Λύσεις — Ενότητα 3.5: Σύστημα Ψύξης (σελ. 363) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 3.5: Σύστημα Ψύξης

Λύσεις στις 5 ερωτήσεις της ενότητας 3.5: λόγοι χρήσης συστήματος ψύξης στους αεριοστρόβιλους κινητήρες, μέθοδοι ψύξης σταθερών και κινητών πτερυγίων στροβίλου (εσωτερική ψύξη μέσω αγωγών και film cooling), προϋπόθεση λειτουργίας της ψύξης με οπές, ο λόγος απαίτησης όσο το δυνατόν μεγαλύτερης θερμοκρασίας εισαγωγής στροβίλου, και η αναγκαιότητα ψύξης των δίσκων στροβίλου για αποφυγή ερπυσμού.

Λόγοι χρήσης συστήματος ψύξης και σύγκριση με εμβολοφόρο

Ερώτηση: Αναφέρατε τους λόγους που χρησιμοποιείται το σύστημα ψύξης στους αεριοστρόβιλους κινητήρες. Ποιος παράγοντας συμβάλλει στην αύξηση της θερμοκρασίας του αεριοστρόβιλου κινητήρα σε σχέση με τον εμβολοφόρο;

Απάντηση:

• §3.5. «...για να λειτουργήσει αποδοτικά ένας κινητήρας και να παράγει το μέγιστο έργο με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση καυσίμου θα πρέπει να λειτουργεί με τη μεγαλύτερη δυνατή θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου... η θερμοκρασία των καυσαερίων σε αυτά πλησιάζει ή και υπερβαίνει τη θερμοκρασία τήξης των μετάλλων κατασκευής τους. Για το λόγο αυτό είναι προφανής η αναγκαιότητα ψύξης ευαίσθητων περιοχών και εξαρτημάτων ενός αεριοστρόβιλου κινητήρα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Το σύστημα ψύξης χρησιμοποιείται στους αεριοστρόβιλους κινητήρες γιατί, για να λειτουργήσουν αποδοτικά και να παράγουν το μέγιστο έργο με την ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου, πρέπει να λειτουργούν με τη μεγαλύτερη δυνατή θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου. Η θερμοκρασία αυτή όμως δεν μπορεί να αυξάνεται απεριόριστα, γιατί η θερμοκρασία των καυσαερίων στο θάλαμο καύσης και στα σταθερά πτερύγια της πρώτης βαθμίδας στροβίλου πλησιάζει ή και υπερβαίνει τη θερμοκρασία τήξης των μετάλλων κατασκευής τους — άρα είναι απαραίτητη η ψύξη των ευαίσθητων αυτών εξαρτημάτων, ώστε να μπορεί ο κινητήρας να λειτουργεί όσο το δυνατόν πιο κοντά στη βέλτιστη θερμοκρασία απόδοσης χωρίς να καταστρέφονται τα υλικά του. Σε σχέση με τον εμβολοφόρο κινητήρα, ο παράγοντας που συμβάλλει στην αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας του αεριοστρόβιλου είναι η συνεχής (και όχι διακοπτόμενη) διαδικασία καύσης: στον αεριοστρόβιλο η καύση είναι αδιάλειπτη, οπότε τα θερμά τμήματα (θάλαμος καύσης, πτερύγια πρώτης βαθμίδας) εκτίθενται συνεχώς σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες καυσαερίων, ενώ στον εμβολοφόρο κινητήρα η καύση είναι περιοδική και τα εξαρτήματα δεν παραμένουν συνεχώς στη μέγιστη θερμοκρασία καύσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ψύξη απαραίτητη γιατί η μέγιστη απόδοση απαιτεί μέγιστη θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου, κοντά στο όριο τήξης των υλικών· η συνεχής (όχι διακοπτόμενη) καύση του αεριοστρόβιλου εκθέτει τα εξαρτήματα συνεχώς σε υψηλές θερμοκρασίες

Μέθοδοι ψύξης σταθερών και κινητών πτερυγίων στροβίλου

Ερώτηση: Αναφέρατε τις μεθόδους ψύξης των σταθερών και κινητών πτερυγίων του στροβίλου των αεριοστρόβιλων κινητήρων.

Απάντηση:

• §3.5.2. «Η ψύξη πραγματοποιείται με μεταφορά θερμότητας, από τον αέρα που διοχετεύεται από τον συμπιεστή του κινητήρα... Αυτά ψύχονται μέσω αγωγών οι οποίοι σχηματίζονται με μηχανουργική κατεργασία κατά μήκος του εσωτερικού τους, από τη ρίζα έως το άκρο τους... κατασκευάστηκαν πτερύγια με οπές, οι οποίες επιτρέπουν τη ροή του αέρα που περνάει στο εσωτερικό του πτερυγίου προς την εξωτερική επιφάνειά του... (film cooling).»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι μέθοδοι ψύξης των πτερυγίων του στροβίλου (σταθερών και κινητών) είναι δύο: 1) Η εσωτερική ψύξη μέσω αγωγών: το πτερύγιο διαθέτει αγωγούς που σχηματίζονται με μηχανουργική κατεργασία κατά μήκος του εσωτερικού του, από τη ρίζα έως το άκρο, μέσα από τους οποίους περνά αέρας ψύξης από το συμπιεστή· η θερμότητα μεταφέρεται από τα εξωτερικά τοιχώματα (σε επαφή με τα καυσαέρια) στα εσωτερικά τοιχώματα (σε επαφή με τον αέρα ψύξης) και αποβάλλεται στο ρεύμα καυσαερίων. 2) Η ψύξη με φιλμ αέρα (film cooling): το πτερύγιο διαθέτει οπές που επιτρέπουν στον αέρα του εσωτερικού του να ρέει προς την εξωτερική επιφάνεια, δημιουργώντας ένα προστατευτικό στρώμα αέρα που εμποδίζει την άμεση επαφή του ρεύματος καυσαερίων με την επιφάνεια του πτερυγίου. Στα σταθερά πτερύγια (vanes) ο αέρας διοχετεύεται στη ρίζα ή στο άκρο τους μέσω διόδων από το περίβλημα του συμπιεστή, ενώ στα κινητά πτερύγια η μοναδική δίοδος εισόδου είναι από τη ρίζα τους.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Δύο μέθοδοι: (1) εσωτερική ψύξη μέσω αγωγών ρίζα-άκρο με μεταφορά θερμότητας, (2) film cooling μέσω οπών που δημιουργούν προστατευτικό στρώμα αέρα

Προϋπόθεση λειτουργίας πτερυγίων με οπές ψύξης

Ερώτηση: Ποια είναι η βασική προϋπόθεση για να λειτουργήσει ο μηχανισμός ψύξης των πτερυγίων τα οποία διαθέτουν οπές ψύξης στην επιφάνεια τους;

Απάντηση:

• §3.5.2. «Είναι ευνόητο, ότι για να λειτουργήσει αυτός ο τρόπος ψύξης θα πρέπει η πίεση του αέρα ψύξης να είναι μεγαλύτερη από την πίεση των καυσαερίων, εξασφαλίζοντας ροή από το εσωτερικό του πτερυγίου προς το ρεύμα των καυσαερίων και όχι αντίθετα.»

Σύνοψη: Η βασική προϋπόθεση είναι η πίεση του αέρα ψύξης να είναι μεγαλύτερη από την πίεση των καυσαερίων. Μόνο έτσι εξασφαλίζεται ότι η ροή του αέρα κατευθύνεται πάντα από το εσωτερικό του πτερυγίου προς το ρεύμα των καυσαερίων (δημιουργώντας το προστατευτικό στρώμα αέρα στην εξωτερική επιφάνεια) και όχι αντίστροφα — γιατί αν η πίεση των καυσαερίων ήταν μεγαλύτερη, τα καυσαέρια θα εισχωρούσαν μέσα στο πτερύγιο, καταστρέφοντας τον μηχανισμό ψύξης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πίεση αέρα ψύξης > πίεση καυσαερίων, ώστε η ροή να γίνεται από το εσωτερικό του πτερυγίου προς τα καυσαέρια

Λόγος απαίτησης μεγαλύτερης θερμοκρασίας εισαγωγής στροβίλου

Ερώτηση: Ποιος είναι ο λόγος που απαιτείται η μεγαλύτερη επιτρεπόμενη θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου στους αεριοστρόβιλους κινητήρες;

Απάντηση:

• §3.5. «...για να λειτουργήσει αποδοτικά ένας κινητήρας και να παράγει το μέγιστο έργο με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση καυσίμου θα πρέπει να λειτουργεί με τη μεγαλύτερη δυνατή θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου.»

Σύνοψη: Ο λόγος είναι η απόδοση του κινητήρα: όσο μεγαλύτερη είναι η επιτρεπόμενη θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου, τόσο πιο αποδοτικά λειτουργεί ο κινητήρας, παράγοντας το μέγιστο δυνατό έργο με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση καυσίμου. Γι' αυτό οι κατασκευαστές επιδιώκουν να αυξήσουν όσο το δυνατόν περισσότερο τη μέγιστη επιτρεπόμενη θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας συστήματα ψύξης που προστατεύουν τα εξαρτήματα του θερμού τμήματος από την τήξη.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μεγαλύτερη θερμοκρασία εισαγωγής στροβίλου → μέγιστο έργο με ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου, δηλαδή μεγαλύτερη απόδοση

Αναγκαιότητα ψύξης δίσκων στροβίλου

Ερώτηση: Είναι απαραίτητη η ψύξη των δίσκων του στροβίλου και για ποιο λόγο;

Απάντηση:

• §3.5.2. «Δίσκοι στροβίλου: Οι δίσκοι του στροβίλου είναι ένα επιπλέον εξάρτημα του κινητήρα που απαιτεί ψύξη. Οι δυνάμεις που δέχεται λόγω της περιστροφής του με υψηλές ταχύτητες σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες... προκαλούν ερπυσμό, φαινόμενο που δημιουργεί αύξηση των διαστάσεων του δίσκου και μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες δεδομένου του πολύ μικρού διάκενου που έχουν τα άκρα των πτερυγίων με το περίβλημα.»

Σύνοψη: Ναι, η ψύξη των δίσκων του στροβίλου είναι απαραίτητη. Οι δυνάμεις που δέχεται ο δίσκος λόγω της περιστροφής του με υψηλές ταχύτητες, σε συνδυασμό με τις υψηλές θερμοκρασίες στις οποίες υπόκειται, προκαλούν ερπυσμό — δηλαδή σταδιακή αύξηση των διαστάσεών του. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να έχει καταστροφικές συνέπειες, δεδομένου του πολύ μικρού διάκενου που υπάρχει ανάμεσα στα άκρα των πτερυγίων και το περίβλημα του στροβίλου· χωρίς επαρκή ψύξη, η αύξηση διαστάσεων θα μπορούσε να οδηγήσει σε τριβή/επαφή πτερυγίων-περιβλήματος και βλάβη του κινητήρα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ναι — απαραίτητη για αποφυγή ερπυσμού (αύξηση διαστάσεων δίσκου) που θα προκαλούσε τριβή πτερυγίων-περιβλήματος λόγω του πολύ μικρού διάκενου