Λύσεις — Ενότητα 2.7: Στρόβιλος (σελ. 378-379) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.7: Στρόβιλος

Δέκα ερωτήσεις (ανοιχτές, πολλαπλής επιλογής, Σωστό/Λάθος και συμπλήρωσης κενών) για την ενότητα 2.7 «Στρόβιλος»: τη λειτουργία και το ρόλο του στροβίλου, τα μέρη του (περίβλημα, στάτορας, δακτύλιος, ρότορας), τους παράγοντες που καθορίζουν τον αριθμό των βαθμιδών, τη διάταξη στροβίλων υψηλής/χαμηλής πίεσης, τη λειτουργία των σταθερών πτερυγίων, τις κατηγορίες βαθμίδων (δράσης, αντίδρασης, συνδυασμού) και τις μεθόδους αντιμετώπισης των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας.

Λειτουργία του στροβίλου στον αεριοστρόβιλο κινητήρα

Ερώτηση: Αναλύστε τη λειτουργία του στροβίλου στον αεριοστρόβιλο κινητήρα.

Απάντηση:

• §2.7. «Ο πρωταρχικός σκοπός του στροβίλου (turbine) σε έναν αεριωθούμενο κινητήρα είναι να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για την περιστροφή του συμπιεστή. Συμπληρωματικά, ο στρόβιλος εξασφαλίζει την κίνηση των παρελκομένων (accessories)... Η ισχύς αυτή λαμβάνεται από την ενέργεια των εξερχόμενων, από το θάλαμο καύσης, καυσαερίων.» §2.7.1. «Αντίθετα, ο στρόβιλος απορροφά ενέργεια από το ρεύμα των θερμών καυσαερίων, κατά την έξοδό τους από το θάλαμο καύσης, και τη μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια για την παραγωγή ισχύος ή ροπής.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο στρόβιλος έχει πρωταρχικό σκοπό να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για την περιστροφή του συμπιεστή· συμπληρωματικά κινεί τα παρελκόμενα (accessories) και, στον ελικοστρόβιλο/αξονοστρόβιλο, δίνει κίνηση και στον έλικα. Λειτουργικά, ενώ ο συμπιεστής προσθέτει ενέργεια στο ρεύμα αέρα μετατρέποντας τη μηχανική του ενέργεια σε δυναμική ενέργεια του ρεύματος, ο στρόβιλος κάνει το αντίθετο: απορροφά ενέργεια από το ρεύμα των θερμών καυσαερίων κατά την έξοδό τους από το θάλαμο καύσης και τη μετατρέπει σε μηχανική ενέργεια (ισχύ ή ροπή). Η ισχύς που παράγεται μπορεί να φτάσει τάξη μεγέθους 50000hp, με ένα και μόνο πτερύγιο να αποδίδει έως 250hp, ενώ οι θερμοκρασίες στην είσοδο του στροβίλου μπορεί να φτάνουν τους 1650°C.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ο στρόβιλος απορροφά ενέργεια από τα καυσαέρια και τη μετατρέπει σε μηχανική ισχύ/ροπή για την κίνηση του συμπιεστή (και των παρελκομένων/έλικα)

Τα μέρη του στροβίλου

Ερώτηση: Από ποια μέρη αποτελείται ο στρόβιλος;

Απάντηση:

• §2.7.1. «Γενικά, ο στρόβιλος αποτελείται από (Σχήμα 2.78): το περίβλημα (casing), το οποίο περιβάλλει το στάτορα και το ρότορα... το στάτορα, το δακτύλιο (shroud), που τοποθετείται στην εσωτερική και εξωτερική περιφέρεια των σταθερών πτερυγίων του στάτορα... το ρότορα.»

Σύνοψη: Ο στρόβιλος αποτελείται από το περίβλημα (casing), το οποίο περιβάλλει το στάτορα και το ρότορα και συνήθως φέρει φλάντζες στα δύο άκρα του για τη σύνδεση με το θάλαμο καύσης και το ακροφύσιο εξαγωγής· το στάτορα (σταθερά πτερύγια)· το δακτύλιο (shroud), που τοποθετείται στην εσωτερική και εξωτερική περιφέρεια των σταθερών πτερυγίων· και το ρότορα (κινητά πτερύγια).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Περίβλημα (casing), στάτορας, δακτύλιος (shroud), ρότορας

Αριθμός βαθμίδων και απαιτούμενη ισχύς — Σωστό/Λάθος

Ερώτηση: Ο αριθμός των βαθμιδών του στροβίλου είναι ανεξάρτητος από το ποσό της ενέργειας που θα εξάγεται από τα καυσαέρια και την απαιτούμενη ισχύ του κινητήρα. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.7.1. «Ο αριθμός των βαθμιδών και των στροβίλων που τοποθετούνται στο στρόβιλο εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: ... Το ποσό της ενέργειας που θα εξαχθεί από τα καυσαέρια και την απαιτούμενη ισχύ, ...»

Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Σύμφωνα με τη θεωρία, ο αριθμός των βαθμιδών (και των στροβίλων) εξαρτάται άμεσα από το ποσό της ενέργειας που θα εξαχθεί από τα καυσαέρια και την απαιτούμενη ισχύ, μαζί με άλλους παράγοντες (αριθμό αξόνων, στροφές λειτουργίας, μέγιστη διάμετρο στροφείου, θερμοκρασίες/πιέσεις εισόδου-εξόδου). Δεν είναι επομένως ανεξάρτητος από αυτό το μέγεθος.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΛΑΘΟΣ — ο αριθμός βαθμίδων εξαρτάται από την ενέργεια/ισχύ, τον αριθμό αξόνων, τις στροφές, τη διάμετρο και τις συνθήκες πίεσης-θερμοκρασίας

Συμπλήρωση κενού: λόγος συμπίεσης και πολυβάθμιοι στρόβιλοι

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Οι αεριοστρόβιλοι που λειτουργούν με ……………. λόγους συμπίεσης χρειάζονται πολυβάθμιους στροβίλους.

Απάντηση:

• §2.7.1. «Οι αεριοστρόβιλοι που λειτουργούν με υψηλούς λόγους συμπίεσης χρειάζονται πολυβάθμιους στροβίλους.»

Σύνοψη: Η σωστή λέξη είναι «υψηλούς»: Οι αεριοστρόβιλοι που λειτουργούν με υψηλούς λόγους συμπίεσης χρειάζονται πολυβάθμιους στροβίλους, ώστε να επιτευχθεί η απαιτούμενη εξαγωγή ενέργειας από τα καυσαέρια για την κίνηση των αντίστοιχων πολυβάθμιων συμπιεστών.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κενό = «υψηλούς» (λόγους συμπίεσης)

Συμπλήρωση κενών: διάμετρος, ταχύτητα και πίεση στους πολυβάθμιους στροβίλους

Ερώτηση: Συμπληρώστε τα κενά: Η διάμετρος των πολυβάθμιων στροβίλων ………… κατά την κατεύθυνση της ροής των καυσαερίων καθώς ………………. η ταχύτητα και η πίεση των τελευταίων.

Απάντηση:

• §2.7.1. «Η διάμετρος των πολυβάθμιων στροβίλων αυξάνεται κατά την κατεύθυνση της ροής των καυσαερίων καθώς μειώνεται η ταχύτητα και η πίεση των τελευταίων.»

Σύνοψη: Οι σωστές λέξεις είναι «αυξάνεται» και «μειώνεται»: Η διάμετρος των πολυβάθμιων στροβίλων αυξάνεται κατά την κατεύθυνση της ροής των καυσαερίων καθώς μειώνεται η ταχύτητα και η πίεση των τελευταίων (των καυσαερίων).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κενά = «αυξάνεται» (διάμετρος) ... «μειώνεται» (ταχύτητα/πίεση)

Γιατί ο στρόβιλος υψηλής πίεσης είναι μονοβάθμιος

Ερώτηση: Για ποιο λόγο ο στρόβιλος υψηλής πίεσης είναι συνήθως μονοβάθμιος;

Απάντηση:

• §2.7.1. «Ο στρόβιλος υψηλής πίεσης κινεί το συμπιεστή υψηλής πίεσης. Συνήθως είναι μονοβάθμιος αφού είναι ο πρώτος που λαμβάνει τα καυσαέρια από το θάλαμο καύσης τα οποία περιέχουν πολύ μεγάλη ενέργεια.»

Σύνοψη: Ο στρόβιλος υψηλής πίεσης είναι συνήθως μονοβάθμιος επειδή είναι ο πρώτος στροφειοφόρος στη ροή που λαμβάνει τα καυσαέρια απευθείας από το θάλαμο καύσης, τα οποία περιέχουν πολύ μεγάλη ενέργεια· έτσι, μία μόνο βαθμίδα αρκεί για να εξάγει την απαιτούμενη ισχύ ώστε να κινήσει το συμπιεστή υψηλής πίεσης. Αντίθετα, ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης δέχεται τα καυσαέρια μετά την εκτόνωσή τους στο στρόβιλο υψηλής πίεσης (άρα με λιγότερη διαθέσιμη ενέργεια) και χρειάζεται περισσότερες βαθμίδες (δύο ή τρεις) για να αποδώσει την απαιτούμενη ισχύ.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δέχεται πρώτος τα καυσαέρια με τη μεγαλύτερη ενέργεια, αμέσως μετά το θάλαμο καύσης

Ταχύτητα περιστροφής στροβίλου χαμηλής/υψηλής πίεσης — Σωστό/Λάθος

Ερώτηση: Ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης περιστρέφεται με χαμηλότερη ταχύτητα από αυτήν του στροβίλου υψηλής πίεσης. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.7.1. «Βέβαια, ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης περιστρέφεται με χαμηλότερη ταχύτητα από αυτήν του στροβίλου υψηλής πίεσης.»

Σύνοψη: ΣΩΣΤΟ. Το βιβλίο αναφέρει ρητά ότι ο στρόβιλος χαμηλής πίεσης περιστρέφεται με χαμηλότερη ταχύτητα από αυτήν του στροβίλου υψηλής πίεσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΣΩΣΤΟ — ρητή αναφορά στη θεωρία

Λειτουργία των σταθερών πτερυγίων του στροβίλου

Ερώτηση: Περιγράψτε τη λειτουργία των σταθερών πτερυγίων του στροβίλου.

Απάντηση:

• §2.7.1.1. «Τα σταθερά πτερύγια έχουν το σχήμα της αεροτομής, με το χείλος προσβολής τους να βρίσκεται προς την πλευρά του θαλάμου καύσης... Η δίοδος που σχηματίζεται μεταξύ δύο διαδοχικών σταθερών πτερυγίων παρουσιάζει στένωση προς την πλευρά του χείλους εκφυγής τους, προσομοιάζοντας το σχήμα ενός ακροφυσίου... Έτσι, η ταχύτητα των καυσαερίων αυξάνεται... Επίσης, ένας άλλος στόχος της λειτουργίας των σταθερών πτερυγίων είναι να δώσουν στα καυσαέρια την κατάλληλη κατεύθυνση, ώστε οι περιφερειακές δυνάμεις που θα δημιουργηθούν στα κινητά πτερύγια... να είναι οι μέγιστες.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα σταθερά πτερύγια (στάτορας) έχουν σχήμα αεροτομής, με το χείλος προσβολής τους στραμμένο προς το θάλαμο καύσης, ώστε να δέχονται πρώτα τα καυσαέρια. Η δίοδος μεταξύ δύο διαδοχικών σταθερών πτερυγίων στενεύει προς το χείλος εκφυγής τους, λειτουργώντας σαν ακροφύσιο (γι' αυτό λέγονται και nozzle guide vanes): έτσι αυξάνεται η ταχύτητα των καυσαερίων πριν φτάσουν στα κινητά πτερύγια. Παράλληλα, τα σταθερά πτερύγια δίνουν στα καυσαέρια την κατάλληλη κατεύθυνση, ώστε οι περιφερειακές δυνάμεις που θα δημιουργηθούν στα κινητά πτερύγια (και θα αποδώσουν την ισχύ στον άξονα) να είναι μέγιστες. Αγνοώντας τις τριβές, η ολική ενέργεια των καυσαερίων παραμένει σταθερή μέσα από το στάτορα: μέρος της δυναμικής τους ενέργειας μετατρέπεται σε κινητική, δηλαδή η πίεση μειώνεται ενώ η ταχύτητα αυξάνεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Επιταχύνουν τα καυσαέρια (λειτουργία ακροφυσίου) και τους δίνουν την κατάλληλη κατεύθυνση πριν τα κινητά πτερύγια

Κατηγορίες βαθμίδων στροβίλου: δράση, αντίδραση, συνδυασμός

Ερώτηση: Διακρίνετε τις βαθμίδες του στροβίλου ανάλογα με το ποσό της ενέργειας που μετατρέπεται στα σταθερά και τα κινητά πτερύγιά του.

Απάντηση:

• §2.7.1.2. «Μία βαθμίδα στροβίλου κατηγοριοποιείται ανάλογα με το ποσό της ενέργειας που μετατρέπεται στα σταθερά και τα κινητά πτερύγια. Διακρίνουμε: Το στρόβιλο δράσης ή σταθερής πίεσης (impulse turbine), Το στρόβιλο αντίδρασης (reaction turbine), και Το συνδυασμό τους (impulse - reaction turbine).»

Σύνοψη: Ανάλογα με το ποσό της ενέργειας που μετατρέπεται στα σταθερά και τα κινητά πτερύγια, οι βαθμίδες στροβίλου διακρίνονται σε: (1) στρόβιλο δράσης ή σταθερής πίεσης (impulse turbine), όπου τα σταθερά πτερύγια μετατρέπουν τη δυναμική ενέργεια των καυσαερίων σε κινητική και η πίεση στα κινητά πτερύγια παραμένει σχεδόν σταθερή· (2) στρόβιλο αντίδρασης (reaction turbine), όπου η εκτόνωση των καυσαερίων γίνεται τόσο στα σταθερά όσο και στα κινητά πτερύγια· και (3) συνδυασμό των δύο (impulse-reaction turbine), που είναι και η πρακτική που χρησιμοποιείται στους σύγχρονους αεροστροβίλους, με κινητά πτερύγια των οποίων η ρίζα έχει τη μορφή πτερυγίου δράσης και το ακροπτερύγιο τη μορφή πτερυγίου αντίδρασης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στρόβιλος δράσης (σταθερής πίεσης), στρόβιλος αντίδρασης, συνδυασμός των δύο

Μέθοδοι αντιμετώπισης των υψηλών θερμοκρασιών στις βαθμίδες του στροβίλου

Ερώτηση: Με ποιες μεθόδους καταπολεμώνται οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των βαθμιδών του στροβίλου;

Απάντηση:

• §2.7.2.1. «Ένας τρόπος για να αντιμετωπιστούν οι θερμικές διαστολές είναι η τοποθέτηση των σταθερών πτερυγίων με κάποια ανοχή στους δακτύλιους στήριξής τους... Ένας άλλος τρόπος αντιμετώπισης των θερμικών διαστολών είναι η τοποθέτηση των σταθερών πτερυγίων με συγκόλληση ή πείρους στους δακτυλίους ανά τμήματα (segments)... εφαρμόζεται η επικάλυψή τους με στρώμα θερμικής προστασίας (thermal coating).» §2.7.2.2. «Τα πτερύγια περνούν και από ειδική θερμική κατεργασία (heat treatment) μετά τη χύτευσή τους...» §2.7.3. «Η προστασία των σταθερών και των κινητών πτερυγίων του στροβίλου από τις υψηλές θερμοκρασίες των καυσαερίων επιτυγχάνεται, σε μεγάλο βαθμό με την ψύξη τους με αέρα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι πολύ υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας των βαθμίδων του στροβίλου αντιμετωπίζονται με συνδυασμό μεθόδων: τοποθέτηση των σταθερών πτερυγίων με ανοχή στους δακτυλίους στήριξής τους (ή ανά τμήματα/segments με συγκόλληση ή πείρους), ώστε να απορροφάται η θερμική διαστολή χωρίς θερμικά σοκ, ερπυσμό ή θερμική κόπωση· επικάλυψη της πρώτης σειράς σταθερών πτερυγίων με στρώμα θερμικής προστασίας (thermal coating, π.χ. κράμα νικελίου-αλουμινίου σε μορφή πούδρας)· χρήση ανθεκτικών χυτών κραμάτων νικελίου (με χρώμιο, κοβάλτιο, αλουμίνιο, τιτάνιο, μολυβδένιο) για τα κινητά πτερύγια, με ειδική θερμική κατεργασία (heat treatment) μετά τη χύτευση· και, κυριότερα, η ψύξη των σταθερών και κινητών πτερυγίων με αέρα από το συμπιεστή, μέσω διόδων στο εσωτερικό τους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανοχή/τμηματοποίηση δακτυλίων, θερμική επικάλυψη (thermal coating), ανθεκτικά κράματα με θερμική κατεργασία, ψύξη με αέρα από το συμπιεστή