Λύσεις — Ενότητα 2.4: Συμπιεστές (σελ. 376-377) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.4: Συμπιεστές

Δέκα ερωτήσεις κατανόησης για τους συμπιεστές αεριοστρόβιλων κινητήρων: τη βασική λειτουργία και τους τρεις τύπους συμπιεστών, την κατασκευή και λειτουργία του φυγοκεντρικού συμπιεστή (στροφείο απλής/διπλής εισόδου, διαχύτης), τα μέρη και τη λειτουργία του αξονικού συμπιεστή (ρότορας, στάτορας, κινητά/σταθερά πτερύγια, συστροφή, ανοχές) και τα φαινόμενα της απώλειας στήριξης και της πάλμωσης με τους τρόπους αντιμετώπισής τους.

Βασική εργασία του συμπιεστή

Ερώτηση: Ποια είναι η βασική εργασία που εκτελεί ο συμπιεστής;

Απάντηση:

• §2.4.1. «Η εργασία που επιτελεί είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα ώστε κατά την έξοδό του από το συμπιεστή να έχει αποκτήσει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα. Με τον τρόπο αυτόν, η παραγόμενη ώση θα είναι μεγάλη αφού ο κινητήρας θα μπορεί να χειρίζεται πάρα πολύ μεγάλες ποσότητες αέρα, σε σύγκριση με το μικρό όγκο του.»

Σύνοψη: Η βασική εργασία του συμπιεστή είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα, ώστε κατά την έξοδό του από το συμπιεστή να έχει αποκτήσει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα. Με αυτόν τον τρόπο ο κινητήρας μπορεί να διαχειρίζεται πολύ μεγάλες ποσότητες αέρα σε σχέση με το μικρό του όγκο, παράγοντας μεγαλύτερη ώση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα, αυξάνοντας την πυκνότητά του και επιτρέποντας μεγαλύτερη παραγωγή ώσης

Τύποι συμπιεστών αεριοστρόβιλων

Ερώτηση: Ποιοι είναι οι τύποι των συμπιεστών που χρησιμοποιούνται στους αεριοστρόβιλους κινητήρες;

Απάντηση:

• §2.4.1. «Οι τύποι των συμπιεστών που χρησιμοποιούνται στους αεριοστρόβιλους κινητήρες είναι: φυγοκεντρικής ροής, αξονικής ροής, και φυγοκεντρικής - αξονικής ροής.»

Σύνοψη: Οι τύποι συμπιεστών που χρησιμοποιούνται στους αεριοστρόβιλους κινητήρες είναι τρεις: φυγοκεντρικής ροής, αξονικής ροής, και φυγοκεντρικής-αξονικής ροής (ο τελευταίος αποτελεί συνδυασμό των δύο άλλων και συνδυάζει τα χαρακτηριστικά τους). Κάθε τύπος παίρνει το όνομά του από τη διεύθυνση της ροής του αέρα μέσα στο συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Φυγοκεντρικής ροής, αξονικής ροής, φυγοκεντρικής-αξονικής ροής

Κατεύθυνση φυγόκεντρων δυνάμεων στο στροφείο (Σωστό/Λάθος)

Ερώτηση: Οι επικρατούσες φυγόκεντρες δυνάμεις ωθούν τον αέρα κατά τη διεύθυνση του μήκους των πτερυγίων προς την εξωτερική περιφέρεια του στροφείου του φυγοκεντρικού συμπιεστή.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.4.2. «Οι επικρατούσες φυγόκεντρες δυνάμεις ωθούν τον αέρα κατά την ακτινική διεύθυνση (κατά το μήκος των πτερυγίων) προς την εξωτερική περιφέρεια του στροφείου.»

Σύνοψη: ΣΩΣΤΟ. Στο φυγοκεντρικό συμπιεστή, με την περιστροφή του στροφείου δημιουργείται υποπίεση γύρω από τον άξονα και αναρροφάται ο αέρας· οι φυγόκεντρες δυνάμεις τον ωθούν στη συνέχεια κατά την ακτινική διεύθυνση (δηλαδή κατά μήκος των πτερυγίων) προς την εξωτερική περιφέρεια του στροφείου, όπου αποκτά αυξημένη ταχύτητα και μικρή αύξηση στατικής πίεσης, πριν περάσει στους διαχύτες.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό — η φυγόκεντρος ωθεί τον αέρα ακτινικά (κατά μήκος των πτερυγίων) προς την περιφέρεια του στροφείου

Πλεονεκτήματα στροφείου διπλής εισόδου

Ερώτηση: Σε ποια περίπτωση θα χρησιμοποιούσατε φυγοκεντρικό συμπιεστή με στροφείο διπλής εισόδου;

Απάντηση:

• §2.4.2. «Η χρήση φυγοκεντρικού συμπιεστή διπλής εισόδου εξασφαλίζει ταχύτητες στα ακροπτερύγια του στροφείου που δεν ξεπερνούν την ταχύτητα του ήχου. Παράλληλα, επιτρέπει τη δίοδο μεγαλύτερης ποσότητας αέρα από το στροφείο απλής εισόδου και διαμορφώνει μικρότερη μετωπική επιφάνεια. Όμως, η ροή του αέρα στην οπίσθια πλευρά του κάποιες φορές είναι ασταθής ενώ παρατηρείται και αύξηση της θερμοκρασίας σε μεγαλύτερο ποσοστό από το στροφείο απλής εισόδου.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Θα επιλέγαμε στροφείο διπλής εισόδου όταν χρειάζεται να περάσει από το συμπιεστή μεγαλύτερη ποσότητα (μάζα) αέρα απ' όσο επιτρέπει ένα στροφείο απλής εισόδου, χωρίς όμως οι ταχύτητες στα ακροπτερύγια να ξεπεράσουν την ταχύτητα του ήχου, και όταν είναι σημαντικό να διατηρηθεί μικρή η μετωπική επιφάνεια του κινητήρα (π.χ. λόγω περιορισμών χώρου/αεροδυναμικής αντίστασης). Το μειονέκτημα που πρέπει να σταθμιστεί είναι ότι η ροή στην οπίσθια πλευρά είναι κάποιες φορές ασταθής και η αύξηση θερμοκρασίας μεγαλύτερη σε σχέση με το στροφείο απλής εισόδου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Όταν χρειάζεται μεγαλύτερη παροχή αέρα με υποηχητικές ταχύτητες ακροπτερυγίων και μικρότερη μετωπική επιφάνεια

Μέρη αξονικού συμπιεστή

Ερώτηση: Ποια είναι τα μέρη που αποτελούν τον αξονικό συμπιεστή;

Απάντηση:

• §2.4.3.1. «Ο αξονικός συμπιεστής ... αποτελείται από δύο βασικά μέρη: ένα περιστρεφόμενο, που ονομάζεται ρότορας (rotor), και ένα σταθερό, που ονομάζεται στάτορας (stator).»

Σύνοψη: Ο αξονικός συμπιεστής αποτελείται από δύο βασικά μέρη: το ρότορα (rotor) — το περιστρεφόμενο τμήμα, που αποτελείται από στροφείο (spindle) με προσαρμοσμένα πάνω του τα κινητά πτερύγια (blades) — και το στάτορα (stator) — το σταθερό τμήμα, συνήθως διαιρεμένο σε δύο ημικυκλικά τμήματα, στην εσωτερική περιφέρεια των οποίων προσαρμόζονται τα σταθερά πτερύγια (vanes). Μία σειρά κινητών με την ακολουθούσα σειρά σταθερών πτερυγίων ονομάζεται βαθμίδα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ρότορας (κινητά πτερύγια) και στάτορας (σταθερά πτερύγια)

Συμπλήρωση κενού — σταθερά πτερύγια στο στάτορα

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Ο στάτορας είναι, συνήθως, διαιρεμένος σε δύο ημικυκλικά τμήματα στην εσωτερική περιφέρεια των οποίων προσαρμόζονται τα ……………

Απάντηση:

• §2.4.3.1. «Ο στάτορας είναι συνήθως διαιρεμένος σε δύο ημικυκλικά τμήματα στην εσωτερική περιφέρεια των οποίων προσαρμόζονται τα σταθερά πτερύγια (vanes).»

Σύνοψη: Στην εσωτερική περιφέρεια των δύο ημικυκλικών τμημάτων του στάτορα προσαρμόζονται τα σταθερά πτερύγια (vanes) του αξονικού συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• σταθερά πτερύγια (vanes)

Ρόλος της συστροφής στο κινητό πτερύγιο

Ερώτηση: Τι επιτυγχάνεται με τη δημιουργία συστροφής στη γεωμετρία του κινητού πτερυγίου του αξονικού συμπιεστή;

Απάντηση:

• §2.4.3.4. «Τα κινητά πτερύγια έχουν σχήμα αεροτομής και μεταβλητή γωνία προσβολής (angle of incidence) ή συστροφή (twist) από τη ρίζα (root) προς το ακροπτερύγιο (tip). Η συστροφή επιτυγχάνει υψηλότερη πίεση στο ακροπτερύγιο ώστε να αντισταθμίζεται η διαφοροποίηση της ταχύτητας του πτερυγίου που προκαλείται από την ακτίνα καμπυλότητάς του.»

Σύνοψη: Με τη συστροφή (μεταβλητή γωνία προσβολής από τη ρίζα προς το ακροπτερύγιο) επιτυγχάνεται υψηλότερη πίεση στο ακροπτερύγιο του κινητού πτερυγίου, ώστε να αντισταθμίζεται η διαφοροποίηση της ταχύτητας κατά μήκος του πτερυγίου που προκαλείται από τη διαφορετική ακτίνα περιστροφής (όσο μεγαλύτερη η απόσταση από τον άξονα περιστροφής, τόσο μεγαλύτερη η ταχύτητα).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αντιστάθμιση της διαφοράς ταχύτητας ρίζας-ακροπτερυγίου, μέσω υψηλότερης πίεσης στο ακροπτερύγιο

Ανοχή κινητών πτερυγίων στο δίσκο (Σωστό/Λάθος)

Ερώτηση: Μετά την τοποθέτηση των κινητών πτερυγίων στο δίσκο του συμπιεστή δεν επιτρέπεται η ύπαρξη ανοχής.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.4.3.4. «η ρίζα του κινητού πτερυγίου πρέπει να “παίζει” όταν τοποθετηθεί στο δίσκο ή το τύμπανο. Η ανοχή αυτή επιτρέπεται ώστε να είναι εύκολη η τοποθέτηση και η αφαίρεσή τους καθώς και για την απορρόφηση των ταλαντώσεων που δημιουργούνται κατά την περιστροφή.»

Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Αντίθετα, η ύπαρξη ανοχής επιτρέπεται σκόπιμα: η ρίζα του κινητού πτερυγίου πρέπει να «παίζει» όταν τοποθετηθεί στο δίσκο ή το τύμπανο, ώστε να είναι εύκολη η τοποθέτηση και η αφαίρεσή του, καθώς και για να απορροφώνται οι ταλαντώσεις που δημιουργούνται κατά την περιστροφή. Τα ακροπτερύγια πρέπει βέβαια να έχουν το προβλεπόμενο από τον κατασκευαστή διάκενο με το περίβλημα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λάθος — η ανοχή στη ρίζα επιτρέπεται σκόπιμα, για εύκολη τοποθέτηση/αφαίρεση και απορρόφηση ταλαντώσεων

Περιστρεφόμενη αποκόλληση vs. πάλμωση

Ερώτηση: Ποια είναι η διαφορά των φαινομένων της περιστρεφόμενης αποκόλλησης και της πάλμωσης;

Απάντηση:

• §2.4.3.7. «Ενώ η πρώτη αφορά την αστάθεια της ροής σε περιορισμένο αριθμό βαθμίδων, η πάλμωση θεωρείται ότι αποτελεί τη μετάβαση του φαινομένου σε όλες τις βαθμίδες του συμπιεστή. Παρατηρούνται, λοιπόν, συνολικές “ταλαντώσεις” της ροής σε όλο το μήκος του δακτυλίου ροής του συμπιεστή.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η περιστρεφόμενη αποκόλληση (rotating stall / απώλεια στήριξης) αφορά αστάθεια της ροής σε περιορισμένο αριθμό βαθμίδων του συμπιεστή: μια περιοχή αποκόλλησης της ροής εμφανίζεται σε ένα πτερύγιο και μεταφέρεται προοδευτικά στα γειτονικά, περιστρεφόμενη περιφερειακά με ταχύτητα μικρότερη από αυτή του άξονα. Η πάλμωση (surge) θεωρείται η μετάβαση του ίδιου φαινομένου σε όλες τις βαθμίδες του συμπιεστή, με συνολικές ταλαντώσεις της ροής σε όλο το μήκος του δακτυλίου ροής — η ροή μπορεί στιγμιαία να αντιστραφεί, κατευθυνόμενη από την έξοδο προς την είσοδο και αντίστροφα. Δηλαδή η διαφορά είναι ουσιαστικά έκτασης/έντασης: τοπικό φαινόμενο σε λίγες βαθμίδες η πρώτη, γενικευμένο φαινόμενο σε όλο το συμπιεστή η δεύτερη — γι' αυτό και κάποιοι ειδικοί τα θεωρούν στάδια του ίδιου φαινομένου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περιστρεφόμενη αποκόλληση = αστάθεια σε λίγες βαθμίδες· πάλμωση = γενίκευση του φαινομένου σε όλες τις βαθμίδες, με ταλαντώσεις/αντιστροφή ροής

Συμπλήρωση κενού — αντιμετώπιση απώλειας στήριξης

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Μείωση της γωνίας προσβολής των μπροστινών βαθμιδών του συμπιεστή ώστε να μην υπερβεί την κρίσιμη τιμή της βοηθά στην αντιμετώπιση του φαινομένου της……………….

Απάντηση:

• §2.4.3.7. «Τα φαινόμενα της απώλειας στήριξης και της πάλμωσης αντιμετωπίζονται με τους ακόλουθους τρόπους: ... Μείωση της γωνίας προσβολής των μπροστινών βαθμιδών του συμπιεστή ώστε να μην υπερβεί την κρίσιμη τιμή της.»

Σύνοψη: Η μείωση της γωνίας προσβολής των μπροστινών βαθμίδων του συμπιεστή, ώστε να μην υπερβεί την κρίσιμη τιμή της, αναφέρεται στο βιβλίο ως ένας από τους τρόπους αντιμετώπισης του φαινομένου της απώλειας στήριξης (και της πάλμωσης) του συμπιεστή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• απώλειας στήριξης (compressor stall) / πάλμωσης