμβολοφόρο κινητήρα, όπου το ίδιο έμβολο συμμετέχει σε όλες τις φάσεις η μία μετά την άλλη. Στον αεριοστρόβιλο κινητήρα, αντίθετα, οι ίδιες φάσεις πραγματοποιούνται ταυτόχρονα και συνεχώς, καθεμία από ένα διαφορετικό εξάρτημα (εισαγωγή, συμπιεστής, θάλαμος καύσης, στρόβιλος, ακροφύσιο), κάτι που επιτρέπει ομαλή λειτουργία και συνεχή παραγωγή ισχύος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λάθος — στον αεριοστρόβιλο οι φάσεις γίνονται ταυτόχρονα/συνεχώς, όχι διαδοχικά

Ισοβαρής διεργασία του κύκλου

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Στον αεριοστρόβιλο κινητήρα η διεργασία της ……….. πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση.

Απάντηση:

• §2.2.2. «2-3 (Ισοβαρής καύση). Η μεταβολή αυτή παριστάνει τις αλλαγές που πραγματοποιούνται κατά την καύση του μείγματος αέρα - καυσίμου στο θάλαμο καύσης υπό σταθερή πίεση.»

Σύνοψη: Η λέξη που λείπει είναι «καύσης». Στον αεριοστρόβιλο κινητήρα η διεργασία της καύσης (φάση 2-3 του κύκλου Μπράιτον) πραγματοποιείται υπό σταθερή πίεση (ισοβαρής καύση) — αυτή είναι και η βασική διαφορά από τον τετράχρονο εμβολοφόρο βενζινοκινητήρα, όπου η καύση είναι ισόχωρη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η καύση — ισοβαρής διεργασία (σταθερή πίεση)

Υπολογισμός ωφέλιμου έργου από το διάγραμμα

Ερώτηση: Πώς μπορεί να υπολογιστεί το ωφέλιμο έργο που παράγει ένας αεροστρόβιλος κινητήρας από το διάγραμμα λειτουργίας του;

Απάντηση:

• §2.2.2. «Η επιφάνεια που σχηματίζεται από τον κύκλο του διαγράμματος (1-2-3-4-5-1, Σχήμα 2.31) παριστάνει το ωφέλιμο έργο που παράγεται από τον αεροστρόβιλο κινητήρα. Η οποιαδήποτε αύξηση της επιφάνειας αυτής υποδηλώνει και τη διαθεσιμότητα μεγαλύτερου ποσού ενέργειας προς παραγωγή έργου, και συνακόλουθα ώσης.»

Σύνοψη: Το ωφέλιμο έργο υπολογίζεται (γεωμετρικά) από την επιφάνεια που σχηματίζεται από τον κλειστό κύκλο του διαγράμματος λειτουργίας (σημεία 1-2-3-4-5-1) στις συντεταγμένες p-ν (ή T-s). Όσο μεγαλύτερη είναι αυτή η εγκλειόμενη επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιμο προς παραγωγή ωφέλιμου έργου, και συνακόλουθα ώσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ίσο με την εγκλειόμενη επιφάνεια του κύκλου 1-2-3-4-5-1 στο διάγραμμα p-ν/T-s

Ο ρόλος του ακροφυσίου πρόωσης

Ερώτηση: Ποιος είναι ο λόγος ύπαρξης του ακροφυσίου πρόωσης στους αεροπορικούς αεροστρόβιλους κινητήρες;

Απάντηση:

• §2.2.2. «...στον πρώτο, ένα μέρος ή το σύνολο της αποδιδόμενης ισχύος παράγεται ως αποτέλεσμα εκτόνωσης σε ακροφύσιο πρόωσης (Σχήμα 2.31, γραμμή 4-5).» §2.2.3. «F = (Δm/Δt)(Vj-Va)... Από αυτή φαίνεται ότι η απαιτούμενη ώση παρέχεται από έναν κινητήρα ο οποίος θα λειτουργεί με υψηλή ταχύτητα απόρριψης καυσαερίων και χαμηλή παροχή αέρα ή το αντίθετο.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στους αεροπορικούς αεριοστρόβιλους κινητήρες, το ακροφύσιο πρόωσης υπάρχει επειδή σε αυτούς ένα μέρος ή το σύνολο της αποδιδόμενης ισχύος παράγεται ακριβώς μέσω της εκτόνωσης των καυσαερίων μέσα σε αυτό (φάση 4-5 του κύκλου). Η εκτόνωση στο ακροφύσιο επιταχύνει σημαντικά τα καυσαέρια, αυξάνοντας απότομα την ταχύτητά τους (Vj) ενώ μειώνονται η πίεση και η θερμοκρασία τους. Επειδή η ώση παράγεται από τη διαφορά ταχύτητας μεταξύ καυσαερίων και εισερχόμενου αέρα, F=(Δm/Δt)(Vj-Va), το ακροφύσιο πρόωσης είναι απαραίτητο ώστε τα καυσαέρια να αποκτήσουν την υψηλή ταχύτητα εξόδου που παράγει την προωθητική δύναμη του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Επιταχύνει (εκτονώνει) τα καυσαέρια σε υψηλή ταχύτητα εξόδου, παράγοντας έτσι την ώση F=(Δm/Δt)(Vj-Va)

Ολική απόδοση και ταχύτητα εισερχόμενου αέρα

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Η ολική απόδοση του αεροστρόβιλου είναι πολύ στενά συνδεδεμένη με την …………….. του εισερχόμενου αέρα σε αυτόν.

Απάντηση:

• §2.2.3. «Από τα παραπάνω συμπεραίνει κανείς ότι η ολική απόδοση είναι πολύ στενά συνδεδεμένη με την ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα, δηλαδή την ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους.»

Σύνοψη: Η λέξη που λείπει είναι «ταχύτητα». Η ολική απόδοση (no = np·ne) του αεριοστρόβιλου είναι πολύ στενά συνδεδεμένη με την ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα, δηλαδή με την ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους, και συνδέεται επίσης με την ειδική κατανάλωση καυσίμου μέσω της σχέσης no = Va/s.f.c.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η ταχύτητα του εισερχόμενου αέρα (ταχύτητα πτήσης του αεροσκάφους)

Επίδραση του ύψους πτήσης στην απόδοση

Ερώτηση: Στον υπολογισμό της απόδοσης του αεροπορικού αεριοστρόβιλου δεν παίζει ρόλο το ύψος πτήσης του αεροσκάφους.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.2.2. «Επίσης, στον υπολογισμό της απόδοσης του αεροπορικού αεροστρόβιλου πρέπει να ληφθούν υπόψη τα αποτελέσματα της ταχύτητας του αεροσκάφους καθώς και το ύψος πτήσης.»

Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι στον υπολογισμό της απόδοσης του αεροπορικού αεριοστρόβιλου πρέπει να ληφθούν υπόψη τόσο τα αποτελέσματα της ταχύτητας του αεροσκάφους όσο και το ύψος πτήσης του. Άρα το ύψος πτήσης παίζει ρόλο, δεν είναι αμελητέο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λάθος — το ύψος πτήσης λαμβάνεται υπόψη μαζί με την ταχύτητα του αεροσκάφους

Λόγοι απόκλισης από τον θεωρητικό κύκλο Μπράιτον

Ερώτηση: Αναφέρετε τους λόγους για τους οποίους δεν είναι δυνατή η λειτουργία του αεριοστρόβιλου κινητήρα σύμφωνα με το θεωρητικό κύκλο του Μπράυτον.

Απάντηση:

• §2.2.4. «Οι προϋποθέσεις λειτουργίας ενός αεριοστρόβιλου ώσης (αλλά και ισχύος) σύμφωνα με το θεωρητικό κύκλο του Μπράιτον δεν μπορούν να εκπληρωθούν. Οι λόγοι είναι οι ακόλουθοι: Τα παρελκόμενα συστήματα του κινητήρα ... λαμβάνουν για τη λειτουργία τους ένα ποσοστό από την ενέργεια που παράγεται στο στρόβιλο. Η συμπίεση ... καθώς και η εκτόνωση ... δεν αποτελούν αδιαβατικές διαδικασίες. Υπάρχουν πάντα απώλειες θερμότητας. Η διαδικασία της καύσης δεν είναι ισοβαρής. Η πίεση ελαττώνεται λόγω των αντιστάσεων στη ροή των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης. Η ενέργεια που υπολογίζεται θεωρητικά για την κίνηση του συμπιεστή από το στρόβιλο, είναι μικρότερη από αυτήν που απαιτείται πραγματικά.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η πραγματική λειτουργία του αεριοστρόβιλου αποκλίνει από τον θεωρητικό κύκλο του Μπράιτον για τέσσερις βασικούς λόγους: (1) Τα παρελκόμενα συστήματα του κινητήρα (αντλία ελαίου, αντλία καυσίμου, γεννήτρια ρεύματος κ.λπ.) καταναλώνουν για τη λειτουργία τους ένα ποσοστό της ενέργειας που παράγεται στο στρόβιλο, ενέργεια που ο θεωρητικός κύκλος δεν προβλέπει ότι χάνεται. (2) Η συμπίεση στο συμπιεστή και η εκτόνωση στο στρόβιλο δεν είναι στην πραγματικότητα αδιαβατικές διαδικασίες, όπως υποθέτει ο θεωρητικός κύκλος — υπάρχουν πάντα απώλειες θερμότητας λόγω τριβών. (3) Η καύση δεν πραγματοποιείται υπό απολύτως σταθερή πίεση (δεν είναι τέλεια ισοβαρής), καθώς η πίεση ελαττώνεται λόγω των αντιστάσεων στη ροή των καυσαερίων μέσα στο θάλαμο καύσης. (4) Η ενέργεια που υπολογίζεται θεωρητικά ως αναγκαία για την κίνηση του συμπιεστή από το στρόβιλο είναι μικρότερη από την ενέργεια που πραγματικά απαιτείται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Απώλειες: ενέργεια παρελκόμενων συστημάτων, μη αδιαβατική συμπίεση/εκτόνωση, μη ισοβαρής καύση, μεγαλύτερη πραγματική απαίτηση ενέργειας συμπίεσης

Αιτία πτώσης απόδοσης στο θάλαμο καύσης

Ερώτηση: Σε ποιον λόγο οφείλεται η πτώση της απόδοσης στο θάλαμο καύσης των αεριοστρόβιλων κινητήρων;

Απάντηση:

• §2.2.4. «Απώλειες στο θάλαμο καύσης: κατά μήκος του θαλάμου καύσης παρουσιάζεται πτώση της πίεσης των καυσαερίων της τάξης του 10%... Η πτώση αυτή οφείλεται στις διατάξεις που τοποθετούνται στο θάλαμο καύσης ώστε να επιτύχουν το βέλτιστο βαθμό ανάμιξης του εισερχόμενου αέρα με το καύσιμο.»

Σύνοψη: Η πτώση της απόδοσης (πίεσης) στο θάλαμο καύσης, της τάξης του 10%, οφείλεται στις ειδικές διατάξεις (αντιστάσεις ροής) που τοποθετούνται μέσα στο θάλαμο καύσης προκειμένου να επιτευχθεί ο βέλτιστος βαθμός ανάμιξης του εισερχόμενου αέρα με το καύσιμο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στις διατάξεις ανάμιξης αέρα-καυσίμου μέσα στο θάλαμο καύσης (πτώση πίεσης ~10%)

Απώλειες κατά τη φάση της εκτόνωσης

Ερώτηση: Πού οφείλονται οι απώλειες κατά τη φάση της εκτόνωσης;

Απάντηση:

• §2.2.4. «Απώλειες κατά την εκτόνωση: λόγω των τριβών που αναπτύσσονται κατά την εκτόνωση των καυσαερίων στο στρόβιλο και το ακροφύσιο εξαγωγής, το παραγόμενο από αυτά έργο είναι μικρότερο από το θεωρητικό. Η θερμοκρασία μετά την εκτόνωση - Σημείο 4, λαμβάνει μεγαλύτερες τιμές από τη θεωρητική - Σημείο 4΄.»

Σύνοψη: Οι απώλειες κατά τη φάση της εκτόνωσης οφείλονται στις τριβές που αναπτύσσονται κατά την εκτόνωση των καυσαερίων στο στρόβιλο και στο ακροφύσιο εξαγωγής. Λόγω αυτών των τριβών, το παραγόμενο έργο είναι μικρότερο από το θεωρητικά υπολογιζόμενο, και η θερμοκρασία μετά την εκτόνωση παίρνει μεγαλύτερες τιμές από τη θεωρητική.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στις τριβές κατά την εκτόνωση των καυσαερίων στο στρόβιλο και στο ακροφύσιο εξαγωγής