cap3

114
265 Capitolul 3. MOTOARE AEROPROPULSOARE 3.1. Motorul motopropulsor Motorul motopropulsor reprezintă un sistem de propulsie aerian cu comprimare mecanică a fluidului ce are în componenŃă un motor cu piston şi una sau mai multe elici. Motorul motopropulsor este sistemul de propulsie care a apărut după motorul rachetă. Acest tip de motor echipează avioane mici sau avioane speciale. Puterile efective realizate sunt în intervalul P ef =(30–1500) kW. Consumul specific efectiv de combustibil este de aproximativ c sp ef =(0.2–0.3) kg/kWh. Din punct de vedere al consumului de combustibil este cel mai economic, iar din punct de vedere tehnologic reprezintă una dintre cele mai complexe soluŃii constructive. Motorul motopropulsor este folosit în prezent şi se va utiliza cu succes şi în viitor. 3.1.1. Scurt istoric al motopropulsorului Cele mai importante momente ale istoriei motorului cu piston de aviaŃie sunt:

Upload: michelle-concorde

Post on 29-Jun-2015

305 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: cap3

265

C a p i t o l u l 3 .

MOTOARE AEROPROPULSOARE

3.1. Motorul motopropulsor Motorul motopropulsor reprezintă un sistem de propulsie aerian cu

comprimare mecanică a fluidului ce are în componenŃă un motor cu piston şi

una sau mai multe elici.

Motorul motopropulsor este sistemul de propulsie care a apărut după

motorul rachetă.

Acest tip de motor echipează avioane mici sau avioane speciale.

Puterile efective realizate sunt în intervalul Pef=(30–1500) kW.

Consumul specific efectiv de combustibil este de aproximativ

csp ef=(0.2–0.3) kg/kWh.

Din punct de vedere al consumului de combustibil este cel mai

economic, iar din punct de vedere tehnologic reprezintă una dintre cele mai

complexe soluŃii constructive.

Motorul motopropulsor este folosit în prezent şi se va utiliza cu succes

şi în viitor.

3.1.1. Scurt istoric al motopropulsorului

Cele mai importante momente ale istoriei motorului cu piston de

aviaŃie sunt:

Page 2: cap3

266

– 1889, motorul rotativ inventat de Hargrave;

– 1903, motorul Wright, de 9 kW;

– 1908, Rateau inventează supraalimentarea folosind un

turbocompresor;

– 1910, se utilizează motorul rotativ de 75 kW;

– 1920, motorul staŃionar răcit cu apă;

– 1920, primul motor supraalimentat, produs de General Electric;

– 1925–1935, motorul staŃionar răcit cu aer;

– 1930, în Germania se utilizează primul motor Diesel;

– 1950, Napier construieşte primul motor turbo–Diesel;

– 1989, motorul rotativ Wankel.

3.1.2. GeneralităŃi

Motoarele cu ardere internă în patru timpi pot fi cu:

1. Aprindere prin scânteie;

2. Aprindere prin compresie.

Motoarele cu aprindere prin scânteie se caracterizează prin greutate

specifică scăzută, fiabilitate ridicată, consum specific de combustibil scăzut,

supleŃe în funcŃionare şi exploatare.

Dezavantajele acestui motor sunt următoarele:

–Motorul utilizează combustibili bine precizaŃi din punct de

vedere chimic şi caloric cu cifra octanică mare;

–Puterea motorului este limitată.

Din punct de vedere al utilizării, motoarele cu aprindere prin scânteie

sunt cele mai folosite în aviaŃie, în timp ce motoarele cu aprindere prin

compresie, datorită greutăŃii specifice ridicate, sunt puŃin utilizate în aviaŃie.

Page 3: cap3

267

Motoarele cu aprindere prin scânteie, din punct de vedere al

mărimii presiunii de aspiraŃie, se clasifică în:

–Motoare cu admisie (aspiraŃie) naturală;

–Motoare cu admisie forŃată, care se mai numesc şi motoare

supraalimentate.

3.1.2.1. PărŃile componente şi schema de principiu a

motorului cu piston supraalimentat

Sistemele componente ale unui motor supraalimentat sunt cele din

figura nr. 3.1. În figură cifrele reprezintă:

1 2 3 15 16

18

1714548 6

9

7

13

12 11 10 II

VIIIII VIIIIVVI V

I

PMI

PME

Fig. 3.1

I. Blocul cilindrilor;

II. Mecanismul bielă-manivelă;

III. Mecanismul de distribuŃie alcătuit din

Page 4: cap3

268

–Supape de admisie (4);

–Supape de evacuare (5);

–Culbutori;

–Discul cu came;

–Tija culbutorilor;

–TacheŃi.

IV. InstalaŃia de aprindere formată din două bujii pe fiecare

cilindru;

V. InstalaŃia de alimentare cu combustibil formată din:

–Clapeta de acceleraŃie (6);

–Regulator de amestec proaspăt ce realizează corecŃia

amestecului în funcŃie de înălŃimea de zbor (7);

–Maneta de gaze (8);

–Maneta de comandă a instalaŃiei de corecŃie cu înălŃimea

(9);

VI. InstalaŃia de supraalimentare, care cuprinde :

–Cutia de viteze (10);

–Compresorul centrifugal (11);

–Clapeta de forŃaj (12) prin care se păstrează presiunea

constantă la ieşirea din compresor;

–Regulatorul de presiune (13).

Compresorul centrifugal are raportul de comprimare *cπ =3÷3.5. În

general, presiunea pe care compresorul trebuie să o asigure, în cilindru, este

Page 5: cap3

269

de (1.5÷2) bari şi trebuie să rămână constantă până la o anumită înălŃime de

zbor. Această înălŃime se numeşte înălŃime de restabilire. Până la această

înălŃime puterea motorului creşte continuu şi apoi devine maximă.

În general, înălŃimea de restabilire este H=(5÷6) km. Când s-a atins

această înălŃime, clapeta devine orizontală, compresorul lucrând cu un *cπ

maxim.

Compresorul este antrenat de motor prin intermediul cutiei de viteze

care poate să asigure de la una până la patru trepte de turaŃii. El poate, astfel,

asigura a II–a, a III–a, a IV–a înălŃime de restabilire. Aceasta joacă rol de

multiplicator de turaŃie putând atinge un raport de multiplicare de 6÷12.

Compresorul centrifugal poate fi antrenat mecanic de arborele cotit

(“motor supraalimentat cu compresor acŃionat mecanic”) sau de o turbină de

gaze (“motor supraalimentat cu turbocompresor”).

Chiar dacă sistemul de supraalimentare este cu turbocompresor există,

în general, şi un al doilea compresor centrifugal acŃionat mecanic.

VII. Sistemul de propulsie compus din:

–Reductorul de turaŃie (15) care asigură un grad de

demultiplicare între 2÷5;

–Sistemul de modificare al pasului elicei (16);

–Maneta de modificare a pasului elicei (17);

–Elicea (18).

VIII. Sistemul de evacuare are în componenŃă:

–Conductele de evacuare;

–Sistemul de accelerare a fluidului de lucru prin care energia

potenŃială a gazelor se transformă în energie cinetică. Poate rezulta, în

Page 6: cap3

270

final,şi o forŃă de reacŃie.

3.1.2.2. Principiul de funcŃionare

La cursa pistonului de la PMI la PME, în cilindrul motorului se

realizează o depresiune pronunŃată. Aceasta face ca, în condiŃiile în care

supapele de aspiraŃie sunt deschise, amestecul de aer şi vapori de

combustibil să pătrundă în cilindru.

Aerul necesar formării amestecului este refulat la presiunea

(1.5÷2) bari de sistemul de supraalimentare.

Deoarece priza de aspiraŃie a motorului se află pe direcŃia de deplasare

a avionului se foloseşte şi presiunea dinamică a aerului.

În cursa de la PME la PMI supapele sunt închise, fluidul de lucru fiind

supus procesului de comprimare.

Cu puŃin înainte ca pistonul să ajungă în PMI se declanşează scânteia

electrică, realizându-se aprinderea şi arderea amestecului combustibil,

procese care durează şi după ce pistonul ajunge în PMI.

Totuşi, se poate considera că procesul de ardere se realizează la volum

constant.

Presiunea realizată prin arderea amestecului proaspăt, acŃionează

asupra pistonului care se deplasează de la PMI la PME şi, ca urmare, gazele

se destind.

Deplasarea pistonului face să se rotească arborele cotit şi energia prelevată

se transmite o parte elicei şi o parte sistemului de supraalimentare.

Cu puŃin înainte ca pistonul să ajungă în PME se deschid supapele de

Page 7: cap3

271

evacuare începând procesul de evacuare a gazelor arse.

Această evoluŃie de evacuare liberă se continuă cu evoluŃia de

evacuare forŃată a gazelor de ardere datorită cursei pistonului de la PME la

PMI.

Înainte ca pistonul să ajungă în PMI se deschid supapele de admisie şi

ciclul se repetă.

3.1.3. Clasificarea motoarelor cu piston de aviaŃie

1. După principiul de funcŃionare acestea pot fi:

a. Cu aprindere prin scânteie care se caracterizează prin faptul

că, după închiderea supapei de admisie amestecul proaspăt, alcătuit din aer

şi combustibil, este aprins prin intermediul unei scântei;

b. Cu aprindere prin compresie care are caracteristic faptul că, în

urma procesului de admisie şi comprimare, la care este supus numai aerul

curat, se ating o presiune suficient de mare şi o temperatură ridicată la care

combustibilul, injectat în camera de ardere, se aprinde.

Aceste motoare au un mare avantaj întrucât pot folosi, drept

combustibili, fracŃiuni grele obŃinute din distilarea petrolului. Combustibilul

greu se înmagazinează mult mai bine adică, în acelaşi volum se acumulează

o cantitate mai mare.

Ca dezavantaje se menŃionează următoarele:

–Presiunea necesară aprinderii amestecului este relativ mare;

–Piesele motorului sunt solicitate termic şi mecanic, deci

motorul este mai greu, ceea ce îl face puŃin utilizat în aviaŃie.

După durata ciclului motor, motoarele cu piston sunt:

Page 8: cap3

272

a. În patru timpi, la care durata unui ciclu motor, măsurată în

unghiul de rotaŃie al arborelui cotit (°RAC) este de 720° (RAC);

b. În doi timpi, la care durata ciclului este echivalentă cu o

rotaŃie completă a arborelui cotit, adică 360° (RAC).

În aviaŃie, motoarele în patru timpi sunt mai folosite, deoarece au

consumul de combustibil mai redus, o fiabilitate mai ridicată, precum şi o

supleŃe în exploatare.

2. Din punct de vedere al mărimii presiunii fluidului aspirat în cilindru

acestea sunt:

a. Motoare cu aspiraŃie naturală sau motoare cu aspiraŃie la

presiunea atmosferică;

b. Motoare supraalimentate sau motoare cu aspiraŃie forŃată.

Acestea din urmă asigură o presiune de aspiraŃie de (1.5÷2) ori mai mare

decât presiunea exterioară.

Compresorul centrifugal folosit este antrenat fie mecanic, fie

gazodinamic. În acest ultim caz, compresorul este cuplat cu o turbină care

foloseşte energia gazelor evacuate.

3. Din punct de vedere al realizării amestecului dintre aer şi

combustibil se întâlnesc:

a) Motoare cu carburaŃie. Formarea amestecului are loc înainte

de pătrunderea fluidului în cilindrii, pe baza diferenŃei de viteză şi presiune

la care se găsesc aerul şi combustibilul. Datorită depresiunii create, prin

accelerarea aerului, combustibilul este absorbit în canalizaŃia de admisie;

b) Motoare cu injecŃie. În acest caz, formarea amestecului

proaspăt se face direct în camera de ardere printr-un proces invers,

Page 9: cap3

273

combustibilul fiind dirijat în camera de ardere la o viteză superioară vitezei

aerului.

În aviaŃie, motoarele cu carburaŃie sunt mai puŃin folosite. În schimb,

motoarele cu injecŃie sunt utilizate deoarece, se reduce la minimum

consumul de combustibil.

4. Din punct de vedere al răcirii, motoarele sunt răcite cu:

a. Lichid;

b. Aer.

Motoarele răcite cu lichid asigură răcirea componentelor cu ajutorul unui

lichid de răcire şi, ca urmare, au o greutate mare.

Motoarele răcite cu aer sunt de două tipuri:

–Motoare rotative;

–Motoare staŃionare. Fluidul de răcire se asigură prin deplasarea,

în aer, a avionului deci şi a sistemul de propulsie. Deoarece viteza

avioanelor a crescut, nu a mai fost necesară rotaŃia motorului.

5. După puterea dezvoltată se întâlnesc motoare cu:

a. Putere foarte mică (<30 kW);

b. Putere mică (30÷200) kW;

c. Putere mijlocie (200÷400) kW;

d. Putere mare (400÷800) kW;

e. Putere foarte mare (800÷1500) kW.

Motoarele care dezvoltă puteri mai mari de 1500 kW nu se folosesc în

aviaŃie din cauza greutăŃii ridicate.

Page 10: cap3

274

6. După dispoziŃia cilindrilor în motor se disting motoare cu:

a. Cilindrii dispuşi în linie

–directă

–inversată

Motoarele cu cilindri în linie inversată asigură o vizibilitate maximă

pentru pilot, dar soluŃia are dezavantajul unei ungeri mai greu de realizat.

b. Cilindrii opuşi

–verticali

–orizontali ("boxer")

Page 11: cap3

275

c. Cilindrii dispuşi în “V”

–direct

–inversat

SoluŃia cu cilindrii dispuşi în “V” inversat este de preferat deoarece

asigură o vizibilitate mai mare pentru pilot.

d. Cilindrii în “W”

e. Cilindrii în stea (ex. 3 cilindrii)

Ultima variantă este soluŃia cea mai folosită în aviaŃie deoarece ea

asigură răcirea simultană a cilindrilor.

De reŃinut că, motoarele în stea au întotdeauna un număr impar de cilindrii.

7. După numărul de cilindrii motoarele sunt cu:

a. Doi cilindrii;

Page 12: cap3

276

b. Trei cilindrii;

c. 4÷12 cilindrii;

d. 14,16,18 cilindrii, mai puŃin folosite în aviaŃie datorită

greutăŃii lor.

3.1.4. PerformanŃe caracteristice

Pentru definirea şi calculul performanŃelor unui motor cu piston se

notează cu:

–L, lucrul mecanic pe ciclul real [J/ ciclu];

–n, turaŃia [rot/min];

– 4τ , durata unui ciclu pentru motorul în patru timpi [s].

3.1.5. Mărimile generale

3.1.5.1. Puterea (P)

Puterea este dată de relaŃia

L

= . (3.1)

Dacă motorul are turaŃia n, durata unei rotaŃii va fi

11 min 60 s

n rot n rotτ = =

(3.2)

şi, ca urmare,

4 1

120 s2

n cicluτ τ = ⋅ =

. (3.3)

Page 13: cap3

277

Rezultă că puterea motorului în patru timpi este

[ ]4

L nP W

120

⋅= . (3.4)

3.1.5.2. Lucru mecanic specific ( spL )

Prin definiŃie, lucrul mecanic specific al ciclului Lsp reprezintă raportul

dintre lucrul mecanic al ciclului şi cilindreea motorului, Vh, adică

,ciclusp 3 3 2

h

L J NL

10 V m m− = = ⋅

(3.5)

şi are dimensiunea unei presiuni. Din această cauză, Lsp, se mai numeşte şi

presiune medie a ciclului (pm), unde

[ ]2

5m 3

h h

L 10 Lp 10 bari

10 V V

−−

⋅= ⋅ =⋅

. (3.6)

Presiunea medie, din punct de vedere fizic, este presiunea fluidului de

lucru, din cilindru, care ar duce la realizarea lucrului mecanic pe ciclu, într-o

singură cursă a pistonului.

Din relaŃia (3.6) se obŃine lucrul mecanic real pe ciclu

2m hL p V 10= ⋅ ⋅ . (3.7)

Ca urmare, puterea motorului în patru timpi, pentru un cilindru, este

[ ]1

3 2m h m h4

p V n p V nP 10 10 kW

120 1200−⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ ⋅ = , (3.8)

iar, pentru i cilindrii,

Page 14: cap3

278

[ ]m h4

p V n iP kW

1200

⋅ ⋅ ⋅= . (3.9)

3.1.5.3. Consumul specific de combustibil (c)

Consumul specific de combustibil reprezintă cantitatea de combustibil

consumată de motor pentru fiecare kW de putere, într-o oră de funcŃionare.

Deci, rezultă

[ ], /cMc kg kWh

P τ=

⋅, (3.10)

unde Mc reprezintă masa de combustibil.

Prin urmare, în [g/kWh] relaŃia consumului devine

[ ], /3cMc 10 g kWh

P τ= ⋅

⋅. (3.11)

3.1.5.4. Randamentul ciclului real (η )

Prin definiŃie,

L

Qη = , (3.12)

unde L=1[kW]·1[h]=103[W]·3.6·103[s]=3.6·106[J] şi Q=c·Pci, în care Pci

reprezintă puterea calorică inferioară a combustibilului. Înlocuind în relaŃia

(3.12) rezultă că

. 6

ci

3 6 10 a

c P cη ⋅= =

⋅, (3.13)

Page 15: cap3

279

unde .

.6

ci

3 6 10a ct

P

⋅= = pentru un anumit tip de combustibil.

Deci, randamentul este invers proporŃional cu consumul specific de

combustibil şi, din această cauză, el se mai numeşte şi economicitatea

motorului cu piston.

3.1.6. Mărimile indicate

Ciclul real al motorului cu piston se poate ridica în diagrama

p–V folosind un aparat numit indicator. Din această cauză el se mai numeşte

şi ciclu indicat sau diagramă indicată. Toate mărimile, ce derivă din această

diagramă, se numesc mărimi indicate.

3.1.6.1. Lucrul mecanic indicat ( iL )

Legătura dintre lucrul mecanic indicat şi lucrul mecanic teoretic,

pentru acelaşi ciclu, este dată de relaŃia

i

t

L

Lϕ = , (3.14)

unde ϕ se numeşte coeficient de corecŃie şi depinde de coeficientul de

umplere Vη , coeficientul de perfecŃiune al evoluŃiei fluidului prin motor 'ϕ .

Se poate considera

( ) ( )' . . . .V 0 7 1 2 0 85 0 94ϕ η ϕ= ⋅ = ÷ ⋅ ÷ adică . .0 6 1 13ϕ = ÷ .

În aplicaŃii se poate utiliza o valoare medie .0 9ϕ = .

Dacă LI reprezintă aria ciclului motor iar LII, reprezintă aria ciclului de

Page 16: cap3

280

pompaj, atunci se poate scrie

–pentru motorul cu aspiraŃie naturală

LiMAN=L I-LII; (3.15)

–pentru motorul supraalimentat

LiMAF=L I+L II. (3.16)

3.1.6.2. Puterea indicată a motorului (Pi4)

Prin definiŃie,

[ ]3ii4

L nP 10 kW

120−⋅= ⋅ . (3.17)

3.1.6.3. Presiunea medie indicată (pmi)

Analitic,

[ ]i

2im

h

Lp 10 bari

V−= ⋅ . (3.18)

În mod uzual, pentru motorul cu aspiraŃie naturală pmi=(9÷12) bari, iar

pentru motorul supraalimentat pmi=(10÷20) bari.

Folosind presiunea medie indicată, relaŃia pentru puterea indicată devine

[ ]3i mi hi4

L n p V n iP 10 kW

120 1200−⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ = . (3.19)

Page 17: cap3

281

3.1.6.4. Consumul specific indicat de combustibil (ci)

Din relaŃia (3.11) rezultă

ci

i

Mc

P τ=

⋅ (3.20)

şi este cuprins între 250 [g/kWh] şi 280 [g/kWh].

3.1.6.5. Randamentul termic indicat al motorului ( iη )

În baza relaŃiei (3.13) se poate exprima

. 6

ii ci

3 6 10

c Pη ⋅=

⋅, (3.21)

el fiind de circa (0.31÷0.35) [g/kWh].

3.1.7. Mărimile efective

Dacă, din lucrul mecanic indicat, se scade lucrul mecanic necesar

învingerii rezistenŃelor mecanice din motor Lr, se obŃine lucrul mecanic

efectiv al motorului cu piston, Le.

3.1.7.1. Lucrul mecanic efectiv ( eL )

Ca urmare,

Le=L i-Lr. (3.22)

Mărimile corespunzătoare lucrului mecanic efectiv obŃinut la arborele

motorului se numesc mărimi efective.

Page 18: cap3

282

3.1.7.2. Puterea efectivă ( e4P )

Prin definiŃie

[ ]4

3ee

L nP 10 kW

120−⋅= ⋅ . (3.23)

3.1.7.3. Presiunea medie efectivă (emp )

Similar relaŃiei (3.18)

[ ]e

5e

m 3h

L 10p bari

V 10

−= ⋅ (3.24)

şi este cuprinsă între 6 bari şi 16 bari.

Rezultă, pentru puterea efectivă, următoarea relaŃie

[ ]e

4

m he

p V n iP kW

1200

⋅ ⋅ ⋅= . (3.25)

3.1.7.4. Consumul specific efectiv de combustibil ( ec )

Din relaŃia (3.11) rezultă, imediat,

ce

e

Mc

P τ=

⋅. (3.26)

De regulă, ce este cuprins în gama (300÷350) [g/kWh].

3.1.7.5. Randamentul termic efectiv ( eη )

Prin definiŃie,

Page 19: cap3

283

. 6

ee ci

3 6 10

c Pη ⋅=

⋅ (3.27)

şi este cuprins în intervalul (25÷30)%.

3.1.7.6. CorelaŃia dintre mărimile indicate şi cele efective

Legătura dintre valorile efective şi cele indicate se face prin

intermediul randamentului mecanic al motorului, definit ca raportul dintre

puterea efectivă şi cea indicată, adică

em

i

P

Pη = . (3.28)

Deoarece

Pe=Pi-Pr, (3.29)

unde Pr reprezintă puterea consumată pentru învingerea rezistenŃelor

mecanice din motor, rezultă

rm

i

P1

Pη = − . (3.30)

Din relaŃia de definiŃie a randamentului mecanic se obŃine

c

iem

c e

i

Mcc

M cc

τη

τ

⋅= =

, deci im

e

c

cη =

sau

ie

m

cc

η= . (3.31)

Page 20: cap3

284

Evident, consumul specific efectiv este mai mare decât consumul

specific indicat.

Deoarece

.

.

6

i ei ci6

e i m

e ci

3 6 10

c 1c P3 6 10 cc P

ηη η

⋅⋅= = =⋅⋅

atunci

e m iη η η= ⋅ , (3.32)

de unde se poate uşor constata că e iη η< .

3.1.8. Parametrii caracteristici

În acest caz, pentru calculul ciclului sunt necesare următoarele grupe

de parametrii:

– Parametrii termodinamici (presiune, temperatură) ai fluidului în

starea iniŃială;

– Parametrii relativi:

– λ , grad de comprimare statică a fluidului de lucru

prin încălzire

3

2

p

pλ = ; (3.33)

– πc , grad de comprimare statică a fluidului prin

comprimare mecanică

Page 21: cap3

285

2c

1

p

pπ = ; (3.34)

– Parametrii volumetrici:

– Va, (V1) volumul cilindrului;

– Vc, (V2) volumul camerei de ardere.

– Parametrii funcŃionali:

– ε, grad de compresie

c

a

V

Vε = ; (3.35)

– Vh, cilindreea cilindrului

h c aV V V= − . (3.36)

3.1.9. Analiza ciclului termodinamic

3.1.9.1. Ciclul ideal

3.1.9.1.1. Motorul cu admisie natural ă

Pentru trasarea ciclului ideal se fac următoarele ipoteze:

a) Fluidul de lucru este un gaz perfect;

b) Se neglijează frecările care apar între fluid şi pereŃi. Ca urmare,

toate evoluŃiile sunt reversibile;

c) Pe durata ciclului, fluidul de lucru nu se modifică din punct de

vedere calitativ şi cantitativ.

EvoluŃiile care au loc în motor sunt, în acest caz:

a) Comprimarea care este o evoluŃie adiabatică şi reversibilă

(izentropică);

Page 22: cap3

286

b) Arderea care este o evoluŃie izocoră cu aport de căldură din

exterior;

c) Destinderea care este o evoluŃie adiabatică şi reversibilă

(izentropică);

d) Admisia şi evacuarea sunt evoluŃii izobare şi izoterme.

În aceste condiŃii, ciclul ideal în coordonate p–V are aspectul din

figura nr. 3.2.

V

1Q

hV

2Q

2( )aV V 1( )cV V

p

5

2

3

4

1

Fig. 3.2

Se poate demonstra că

t k 1

11η

ε −= − (3.37)

şi

( )k 1t 1 1

1L P V 1

k 1

λ ε −−= ⋅ ⋅ ⋅ −−

. (3.38)

Page 23: cap3

287

3.1.9.1.2. Motorul supraalimentat

Ciclul presupune realizarea separată a studiului proceselor care au loc

în cilindrul motorului supraalimentat şi studiul proceselor care au loc în

compresorul centrifugal ce asigură alimentarea motorului.

3.1.9.1.2.1. Ciclul ideal al proceselor din cilindrul motorului

Ciclul este reprezentat în figura nr. 3.3.

2

V

5

4

3

1

p

6

7

'6

'7

'tL

''tL

1Q

2Q

Fig. 3.3

Ciclul se compune din următoarele evoluŃii şi procese:

1-2, procesul de comprimare adiabatică şi reversibilă;

2-3, procesul de ardere izocoră cu aport de căldură;

3-4, procesul de destindere adiabatică;

4-5, procesul de evacuare izocor;

5-6, procesul de evacuare forŃată;

6-7, procesul de admisie;

7-1, proces, izobar şi izoterm.

Page 24: cap3

288

Lucrul mecanic termic al ciclului este reprezentat prin ariile haşurate

din figura nr. 3.3. Se notează cu 'tsL lucrul mecanic al motorului

supraalimentat.

Se face ipoteza că "tL corespunde lucrului mecanic efectuat de aer în

timpul cursei de admisie care cuprinde şi aria 6'7'76, eroarea fiind în

limitele admisibile.

Atunci

( )'' 5t 1 1 5 1 1 1 1

1 c

p 1L V p p V p 1 V p 1

p π

= ⋅ − = ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ −

, (3.39)

deoarece 1c

5

p

pπ = .

Din ecuaŃia de stare, aplicată în punctul 1, pentru 1 kg de fluid

1 1 1V p R T⋅ = ⋅ .

Totodată,

k 1

k

k 1

k1

1 5 5 c5

pT T T

−−

= ⋅ = ⋅

.

Ca urmare,

"k 1

k

t 1 5 cc c

1 1L R T 1 R T 1π

π π

− = ⋅ ⋅ − = ⋅ ⋅ ⋅ −

. (3.40)

Rezultă, în final,

' ' "ts t tL L L= + ,

Page 25: cap3

289

unde 'tL este

( ) ( )' k 15 1 ct

p VL 1 1

k 1

π λ ε −⋅ ⋅= ⋅ − ⋅ −−

. (3.41)

3.1.9.1.2.2. Procesul ideal din compresorul centrifugal

În coordonate p–V, procesul de comprimare din compresor este cel

reprezentat în figura nr. 3.4.

( )a h

V

''a

p

'a

cadL

'1

''1

5

1

0

Fig. 3.4

În figură:

a'–a reprezintă evoluŃia de aspiraŃie izobară şi izotermă;

a–1 este evoluŃia de comprimare adiabatică şi reversibilă;

1–1' este evoluŃia de refulare izobară şi izotermă.

Lucrul mecanic pe care compresorul îl consumă, Ladc, din lucrul

mecanic produs de motor, este aria cuprinsă între aceste evoluŃii.

Evident,

adc a11"a" 11'o1" aa'oa"L A A - A= + . (3.42)

Se Ńine seama că

Page 26: cap3

290

1a11"a" 1 a v 1 a v a

a

TA U -U c (T -T ) c T -1

T

= = ⋅ = ⋅ ⋅

sau

k-1

ka11"a" v a cA c T π 1

= ⋅ ⋅ −

, (3.43)

k-1

k11"o1" 1 1 1 a cA p V R T R T π= ⋅ = ⋅ = ⋅ ⋅ (3.44)

şi

aa'oa" a a aA p V R T= ⋅ = ⋅ . (3.45)

În concluzie, înlocuind relaŃiile (3.43)–(3.45) în (3.42), rezultă

k-1

kadc p a cL = c T π 1

⋅ ⋅ −

. (3.46)

Prin suprapunerea celor două cicluri se obŃine ciclul ideal al motorului

cu compresor pentru supraalimentare, figura nr. 3.5.

V

1Q

2Q

p

6'

'tL

''tL"1Q

2

"Q

'7

3

2 4

1

5

1V2V

Fig. 3.5

Evident, lucrul mecanic total al ciclului este

Page 27: cap3

291

' 'k 1 k 1

k kt ts adc t 5 c p a c

c

1L L L L R T 1 c T 1ε π π

π

− − = − = + ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ −

sau

'k 1 k 1

5 k kt p a c c t

p a c

R T 1L c T 1 1 L

c Tε π ππ

− − ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ − − + + ⋅ . (3.47)

Rezultă, în final,

'k 1

kt p a c t

c

k 1 1L c T 1 1 L

kε ππ

− −= ⋅ ⋅ ⋅ − − + +

. (3.48)

Prin urmare, lucrul mecanic total al unui motor supraalimentat este

mai mare decât lucrul mecanic al unui motor cu admisie naturală dar

randamentul lui este mai mic.

Lucrul mecanic cel mai mare posibil, ce se poate realiza într-un motor

supraalimentat, este cel ce corespunde destinderii complete (evacuării

prelungite a gazelor de ardere), astfel încât presiunea finală a gazelor de

ardere, în urma evacuării, să fie egală cu presiunea aerului în momentul

admisiei.

În această situaŃie, ciclul este cel din figura nr. 3.6.

p

maxtL

3

2

14

V

Fig. 3.6

Page 28: cap3

292

Realizarea practică a acestui ciclu trebuie să permită, pe de o parte,

curse de admisie şi de compresie scurte ale pistonului şi, pe de altă parte, o

cursă de evacuare prelungită.

Motorul cu piston nu poate fi folosit la capacitatea maximă, în condiŃii

reale.

Motorul care tinde către acest caz ideal este cel supraalimentat cu

turbocompresor.

Ciclul ideal al unui asemenea motor este cel din figura nr. 3.7, în care

'tL

TL

Lucrul mecanic

ce se adaugă

3

2

4

5

16

V

p

Fig. 3.7

LT reprezintă lucrul mecanic produs de turbină.

3.1.9.2. Ciclul real

În figurile nr. 3.8 a şi b sunt reprezentate ciclurile reale ale motorului

cu piston cu aprindere prin scânteie.

Astfel:

–Figura nr. 3.8 a reprezintă ciclul real al motorului cu aspiraŃie

naturală;

Page 29: cap3

293

–Figura nr. 3.8 b reprezintă ciclul real al motorului

supraalimentat cu compresor centrifugal antrenat mecanic.

ie

ia

p

ap

ae

2V 1V

aa

as

f

PMI PME

V

Fig.3.8 a

V

ie

ap aa

aeia

f

2V 1VPMEPMI

as

p

cp

Fig.3.8 b

EvoluŃiile caracteristice sunt, în cazul motorului cu admisie naturală,

următoarele:

1. Comprimarea ia–as (închiderea întârziată a supapelor de

Page 30: cap3

294

admisie–avansul la declanşarea scânteii electrice);

2. Arderea as–f (f este momentul atingerii presiunii maxime în

cilindru);

3. Destinderea f–ae (ae reprezintă avansul la deschiderea supapelor

de evacuare);

4. Evacuarea ae–aa (aa este avansul la deschiderea supapelor de

admisie);

5. Admisia aa–ia.

EvoluŃiile specifice motorului supraalimentat sunt următoarele:

1. EvoluŃia de evacuare ae–aa;

2. EvoluŃia de baleiaj aa–ie (ambele supape deschise);

3. EvoluŃia de admisie forŃată ie–ia.

Pe marginea celor reprezentate se constată că:

–Presiunea maximă la motorul supraalimentat este mult mai mare

decât presiunea maximă la motorul cu aspiraŃie naturală;

–EvoluŃiile de admisie şi evacuare ale motorului cu aspiraŃie

naturală se grupează în jurul presiunii atmosferice pH;

–EvoluŃiile de admisie şi evacuare ale motorului supraalimentat

sunt cuprinse între presiunea atmosferică pH şi presiunea de supraalimentare

pc;

–Ambele cicluri sunt compuse din două suprafeŃe. Astfel, prima

suprafaŃă de deasupra, reprezintă aria ciclului motor, iar cea de-a doua, de

dedesubt, reprezintă aria ciclului de pompaj (evoluŃiile în care se face

Page 31: cap3

295

schimb de masă cu exteriorul).

–La motorul supraalimentat aria ciclului de pompaj este pozitivă şi

reprezintă, deci, un lucru mecanic util, spre deosebire de aria ciclului de

pompaj de la motorul cu aspiraŃie naturală ce reprezintă un lucru mecanic

consumat.

3.1.10. Caracteristicile de exploatare

3.1.10.1. GeneralităŃi

Caracteristicile reprezintă ansamblul de curbe care cuprinde variaŃiile

performanŃelor şi economicităŃii motorului, în funcŃie de un parametru

funcŃional de bază. În general, drept performanŃă fundamentală se ia puterea

efectivă, iar ca performanŃă a economicităŃii se consideră consumul specific

de combustibil efectiv. Ca parametrii funcŃionali se pot lua: turaŃia, energia

necesară antrenării elicei sau altitudinea de zbor. Prin urmare, există trei

familii de caracteristici:

1. Caracteristica de turaŃie;

2. Caracteristica de elice;

3. Caracteristica de altitudine.

3.1.10.2. Caracteristicile motorului cu piston cu admisie

naturală

3.1.10.2.1. Caracteristica de tura Ńie

Caracteristica de turaŃie se defineşte ca fiind ansamblul format din

curbele de variaŃie ale puterii efective şi consumului specific efectiv, în

funcŃie de turaŃia motorului, pentru o poziŃie constantă a manetei de gaze,

Page 32: cap3

296

(deschidere constantă a clapetei de acceleraŃie), în condiŃii de viteză şi

înălŃime constante. În această situaŃie, turaŃia motorului poate fi modificată

prin variaŃia pasului elicei.

La orice înălŃime de zbor şi pentru fiecare deschidere a clapetei se

trasează o caracteristică. Caracteristica principală se stabileşte pentru

deschiderea completă a clapetei (caracteristica de sarcină plină). Deoarece

puterea, care se obŃine când motorul lucrează în plină sarcină, este maximă

această caracteristică se mai numeşte şi caracteristică exterioară,

reprezentând înfăşurătoarea tuturor curbelor de turaŃie.

Cea mai interesantă caracteristică exterioară este aceea de la punct fix,

ea fiind singura care se poate ridica la bancul de probă.

Pentru realizarea caracteristicii exterioare, adică a puterii maxime, este

necesar, pe lângă o deschidere maximă a clapetei, să se asigure şi un dozaj

corespunzător vitezei maxime de ardere, adică . .0 8 0 9α = ÷ .

Caracteristica exterioară este reprezentată în figura nr. 3.9.

pnMn 'annnmineln

eP

minn

etP

n

eC

M

tM

maxn

MM

e eM P C

Fig. 3.9

Page 33: cap3

297

Totodată, trebuie să se asigure avansul la declanşarea scânteii electrice

astfel încât să se obŃină o putere maximă în cilindru. Dacă forma diagramei

indicate a motorului şi randamentul mecanic, în condiŃii teoretice, nu depind

de turaŃie, atunci momentul cuplului motor, Mt nu variază cu turaŃia.

Deoarece puterea efectivă teoretică este et tP M ω= ⋅ iar n

30

πω ⋅=

atunci puterea efectivă teoretică variază liniar cu turaŃia, deoarece:

et t 1 t 2

nP M C M n C n

30

π ⋅= ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ , (3.49)

unde

t2

MC

30

π⋅= .

În realitate, randamentul mecanic se modifică în funcŃie de turaŃie. În

general, motorul nu poate funcŃiona la orice turaŃie. Există întotdeauna o

turaŃie minimă sub care motorul nu mai funcŃionează. Aceasta corespunde

situaŃiei în care întreaga putere dezvoltată de acesta este utilizată pentru

învingerea rezistenŃelor din motor. Prin urmare, pentru a porni un motor cu

piston, este necesar ca el să fie antrenat până la o turaŃie egală cu turaŃia

minimă de funcŃionare.

Teoretic, există o turaŃie maximă a motorului la care puterea se

anulează, deoarece rezistenŃele din motor se măresc, fiind proporŃionale cu

pătratul turaŃiei.

În consecinŃă, momentul motor real, M, cunoaşte o variaŃie parabolică,

ce prezintă un maxim, iar turaŃia corespunzătoare se notează cu nM.

TuraŃia maximă, nmax, nu se atinge niciodată căci există o turaŃie

Page 34: cap3

298

admisibilă 'an , pentru care forŃele de inerŃie au valoarea maximă. Depăşirea

ei conduce la distrugerea motorului.

TuraŃia maximă reală, na, a motorului trebuie să fie inferioară turaŃiei

'an pentru a se asigura rezistenŃa motorului.

TuraŃia minimă a motorului echipat cu elice, elminn , este mai mare

decât turaŃia minimă a motorului fără elice, minn .

Zonele cuprinse între elmin minn n− şi a maxn n− nu se realizează niciodată

în mod efectiv.

Puterea efectivă, Pe variază la început liniar cu turaŃia, atinge un

maxim după care scade. TuraŃia pentru putere maximă se notează cu np. În

general, np, este cu (10÷20)% mai mică decât turaŃia maximă admisă na şi

reprezintă turaŃia de calcul a motorului.

Evident, consumul specific efectiv de combustibil este dat de relaŃia

. 6

ei m ci

3 6 10c

Pη η⋅=

⋅ ⋅.

Dacă se presupune că dozajul α este constant, atunci randamentul

indicat este constant în raport cu turaŃia, iar consumul specific efectiv de

combustibil variază invers proporŃional cu randamentul mecanic dat de

expresia

rm

i

P1

Pη = − .

În general, se cunoaşte că

Pi=b·np şi Pr=a·n2.

Page 35: cap3

299

În condiŃii de dozaj constant, puterea indicată variază cvasiliniar cu

turaŃia. Astfel, pentru p=1 rezultă că

m

a1 n

bη = − ⋅ (3.50)

şi, ca urmare, consumul specific efectiv va creşte odată cu creşterea turaŃiei.

Familia de curbe, reprezentând variaŃiile puterii efective şi a

consumului specific efectiv, pentru fiecare deschidere a clapetei de

acceleraŃie, poartă numele de caracteristică de sarcină parŃială. Cu cât

deschiderea clapetei este mai mică cu atât puterea efectivă este mai mică.

TuraŃia de funcŃionare stabilă a motorului, la care puterea este

maximă, scade tinzând către turaŃia minimă.

3.1.10.2.2. Caracteristica de elice

3.1.10.2.2.1. GeneralităŃi

Caracteristica de elice cuprinde curbele de variaŃie ale puterii efective

şi consumului specific, pentru un motor echipat cu o elice cu pas fix, în

funcŃie de turaŃie. Modificarea turaŃiei, în acest caz, se face prin acŃionarea

clapetei de acceleraŃie.

Elicea care echipează motorul trebuie astfel aleasă încât, la turaŃia

maximă, puterea absorbită de elice să fie egală cu puterea maximă a

motorului.

În cazul elicei cu pas fix, puterea absorbită de elice variază

proporŃional cu puterea cubică a turaŃiei, adică

Pe1=A·n3, (3.51)

Page 36: cap3

300

unde coeficientul A depinde de

- Densitatea aerului antrenat de elice;

- Caracteristicile aerodinamice şi constructive ale elicei;

- Regimul de putere;

- Altitudinea de zbor.

Dacă se consideră că regimul de zbor al avionului nu se modifică, atunci

Pe1=C3·n3

şi puterea dezvoltată de motor este cea a elicei, adică

Pe=Pe1=C3·n3. (3.52)

Grafic, variaŃia puterii efective se reprezintǎ ca în figura nr. 3.10.

mineln an

ePeP pe caracteristica

exterioară

elP

n

Fig. 3.10

3.1.10.2.2.2. Regimurile motorului cu piston

Regimurile motorului cu piston se evidenŃiază pe caracteristica de

elice, figura nr. 3.11 şi sunt următoarele:

Page 37: cap3

301

- Regimul maxim, RM, pentru care motorul atinge puterea

maximă. Durata de funcŃionare, sigură la sol, a motorului la acest regim este

de circa 5 minute;

- Regimul nominal, RN, pentru care motorul dezvoltă puterea

şi turaŃia nominală. Durata de funcŃionare, sigură la sol, este de circa

30 minute

n

P

explP

m inn maxn

NP

maxP

expln Nn

ec

eP

elP

RM

RN

RE

RMG

Fig. 3.11

Regimul nominal este regimul la care se calculează motorul.

- Regimul de exploatare, RE, reprezintă regimul

la care motorul dezvoltă o putere ce reprezintă 90% din puterea nominală.

Deoarece

3 33 30 9expl NC n . C n⋅ = ⋅ ⋅ , (3.53)

atunci turaŃia de exploatare devine

3expl N Nn n 0.9 0.9655 n= ⋅ = ⋅ . (3.54)

Durata de funcŃionare la regimul de exploatare este teoretic nelimitată,

Page 38: cap3

302

iar practic, între două reparaŃii capitale. La regimul de exploatare consumul

specific de combustibil este minim.

- Regimul de relanti, RMG, este regimul la care puterea

motorului, indicată, acoperă pierderile prin frecare din motor cât şi puterea

pe care elicea o absoarbe. La acest regim, turaŃia de mers în gol este

nMG=(0.2÷0.25)·nN. (3.55)

Cu cât turaŃia minimă este mai mică cu atât pornirea motorului se face

mai uşor.

3.1.10.2.3. Caracteristica de altitudine

Caracteristica de altitudine cuprinde variaŃiile puterii efective şi

consumului specific efectiv funcŃie de înălŃimea de zbor, în condiŃii în care

turaŃia este constantă şi egală cu cea nominală, dozajul fiind constant. Alura

caracteristicii de altitudine este cea din figura nr. 3.12.

H

eP

ec,e eP c

Fig. 3.12

Caracteristica de altitudine a motorului cu admisie naturală, diferă de

cea a motorului supraalimentat, iar caracteristicile motorului supraalimentat

depind de modul de antrenare a compresorului.

Din punct de vedere fizic, la creşterea altitudinii de zbor plan, scade

Page 39: cap3

303

densitatea aerului aspirat, ceea ce duce la micşorarea debitului de aer aspirat

şi deci puterea scade.

Deoarece puterea necesară învingerii rezistenŃelor interne nu depinde

decât de turaŃie, rezultă că randamentul mecanic al motorului scade cu

altitudinea de zbor, deci va creşte consumul specific efectiv.

3.1.10.2.4. Calculul caracteristicilor motorului cu aspira Ńie

natural ă

3.1.10.2.4.1. EcuaŃiile generale ale caracteristicilor

Prin definiŃie, caracteristica reprezintă variaŃiile puterii efective şi

consumului specific de combustibil, în funcŃie de un parametru de bază,

înălŃime de zbor, turaŃia, energia absorbită de elice. Se Ńine seama că puterea

efectivă este

Pef=Pi-Pr.

În anumite condiŃii ini Ńiale, care depind de factorul funcŃional al

motorului ales, aceste mărimi se cunosc. Se notează cu indicele “i”

mărimile de bază în condiŃii ini Ńiale. Deci

i i ie i rP P P= − . (3.56)

În acest caz, se poate scrie

i i i

e r i

e r i

P P P

P P P

+ =+

,

de unde rezultă că

( )i i

i

ie e r r

i

PP P P P

P= + ⋅ − . (3.57)

Page 40: cap3

304

3.1.10.2.4.1.1. Expresia puterii indicate

Se Ńine seama, în continuare, că

1 kWh=3.6·103kJ (3.58)

de unde

33.6 10

1kWh

⋅= kJ. (3.59)

Se notează cu Lih lucrul mecanic indicat al motorului, produs timp de

o oră.

Ca urmare, puterea indicată devine

[ ].

ihi 3

LP kW

3 6 10=

⋅. (3.60)

În general, ih i hL Qη= ⋅ , unde Qh reprezintă cantitatea de căldură

introdusă în motor prin arderea combustibilului, în timp de o oră, Qh=Pci·Ch,

iar Ch reprezintă consumul orar de combustibil. Pentru calculul lui, se are în

vedere că, prin arderea unui kilogram de combustibil, în condiŃii

stoechiometrice, în motor trebuie introduse min L kg de aer. În condiŃii

reale, se Ńine cont de dozaj, conform schemei:

1 kg combustibil……………………α ( minL ) kg aer

Ch kg combustibil……………………Ch·α ( minL ) kg aer= hMɺ

unde hMɺ reprezintă debitul de aer admis în motor în timp de o oră. Atunci

( )h

h

MC

min Lα=

ɺ. (3.61)

Deci, puterea indicată devine

Page 41: cap3

305

( )i ci

i h3

1 PP M

3.6 10 min L

ηα

= ⋅ ⋅ ⋅⋅

ɺ . (3.62)

Dacă se notează cu Mɺ , debitul de aer introdus, în condiŃii reale, într-

un cilindru al motorului, cu n turaŃia, şi cu i numărul de cilindrii, atunci

h min

nM 60 M 60 M i 30 M n i

2= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ɺ ɺ ɺ ɺ , (3.63)

deoarece

min

nM M i

2= ⋅ ⋅ɺ ɺ .

Debitul real se poate pune sub forma

V tM Mη= ⋅ɺ ɺ , (3.64)

unde Vη reprezintă coeficientul de umplere, iar tMɺ reprezintă debitul

teoretic.

łinând seama că t c hM Vρ= ⋅ɺ , unde Vh reprezintă cilindreea unui

cilindru, atunci

h V c hM 30 V i nη ρ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ , (3.65)

relaŃie care se introduce în expresia puterii indicate. Se obŃine, făcând

simplificările de rigoare, expresia Pi:

( )ci i

i V c h

1 PP V n i

120 min L

η η ρα

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.66)

Se Ńine seama, în continuare, că randamentul indicat depinde de gradul

de compresie ε , de compoziŃia amestecului, de forma camerei de ardere, de

diametrul pistonului şi de gradul de perfecŃiune al diagramei indicate,

Page 42: cap3

306

conform relaŃiei

i W D CAk

k 1

11 αη η η η η

ε −

= − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

. (3.67)

Pe de altă parte, coeficientul de umplere poate fi pus sub forma

pr

cV V

0

T

Tη η φ= ⋅ ⋅ , (3.68)

unde:

- prVη reprezintă gradul de umplere prevăzut, în condiŃiile în care

temperatura aerului admis în motor este egală cu cea exterioară, iar

presiunea gazelor la sfârşitul evacuării este egală cu cea exterioară;

- Tc reprezintă temperatura aerului la sfârşitul cursei de admisie;

- T0 reprezintă temperatura aerului la sol;

- φ ia în considerare influenŃele gradului de comprimare şi a

presiunii de supraalimentare asupra gradului de umplere prin expresia

.

.

p

0

p1 15

p

1 15 1

εφ

ε

⋅ −=

⋅ −, (3.69)

unde pp reprezintă presiunea aerului la sfârşitul cursei de evacuare.

În cazul aspiraŃiei naturale pp/p0=1 şi, ca urmare, 1φ = .

Densitatea aerului admis fiind cρ , în condiŃiile în care aerul este

considerat gaz perfect, rezultă că

cc

c

p

R Tρ =

⋅. (3.70)

Page 43: cap3

307

Înlocuind relaŃiile (3.67)–(3.70) în expresia puterii indicate, (3.66), se obŃine

Pi

( )

pr

cii W D CA

c cV hk

0 ck 1

1 PP

120 min L

1 T p 1 n i V .

T R T

αη η η ηα

η φε −

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

(3.71)

3.1.10.2.4.1.2. Expresia puterii rezistenŃelor interne

Mărimile de care depinde puterea consumată, stabilitǎ experimental,

sunt turaŃia, temperatura de supraalimentare şi presiunea de evacuare.

DependenŃa de turaŃie a puterii consumate Pr este dată de relaŃia

cunoscută, Pr=A·nm, unde A depinde de soluŃia constructivă a motorului, iar

m=1.8÷2.2.

În condiŃii ini Ńiale, relaŃia devine mri iP A n= ⋅ . Ca urmare,

m

r rii

nP P

n

= ⋅

. (3.72)

În general, puterea rezistivă, în condiŃii ini Ńiale, este dată de relaŃia

t

p 0ri r pr

0 c

p TP P 1 1

p Tϕ

= ⋅ − ⋅ − ⋅

, (3.73)

unde

– tr prP reprezintă puterea raportată în condiŃiile în care presiunea

gazelor la evacuare este egală cu cea din mediul exterior şi temperatura

aerului admis este cea a mediului ambiant;

Page 44: cap3

308

– ϕ reprezintă un factor care depinde de tipul motorului care

este, în general, . .0 3 0 4ϕ = ÷ . În calcule, se poate admite .0 35ϕ = .

Deci, puterea rezistivă din relaŃia (3.72) devine

t

m

p 0r r pr

0 c i

p T nP P 1 1

p T nϕ

= ⋅ − ⋅ − ⋅ ⋅

. (3.74)

Se observă, pe baza relaŃiei (3.71) că

( )

( )i

civpr

i c c ci

i ci i ci c icivpri

ii

P

min LP T p T n

P T p T nP

min L

α

α

η ηα φ

φη ηα

⋅ ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

. (3.75)

Dacă motorul foloseşte acelaşi combustibil în condiŃiile iniŃiale,

rezultă că

( ) ( )ci ci

i

P P

min L min L

=

şi, dacă dozajul motorului nu variază în limite foarte largi,

i

α αη ηα α

= .

În cazul admisiei naturale,

i 1φ φ= = .

Deci rezultă, din relaŃia (3.75), că

i

vpri ci c

i vpri c ci i

P T p n

P T p n

ηη

= ⋅ ⋅ ⋅ . (3.76)

Atunci, puterea efectivă, în final, este dată de relaŃia următoare:

Page 45: cap3

309

( )

.

t

vpr ci ce ei ri r pr

vpri c ci i

2

p 0

0 c i

T p nP P P P

T p n

p T n1 1

p T n

ηη

ϕ

= + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ×

× − ⋅ − ⋅ ⋅

(3.77)

3.1.10.2.4.1.3. Expresia consumului specific efectiv

Consumul specific efectiv de combustibil este dat de expresia

următoare:

ie

m

cc

η= ,

unde

– mη este randamentul mecanic;

– ci reprezintă consumul specific indicat de combustibil.

łinând seama că .

ii

ctc

η= şi

.e

i m

ctc

η η=

⋅, iar în condiŃii ini Ńiale

.i

i i

ei m

ctc

η η=

⋅, atunci

i

e

m i me

mi ii mi i

c 1 1

c α

α

η η η ηη η η η

= =⋅ ⋅

. (3.78)

Dacă dozajul rămâne constant atunci i

α

ηη

= . Ca atare,

Page 46: cap3

310

i

i

me ei ei

m m

m

1c c c

ηη ηη

= ⋅ = ⋅ . (3.79)

Cum însă

em

i

P

Pη = ,

atunci

i

e

m e iii

eim ei i

ii

PP PP

P P PP

ηη

= = ⋅ . (3.80)

łinând cont de relaŃiile anterioare rezultă, pentru consumul specific

efectiv, relaŃia finală

i

i

i

i i

1

e

ee e

cvpr c

vpr c c i

P

Pc c

Tp n

p T n

ηη

− = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

. (3.81)

3.1.10.2.4.2. Calculul caracteristicii exterioare

În acest caz, drept condiŃii ini Ńiale, se aleg condiŃiile teoretice ale

motorului. Prin urmare,

( )teor teor teor

2

Vpre e r r

Vpr teor teor teor

n nP P P P

n n

ηη

= + ⋅ ⋅ − ⋅

. (3.82)

Page 47: cap3

311

Deoarece, în cazul motorului cu aspiraŃie naturală pc=pci=p0 şi

Tc=Tci=T0, şi dacă se notează cu Vpr Vη η= , respectiv teor teorVpr Vη η= , atunci

rezultă

prtt

t

t t

2rr V

e ee Vt t e t

PP n nP P 1

P n P n

ηη

= ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅

. (3.83)

Mai mult, întrucât

r

e m

P 11

P η= − ,

se obŃine

t

V mte e

mt Vt mt t t

1 1 n nP P 1 1

n n

η ηη η η

−= ⋅ + − ⋅ − ⋅ ⋅

sau

t

V mte e

mt Vt mt t t

1 1 n nP P

n n

η ηη η η −= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅

. (3.84)

Dacă se consideră .mt 0 86η = , relaŃia (3.84) conduce la expresia

. .t

Ve e

Vt t t

n nP P 1 16 0 16

n n

ηη

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅

, (3.85)

unde V

Vt

ηη

, raportul coeficienŃilor de umplere, depinde de turaŃie.

Consumul specific efectiv de combustibil devine, în această situaŃie,

Page 48: cap3

312

t

1

V mt

mt Vt mt t te e

V

Vt t

1 1 n n

n nc c

nn

η ηη η η

ηη

− −⋅ − ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

. (3.86)

3.1.10.2.4.3. Calculul caracteristicii de elice

Ca regimuri iniŃiale se aleg, regimul nominal al motorului, pentru

puterea efectivă şi, regimul de decolare, pentru consumul efectiv de

combustibil.

Ca urmare,

3

e enn

nP P

n

= ⋅

(3.87)

şi

i

ide ed

e

ed

PP

c cPP

= ⋅ . (3.88)

Cum însă

3 2

ed rdd di e r

id id id

n nP P

n nP P P

P P P

⋅ + ⋅ + = = ,

atunci

Page 49: cap3

313

( )

13

de ed 3 2

md mdd d

n

nc c

n n1

n nη η

− = ⋅

⋅ + − ⋅

sau

( )

1

e edd

md md

1c c

n1

nη η

= ⋅ + ⋅ −

, (3.89)

unde s-au notat cu , d decolareη η şi nd, turaŃia la decolare.

3.1.10.2.4.4. Calculul caracteristicii de altitudine

CondiŃiile iniŃiale sunt reprezentate de parametrii motorului la punct

fix şi la sol. Prin urmare, se poate scrie

( )0 0

0

h

h h

ie e r r

i

PP P P P

P= + ⋅ − . (3.90)

De obicei, se notează cu

h

0

i h 0

i 0 h

P p Th

P p T∆ = = ⋅ . (3.91)

În general, motorul cu piston nu depăşeşte altitudinea de

11 km, şi, ca atare, variaŃiile temperaturii şi presiunii se determină din

atmosfera standard corespunzătoare troposferei adică,

Page 50: cap3

314

.

.,

.,

h 00

5 2553

h 00

6 5T T 1 H

T

6 5p p 1 H

T

= ⋅ − ⋅

= ⋅ − ⋅

unde H [km].

Cu notaŃia anterioară, (3.91), puterea necesară învingerii rezistenŃelor

interne devine

( )h 0r rP P 1 1 hϕ= ⋅ − ⋅ − ∆ (3.92)

şi

( ) ( )h 0 0 0e e r rP P P h P 1 1 hϕ= + ⋅∆ − ⋅ − ⋅ − ∆ . (3.93)

Deoarece

0

0 0

r

e m

P 11

P η= − ,

atunci

( )0

h 0

0 0

me e

m m

11P P h 1 1 h

ηϕ

η η − = ⋅ ⋅ ∆ − ⋅ − ⋅ − ∆

sau

[ ]0 0

h 0

0 0

m me e

m m

1 1P P h 1

ϕ η ϕ ηϕ

η η − + ⋅ − = ⋅ ⋅∆ − ⋅ −

. (3.94)

Dacă în relaŃia anterioară, .om 0 86η = şi .0 35ϕ = , se obŃine expresia

[ ]. .h 0e eP P 1 11 h 0 11= ⋅ ⋅∆ − . (3.95)

Page 51: cap3

315

Această relaŃie arată faptul că la fiecare 5 km, altitudine, puterea

efectivă se înjumătăŃeşte.

Consumul specific de combustibil, la altitudinea H, este dat de relaŃia

0

0h

me e

mh

c cηη

= ⋅ . (3.96)

Deoarece

( ) ( )m0mh m0

m0 m0 m0

1 1 1 11

h

ϕ ηη η ϕη η η

− ⋅ − −= − ⋅ ⋅ −∆

,

pentru .m0 0 86η = şi .0 35ϕ = , rezultă

. .mh 0 h

m0 h 0

p T1 11 0 11

p T

ηη

= − ⋅ ⋅ . (3.97)

Deoarece h∆ scade cu înălŃimea de zbor, consumul specific efectiv va

creşte cu înălŃimea. Dacă turaŃia motorului variază cu altitudinea de zbor

fenomen ce se petrece, în realitate, deoarece puterea dezvoltată de motor

variază mai repede cu densitatea aerului decât puterea consumată de elice cu

densitatea, se constată o scădere a ei, deoarece, puterea necesară elicei este

mai mare decât cea furnizată de motor.

łinând seama că

0 l0

3e e 0 0P P k nρ= = ⋅ ⋅ (3.98)

şi

h lh

3e e h hP P k nρ= = ⋅ ⋅ (3.99)

atunci

Page 52: cap3

316

( ). .03h 0

h

n n 1 11 h 0 11ρρ

= ⋅ ⋅ ⋅∆ − (3.100)

unde

..

4 2553

h

0 0

6 51 H

T

ρρ

= − ⋅

.

De aici, apare necesitatea unei corecŃii a caracteristicii, de forma,

[ ]. .h 0

he e

0

nP P 1 11 h 0 11

n= ⋅ ⋅ ∆ − ⋅ , (3.101)

ceea ce arată că, în realitate, reducerea de putere este mai accentuată. Pe

baza celor arătate se poate considera că motoarele cu admisie naturală

prezintă următoarele dezavantaje:

1. Puterea efectivă la sol este mică;

2. Puterea efectivă scade rapid cu altitudinea de zbor, ceea ce

are ca efect creşterea greutăŃii specifice.

3.1.10.3. Caracteristicile motorului supraalimentat

3.1.10.3.1. Generalit ăŃi

Motorul supraalimentat prezintă următoarele avantaje:

1. Puterea efectivă, la punct fix, este mai mare deoarece

presiunea aerului aspirat este superioară celei atmosferice;

2. Există posibilitatea creşterii puterii efective a motorului, odată

cu creşterea înălŃimii de zbor, dacă aceasta se situează sub înălŃimea

teoretică de calcul;

Page 53: cap3

317

3. Greutatea specifică este scăzută, ceea ce permite performanŃe

ridicate;

Se numeşte înălŃime teoretică, înălŃime de calcul sau înălŃime de

restabilire, acea înălŃime la care presiunea de admisie este cea teoretică. La

această înălŃime se face, de regulă, proiectarea motorului.

Motoarele supraalimentate cu compresor centrifugal antrenat mecanic

pot fi cu o treaptă de turaŃie, de regim, (o viteză) sau cu două trepte de

turaŃii, de regim (două viteze).

Există două soluŃii de amplasare a compresorului în raport cu poziŃia

sistemului de alimentare:

- Compresor plasat înaintea carburatorului, caz în care acesta

aspiră aer;

- Compresor plasat după carburator, când acesta aspiră amestec;

Cea mai utilizată soluŃie este cea de-a doua, deoarece permite o

formare mai bună a amestecului prin comprimarea lui în compresor.

Vaporizarea este şi ea mai bună, pentru că se măreşte temperatura

amestecului. Totodată, amestecarea se îmbunătăŃeşte pe seama turbulenŃei.

Indiferent de modul de plasare al compresorului şi de antrenare a lui,

acesta trebuie să asigure, pentru orice înălŃime, până la înălŃimea de

restabilire, o presiune constantă.

Practic, există trei posibilităŃi de menŃinere constantă a presiunii:

1. Dacă turaŃia motorului este constantă, atunci şi lucrul

mecanic transmis compresorului este constant şi, dacă nu ar exista un organ

obturator, presiunea de refulare ar scădea cu altitudinea. Pentru menŃinerea

presiunii constante, în faŃa compresorului se montează o clapetă obturatoare,

Page 54: cap3

318

comandată de capsule barometrice care o deschid treptat până la înălŃimea

de restabilire, când clapeta este complet deschisă;

2. Dacă turaŃia compresorului este constantă se modifică

geometria aparatului director;

3. Dacă turaŃia este variabilă, presiunea se menŃine constantă

prin mărirea turaŃiei compresorului cu altitudinea, printr-un cuplaj hidraulic.

Caracteristicile motorului supraalimentat depind de modul de antrenare a

compresorului.

3.1.10.3.2. Caracteristicile motorului supraaliment at cu

compresor antrenat mecanic cu o treapt ă de vitez ă

3.1.10.3.2.1. EcuaŃiile generale ale caracteristicilor motorului

supraalimentat

Puterea efectivă a motorului supraalimentat este

ce i c r i r

i

PP P P P P 1 P

P

= − − = ⋅ − −

, (3.102)

unde

–Pi reprezintă puterea indicată;

–Pc reprezintă puterea consumată de compresor;

–Pr reprezintă puterea consumată pentru învingerea frecărilor

interne.

Dacă se notează ci

i

PK

P= , rezultă că

( )e i i rP P 1 K P= ⋅ − − . (3.103)

Considerând o stare de referinŃă se poate scrie

Page 55: cap3

319

( )i i

i i

i ie e r r

i i

P 1 KP P P P

P 1 K

−= + ⋅ ⋅ −−

(3.104)

şi se pune problema determinării constantei Ki.

Puterea consumată de compresor poate fi pusă sub forma

c a cP M l= ⋅ɺ , (3.105)

unde

– aMɺ este debitul, în [kg/s], de substanŃă aspirată de

compresor, a hM M 3600=ɺ ɺ ;

–lc este lucrul mecanic specific consumat de compresor.

Prin urmare, hc c

MP l

3600= ⋅ɺ

, unde adcc

c

Ll

η= .

Ca atare,

h adcc

c

M LP

3600 η= ⋅ɺ

. (3.106)

Deoarece puterea indicată poate fi pusă sub forma

( )h ci i

i

M PP

3600 min L

ηα

= ⋅ ⋅ɺ

iar

( ) ( )ci ci

i

P P

min L min L

=

şi i i

i

η ηα α

=

atunci

Page 56: cap3

320

i

i

2

ci adci i

c i adc

n LK K

n L

ηη

= ⋅ ⋅ ⋅

iar, pentru turaŃie constantă,

i

i

ci adci i

c adc

LK K

L

ηη

= ⋅ ⋅ .

Deoarece

i

vpri ci c

i vpri c ci i i

P T p n

P T p n

η φη φ

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

şi

pri

m

p 0r r

0 c i

p T nP P 1 1

p T nϕ

= ⋅ − ⋅ − ⋅ ⋅

,

atunci, făcând înlocuirile respective, se obŃine următoarea expresie a puterii

efective

( )

.

i

i

i

i

adc cii

adc c vpr ci ce ei ri

i vpri c ci i i i

m

p 0r pr

0 c i

L1 K

L T p n nP P P

1 K T p n n

p T nP 1 1

p T n

ηη η φ

η φ

ϕ

− ⋅ ⋅

= + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − −

− ⋅ − ⋅ − ⋅ ⋅

(3.107)

În general, în calcule, se ia m=2.

Consumul specific efectiv de combustibil este dat de relaŃia

ime ei

m

c cηη

= ⋅ ,

în care

Page 57: cap3

321

i i

i i

i

e

i em e

im i e

i

P

P PPPP PP

ηη

= ⋅ = .

3.1.10.3.2.2. Calculul caracteristicii de altitudine a motorului

supraalimentat la turaŃia teoretică

Caracteristica de altitudine cuprinde variaŃia puterii efective şi a

consumului specific efectiv de combustibil în funcŃie de altitudine, pentru

turaŃie constantă a motorului şi egală cu cea nominală. Drept condiŃii ini Ńiale

se consideră cele de la altitudinea teoretică de zbor adicǎ, înălŃimea la care

presiunea de aspiraŃie este cea teoretică, clapeta de obturare fiind complet

deschisă.

TuraŃia fiind constantă, rezultă că lucrul mecanic consumat de

compresor este constant, în raport cu altitudinea şi viteza de zbor şi, deci,

randamentul compresorului cη este constant. Prin urmare, ti iK K= .

Se poate scrie

( )t

t

c ct h 0e et rt r

c c t 0 c

p T p TP P P P 1 1

p T p T

φ ϕφ

= + ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅

.

Această relaŃie poate fi folosită pentru ambele domenii de înălŃimi

respectiv, mai mari sau mai mici decât înălŃimea de restabilire.

În cazul înălŃimilor mai mari decât înălŃimea de restabilire, raportul

tφ φ tinde către unitate şi relaŃia puterii efective devine

Page 58: cap3

322

( )t

t

c ct h 0e et rt r

c c 0 c

p T p TP P P P 1 1

p T p Tϕ

= + ⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅ − ⋅

. (3.108)

Lucrul mecanic consumat de compresor este dat de relaŃia

**k 1

kadc h cL i 1π

− = ⋅ −

, (3.109)

de unde

**

k 1

kadc c

ch h

L p1

i pπ

≅ + =

(3.110)

în care *cπ reprezintă gradul de comprimare al compresorului.

Evident,

*

k 1

kadc

c hh

Lp p 1

i

= ⋅ +

. (3.111)

Peste înălŃimea de restabilire, puterea efectivă a motorului

supraalimentat scade, dar este întotdeauna superioară puterii motorului cu

admisie naturală, aşa cum reiese din figura nr. 3.13.

H

e fP

efc

teoreP

teorec

restabilireH

0eP

0ec

ef efP c

Fig. 3.13

Page 59: cap3

323

Se consideră că temperatura, la care se încălzeşte fluidul în compresor,

este dată de relaŃia

c hT T T= + ∆ , (3.112)

unde

adc

p ci

LT

c η∆ =

⋅ (3.113)

este constantă, pentru orice altitudine de zbor.

În cazul altitudinilor mai mici decât cea de restabilire, se consideră

pc=pct=ct., şi se determină

.

.

h

ct

htt

ct

p1 15

pp

1 15p

εφφ ε

⋅ −=

⋅ −. (3.114)

Ca urmare, se poate considera că puterea efectivă creşte liniar, cu

altitudinea, de la sol până la înălŃimea de restabilire, conform relaŃiei

( )0 t

0 0

ct 0 0e et rt r

c t c

T TP P P P 1 1

T T

φ ϕφ

= + ⋅ ⋅ − ⋅ − ⋅ −

, (3.115)

unde

0c 0 tT T T= + ∆ . (3.116)

Page 60: cap3

324

3.2. Motorul turbopropulsor

3.2.1. GeneralităŃi

Motorul turbopropulsor face parte din categoria motoarelor

aeropropulsoare.

Motorul turbopropulsor (MTP) are ca sursă de energie unul sau două

grupuri turbocompresoare iar ca instalaŃie de propulsie elicea şi, în anumite

condiŃii, un ajutaj de reacŃie.

ForŃa de propulsie a MTP se obŃine din:

–ForŃa de tracŃiune a elicei care are ponderea cea mai mare;

–ForŃa de reacŃie a ajutajului, cu o pondere variabilă în raport cu

regimul de zbor.

3.2.1.1. Avantajele motoarelor turbopropulsoare

Avantajele motoarelor turbopropulsoare sunt următoarele:

1. Gradul mare de adaptare a sistemului la regimul de zbor. La un

regim de viteză mică (regimul de decolare) forŃa de propulsie este, în

principal, forŃa de tracŃiune, sistemul comportându-se ca un motor cu piston.

Pe măsură ce viteza de zbor creşte se constată o scădere a componentei de

tracŃiune şi o creştere a componentei de reacŃie. Teoretic, la viteza maximă

maxV a aeronavei, forŃa de tracŃiune a elicei devine nulă ceea ce conduce la

ideea că întreaga forŃă a sistemului este numai forŃă de reacŃie. Ca urmare, la

această viteză MTP se transformă în MTR;

Page 61: cap3

325

2. Dacă se reprezintă grafic randamentele de propulsie ale

sistemelor, studiate, în funcŃie de viteza de zbor, se obŃin curbele din

figura nr. 3.14.

I II III IV

'V "V '"V V

MTR

MTRDFMTP

MSR

Fig. 3.14

Din figură, se constată că există anumite viteze de zbor caracteristice

care definesc patru domenii de zbor. Astfel:

–Pentru viteze în gama ( )V 0 V '∈ − , adică (500–550) km/h, cel

mai bun randament de propulsie îl are MTP;

–Pentru viteze ( )' ''V V V∈ − , adică (800–900) km/h, cel mai bun

randament de propulsie îl are MTR DF;

–Pentru viteze ( )'' '''V V V∈ − , care corespund unor numere M în

gama 2–2.5, cel mai bun randament de propulsie îl are MTR;

–Pentru viteze "'V V≥ , cel mai bun randament îl asigură MSR.

3. PrezenŃa elicei, ca sistem de propulsie, constituie un grad de

libertate suplimentar faŃă de MTR. Dacă sistemul este un MTR sau

MTRDF, acesta are un singur factor de reglare cMɺ şi doi parametrii

Page 62: cap3

326

reglabili n şi 3T∗ , între care există o interdependenŃă. Deci, sistemul are un

singur grad de libertate. În schimb, dacă sistemul este un MTP, cu o elice cu

pas variabil, acesta are doi factori de reglare, debitul de combustibil cMɺ şi

pasul elicei elϕ , şi doi parametrii reglabili n şi 3T∗ , între care nu mai există o

interdependenŃă. Ca atare, sistemul are două grade de libertate.

Astfel, se pot modifica performanŃele sistemului în aşa fel încât să se poată

obŃine, întotdeauna, performanŃe optime.

3.2.2. Dezavantaje

Dezavantajele MTP sunt următoarele:

1. PrezenŃa reductorului. Grupul turbocompresor al MTP poate

funcŃiona în condiŃii optime la turaŃii mai mari decât 10000 rot./min.

O elice subsonică realizează performanŃe optime la turaŃii cuprinse

între (1500–2000) rot./min. Antrenarea unei elice de către un grup

turbocompresor presupune introducerea, între motor şi elice, a unui reductor

cu un raport de demultiplicare cuprins între 10–20. Introducerea

reductorului presupune:

–Îngreunarea motorului, (10–20)%;

–Alungirea motorului, (10–15)%;

–Micşorarea mecη al sistemului, datorită randamentului

reductorului;

–Introducerea unui sistem complex de ungere.

Page 63: cap3

327

În cazul în care grupul turbocompresor antrenează o elice de elicopter, caz

în care turaŃia este cuprinsă între (150–200) rot./min, situaŃia devine mai

complicată, deoarece gradul de demultiplicare creşte la (30–50).

O elice supersonică realizează performanŃe optime la turaŃii cuprinse

între (4000–5000) rot./min.

2. Turbina sistemului asigură puterea necesară antrenării

compresorului şi elicei. Prin urmare, lucrul mecanic produs de turbină,

pentru antrenarea elicei atinge, în mod real, valori de

( )*Tl 500 700 kJ/kg≅ − . Pentru realizarea acestui lucru mecanic este necesar

să se extragă din gazele de ardere mult mai multă energie. În acest scop,

apar două fenomene:

a. Creşte numărul de trepte de turbină, pentru a asigura

destinderea gazelor de ardere la (2–8) trepte. Drept urmare, turbina devine

mai grea, lungimea motorului creşte şi, nu în ultimul rând, se complică

sistemul de răcire;

b. Extrăgând mai multă energie din gazele de ardere, presiunea

gazelor de ardere, la ieşirea din turbină, va fi chiar mai mică decât presiunea

exterioară ceea ce conduce la o supradestindere a lor. În aceste condiŃii,

sistemului de evacuare în loc să accelereze gazele de ardere, pentru a creşte

forŃa de reacŃie, va trebui să le frâneze. Deci, sistemul de evacuare devine o

sursă consumatoare de forŃă de propulsie.

3.2.3. Schema de principiu

Schema de principiu a unui motor turbopropulsor este reprezentată în

figura nr. 3.15.

Page 64: cap3

328

IIIII IV

aMɺ

gMɺ

I

cMɺ

Fig. 3.15

În figură s-au marcat cu cifre romane:

I, elicea ce asigură componenta de tracŃiune a pF ;

II, sistemul de comandă al pasului elicei;

III, reductorul motorului;

IV, grupul turbocompresor care realizează a doua componentă a

pF , prin tracŃiune. Totodată el poate asigura o componentă de reacŃie ca şi

camera de ardere. Principial, elicea primeşte putere de la turbina grupului

turbocompresor.

Din punct de vedere al modului cum este antrenată elicea, de către

turbină, există două variante constructive:

–Varianta monorotor, în care elicea şi compresorul primesc puterea

de la o turbină unică;

Page 65: cap3

329

–Varianta birotor, când fiecare dintre componente, compresor şi

elice, primeşte putere de la o turbină proprie.

Din punct de vedere al modalităŃii de prelevare a puterii de la turbină,

şi a transmiterii ei către elice, se întâlnesc variantele de motor cu:

–Putere prelevată şi transmisă în amontele turbinei;

–Putere prelevată şi transmisă în avalul turbinei.

În prima situaŃie, cele două turbocompresoare funcŃionează în paralel,

iar în cealaltă situaŃie, în serie.

Indiferent de sistem, cele două grupuri au ca element comun debitul de gaze

care străbate ambele turbine. Deci, grupurile nu sunt legate mecanic ci

numai gazodinamic.

În general, motoarele din prima categorie sunt utilizate pe aeronave de

pasageri şi marfă iar celelalte pe aeronave mici, elicoptere, etc. Al doilea

grup turbocompresor este denumit turboelice, caz în care, sistemul se

numeşte cu turbină liberă.

3.2.4. CondiŃia de funcŃionare în regim staŃionar

Se Ńine seama că

– TP este puterea dezvoltată de turbină;

– CP este puterea consumată de compresor;

– T mP η⋅ reprezintă puterea pe care turbina o transmite la arborele

compresorului;

Page 66: cap3

330

– ( )ef T m C rP P Pη η= ⋅ − ⋅ este puterea efectivă transmisă la arborele

elicei.

Evident,

efT m C

r

PP Pη

η⋅ − = (3.117)

sau

efT m C

r

PP Pη

η⋅ = + ,

de unde

efSP* *T c a g T

m r

P1P l M M l

η η

= ⋅ + ⋅ = ⋅

ɺ ɺ . (3.118)

Neglijând aportul de combustibil în relaŃia (3.118), deoarece cm 1≪ ,

rezultă

ef SPT c

m r

P1l l

η η∗ ∗

≅ ⋅ +

, (3.119)

relaŃie care constituie, condiŃia caracteristică de funcŃionare, în regim

staŃionar, a motorului turbopropulsor.

3.2.5. PerformanŃele motorului turbopropulsor

3.2.5.1. PerformanŃe absolute

În continuare, sunt prezentate principalele performanŃe absolute ale

MTP. Astfel, se definesc:

Page 67: cap3

331

a. Puterea efectivă a motorului, efP , adică puterea care se măsoară

la arborele elicei, ( )efP 250 5000∈ − kW;

b. ForŃa de reacŃie a sistemului, RF , reprezintă componenta forŃei

de propulsie care se dezvoltă prin reacŃia directă a fluidului, în ajutajul de

reacŃie ( )RF 1100 2000∈ − N;

c. ForŃa de tracŃiune, elF , reprezintă acea componentă a forŃei de

propulsie care se obŃine prin reacŃie indirectă a fluidului, pe elicea

sistemului, ( )elF 20000 200000∈ − N.

Între elF şi puterea efectiva efP există o interdependenŃă. Astfel, dacă:

– ef elP η⋅ este puterea pe care o transmite elicea aerului;

– elF V⋅ reprezintă puterea pe care o primeşte aerul de la elice,

atunci

elel efF P

V

η= ⋅ . (3.120)

Cum însă la H=0 şi V=0, elη =0, atunci el

V 0

0lim

V 0

η β→

= = . În general, β

ia valori în gama

1 1

100 70β ∈ ÷

.

Prin urmare, la punct fix tracŃiunea el0F devine

el0 ef 0F P β= ⋅ . (3.121)

Page 68: cap3

332

d. ForŃa de propulsie a sistemului pF este, prin definiŃie, suma

celor două componente, adică

elp R el R efF F F F F P

V

η= = + = + ⋅ , (3.122)

iar, la punct fix,

P0 R0 ef 0F F P β= + ⋅ . (3.123)

e. Puterea echivalentă ecP , este puterea care se măsoară la arborele

elicei dacă întreaga forŃă de propulsie a sistemului este forŃa de tracŃiune,

adică

ec p ef Rel el

V VP F P F

η η= ⋅ = + ⋅ . (3.124)

Ca atare, la punct fix, puterea echivalentă ecP , va fi

0ec ef 0 R0

1P P F

β= + ⋅ . (3.125)

3.2.5.2. PerformanŃele specifice

Din această categorie, fac parte următoarele mărimi:

a. Puterea efectivă specifică

( )SP

efef

a

P kJP 150 300

M kg= ∈ −ɺ

; (3.126)

b. ForŃa de propulsie specifică

( )SP

pp

a

FF 500 2000 m / s

M= ∈ −ɺ

; (3.127)

Page 69: cap3

333

c. Puterea echivalentă specifică

SP SP

ecec p

a el

P VP F

M η= = ⋅ɺ

; (3.128)

d. Consumul efectiv specific de combustibil defineşte cât

combustibil se consumă pentru a obŃine o putere efectivă de 1 kW în timp de

1h. Analitic, se poate scrie

( )SP

cef

ef

M kgc 3600 0.25 0.4

P kW h= ⋅ ∈ −

ɺ; (3.129)

e. Consumul specific de combustibil reprezintă cât combustibil

se consumă pentru a obŃine o forŃă de 1 kN în timp de 1 h.

cSP

p

M kgc 3600 (0.02 0.04 )

F N h= ⋅ ∈ −

ɺ; (3.130)

f. Consumul specific de combustibil echivalent reprezintă cât

combustibil se consumă pentru a obŃine o putere de 1 kW în timp de 1h,

respectiv

SP

ce

ec

Mc 3600

P= ⋅

ɺ. (3.131)

3.2.6. Ciclul real al motorului turbopropulsor

3.2.6.1. DistribuŃia optimă a energiei disponibile

Se va Ńine seama, în continuare, că lucrul mecanic primit de elice şi

compresor este dat de expresia (3.119), adică

Page 70: cap3

334

c

ef SP*T

m r

P1l l

η η∗

= ⋅ +

.

Se constată, ca şi în cazul MTR DF, că există o anumită repartiŃie a

energiei disponibile care asigură performanŃe maxime pentru motor. Această

repartiŃie se poate determina pe baza evoluŃiei de destindere a gazelor de

ardere în turbină. Aşa cum reiese din figura nr. 3.16, mărimile care intervin

au următoarele semnificaŃii:

*3

*4TC

*4elT

5

*4idTC

*4elid

T

5'5"5'"

*3p

*4TC

p

*4Telid

p

Hp

*TCl

*

elTl

25

2

C

*Tl

elE

'E

arE

E

i

0

25

2id

C

s

Fig. 3.16

– '4TC 5E' i i∗= − reprezintă energia disponibilă a motorului obŃinută

în condiŃiile reale, după ce o parte a fost consumată pentru antrenarea

compresorului;

–id4TC 5E' i i∗ ′′′= − este energia disponibilă ideală a motorului care

reprezintă acea parte a energiei ideale, realizată prin destinderea gazelor de

ardere, ce se obŃine după ce o parte a fost consumată pentru comprimarea

fluidului în compresor. Se poate considera

E E′ ≈ ; (3.132)

Page 71: cap3

335

– elE reprezintă energia ce revine, în condiŃii ideale, ventilatorului

pe fluxul primar;

– arE reprezintă energia ce revine, în condiŃii ideale, ajutajului de

reacŃie de pe fluxul primar.

Evident, energia disponibilă se exprimă va fi

el arE E E= + . (3.133)

DistribuŃia energiei disponibile, pe cele două componente de propulsie

este dată de poziŃia stării Tel id4'∗ . Se determină experimental şi se verifică

teoretic, că există o anumită repartiŃie a energiei disponibile între ajutajul de

reacŃie şi elice, pentru care SPpF a motorului este maximă. Dacă elE

xE

= este

factorul de distribuŃie a energiei disponibile atunci elE x E= ⋅ şi

( )arE 1 x E= − ⋅ .

Considerând o distribuŃie optimă, optx , pentru care SPpF este maximă,

atunci elicea va primi un lucru mecanic specific optim. Factorul de

distribuŃie optx este un parametru important care stă la baza proiectării

sistemului de propulsie. De obicei, proiectarea se realizează la regimul de

decolare al aeronavei. Se Ńine seama că

SP SP SP

elp R efF F P

V

η= + ⋅ , (3.134)

unde

( )SPR 5 arF C V 2 1 x E Vϕ= − = ⋅ ⋅ − ⋅ − , (3.135)

deoarece

Page 72: cap3

336

SPR 5id arF C ϕ= ⋅

şi

( ) ( ) ( )el elid

5id 4T 5 4 5 arC 2 i i 2 i i 2 E 2 1 x E∗ ∗′ ′′′= ⋅ − = ⋅ − = ⋅ = ⋅ − ⋅ .

Pe de altă parte,

– x E⋅ reprezintă energia ideală pe care o transferă turbina elicei;

– Tx E η∗⋅ ⋅ reprezintă energia reală pe care o transferă turbina elicei;

– g T mx E M η η∗⋅ ⋅ ⋅ ⋅ɺ este energia totală, reală, pe care o transmite

turbina elicei măsurată la axul acesteia.

– g T m rx E M η η η∗⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ɺ reprezintă energia totală, reală, pe care o

transmite turbina elicei la arborele elicei. Ea este egală cu puterea efectivă la

arborele elicei, adică

ef g T m rP x E M η η η∗= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ɺ . (3.136)

ÎmpărŃind cu debitul de aer, se obŃine puterea efectivă specifică

SPef T m rP x E η η η∗= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.137)

Înlocuind relaŃiile (3.135) şi (3.137) în relaŃia (3.134) se obŃine

( )SP

elp ar T m rF 2 1 x E x E

V

ηϕ η η η∗= ⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.138)

Se pune condiŃia de maxim funcŃiei din relaŃia (3.138), adică

SPpdF0

dx= .

Page 73: cap3

337

Ca atare,

elar T m r

opt

12 E E 0

V2 1 x

ηϕ η η η∗−⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ =⋅ −

sau

( )2 2

2 el arT m r

opt

2 EE

V 4 1 x

η ϕη η η∗ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ − ,

respectiv

2

aropt

T m r el

1 V1 x

2 E

ϕη η η η∗

⋅− = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.139)

Din relaŃia (3.139) expresia lui optx devine

2

aropt

T m r el

1 Vx 1

2 E

ϕη η η η∗

⋅= − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.140)

La punct fix,

–Coeficientul distribuŃiei optime este

2 3ar

opt0 20 T m r

1 10x 1

2 E

ϕη η η β

⋅= − ⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅

; (3.141)

–Puterea efectivă devine

SP 0ef opt T m rP x E η η η∗= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ;

–ForŃa de reacŃie specifică este

( )SP 00

p ar opt opt T m rF 2 1 x E x Eϕ η η η β∗= ⋅ ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.142)

Page 74: cap3

338

3.2.6.1.1. Influen Ńa parametrilor asupra distribu Ńiei optime

Din relaŃia anterioară, se observă că

( ), ,opt ar elx f V ϕ η= . (3.143)

3.2.6.1.1.1. InfluenŃa vitezei asupra distribuŃiei optime

Dacă viteza de zbor creşte se observă că optx scade adică, elicea va

primi mai puŃină energie de la turbină. Va exista o viteză maximă de zbor la

care întreaga energie disponibilă este transmisă ajutajului de reacŃie. Deci

MTP se transformă într-un MTR. Valoarea vitezei maxime se determină din

condiŃia

optx 0= .

Deci

( )2 2ar max

2

T m r el

V2 E

ϕη η η η∗

⋅⋅ =⋅ ⋅ ⋅

,

respectiv

T m r elmax

ar

V 2 Eη η η η

ϕ

∗ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ ⋅

şi, în final,

max r elV 2 Eη η≅ ⋅ ⋅ ⋅ . (3.144)

Page 75: cap3

339

3.2.6.1.1.2. InfluenŃa coeficientului de pierdere de viteză asupra

distribuŃiei optime

Dacă pierderile de viteză în ajutaj sunt mici, atunci arϕ creşte, iar optx

scade. Ca urmare, elicea va primi mai puŃină energie de la turbină, ajutajul

preluând cea mai mare parte din energia disponibilă.

3.2.6.1.1.3. InfluenŃa randamentului elicei asupra distribuŃiei optime

Dacă elη creşte se observă că optx creşte, adică ajutajul va primi mai

puŃină energie de la turbină, elicea fiind cea care preia energia disponibilă.

Apare clar ideea că MTP are capacitatea de a distribui energia disponibilă

instalaŃiei de propulsie (ajutaj sau elice) care, în anumite condiŃii de zbor, o

utilizează mai bine. Acest proces se numeşte autoreglare. Dacă elicea este

cu pas variabil atunci sistemul este autoreglabil la oricare regim de zbor şi la

orice regim de funcŃionare al motorului. Se afirmă că motorul se

automodelează în raport cu condiŃiile de zbor.

3.2.6.1.2. Determinarea coeficientului de distribu Ńie

Practic, aceasta presupune cunoaşterea energiei disponibile E. Prin

definiŃie, E este

"4TC 5 4TCid 5 3 5 3 4TCid d id TCid

did TCid

E i i i i i i i i i l

i l

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

′′′ ′′′= − ≅ − = − − − = ∆ − ∆ �����

. (3.145)

Înlocuind cei doi termeni, din expresia anterioară, se obŃine

Page 76: cap3

340

k 1

kc id

3d da ca c T c

1 lE i 1

π σ σ π η η

′−∗′

∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗

= ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

. (3.146)

Ca atare, forŃa specifică optimă devine

( )SPR ar optF 2 1 x E Vϕ= ⋅ ⋅ − ⋅ − (3.147)

sau, introducând optx ,

SP

2ar

RT m r el

F V 1ϕ

η η η η∗

= ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

.

În primă aproximaŃie, admiŃând că 2ar

T m r

η η η∗ ≈⋅ ⋅

se poate scrie

SPR

el

VF V

η≅ − . (3.148)

La punct fix, forŃa de reacŃie specifică optimă este

( )SP 0R

1F 70 100 m / s

β≅ ∈ ÷ . (3.149)

3.2.7. InfluenŃa parametrilor motorului asupra

performanŃelor specifice

3.2.7.1. InfluenŃa parametrilor funcŃionali asupra puterii

efective specifice

3.2.7.1.1. Expresia puterii efective specifice

Din cele prezentate anterior, puterea efectivă specifică este

Page 77: cap3

341

( )SPef r T cP l lη ∗ ∗= ⋅ − , (3.150)

în care

( )T T id T T 3 5l l i iη η∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ′′′= ⋅ = ⋅ − .

La punct fix, în turbină, se realizează o destindere completă a gazelor

de ardere, adică

k 1

k

T T 3d da c ca

1l i 1η

π σ π σ

′−′

∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

. (3.151)

Ca atare,

k 1

kc id

T c T 3d da c ca T c

1 ll l i 1η

π σ π σ η η

′−∗′

∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗

− = ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

,

iar expresia puterii efective specifice, relaŃia (3.150), devine, în final,

SP

k 1

k

ef r T 3d da c ca

1P i 1 A ,η η

π σ π σ

′−′

∗ ∗∗ ∗ ∗

= ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

(3.152)

unde

k 1

k2

H c

c T

Vi 1

2A .

π

η η

∗ ∗

+ ⋅ −

=⋅

Evident,

��SPef da r ca 3 c c T

III IVI II

P f , , ,T , , , ,k ,k ,V ,Hσ η σ π η η∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

′ = ����� �����

, (3.153)

Page 78: cap3

342

unde

–I reprezintă grupa coeficienŃilor de perfecŃiune a curgerii prin

organele fixe ale motorului;

–II reprezintă grupa parametrilor de bază ai sistemului;

–III reprezintă parametrii fluidului de lucru;

–IV reprezintă grupa parametrilor regimului de zbor (toŃi parametrii

depind de viteza şi înălŃimea de zbor).

3.2.7.1.2. Influen Ńa temperaturii maxime

În figura nr. 3.17 este reprezentată influenŃa temperaturii *3T asupra

( )ef SP 3c ct

P f T π∗

=∗= .

50

100

150

200

700 800 900 1000 1100

SPefP * 6Cπ =

* 4Cπ =

0

m

s

min

*3T

[ ]*3T K

Fig. 3.17

Din figură, se pot extrage următoarele concluzii interesante:

–SPefP creşte liniar cu temperatura 3T∗ ;

Page 79: cap3

343

–Există întodeauna o temperatură minimă sub care motorul nu

funcŃionează deoarece turbina nu poate asigura puterile necesare învingerii

tuturor rezistenŃelor gazodinamice din sistem, compresorului şi agregatelor

motorului;

–Temperatura minimă este cu atât mai mică cu cât gradul de

comprimare este mai mic;

łinând seama că temperatura maximă este mică în comparaŃie cu

temperatura gazelor de ardere la MTR, deoarece motorul nu dispune de un

debit de aer, suficient de mare, care să permită o răcire a turbinei, debitele

de fluid sunt mult mai mici, atunci motorul turbopropulsor nu poate realiza

puteri mari. La puteri mici, debitul de aer este mic şi pentru creşterea puterii,

ar fi nevoie de o temperatură foarte mare care ar depăşi valoarea la care

rezistă paletele turbinei. Pe de altă parte, motorul cu piston, nu poate realiza

puteri mari, deoarece creşte considerabil masa motorului. Ca atare, există un

domeniu de puteri efective, greu de atins de motoarele clasice. Probabil, cea

mai bună variantă ar fi o combinaŃie între cele două sisteme, similară

propulsorului Coandă.

3.2.7.1.3. Influen Ńa raportului de comprimare

InfluenŃa raportului de comprimare *cπ asupra forŃei de reacŃie a

motorului ( )SPef c

3TP f π ∗

∗= este prezentată în figura nr. 3.18.

Page 80: cap3

344

2 4 6 8 10 12

50

100

150

200

*3 1000T K=

*3 1100T K=

DU�����

[ ] m sSPefP

*

optcπ*cπ

Fig. 3.18

Se constată, din figură, că la 3T ct.∗ = există un grad de comprimare

optcπ ∗ pentru care SPefP este maximă. Cu creşterea temperaturii maxime

optcπ ∗

creşte şi corespunzător maxSPefP . Din punct de vedere practic,

optcπ ∗ , realizat de

MTP, se află în afara domeniului real DU care, în general, nu depăşeşte 5–6.

Ca urmare, optcπ ∗ nu constituie un criteriu real de optimizare a puterii

efective specifice a motorului.

3.2.7.1.4. Influen Ńa randamentelor

InfluenŃa randamentelor asupra puterii efective specifice

( )SPefP f η∗= se observă din figura nr. 3.19. Evident, indiferent de

randament, există întotdeauna o creştere a puterii efective specifice la

creşterea randamentului.

Page 81: cap3

345

SPefP

1

( )* *,T Cη η

* .C ctη =( )* .T ctη =

Fig. 3.19

Se poate constata că:

–Randamentul compresorului influenŃează puterea efectivă, în mod

explicit;

– Tη∗ se poate mări fizic dacă se măreşte numărul de trepte de

turbină;

– cη∗ influenŃează mai puternic, decât Tη∗ , puterea efectivă specifică

a motorului.

3.2.7.2. InfluenŃa parametrilor funcŃionali asupra forŃei de

reacŃie specifică

3.2.7.2.1. Expresia for Ńei de reac Ńie specific ă

Prin definiŃie,

SPR c 5F (1 m ) C -V= + ⋅ , (3.154)

unde

Page 82: cap3

346

'

'

k 1*k

* T5 ar 3 * * * *

d da ca c T

1 lC 2 i 1ϕ

π σ σ π η

− = ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

,

iar

* * e SPT c

r

Pl l

η= + .

Ca atare,

( )SP

* * * * * * 'R da ca r 3 c T cF f , , ,T , , , ,k ,k ,H ,Vσ σ η π η η= . (3.155)

Se va trata, pe rând, influenŃa fiecărui parametru fundamental.

3.2.7.2.2. Influen Ńa temperaturii maxime

InfluenŃa temperaturii *3T asupra forŃei de reacŃie a motorului,

( )SP

*R 3F f T= pentru * .c ctπ = , se observă din figura nr. 3.20.

900 1000 1100

100

200

300

SPRF

[ ]*3 T K

*c 8π =

*c 6π =*c 4π =

[ ]m s

Fig. 3.20

Page 83: cap3

347

Se constată că:

–ForŃa de reacŃie specifică SPRF creşte odată cu creşterea

temperaturii *3T ;

–InfluenŃa temperaturii *3T , asupra forŃei de reacŃie, este mai mică

decât în cazul MTR;

–Cu cât gradul de comprimare *cπ este mai mare, cu atât influenŃa

temperaturii asupra forŃei de reacŃie specifică creşte.

3.2.7.2.3. Influen Ńa gradului de comprimare

Se analizează variaŃia ( )*

SPR cF f π= pentru *3T ct.= , pe baza familiei

de curbe din figura nr. 3.21.

4 6 8

100

200

10 *cπ

m

s *

3T 1200K=

*3T 1000K=

SPRF

Fig. 3.21

Page 84: cap3

348

Astfel:

–La o temperatură constantă, forŃa de reacŃie SPRF creşte

continuu cu gradul de comprimare *cπ ;

–Cu cât temperatura *3T este mai mare, cu atât influenŃa gradului

de comprimare *cπ asupra forŃei

SPRF creşte;

–Nu există o valoare optimă a gradului de comprimare *cπ

pentru care forŃa specifică să admită un maxim.

3.2.7.4. InfluenŃa parametrilor funcŃionali asupra

consumului specific efectiv de combustibil

3.2.7.4.1. Expresia consumului specific efectiv de combustibil

Consumul specific efectiv de combustibil este, prin definiŃie

SP

cSP ef

ef

mc 3600

P= ⋅ , (3.156)

de unde, înlocuind mărimile cunoscute, rezultă în final,

( )* * * * * * ' 3, , , , , , , , , ,SP ef da ca r c T cc f T k k H Vσ σ η π η η= . (3.157)

În continuare, se studiază influenŃele parametrilor de bază.

3.2.7.4.2. Influen Ńa temperaturii maxime

InfluenŃa temperaturii *3T asupra consumului specific ( )*

SP ef 3c f T= ,

pentru * .c ctπ = , este prezentată în figura nr. 3.22.

Page 85: cap3

349

600 800 1000

0 .4

0 .6

0 .8

1200

1

S P efc

* 4Cπ =

* 6Cπ =

*3T

Fig. 3.22

Din figură reies următoarele:

–Creşterea temperaturii *3T implică scăderea consumului specific

efectiv de combustibil;

–Cu cât gradul de comprimare *cπ este mai mare cu atât influenŃa

temperaturii *3T asupra consumului specific efectiv de combustibil este mai

redusă.

Spre deosebire de MTR nu există o temperatură *

ec3T pentru care SP efc

este minim.

3.2.7.4.3. Influen Ńa gradului de comprimare

InfluenŃa gradului de comprimare asupra consumului specific, adică

( )* SP ef cc f π= pentru * .3T ct= , este cea prezentată în figura nr. 3.23.

Page 86: cap3

350

2 4 6

0.4

0.6

0.8

8

1

10

SP efc

*3 1000T K=

*3 1300T K=

*

eccπ*cπ

Fig. 3.23

Evident,

–Pentru o temperatură *3T constantă există un grad de comprimare

economic, *

c ecπ ;

–Pentru temperaturi *3T mari creşte gradul de comprimare

economic şi scade corespunzător valoarea minimă a consumului specific

efectiv de combustibil;

– *

c ecπ are valori uşor superioare faŃă de *

cπ uzual. Deci, gradul de

comprimare economic nu este un criteriu real de optimizare a consumului

specific efectiv de combustibil.

3.2.7.5. InfluenŃa randamentelor

Creşterea valorilor randamentelor, compresorului şi turbinei, asigură o

scădere a consumului specific efectiv de combustibil. InfluenŃa cea mai

Page 87: cap3

351

mare, din acest punct de vedere, o are randamentul turbinei.

3.2.8. Studiul caracteristicilor de exploatare ale

motorului turbopropulsor

3.2.8.1. GeneralităŃi

În cele ce urmează, se vor studia influenŃele vitezei, altitudinii de zbor

şi ale parametrilor funcŃionali ai motorului, turaŃia n, pasul elicei elϕ , asupra

performanŃelor fundamentale ale motorului: Pef, FR, cSP ef.

Pentru că între turaŃia motorului şi pasul elicei există o anumită

legătură, ( )eln f ϕ= ) se pot defini trei familii de caracteristici de exploatare:

–Caracteristica de viteză, CV;

–Caracteristica de înălŃime, CH;

–Caracteristica de turaŃie, CT. Pentru motoarele de elicopter se

defineşte caracteristica de sarcină, CS.

În general, MTP se realizează în două variante, în ceea ce priveşte

destinderea gazelor de ardere în turbină. Astfel, se întâlnesc motoare la care:

–Destinderea gazelor de ardere în turbină este completă, la orice

regim de zbor şi la orice regim de funcŃionare a motorului, adică p4=pH.

Motorul MTP cu destindere completă echipează, în mod uzual, elicopterele.

–Destinderea gazelor de ardere în turbină este constantă, la orice

regim de zbor şi la orice regim de funcŃionare a motorului, dar este

completă, doar la punct fix. Motoarele MTP cu destindere constantă

furnizează puteri foarte mari, ele fiind similare, funcŃional, motorului

turboreactor.

Page 88: cap3

352

În cele ce urmează, vor fi analizate, pentru fiecare tip de motor,

caracteristicile de zbor şi de turaŃie.

3.2.8.2. Caracteristica de viteză

Caracteristica de viteză reprezintă un ansamblu de curbe ce cuprinde

variaŃiile performanŃelor, Pef, FR, cSP ef în funcŃie de viteza de zbor, pentru o

altitudine de zbor constantă şi o turaŃie a motorului constantă şi egală cu

turaŃia nominală, adică

( )( )

( )

ef

R

SP ef

P f V

F f V

c f V

== =

pentru .

.nom

H ct

n n ct

= = =

(3.158)

3.2.8.2.1. Bazele fizice

Pentru a pune bazele fizice acestei caracteristici se are în vedere că

ef a SP efP M P= ⋅ɺ ,

în care

( )* *r T cSP ef

P l lη= ⋅ − .

Totodată,

SPR R aF F M= ⋅ ɺ ,

iar

SP efSP ef

1c

Pα≈

⋅.

Page 89: cap3

353

3.2.8.2.1.1. Motorul turbopropulsor cu destindere completă în turbină

Caracteristic acestui motor este faptul că la creşterea vitezei, lucrul

mecanic pe compresor * .cl ct= , iar destinderea în turbină se face până la

presiunea atmosferică. În această situaŃie, se modifică lucrul mecanic

dezvoltat pe turbină, ( )*Tl f V= . La creşterea vitezei, în condiŃiile în care

geometria sistemului rămâne invariabilă şi n=ct, debitul creşte în aceeaşi

manieră ca în cazul MTR.

Pentru a studia evoluŃia ( )*Tl f V= se reprezintă ciclul real al

motorului pentru două viteze de zbor şi aceeaşi înălŃime. Din compararea

celor două cicluri rezultă urnătoarele:

–La creşterea vitezei de zbor creşte energia specifică a fluidului în

amontele sistemului şi, în condiŃiile în care pierderea de presiune în

dispozitivul de admisie se modifică foarte puŃin cu regimul de zbor, va

rezulta o creştere a presiunii totale şi a entalpiei totale a fluidului la intrarea

în compresor. Deoarece turaŃia grupului turbocompresor este constantă,

rezultă că lucrul mecanic de comprimare este constant şi nu depinde de

regimul de zbor, deci * *

1 2c cl l= . Ca atare, se îmbunătăŃesc parametrii

termodinamici ai aerului la intrarea în camera de ardere a sistemului.

Deoarece temperatura maximă a gazelor de ardere *3T depinde numai de

turaŃia motorului atunci, la n=ct. * .3T ct= , şi într-o primă aproximaŃie

* .3i ct= , atunci entalpia maximă nu depinde de regimul de zbor. În aceste

condiŃii, evoluŃia de ardere, între stările 2 şi 3, se deplasează către valori mai

mici ale entropiei fapt ce are două urmări importante pentru motor:

–În condiŃiile destinderii complete a gazelor de ardere, va rezulta o

Page 90: cap3

354

creştere a lucrului mecanic produs de gaze în turbină * *

1 2T Tl l< , creştere

proporŃională cu creşterea vitezei de zbor. Rezultă, că puterile PSP ef şi Pef se

măresc odată cu creşterea vitezei de zbor;

–Energia calorică înmagazinată de fluid în camera de ardere este

mai mică la viteze mai mici. Această scădere a căldurii este echivalentă

fizic, cu o creştere a excesului de aer al gazelor de ardere. Deci, la creşterea

vitezei de zbor, creşte excesul de aer, adică ( ) ( )* * * *3 2 3 22 1i i i i− < − şi 2 1α α> .

Dacă α şi PSP ef cresc, atunci, întrucât SP ef

SP ef

1c

Pα≈

⋅, consumul specific

efectiv scade la creşterea vitezei.

Evident, FR SP≈C4–V, unde C4 este viteza gazelor de ardere la ieşirea

din turbină. Deoarece lucrul mecanic produs de turbină, *Tl , este mai mare,

va trebui ca pentru a-l menŃine, în secŃiunile de arie minimă ale motorului

(3', 5) regimul de curgere să fie întotdeauna critic. Astfel, perturbaŃiile

exterioare ale mediului nu vor influenŃa niciodată regimul de curgere prin

turbină. În consecinŃă, ( ),4C f H V≠ şi, ca urmare, forŃa de reacŃie SPRF

scade liniar odată cu creşterea vitezei.

Scăderea forŃei SPRF fiind mult mai importantă decât creşterea

debitului de aer, aceasta face ca forŃa de reacŃie FR să scadă continuu la

creşterea vitezei de zbor.

Toate aceste variaŃii sunt prezentate în figura nr. 3.24.

Page 91: cap3

355

RF

SP efc efP

aMɺ

V

aMɺ

efP SP efc

RF

SPRF

SPRF

Fig. 3.24

3.2.8.2.1.2. Motorul turbopropulsor cu destindere constantă în turbină

Caracteristic acestui motor este faptul că la creşterea vitezei, lucrul

mecanic consumat de compresor * .cl ct= Destinderea în turbină este

constantă, * .Tl ct= , ceea ce înseamnă că .SP ef

P ct= La creşterea vitezei, în

condiŃiile în care geometria sistemului rămâne invariabilă şi n=ct., debitul

creşte în aceeaşi manieră ca în cazul MTR.

Se reprezintă ciclul real al motorului, pentru două viteze de zbor şi aceeaşi

înălŃime. Din compararea celor două cicluri rezultă:

–La creşterea vitezei de zbor creşte energia specifică a fluidului în

amontele sistemului şi, în condiŃiile în care pierderea de presiune în

dispozitivul de admisie se modifică foarte puŃin cu regimul de zbor, vor

rezulta creşteri ale presiunii totale şi entalpiei totale ale fluidului la intrarea

în compresor;

–Deoarece turaŃia grupului turbocompresor este constantă rezultă

Page 92: cap3

356

că lucrul mecanic de comprimare este constant şi nu depinde de regimul de

zbor şi deci * *

1 2c cl l= .

–Se îmbunătăŃesc parametrii termodinamici ai aerului la intrarea în

camera de ardere a sistemului. Deoarece temperatura maximă a gazelor de

ardere *3T depinde numai de turaŃia motorului atunci la n=ct. şi * .3T ct= şi,

într-o primă aproximaŃie, * .3i ct= şi nu depinde de regimul de zbor. În aceste

condiŃii, evoluŃia de ardere între stările 2 şi 3 se deplasează către valori mai

mici ale entropiei fapt ce are două consecinŃe importante pentru motor:

–Destinderea constantă a gazelor de ardere în turbină,

* *

1 2T Tl l= şi creşterea vitezei de evacuare a gazelor conduc la o creştere, mai

puŃin pronunŃată, a SPRF decât în cazul destinderii complete;

–Energia termică înmagazinată de fluid în camera de

ardere este mai mică. Această scădere a căldurii este echivalentă, fizic, cu o

creştere a excesului de aer al gazelor de ardere. Deci, la creşterea vitezei de

zbor creşte excesul de aer, adică, 2 1α α> . Dacă, α creşte şi .SP ef

P ct=

atunci, cum SP ef

SP ef

1c

Pα ⋅∼ va rezulta o scădere a cSP ef, la creşterea vitezei.

Aceasta este însă mai mică decât în cazul anterior al destinderii complete;

Prin definiŃie, SPR 5F C V≈ − , unde C5 este viteza gazelor de ardere la

ieşirea din ajutajul de reacŃie. Deoarece destinderea gazelor de ardere este

constantă se măreşte energia disponibilă a gazelor în sistemul de evacuare,

2 1se sei i∆ > ∆ , ceea ce înseamnă că viteza de evacuare a gazelor de ardere se

va mări, 2 1

5 5C C> şi, ca urmare, diferenŃa C5–V devine mai mare decât în

Page 93: cap3

357

cazul anterior. Ca atare, FR este mai mare ca în varianta destinderii

complete.

Toate aceste variaŃii sunt prezentate în figura nr. 3.25.

SPRF

RF

SP efc

ef SPP

efPaMɺaMɺ

efP

ef SPP

SP efc

RF

SPRF

V

Fig. 3.25

3.2.8.3. Caracteristica de înălŃime

Caracteristica de înălŃime reprezintă ansamblul de curbe care cuprinde

variaŃiile performanŃelor, Pef, FR, cSP ef, în funcŃie de altitudinea de zbor,

pentru o viteză de zbor constantă şi o turaŃie a motorului constantă şi egală

cu turaŃia nominală.

Analitic, se poate scrie

( )( )

( )

ef

R

SP ef

P f H

F f H

c f H

== =

pentru .

.nom

V ct

n n ct

= = =

(3.159)

Page 94: cap3

358

3.2.8.3.1. Bazele fizice

Din punct de vedere fizic interesează, în special, evoluŃia motorului în

troposferă.

InfluenŃa altitudinii de zbor asupra lucrului mecanic produs de turbină,

*Tl , se poate afla dacă se reprezintă ciclul real al motorului, pentru două

altitudini de zbor, în troposferă.

3.2.8.3.1.1. Motorul turbopropulsor cu destindere completă în turbină

Caracteristic acestui motor este faptul că la creşterea înălŃimii de zbor,

lucrul mecanic pe compresor * .cl ct= , iar destinderea în turbină se face până

la presiunea atmosferică. În această situaŃie, se modifică lucrul mecanic

dezvoltat de turbină, ( )*Tl f H= . La creşterea înălŃimii, în condiŃiile în care

geometria sistemului rămâne invariabilă şi n=ct., debitul scade, în aceeaşi

manieră ca în cazul MTR.

Se reprezintă ciclul real al motorului pentru două înălŃimi de zbor şi aceeaşi

viteză. Din compararea celor două cicluri rezultă următoarele:

–La creşterea înălŃimii de zbor, în condiŃiile în care pierderea de

presiune în dispozitivul de admisie nu se modifică esenŃial cu regimul de

zbor, va rezulta o înrăutăŃire a parametrilor termodinamici ai aerului la

intrarea în compresor;

–Deoarece n=ct., atunci 1 2c cl l∗ ∗= ceea ce face ca la creşterea

înălŃimii să se constate scăderea presiunii aerului la intrare în camera de

ardere;

Page 95: cap3

359

–Deoarece max

.3T ct∗ = atunci 1 23 3i i∗ ∗= ceea ce face ca evoluŃia de

ardere să se deplaseze către entropii mai mari, şi, ca urmare, presiunea

aerului la intrare în camera de ardere scade. Această deplasare are două

consecinŃe mai importante:

–Scăderea presiunii gazelor de ardere la intrarea în turbină.

Deoarece destinderea gazelor este completă în turbină, ea va compensa

scăderea presiunii gazelor de ardere la intrare în turbină. Ca urmare, va

rezulta o uşoară creştere a lucrului mecanic produs de turbină, *Tl , odată cu

creşterea altitudinii de zbor. Puterea efectivă specifică creşte uşor odată cu

creşterea înălŃimii;

–Creşterea variaŃiei de entalpie a fluidului în camera de

ardere, respectiv, gazele de ardere acumulează mai multă energie. Acest

proces este echivalent cu o scădere a excesului de aer în camera de ardere:

( ) ( )* * * *3 2 3 22 1i i i i− > − deci 2 1α α< . Dacă α scade şi

SP efP creşte uşor atunci,

întrucât SP ef

SP ef

1c

Pα≈

⋅, va rezulta o creştere a cSP ef odată cu înălŃimea;

–Pef scade, cu creşterea altitudinii de zbor, datorită scăderii

debitului;

–Viteza gazelor de ardere la ieşire din turbină C4 nu depinde de

variaŃia de altitudine, astfel încât pentru o viteză constantă de zbor, forŃa de

reacŃie SPRF nu se modifică la variaŃia de altitudine. Ca atare, FR scade

continuu la creşterea înălŃimii de zbor.

Toate aceste variaŃii sunt prezentate în figura nr. 3.26.

Page 96: cap3

360

H

SP efc

ef SPP

SPRF

RFaMɺ

aMɺ

efP

ef SPP

RF

SPRF

SP efc

efP

11

Fig. 3.26

3.2.8.3.1.2. Motorul turbopropulsor cu destindere constantă în turbină

Caracteristic acestui motor este faptul că la creşterea vitezei, lucrul

mecanic pe compresor * .cl ct= iar destinderea în turbină este constantă,

* .Tl ct= ceea ce înseamnă că .SP ef

P ct= La creşterea înălŃimii, în condiŃiile

în care geometria sistemului rămâne invariabilă şi n=ct., debitul scade în

aceeaşi manieră ca în cazul MTR.

Se reprezintă ciclul real al motorului pentru două înălŃimi de zbor şi

aceeaşi viteză. Din compararea celor două cicluri rezultă:

–La creşterea înălŃimii de zbor, în condiŃiile în care pierderea de

presiune în dispozitivul de admisie nu se modifică esenŃial cu regimul de

zbor, va rezulta o inrăutăŃire a parametrilor termodinamici ai aerului la

intrarea în compresor;

–Deoarece n=ct. atunci 1 2c cl l∗ ∗= ceea ce face ca la creşterea înălŃimii

Page 97: cap3

361

să se constate o scădere a presiunii aerului la intrarea în camera de ardere.

–Deoarece, max

.3T ct∗ = adică 1 23 3i i∗ ∗= , atunci evoluŃia de ardere se

deplasează către entropii mai mari. Ca urmare, are loc scăderea presiunii

aerului în camera de ardere;

–Destinderea constantă a gazelor de ardere, în turbină * *

1 2T Tl l= , şi

scăderea debitului de aer conduc la o scădere mai pronunŃată a Pef decât în

cazul motorului cu destindere completă în turbină. Totodată, SPR 5F C V≈ − ,

unde C5 este viteza gazelor de ardere la ieşirea din ajutajul de reacŃie.

Deoarece destinderea gazelor de ardere este constantă scade

energia disponibilă a gazelor de ardere în sistemul de evacuare

( )2 1se sei i∆ < ∆ , ceea ce înseamnă că viteza de evacuare a gazelor de ardere,

se va mări 2 15 5C C< , şi, ca atare,

SPR 5F C V≈ − , va fi mai mică decât în

cazul anterior.Prin urmare, FR este mai mică decât în varianta destinderii

complete în turbină datorită scăderii debitului;

–Creşte variaŃia de entalpie a fluidului, în camera de ardere,

respectiv gazele de ardere acumulează mai multă energie. Acest proces este

echivalent cu o scădere a excesului de aer în camera de ardere:

( ) ( )* * * *3 2 3 22 1i i i i− > − adică 1 2α α< . Dacă α scade .

SP efP ct= atunci, cum

SP efSP ef

1c

Pα≈

⋅, va rezulta o creştere a

efSPc la creşterea înălŃimii, însă mai

lentă decât în cazul destinderii complete în turbină.

Toate aceste variaŃii sunt prezentate în graficele din figura nr. 3.27.

Page 98: cap3

362

ef SPP

SPRF

RF

aMɺ

aMɺ

efP

ef SPP

RF

SPRF

efSPc

efSPcefP

11 H

Fig. 3.27

3.2.8.4. Calculul caracteristicilor de înălŃime şi viteză

Pentru a calcula analitic aceste două caracteristici, se consideră că la

punct fix, în turbină, are loc o destindere completă a gazelor de ardere

indiferent de varianta constructivă.

3.2.8.4.1. Motorul turbopropulsor cu destindere con stant ă în

turbin ă

Prin definiŃie,

ef a SP efP M P= ⋅ɺ ,

în care

( )SPef r T cP l lη ∗ ∗= ⋅ − .

Page 99: cap3

363

Întrucât

( )T T id T T 3 5l l i iη η∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ′′′= ⋅ = ⋅ − , (3.160)

atunci

k 1

k

T T 3d da c ca

1l i 1η

π σ π σ

′−′

∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗

= ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

.

Ca urmare,

k 1

kc id

T c T 3d da c ca T c

1 ll l i 1η

π σ π σ η η

′−∗′

∗ ∗ ∗ ∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗

− = ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

.

Pe de altă parte, ca şi în cazul MTR, debitul de aer este

*

*H c

a da 00 c 0

pM M

p

πππ

= ⋅ ⋅ ⋅ɺ ɺ . (3.161)

Înlocuind lucrurile mecanice ale compresorului şi turbinei rezultă

'

' ** *

* * * *

k 1

kc id 0

r 3 TSP efd da c ca c

l1P i 1η η

π σ π σ η

− = ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

. (3.162)

Puterea efectivă se poate scrie, în final,

'

'

*

*

** *

* * * *.

H cd ref a 0

0 c 0

k 1

kc id 0

3 Td da c ca c

pP M

p

l1i 1

ππ ηπ

ηπ σ π σ η

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ×

× ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

ɺ

(3.163)

Page 100: cap3

364

În acelaşi timp,

R a R SPF M F= ⋅ɺ ,

unde

SPR 4F C V= − .

Pentru calculul vitezei C4 se au în vedere expresiile cele două

randamente

*

*T

T3 4 id

l

i iη =

−,

**

* *T

T3 4 id

l

i iη =

−, (3.164)

în care ultimul randament nu Ńine seama de energia cinetică a gazelor de

ardere. Se calculează succesiv

** T3 4 id

T

li i

η− = ,

** *

*T

3 4 idT

li i

η− =

şi, prin scădere,

* **

24id

T4 id 4 idT T

1 1 Ci i l

2η η

− = ⋅ − =

.

Imediat

**T4 id

T T

1 1C 2 l

η η

= ⋅ ⋅ −

. (3.165)

Ca urmare, viteza reală devine

*

*4 SE SE T4 idT T

1 1C C 2 lϕ ϕ

η η

= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ −

. (3.166)

Page 101: cap3

365

Deci, forŃa de reacŃie specifică este, în final,

*

*SPR SE TT T

1 1F 2 l Vϕ

η η

≈ ⋅ ⋅ ⋅ − −

. (3.167)

Consumul efectiv specific de combustibil este

cSP ef

SP ef

mc 3600

P= ⋅ ,

în care

* *3 2

cc i c a

i im

P ξ−=⋅

şi

** *

*c id 0

2 Hc

li i

η= + .

3.2.8.4.2. Motorul turbopropulsor cu destindere com pletă în

turbin ă

În acest caz,

'

' ** *

* * * *.

k 1

kc id 0

SPef r 3 TSP ef 0cd 0 da 0 c 0 ca 0

l1P ct P i 1η η

π σ π σ η

= = = ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

iar

( )SPR c 5F 1 m C V= + ⋅ − ,

Page 102: cap3

366

unde

'

' **

* * * *

k 1

kT

5 ar 3d da c ca T

1 lC 2 i 1ϕ

π σ π σ η

− = ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

şi

**

*

SP ef 0cid0T

c r

Pll

η η= + .

Se Ńine seama că debitul de aer este dat de relaŃia (3.161), iar pentru

calculul consumului specific efectiv de combustibil se utilizează aceleaşi

relaŃii ca în cazul precedent.

3.2.8.5. Caracteristicile de turaŃie şi de sarcină

3.2.8.5.1. Generalit ăŃi

Caracteristica de turaŃie reprezintă un ansamblu de curbe care

cuprinde variaŃiile performanŃelor Pef, FR, cSP ef în funcŃie de turaŃia

motorului, pentru o viteză şi o altitudine de zbor constante. Deci, analitic

( )( )

( )

ef

R

SP ef

P f n

F f n

c f n

== =

pentru .

.

V ct

H ct

= =

(3.168)

Caracteristica de turaŃie se poate defini în două moduri în funcŃie de

dotarea motorului cu elice cu pas variabil sau cu o elice cu pas fix. În cazul

unui MTP echipat cu o elice cu pas fix, va rezulta o caracteristică de turaŃie

CT. Similar, în cazul unui MTP dotat cu o elice cu pas variabil, va rezulta

astfel o caracteristică de sarcină CS.

Page 103: cap3

367

DiferenŃa dintre modele constă în aceea că în cazul unei elice cu pas fix,

puterea efectivă a motorului este puterea absorbită de elice Pef=Pel.

3.2.8.5.2. Caracteristica de tura Ńie

3.2.8.5.2.1. Bazele fizice

Din punct de vedere fizic, la creşterea turaŃiei grupului

turbocompresor are loc o creştere a debitului de aer aMɺ care traversează

sistemul, dar şi o creştere a debitului de combustibil cMɺ care se injectează

în camera de ardere. Astfel, temperatura *3T se măreşte rezultând o creştere a

lucrului mecanic al turbinei *Tl mult mai mare decât creşterea lucrului

mecanic al compresorului *cl . În acest mod, cresc PSP ef şi Pef aşa cum reiese

din figura nr. 3.28.

RF

RFe fP

efP SP efc

SP efc

( ).e l c tϕ =

m inn m axn n

R.M .

R.N.

R.C.

R.M .G.

Fig. 3.28

Mărirea temperaturii *3T influenŃează viteza C4 cu care gazele de

ardere părăsesc turbina. Astfel, are loc şi o creştere a vitezei de evacuare a

gazelor de ardere din ajutajul de reacŃie C5, şi, implicit, o creştere a forŃei de

Page 104: cap3

368

reacŃie specifică FR SP. Pentru .ctα ≈ şi SP ef

SP ef

1c

P≈ , va rezulta o scădere

a consumului efectiv specific cu turaŃia.

3.2.8.5.2.2. Regimurile de funcŃionare ale motorului

Regimurile de funcŃionare sunt următoarele:

–Regimul maxim, R.M. caracterizat de parametrii următori:

3

*

m a x

m a x

e f m a x R m a x

S P e f m in

T

n

P , F

c

–Regimul nominal, R.N. pentru care Pef=(0.95-0.98)Pef max;

–Regimul de croazieră, R.C. pentru care Pef=(0.8-0.9)Pnom;

–Regimul de mers în gol, R.M.G. caracterizat de parametrii

următori:

( )ef nom

R min

SP ef max

P 0.1 0.2 P

F

c

= −

3.2.8.5.3. Caracteristica de sarcin ă

În această situaŃie elicea având pasul variabil, se poate construi câte o

caracteristică de turaŃie pentru fiecare pas, φel, al elicei, ca în

figurile nr. 3.29, 3.30 şi 3.31.

Page 105: cap3

369

RM

RN

RC

RMG

minnmaxnnomn n

maxelϕ

minelϕ

"elϕ

'elϕ

efP

Fig. 3.29

RMG

RC

RN

RM

maxelϕ"elϕ'elϕ

minelϕ

minn nomn maxn n

RF

Fig. 3.30

Page 106: cap3

370

RMG

RCRN

RM

minelϕ'elϕ

"elϕmaxelϕ

minn nomn

SP efc

nmaxn

Fig. 3.31

Pentru o elice cu pas variabil se poate obŃine, în câmpul acestor

diagrame, orice performanŃă pentru sistem, deoarece motorul dispune de

două grade de libertate:

– ,c elM ϕɺ , factori reglabili;

– *, 3n T , parametrii reglabili.

Debitul de combustibil cMɺ se dozează din maneta de gaze a

motorului.

Pasul elicei elϕ se reglează cu ajutorul manetei de comandă a pasului

elicei.

Se propune o lege de comandă a pasului elicei la care să corespundă o

lege de variaŃie a performanŃelor sistemului. Cea mai convenabilă lege

presupune menŃinerea constantă a pasului elicei, pentru o turaŃie n în

intervalul nmin<n<nnom, adică, el el min ct.ϕ ϕ= = apoi, pentru n=nnom

Page 107: cap3

371

menŃinerea constantă a turaŃiei, n=ct.

Pentru o turaŃie n, în intervalul nmin<n<nnom, performanŃele motorului se

modifică dacă se modifică turaŃia grupului turbocompresor, prin intermediul

manetei de gaze.

La n=nnom performanŃele sistemului se modifică prin intermediul

pasului elicei deci prin maneta de comandă a pasului elicei.

Regimurile importante ale motorului sunt situate la aceeaşi turaŃie

nnom. Ele se obŃin modificând pasul elicei. Astfel, MTP poate funcŃiona la

turaŃie constantă indiferent de performanŃele pe care trebuie să le furnizeze.

Ca atare, motorul va avea o resursă de funcŃionare mult mai mare.

3.2.8.6. Calculul caracteristicii de turaŃie a motorului

turbopropulsor

Se consideră

b

ef ef nomP P n= ⋅ , (3.169)

unde nom

nn

n= reprezintă turaŃia relativă a sistemului, iar b reprezintă un

exponent ce depinde de legea de comandă a pasului elicei. Astfel, pentru

.el ctϕ = , b=3, pe CT.

ForŃa de reacŃie este

SPR a RF M F= ⋅ɺ ,

în care a

a a nomM M n= ⋅ɺ ɺ , unde a reprezintă exponentul de influenŃă a turaŃiei

Page 108: cap3

372

asupra debitului, [ ],a 1 2∈ . Dacă destinderea este completă, debitul variază

liniar, deci a=1.

Întrucât

**4 SE T

T T

1 1C 2 lϕ

η η

= ⋅ ⋅ ⋅ −

iar

* * SP efT c

r

Pl l

η= + şi * * 2

c c noml l n= ⋅ ,

atunci

( )

b

b aef ef nom

SP ef ef nomaa a n

P nPP P n

M M n

⋅ ⋅

⋅= = = ⋅

⋅. (3.170)

Totodată,

cSP ef

SP ef

mc 3600

P= ⋅

în care

* *3 2

cci ca

i im

P ξ−=⋅

( )* ,3i f n b=

şi

* * * 2

2 H c nomi i l n= + ⋅ .

Page 109: cap3

373

Puterea efectivă devine

( )ef r T CP P Pη= ⋅ − ,

unde

*T g TP M l= ⋅ɺ .

şi

'

'

* * ** * *

k 1

k

T 3 Td da c ca

1l i 1η

π σ π σ

− = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

.

Înlocuind, puterea turbinei devine

'

'

* ** * *

k 1

k

T g 3 Td da c ca

1P M i 1η

π σ π σ

− = ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

ɺ , (3.171)

unde

a a

g a a n g nM M M n M n≅ = ⋅ ≈ ⋅ɺ ɺ ɺ ɺ .

Dar

3

C C nP P n= ⋅ (3.172)

şi

b

ef ef nP P n= ⋅ . (3.173)

Se obŃine, în final,

Page 110: cap3

374

'

'

* ** * *

k 1

k

ef r g 3 T Cd da c ca

1P M i 1 Pη η

π σ π σ

− = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅

ɺ . (3.174)

Din relaŃia (3.174) se scoate entalpia maximă a gazelor de ardere

'

'

*

** * *

efC

r3 k 1

k

g Td da c ca

PP

i

1M 1

η

ηπ σ π σ

+=

⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

ɺ

. (3.175)

La regim nominal, relaŃia (3.175) devine

'

'

*

** * *

ef n

C nr

3 n k 1

k

Tg nd da c ca

PP

i

1M 1

η

ηπ σ π σ

+=

⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅

ɺ

. (3.176)

ÎmpărŃind relaŃiile (3.175) şi (3.176), rezultă

( ) ( )

'

'

'

'

* * **

*

* * *

* *,, ,

k 1bk3 ef n

C ng n d da c ca3 r

k 1ef n g3 n k

C nv

da c ca

c da d

P n 11P n Mi

Pi MP 1

1

P n bF

π σ π ση

η σ π σ

π σ π

⋅ −⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

+− ⋅ ⋅

ɺ

ɺ

��������������������

,

din care se obŃine

( ) ( )( )

* * *

,

,n3 3 ca

G n b

1i i P n b F n

nπ = ⋅ ⋅ ⋅

���������

Page 111: cap3

375

sau, în general,

( )* * ,3 3 ni i G n b= ⋅ . (3.177)

Deci, entalpia maximă este funcŃie de legea de comandă a pasului

elicei, prin exponentul b. În cazul MTP, cu elice cu pas fix, b=3.

3.2.8.7. Caracteristica universală a motorului

turbopropulsor

Caracteristica universală reprezintă ansamblul de curbe care cuprinde

variaŃiile parametrilor de similitudine ai performanŃelor Pef, FR, cSP ef în

funcŃie de parametrii de similitudine ai regimului de zbor şi turaŃiei

motorului. Analitic,

( )

( )

( )

* *

*

ef

1 1

P

SP ef

Pf M

p T

Ff M

p

c f M

=

⋅ = =

(3.178)

pentru *

.1

nct

T= , şi are alura caracteristicii de viteză, sau

* * *

* *

*

ef

1 1 1

P

1

SP ef

1

P nf

p T T

F nf

p T

nc f

T

=

=

=

(3.179)

Page 112: cap3

376

pentru M=ct. şi este similară caracteristicii de turaŃie.

Va trebui demonstrat că * *

ef

1 1

Pidem

p T=

⋅. Se porneşte de la relaŃia

generală

ef a SP efP M P= ⋅ɺ

sau

** *

* *

SP efa 1ef 1 1

1 1

PM TP p T

p T

⋅= ⋅ ⋅ ⋅ɺ

,

respectiv

*

* ** *

ef SP efa 1

1 11 1

PP M T

p Tp T

⋅= ⋅

ɺ. (3.180)

łinând seama că

'

' **

* * * * *

k 1

kc

5 ar 3SP efd da c ca c T

1 lP C V 2 i 1ϕ

π σ π σ η η

− ≈ − = ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

,

atunci

** *

* * *, , ,SP ef SP ef 3

c c1 1 1

P P if M

T i iπ η

≈ =

.

Ca urmare, rezultă

*

SP ef

1

Pidem

T= (3.181)

Page 113: cap3

377

şi

* *

ef

1 1

Pidem

p T=

⋅, (3.182)

ceea ce trebuia demonstrat.

Cum însă

* *

. 3 2SP ef

SP ef

i ic ct

P

−= ⋅ ,

atunci, aranjând convenabil termenii

* *

* *

*

.

3 2

1 1SP ef

SP ef

1

i i

i ic ct

P

T

−= ⋅ ,

ceea ce conduce la

SP ef

c idem= . (3.183)

Pe baza acestor performanŃe se stabilesc performanŃele motorului în

condiŃii standard, pentru a-l putea compara cu alte motoare. Prin urmare,

ef ef standard

* *0 01 1

PP

p Tp T=

⋅⋅ de unde

ef standardP ;

R R standard*1 0

FF

p p= , din care

R standardF ;

şi

SP ef SP ef standardc c= .

Page 114: cap3

378