Λύσεις — Ενότητα 3.12: Επιδόσεις των Κινητήρων Αντίδρασης (σελ. 367) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 3.12: Επιδόσεις των Κινητήρων Αντίδρασης

Λύσεις στις 5 ερωτήσεις της ενότητας 3.12: κριτήρια επίδοσης αεριοστρόβιλων και αξονοστρόβιλων κινητήρων (ώση έναντι ισχύος στον άξονα), τρόπος αύξησης της ώσης χωρίς μετάκαυση (ψεκασμός νερού — «υγρή» ώση απογείωσης), ορισμός και πλεονεκτήματα μικρής ειδικής κατανάλωσης καυσίμου (sfc), καταλληλότητα του στροβιλοαντιδραστήρα για μεγάλες ταχύτητες/ύψη (Σωστό/Λάθος), και εφαρμογές του αεριοστρόβιλου υψηλής παράκαμψης (turbofan) σε επιβατικά αεροσκάφη μεσαίας/υψηλής υποηχητικής ταχύτητας.

Κριτήρια επίδοσης αεριοστρόβιλων και αξονοστρόβιλων κινητήρων

Ερώτηση: Ποια είναι τα βασικά κριτήρια επίδοσης για τους αεριοστρόβιλους και ποια για τους αξονοστρόβιλους κινητήρες;

Απάντηση:

• §3.12 (εισαγωγή). «Το βασικό κριτήριο επίδοσης για έναν στροβιλοαντιδραστήρα είναι η ώση του, ενώ για έναν αξονοστρόβιλο ή ελικοστρόβιλο είναι η ισχύς που αναπτύσσεται στον άξονά του.» Άλλα κριτήρια που αναφέρονται είναι η ειδική κατανάλωση καυσίμου, ο λόγος ώσης-βάρους και η προωθητική απόδοση.

Σύνοψη: Το βασικό κριτήριο επίδοσης για έναν αεριοστρόβιλο κινητήρα τύπου στροβιλοαντιδραστήρα (turbojet) είναι η ώση (thrust) που παράγει, αφού η πρόωση επιτυγχάνεται αποκλειστικά μέσω της εκτόνωσης των καυσαερίων. Για έναν αξονοστρόβιλο κινητήρα (turboshaft) ή ελικοστρόβιλο (turboprop), όπου η ενέργεια του στροβίλου μετατρέπεται σε μηχανική περιστροφική κίνηση, το βασικό κριτήριο επίδοσης είναι η ισχύς (power) που αναπτύσσεται στον άξονά του. Επιπρόσθετα κριτήρια επίδοσης, κοινά και για τους δύο τύπους, είναι η ειδική κατανάλωση καυσίμου (sfc), ο λόγος ώσης προς βάρος του κινητήρα (power to weight ratio) και η προωθητική απόδοση (propulsive efficiency).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Στροβιλοαντιδραστήρας → ώση· αξονοστρόβιλος/ελικοστρόβιλος → ισχύς στον άξονα· κοινά κριτήρια: sfc, λόγος ώσης-βάρους, προωθητική απόδοση

Αύξηση ώσης χωρίς μετάκαυση — μέθοδος και πλεονέκτημα

Ερώτηση: Με ποιο τρόπο μπορεί να αυξηθεί η ώση ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα χωρίς τη χρήση μετάκαυσης και ποιο είναι το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου;

Απάντηση:

• §3.13.1.1 (Περιοχές λειτουργίας πολιτικών κινητήρων): «Λειτουργία “υγρής” ώσης απογείωσης – Take off thrust (Wet): Η λειτουργία αυτή αφορά κινητήρες που διαθέτουν σύστημα ψεκασμού νερού για την αύξηση της ώσης τους κατά τη διάρκεια της απογείωσης. Το σύστημα ψεκασμού νερού βρίσκεται σε λειτουργία και ο μοχλός ισχύος του κινητήρα σε θέση που καθορίζεται από δεδομένη πίεση εξόδου στροβίλου ή λόγου πίεσης κινητήρα.» Αντίστοιχα, η «στρατιωτική ώση» ορίζεται ως «η μέγιστη ώση που μπορεί να επιτευχθεί από τον κινητήρα χωρίς τη χρήση ψεκασμού νερού και μετάκαυσης».

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ώση ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα μπορεί να αυξηθεί χωρίς τη χρήση μετακαυστήρα (μετάκαυσης) με τη χρήση συστήματος ψεκασμού νερού (water injection) στον κινητήρα κατά τη διάρκεια της απογείωσης — η λεγόμενη «υγρή» ώση απογείωσης (Take off thrust, Wet), σε αντιδιαστολή με τη «ξηρή» ώση απογείωσης (Dry) που δεν χρησιμοποιεί ψεκασμό νερού. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι επιτρέπει σημαντική αύξηση της διαθέσιμης ώσης (κυρίως σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας περιβάλλοντος ή μεγάλου υψομέτρου/βάρους απογείωσης, όπου η απόδοση του κινητήρα μειώνεται) χωρίς την υπερβολική κατανάλωση καυσίμου, τη μηχανική καταπόνηση και την πολυπλοκότητα που συνεπάγεται η χρήση μετακαυστήρα — είναι μια απλούστερη και πιο οικονομική λύση, περιορισμένη χρονικά στη φάση της απογείωσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• «Υγρή» ώση απογείωσης (Wet) = ψεκασμός νερού, χωρίς μετάκαυση· πλεονέκτημα: αύξηση ώσης χωρίς το κόστος/καταπόνηση του μετακαυστήρα

Ορισμός ειδικής κατανάλωσης καυσίμου και πλεονεκτήματα μικρής sfc

Ερώτηση: Ποιος είναι ο ορισμός της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου; Ποια είναι τα πλεονεκτήματα ενός κινητήρα με μικρή ειδική κατανάλωση καυσίμου;

Απάντηση:

• §3.12.4. «Η ειδική κατανάλωση καυσίμου, sfc (specific fuel consumption), ορίζεται σαν η καταναλισκόμενη ποσότητα καυσίμου στη μονάδα του χρόνου ανά μονάδα παρεχόμενης ώσης. Οι μονάδες της sfc είναι τα kg/(s.N) στο S.I. (και συνηθέστερα kg/(h.N)) ή lbm/(h.lbf) στο αγγλοσαξονικό σύστημα μονάδων.»

Σύνοψη: Η ειδική κατανάλωση καυσίμου (sfc) ορίζεται ως η καταναλισκόμενη ποσότητα καυσίμου στη μονάδα του χρόνου ανά μονάδα παρεχόμενης ώσης, με μονάδες kg/(s·N) στο S.I. (συνηθέστερα kg/(h·N)) ή lbm/(h·lbf) στο αγγλοσαξονικό σύστημα. Ένας κινητήρας με μικρή sfc καταναλώνει λιγότερο καύσιμο για να παράγει την ίδια ώση σε σχέση με έναν κινητήρα μεγαλύτερης sfc. Τα πλεονεκτήματα ενός τέτοιου κινητήρα είναι: μεγαλύτερη εμβέλεια/αυτονομία πτήσης για το ίδιο φορτίο καυσίμου, μικρότερο απαιτούμενο βάρος καυσίμου (άρα δυνατότητα μεταφοράς μεγαλύτερου ωφέλιμου φορτίου ή μικρότερο συνολικό βάρος απογείωσης) και χαμηλότερο λειτουργικό/οικονομικό κόστος ανά πτήση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• sfc = κατανάλωση καυσίμου / (χρόνο × ώση), μονάδες kg/(h·N)· μικρή sfc → μεγαλύτερη εμβέλεια, λιγότερο καύσιμο, χαμηλότερο κόστος

Στροβιλοαντιδραστήρας για μικρές ταχύτητες/ύψη — Σωστό ή Λάθος

Ερώτηση: Ο στροβιλοαντιδραστήρας είναι ο πλέον κατάλληλος τύπος κινητήρα για πτήσεις με μικρές ταχύτητες και σε μικρά ύψη. ΣΩΣΤΟ Q ΛΑΘΟΣ Q

Απάντηση:

• §3.12.5. «Η απόδοση του στροβιλοαντιδραστήρα σε μεγάλες ταχύτητες και ύψη κάνουν αυτούς τους κινητήρες ιδανικούς για πτήσεις μεγάλων ταχυτήτων σε αυτά τα ύψη... Η μικρή του απόδοση σε χαμηλές ταχύτητες σημαίνει μεγάλο διάδρομο απογείωσης.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΛΑΘΟΣ. Ο στροβιλοαντιδραστήρας (turbojet) έχει, αντίθετα, μεγάλη απόδοση σε μεγάλες ταχύτητες και μεγάλα ύψη — γι' αυτό είναι ιδανικός για πτήσεις μεγάλων ταχυτήτων σε μεγάλα ύψη, όπου δικαιολογείται και το κόστος σε καύσιμο/χρόνο για την ανύψωσή του στο ύψος μέγιστης απόδοσης. Στις μικρές ταχύτητες η απόδοσή του είναι μικρή, γεγονός που απαιτεί μεγάλο διάδρομο απογείωσης — άρα δεν είναι ο κατάλληλος τύπος για πτήσεις μικρής ταχύτητας σε μικρό ύψος (για αυτές τις συνθήκες είναι καταλληλότερος ο ελικοστρόβιλος).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΛΑΘΟΣ — ο στροβιλοαντιδραστήρας είναι ιδανικός για μεγάλες ταχύτητες/ύψη, όχι για μικρές ταχύτητες/μικρά ύψη

Εφαρμογές αεριοστρόβιλου υψηλής παράκαμψης

Ερώτηση: Για ποιες εφαρμογές θα προτείνατε έναν αεριοστρόβιλο υψηλής παράκαμψης; Αιτιολογήστε την απάντησή σας.

Απάντηση:

• §3.12.5. «οι στροβιλοανεμιστήρες με μεγαλύτερο λόγο παράκαμψης, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε επιβατικά αεροσκάφη, λόγω μικρότερης ταχύτητας εξόδου καυσαερίων έχουν καλύτερη απόδοση σε μεσαίες έως υψηλές υποηχητικές ταχύτητες.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Έναν στροβιλοανεμιστήρα (turbofan) υψηλού λόγου παράκαμψης θα τον πρότεινα για εμπορικά/επιβατικά αεροσκάφη που πετούν σε μεσαίες έως υψηλές υποηχητικές ταχύτητες. Η αιτιολόγηση στηρίζεται στο ότι, λόγω του μεγάλου λόγου παράκαμψης, μεγάλο μέρος της παροχής αέρα διέρχεται από τον ανεμιστήρα χωρίς να περνά από τον πυρήνα καύσης, με αποτέλεσμα μικρότερη ταχύτητα εξόδου καυσαερίων· αυτό προσφέρει καλύτερη προωθητική απόδοση και χαμηλότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου στο συγκεκριμένο εύρος ταχυτήτων, σε σχέση τόσο με τον καθαρό στροβιλοαντιδραστήρα (πιο αποδοτικός μόνο σε πολύ μεγάλες ταχύτητες/ύψη) όσο και με τον ελικοστρόβιλο (αποδοτικός μόνο σε χαμηλές/μεσαίες ταχύτητες, με απόδοση που πέφτει δραστικά πάνω από τα ~550 km/h). Επιπλέον πλεονεκτήματα είναι η χαμηλότερη στάθμη θορύβου και η μεγαλύτερη οικονομία καυσίμου σε μεγάλης διάρκειας πτήσεις — γι' αυτό χρησιμοποιείται ευρέως σε επιβατικά/μεταφορικά αεροσκάφη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Turbofan υψηλού λόγου παράκαμψης → επιβατικά αεροσκάφη, μεσαίες/υψηλές υποηχητικές ταχύτητες, καλύτερη προωθητική απόδοση/sfc λόγω μικρότερης ταχύτητας εξόδου καυσαερίων