Λύσεις — Ενότητα 2.8: Εξαγωγή (σελ. 379) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.8: Εξαγωγή

Δέκα ερωτήσεις για το σύστημα εξαγωγής των αεριοστρόβιλων κινητήρων: τη χρησιμότητα και τη λειτουργία του συστήματος εξαγωγής, τα τρία βασικά εξαρτήματά του (κώνος, αγωγός, ακροφύσιο εξαγωγής), τους αποκλίνοντες αγωγούς εξαγωγής των αξονοστρόβιλων κινητήρων, τη θέση μέτρησης της θερμοκρασίας εξαγωγής καυσαερίων (EGT), τη λειτουργία του συγκλίνοντος ακροφυσίου και τη χρησιμότητα των ακροφυσίων μεταβλητής διατομής και μεταβλητής διεύθυνσης εξαγωγής.

Χρησιμότητα του συστήματος εξαγωγής

Ερώτηση: Ποια είναι η χρησιμότητα του συστήματος εξαγωγής στον αεριοστρόβιλο κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.8. «Το σύστημα εξαγωγής στους αεροστρόβιλους οδηγεί τα καυσαέρια, μετά την τελευταία κινητή βαθμίδα του στροβίλου στην ατμόσφαιρα... Συνεπώς το σύστημα εξαγωγής σε έναν στροβιλοαντιδραστήρα, έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων στην έξοδο... Αντίθετα, σε έναν ελικοφόρο στροβιλοαντιδραστήρα... η βασική λειτουργία του συστήματος εξαγωγής, είναι να οδηγήσει τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα, με τη μικρότερη δυνατή ταχύτητα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σύστημα εξαγωγής οδηγεί τα καυσαέρια, μετά την τελευταία κινητή βαθμίδα του στροβίλου, στην ατμόσφαιρα. Ο ρόλος του διαφέρει ανάλογα με τον τύπο κινητήρα: σε έναν στροβιλοαντιδραστήρα στοχεύει στη μεγιστοποίηση της κινητικής ενέργειας (ταχύτητας) των καυσαερίων στην έξοδο, με αντίστοιχη μείωση της πίεσής τους στα επίπεδα της ατμοσφαιρικής, ώστε να παράγεται ώση· σε έναν ελικοφόρο στροβιλοαντιδραστήρα, όπου η ώση δεν παράγεται από την εξαγωγή αλλά από την εκτόνωση στις βαθμίδες του στροβίλου, η βασική λειτουργία της εξαγωγής είναι απλώς να οδηγήσει τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα με τη μικρότερη δυνατή ταχύτητα. Επιπλέον, το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής επηρεάζουν τη θερμοκρασία εισαγωγής του στροβίλου (TIT), την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα και την τελική ώση του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Οδηγεί τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα· σε στροβιλοαντιδραστήρα μεγιστοποιεί την ταχύτητα εξόδου (ώση), σε ελικοφόρο ελαχιστοποιεί την ταχύτητα εξόδου

Επίδραση σχήματος/μεγέθους εξαγωγής στην πίεση (Σ/Λ)

Ερώτηση: Το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής δεν επηρεάζουν την πίεση του ρεύματος καυσαερίων που εξωθούνται στην ατμόσφαιρα.

ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §2.8. «Το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής, επηρεάζουν τόσο τη θερμοκρασία εισαγωγής των καυσαερίων στο στρόβιλο... την ποσότητα του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και φυσικά την πίεση και την ταχύτητα του ρεύματος καυσαερίων, που εξωθούνται στην ατμόσφαιρα.»

Σύνοψη: ΛΑΘΟΣ. Το σχήμα και το μέγεθος της εξαγωγής επηρεάζουν άμεσα την πίεση (και την ταχύτητα) του ρεύματος καυσαερίων που εξωθούνται στην ατμόσφαιρα, καθώς και τη θερμοκρασία εισαγωγής του στροβίλου (TIT) και την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα. Η αναπτυσσόμενη ώση καθορίζεται, σε ένα βαθμό, από τη διαμόρφωση της εξαγωγής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Λάθος: το σχήμα/μέγεθος της εξαγωγής επηρεάζει την πίεση, την ταχύτητα και την TIT

Βασικά εξαρτήματα του συστήματος εξαγωγής

Ερώτηση: Αναφέρετε τα βασικά εξαρτήματα του συστήματος εξαγωγής και τη λειτουργία τους.

Απάντηση:

• §2.8. «Ένα τυπικό σύστημα εξαγωγής καυσαερίων περιλαμβάνει τρία βασικά συγκροτήματα: τον κώνο εξαγωγής (exhaust cone), τον αγωγό εξαγωγής (exhaust duct ή jet pipe ή tailpipe), το ακροφύσιο εξαγωγής (exhaust nozzle).»

Σύνοψη: Ένα τυπικό σύστημα εξαγωγής περιλαμβάνει τρία βασικά εξαρτήματα: τον κώνο εξαγωγής (exhaust cone), ο οποίος διαμορφώνει το ρεύμα καυσαερίων και προστατεύει τα τελευταία τμήματα του άξονα του στροβίλου· τον αγωγό εξαγωγής (exhaust duct/jet pipe/tailpipe), ο οποίος οδηγεί τα καυσαέρια στο ακροφύσιο ή απευθείας στην ατμόσφαιρα· και το ακροφύσιο εξαγωγής (exhaust nozzle), το οποίο καθορίζει την ταχύτητα εξόδου των καυσαερίων από τον κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κώνος εξαγωγής (διαμόρφωση ροής/προστασία άξονα) - αγωγός εξαγωγής (οδήγηση καυσαερίων) - ακροφύσιο εξαγωγής (καθορισμός ταχύτητας εξόδου)

Αποκλίνοντες αγωγοί αξονοστρόβιλου μετά το συγκλίνον τμήμα

Ερώτηση: Για ποιο λόγο οι αγωγοί εξαγωγής του αξονοστρόβιλου κινητήρα είναι αποκλίνοντες στο τελευταίο τμήμα τους μετά το συγκλίνον τμήμα;

Απάντηση:

• §2.8.2. «Στην περίπτωση των αξονοστρόβιλων, το ρεύμα εξαγωγής των καυσαερίων δεν πρέπει να παρέχει ώση, μια και κάτι τέτοιο θα προκαλούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου. Οι αγωγοί εξαγωγής είναι αποκλίνοντες, έτσι ώστε να εκμηδενίζεται η ώση, την οποία μπορούν να αποδώσουν τα καυσαέρια.»

Σύνοψη: Στους αξονοστρόβιλους (turboshaft) κινητήρες το ρεύμα εξαγωγής δεν πρέπει να παράγει ώση, γιατί κάτι τέτοιο θα δημιουργούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου (η ώση δεν χρειάζεται, αφού όλη η ισχύς παράγεται μηχανικά μέσω του άξονα προς το ρότορα). Το αποκλίνον τελικό τμήμα του αγωγού επιβραδύνει τη ροή μετά το αρχικό συγκλίνον τμήμα, ώστε να εκμηδενίζεται η ώση που θα μπορούσαν να αποδώσουν τα εξερχόμενα καυσαέρια.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ώστε να μηδενίζεται η ώση εξαγωγής, που θα δημιουργούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου

Συμπλήρωση κενού: απώλειες αγωγού εξαγωγής

Ερώτηση: Συμπληρώστε το κενό: Η χρήση αγωγού εξαγωγής προκαλεί απώλειες στην ………... των καυσαερίων εξαιτίας των τριβών με τα τοιχώματα.

Απάντηση:

• §2.8.2. «Η χρήση αγωγού εξαγωγής προκαλεί απώλειες στην πίεση των καυσαερίων εξαιτίας των τριβών με τα τοιχώματα.»

Σύνοψη: Η σωστή λέξη είναι «πίεση»: η χρήση αγωγού εξαγωγής προκαλεί απώλειες στην πίεση των καυσαερίων εξαιτίας των τριβών με τα τοιχώματα του αγωγού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Απώλειες στην πίεση των καυσαερίων

Θέση θερμοστοιχείων μέτρησης EGT

Ερώτηση: Σε ποιο σημείο τοποθετούνται, συνήθως, τα θερμοστοιχεία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εξαγωγής καυσαερίων (Exhaust Gas Temperature - EGT).

Απάντηση:

• §2.8.2. «Στο αρχικό τμήμα του αγωγού εξαγωγής, συνήθως μετά τις αντηρίδες, τοποθετούνται θερμοστοιχεία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εξαγωγής καυσαερίων (Exhaust Gas Temperature - EGT).»

Σύνοψη: Τα θερμοστοιχεία μέτρησης της EGT τοποθετούνται στο αρχικό τμήμα του αγωγού εξαγωγής, συνήθως αμέσως μετά τις αντηρίδες του κώνου εξαγωγής.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στο αρχικό τμήμα του αγωγού εξαγωγής, συνήθως μετά τις αντηρίδες

Αποκλίνοντες αγωγοί αξονοστρόβιλου

Ερώτηση: Για ποιο λόγο οι αγωγοί εξαγωγής του αξονοστρόβιλου κινητήρα είναι αποκλίνοντες;

Απάντηση:

• §2.8.2. «Στην περίπτωση των αξονοστρόβιλων, το ρεύμα εξαγωγής των καυσαερίων δεν πρέπει να παρέχει ώση, μια και κάτι τέτοιο θα προκαλούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου. Οι αγωγοί εξαγωγής είναι αποκλίνοντες, έτσι ώστε να εκμηδενίζεται η ώση, την οποία μπορούν να αποδώσουν τα καυσαέρια.»

Σύνοψη: Οι αγωγοί εξαγωγής των αξονοστρόβιλων κινητήρων είναι αποκλίνοντες ώστε να εκμηδενίζεται η ώση που θα μπορούσαν να αποδώσουν τα καυσαέρια, αφού στους κινητήρες αυτούς το ρεύμα εξαγωγής δεν πρέπει να παρέχει ώση (κάτι τέτοιο θα προκαλούσε πρόβλημα στη λειτουργία του ελικοπτέρου).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Για να εκμηδενίζεται η ώση εξαγωγής, η οποία θα δημιουργούσε πρόβλημα στο ελικόπτερο

Συμπλήρωση κενών: συγκλίνον ακροφύσιο

Ερώτηση: Συμπληρώστε τα κενά: Στην περίπτωση συγκλίνοντος ακροφυσίου εξαγωγής η ταχύτητα των καυσαερίων ……………, ενώ η πίεσή τους ……………..

Απάντηση:

• §2.8.3.1. «Στην περίπτωση συγκλίνοντος ακροφυσίου (convergent nozzle - μείωση διατομής), η ταχύτητα των καυσαερίων αυξάνεται, ενώ η πίεσή τους μειώνεται.»

Σύνοψη: Οι σωστές λέξεις είναι «αυξάνεται» και «μειώνεται»: στο συγκλίνον ακροφύσιο η ταχύτητα των καυσαερίων αυξάνεται, ενώ η πίεσή τους μειώνεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ταχύτητα: αυξάνεται· πίεση: μειώνεται

Χρησιμότητα ακροφυσίων μεταβλητής διατομής

Ερώτηση: Για ποιο λόγο χρησιμοποιούνται τα ακροφύσια μεταβλητής διατομής;

Απάντηση:

• §2.8.3.2. «Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται η επιτάχυνση της ροής στο ακροφύσιο, ενώ ο τρόπος μεταβολής της διατομής του ακροφυσίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των επιδόσεων του κινητήρα... Ως εκ τούτου χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη που πετούν σε υψηλούς αριθμούς Mach.»

Σύνοψη: Τα ακροφύσια μεταβλητής διατομής χρησιμοποιούνται γιατί, μεταβάλλοντας τη διατομή εξόδου των καυσαερίων, ελέγχεται η επιτάχυνση της ροής στο ακροφύσιο, με τρόπο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των επιδόσεων του κινητήρα σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Παρόλο που επιβαρύνουν τον κινητήρα ως προς την πολυπλοκότητα σχεδίασης και το βάρος, χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη που πετούν σε υψηλούς αριθμούς Mach.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ελέγχουν την επιτάχυνση της ροής και βελτιώνουν τις επιδόσεις σε αεροσκάφη υψηλών αριθμών Mach

Ακροφύσια μεταβλητής διεύθυνσης και μήκος διαδρόμου

Ερώτηση: Γιατί η χρήση ακροφυσίων μεταβλητής διεύθυνσης εξαγωγής επιτρέπει τη μείωση του μήκους του διαδρόμου κατά την απογείωση και την προσγείωση του αεροσκάφους που χρησιμοποιεί αεριοστρόβιλο κινητήρα;

Απάντηση:

• §2.8.3.3. «Τα ακροφύσια αυτά... επιτρέπουν αφενός την μεταβολή της διεύθυνσης εξόδου ή και την αναστροφή των καυσαερίων από τον κινητήρα και αφετέρου τη μεταβολή της επιφάνειας εξόδου κατά τη λειτουργία της μετάκαυσης. Επιτυγχάνεται, έτσι, ουσιαστική μείωση του μήκους του διαδρόμου κατά την απογείωση και την προσγείωση αλλά και αυξημένες δυνατότητες ελιγμών σε μεγάλους αριθμούς Mach.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα ακροφύσια μεταβλητής διεύθυνσης εξαγωγής (thrust vectoring nozzles) επιτρέπουν τη μεταβολή της διεύθυνσης εξόδου των καυσαερίων ή και την αναστροφή τους. Κατευθύνοντας τη ροή των καυσαερίων προς τα εμπρός ή προς άλλη κατεύθυνση (αντί απλώς προς τα πίσω), μπορεί να παραχθεί πρόσθετη επιβραδυντική δύναμη κατά την προσγείωση ή αυξημένη ανυψωτική/επιταχυντική συνιστώσα κατά την απογείωση, με αποτέλεσμα το αεροσκάφος να χρειάζεται μικρότερο μήκος διαδρόμου για να προσγειωθεί ή να απογειωθεί με ασφάλεια. Παράλληλα, η δυνατότητα αυτή προσφέρει και αυξημένες δυνατότητες ελιγμών σε μεγάλους αριθμούς Mach.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Η μεταβολή/αναστροφή της κατεύθυνσης εξαγωγής παράγει πρόσθετη ώση επιβράδυνσης ή ανύψωσης, μειώνοντας το απαιτούμενο μήκος διαδρόμου