1. Consideraţii generale asupra sistemelor de propulsie aeriene actuale

1.1 Scurtă istorie a motoarelor aeroreactoare

Etapa I - Începuturile motoarelor aeroreactoare 1860 - 1910

1863 - Jean Deluvie depune un brevet de aparat cu motor cu reacţie (aeronavă).1868 - Matthew Bolton (Anglia) propune un brevet de propulsor cu reacţie directă folosind gazele de ardere.1887 - Melikov (Scoţia) propune un brevet de elicopter având palele antrenate de un motor cu turbină cu gaz.1908 - Lenne Laurent realizează proiectul primului motor reactor1910 - apare prima aeronavă cu motor cu reacţie: aparatul conceput de Henri Coandă. În data de 16 decembrie

1910 are loc primul zbor al unei aeronave propulsate de un motor cu reacţie. Motorul era combinat şi funcţiona în următorul mod: un motor cu piston în 4 timpi, cu cilindri în linie, de 50 CP si turaţia de 1000 rot/min, antrena un compresor centrifugal care furniza aer comprimat în camera de ardere. În camera de ardere avea loc aprinderea amestecului carburant, iar forţa de reacţie pe care o dezvolta era de F=2200N.

1910 - Renné LeDuc propune principiul motorului statoreactor. Primul zbor al acestui tip de motor va avea loc în 1949.

Proiectul primului motor statoreactor a fost propus de către Luigi Stipa.

Etapa a II-a - Primele proiecte de motoare cu reacţie 1910-1940

Primele proiecte de motoare cu reacţie se dezvoltă în cadrul şcolilor engleze şi germane de profil.Şcoala engleză se remarcă în 1926 când dr. A. A. Griffith propune prima teorie a turbinei cu gaze.În 1929 Sir Frank White realizează primul proiect de motor turbopropulsor cu compresor axial. Realizează

primul compresor axial în 1936 pe care îl pune în funcţiune în 1940 (Vickers - Metrovik). Propune în 1929 utilizarea turbinei cu gaze. Înaintează primul brevet de motor turboreactor în 1930. Motorul, ce dispunea de un compresor centrifugal, e încercat la bancul de probă în 1937.

Contribuţiile şcolii germane sunt reprezentate de reprezentate de Walst von Oheim care propune în 1936 utilizarea turbinei cu gaze. Propune şi realizează primul motor turboreactor cu compresor centrifugal în 1936. Forţa de reacţie obţinută era de F=4100N.

În Suedia Lischop construieşte prima turbină cu gaze în 1933, care va fi pusă în funcţie în 1935.În Franţa, François Guillaume enunţă pentru prima oară principiul de funcţionare al turbinei cu gaze.În 1937 Sauson realizează primul motor turboreactor care avea o forţă de 1000N.Mey realizează prima încercare a unei turbine cu gaze cu o putere de 500C.P.În 1938 LeDuc propune un brevet pentru o turbină cu ardere.Melot realizează primul turbopropulsor biejecţie.În Italia Secundo Campire brevetează în 1932 un motor torboreactor.

Etapa a III-a - Primele avioane cu motoare cu reacţie 1940-1950

În Anglia este realizat avionul Gloster E 28,29, care avea un motor White cu o forţă de reacţie de 7700N. Primul zbor are loc în data de 15 mai 1941, iar în iulie 1944, avionul va intra în serviciu.

În Germania este realizat avionul Heinkel 178. Primul zbor are loc în august 1939. În Franţa este realizat în 1948 primul motor turboreactor (Snecma), iar în 1950, primul motor turbopropulsor.

1

În 1940 se pun bazele firmei Turbomeca. Fabrica produce motoare cu reacţie de dimensiuni mici. În cadrul firmei este realizat primul compresor cu reţea de palete reglabilă. Primul motor cu turbină cu gaze fabricat realiza 200 C.P.

Etapa a IV-a - Inceputurile producţiei avioanelor militare cu motoare turboreactoare

În Anglia avionul Gloster Meteor zboară pentru prima oară în 1943 şi intră în serviciul operativ în 1944.În Germania avionul bimotor reactiv Messerschmidt Me 262 zboară pentru prima oară în 1941 şi intră în

serviciu în 1944. Me 262 are două motoare turboreactoare Dumont de 8500N fiecare.

Etapa a V-a - Primele avioane de transport civil cu motoare cu reacţie

În Anglia este realizat în 1948 avionul Vickers Viscount 630 care avea motoare turbopropulsoare Rolls-Royce Trent.

Primul avion cu motor turboreactor este Comet I. Zboară pentru prima oară în 1949 şi intră în serviciu în 1952. Este scos în acelaşi an din serviciu din cauza problemelor cauzate de fuselaj. În 1958 apare Comet IV.

În Franţa în 1955 Avionul Caravelle zboară pentru prima oară. Va intra în serviciu în 1959. Avionul are motoare Rolls-Royce Avon.

În S.U.A. aparatul Boeing 707, primul avion de transport civil care are motoare cu reacţie, realizează primul zbor în 1954. Întră în serviciu în 1958.

În U.R.S.S. avionul Tupolev 104 realizează primul zbor în 1955. Întră în serviciu în 1956. Aparatul are motoare turboreactoare.

În 1958 este prezentat la Paris primul motor turboreactor dublu flux, Rolls-Royce Conway.

1.2 Dezvoltarea sistemelor de propulsie

Sistemele de propulsie actuale au apărut ca o dezvoltare firească a preocupărilor de:a) mărire a vitezei de zbor la regimul de croazieră;b) îmbunătăţire a performanţelor sistemelor actuale în fazele de decolare şi aterizare;c) optimizare a performanţelor în zborul de croazieră;

- forţa de propulsie maximă;- consum specific de combustibil minim;

d) creştere a gradului de adaptare a sistemului la regimurile de zbor. Toate sistemele de propulsie, capabile să răspundă acestor cerinţe, alcătuiesc noua generaţie de sisteme de propulsie.

1.3 Principiile propulsiei

Conform principiului al III-lea al mecanicii (acţiunii şi reacţiunii): dacă un corp (i) acţionează asupra

altui corp ( j) cu o forţă numită acţiune, cel de-al doilea corp acţionează asupra primului cu o forţă numită

reacţiune: , egală şi de sens contrar:

Exemple:

Un sistemul de propulsie este în măsură să genereze o formă de energie care este transferată unui fluid: dacă fluidul nu are posibilitate de deplasare, se va deforma; dacă fluidul se poate deplasa, atunci energia pe care o primeşte o transformă în lucru mecanic (forţă,

deplasare). Forţa pe care sistemul de propulsie o foloseşte pentru deplasarea fluidului se numeşte forţă de acţiune. În acest caz, fluidul va reacţiona cu o forţă asupra sistemului, care se numeşte forţă de reacţiune.

2

Teorema impulsului: variaţia impulsului unui sistem în timp este egală cu suma forţelor care acţionează asupra sistemului:

Rezultă ca forţa de propulsie (tracţiune) are expresia:

unde:

= componenta masică, generată de variaţia în timp a masei sistemului de propulsie

= componenta dinamică, generată de variaţia în timp a vitezei fluidului (accelerarea fluidului).

Ponderile componentelor diferă în funcţie de sistemul de propulsie: - în cazul sistemelor aeriene componenta masică există, dar este mică în comparaţie cu componenta

dinamică. - în cazul sistemelor cosmice, componenta masică este mult mai mare decât cea dinamică.

1.4 Compunerea sistemului de propulsie

Sistemul de propulsie este alcătuit din: I - fluidul de propulsie; II - sursa de energie;III - instalaţia de propulsie.

I. Fluidul de propulsie

- reprezintă subsistemul asupra căruia acţionează sistemul de propulsie în scopul modificării vitezei lui;- de regulă, fluidul de propulsie poate fi: aer, gaz sau amestec de gaze;- din punctul de vedere al provenienţei fluidului de propulsie, sistemul se împarte în două grupe:

- sisteme de propulsie care îşi procură fluidul de lucru din mediul înconjurător, care se numesc sisteme de propulsie aeriene;- sisteme de propulsie care îşi procură fluidul de lucru de la bordul navei, care se numesc sisteme de propulsie cosmice.

II. Sursa de energie

- reprezintă subsistemul capabil de a produce energia necesară accelerării fluidului de propulsie; acea parte din fluidul de propulsie care participă la obţinerea energiei în sursă se numeşte fluid de lucru.

- în prezent se folosesc trei forme de energie: a) energia termică; b) energia electrică;c) energia electro-termică.

a) energia termică se poate obţine:- prin reacţii chimice de ardere (arderea combustibililor);- prin reacţii nucleare (de fuziune sau de fisiune);- prin captarea energiei termice solare;

b) energia electrică se poate obţine:- cu ajutorul câmpurilor electrostatice;- cu ajutorul câmpurilor electromagnetice;

c) energia electro-termică reprezintă energia jetului de plasmă care se obţine pe cale termică şi este accelerată electric.

3

Obs:Indiferent de energia folosită, din punct de vedere al transformării acestei energii în lucru mecanic,

sursele de energie se împart în două categorii:- surse de energie alternative (ex. mecanismul bielă-manivelă) - surse de energie rotative (ex. turbina).

Sistemele de propulsie care au o sursă de energie :- alternativă - primesc în denumire grupul de litere „moto”,- rotativă - primesc în denumire grupul de litere „turbo”.

Indiferent dacă sistemele sunt „moto” sau „turbo”, fluidul de lucru suferă în timpul funcţionării sursei trei procese fundamentale fără de care nu se poate obţine energie şi lucru mecanic:

a) comprimareb) arderec) destindere

a) Din punctul de vedere al comprimării, sursele de energie pot fi: - cu comprimare mecanică;- cu comprimare dinamică.

Comprimarea mecanică - realizează creşterea presiunii statice a fluidului de lucru care are loc prin intermediul unui consum

de lucru mecanic;- compresoarele care produc forţa care realizează lucrul mecanic folosit pentru comprimare, se împart

în două categorii:- compresoare volumice- compresoare cinetice

Compresoarele volumice - realizează comprimarea statică a fluidului prin reducerea spaţiului în care acesta se află;- realizează grade mari de comprimare (ex. ~100);- debitele de aer realizate sunt pulsatorii şi mici;- sunt mai puţin folosite în prezent.

Compresoarele cinetice - realizează comprimarea statică a fluidului de lucru ca urmare a trecerii forţate a acestuia prin

canale aerodinamice profilate astfel încât fluidul este frânat corespunzător regimului de curgere.

pentru M<1 canalul aerodinamic este divergent; pentru M>1 canalul aerodinamic este convergent.

Canal aerodinamic divergent Canal aerodinamic convergent

- în funcţie de direcţia câmpului de forţe, compresoarele cinetice se împart în două tipuri: centrifugale (radiale); axiale.

Comprimarea dinamică: - se realizează prin frânarea fluidului de la o viteză în general supersonică, la o viteză subsonică;- realizează în canale profilate corespunzător regimului de curgere;

Compresor centrifugal Compresor axial

4

b) Arderea se poate realiza în două moduri:- la volum constant ( ):

- este un proces nestaţionar, parametrii arderii variind în timp; - procesul este pulsatoriu (ciclic).;- toate sursele de energie care realizează arderea la volum constant primesc în denumire

particula "pulso"- la presiune constantă ( ).

- este un proces staţionar în care parametrii arderii sunt constanţi în timp- toate sursele de energie care realizează arderea la presiune constantă primesc în denumire

particula "stato".- datorită comprimării arderea devine stabilă.

III. Instalaţia de propulsie

- reprezintă subsistemul pe care ia naştere forţa de propulsie a sistemului.- se cunosc în prezent două tipuri de instalaţii de propulsie:

- elicea- ajutajul

Propulsia prin reacţie indirectă Propulsia prin reacţie directă

Elicea: - reprezintă o parte componentă auxiliară a sursei de energie;- forţa de propulsie care ia naştere pe elice este rezultatul unei reacţii indirecte a fluidului;- forţa de propulsie a elicei reprezintă forţă de tracţiune / împingere după cum elicea este plasată în

faţa sau în spatele sursei de energie;- toate sistemele de propulsie care au în componenţă cel puţin o elice primesc în denumire

particula "propulsor".

Ajutajul:- reprezintă o parte componentă a sursei de energie;- forţa de reacţie care ia naştere pe ajutaj este rezultatul unei acţiuni directe a fluidului de lucru

asupra sistemului;- toate sistemele de propulsie care au în componenţă cel puţin un ajutaj primesc în denumire

particula "reactor";- ajutajele pot fi de mai multe tipuri dintre care cele mai importante sunt:

ajutajul geometric; ajutajul masic:

- reprezintă o canalizaţie profilată cu aria secţiunii transversală constantă;- este compus din 3 pereţi şi o suprafaţă liberă.

ajutajul termic: creşte energia potenţială a fluidului prin încălzirea acestuia.

Sursa de energie şi instalaţia de propulsie reprezintă instalaţia de forţă a sistemului.

5

1.5. Criteriile generale de clasificare ale sistemelor de propulsie

Există, în prezent, o mare diversitate de sisteme de propulsie, ceea ce face, absolut, necesară o clasificare a lor. Pentru aceasta vor trebui precizate criteriile de clasificare.

A. Criteriul fundamental de clasificare a sistemelor de propulsie o constituie posibilitatea de a asigura deplasarea unei nave în atmosfera terestră, în afara acesteia sau în ambele spaţii, terestru şi extraterestru.După acest criteriu sistemele de propulsie se clasifică în:

- aeriene (aeromotoare, S.P.A.):- spaţiale (motoare rachetă, S.P.S.);- aerospaţiale (motoare combinate, S.P.A.S.)

B. Criteriile de bază 1) criteriul energetic - producere; - provenienţă.

2) criteriul reacţiei;3) criteriul vitezei.

B1. Criteriul energetic cuprinde:

a1. Criteriul producerii energiei;- are în vedere producerea şi transmiterea energiei către fluidul de lucru;- în funcţie de acest criteriu, sistemele de propulsie se împart în:

- termice (S.P.T.): - chimice; - nucleare; - solare (radiaţii electromagnetice).

- electrice (S.P.E.): - electrostatice (ionice); - electrodinamice (magnetohidrodinamice).

- electrotermice (S.P.E.T.).

a2. Criteriul provenienţei energiei- se referă la natura sursei de energie;- se întâlnesc, sisteme de propulsie: - convenţionale (artificiale);

- neconvenţionale (naturale).B2. Criteriul reacţiei

- ţine seama de participarea fluidului de lucru la obţinerea forţei de tracţiune; - potrivit acestui criteriu, se întâlnesc sisteme de propulsie cu: - reacţie directă;

- reacţie indirectă.

B3. Criteriul vitezei - ţine seama de viteza de zbor realizată de nava echipată cu un anumit sistem de propulsie; - se referă, în principal, la sistemele de propulsie aeriene;- se pot defini sisteme de propulsie pentru:

- regimuri de zbor subsonice, ;

- regimuri de zbor subsonice avansate, ;

- regimuri de zbor supersonice moderate, ;

- regimuri de zbor supersonice avansate, ;

- regimuri de zbor hipersonice, .

C. Sinteză privind clasificarea sistemelor de propulsieÎn tabelele 1.1.şi 1.2 sunt prezentate, în sinteză, sistemele de propulsie cu:

- sursă de energie internă;- sursă de energie externă.

6

Tabelul 1.1

SURSA DE ENERGIE INTERNĂ

Energia primară

Chimică Chimică NuclearăElectrică

Combustibil Chimic Chimic Nuclear

Energia produsa

Termică Termică Termică Termică Electrică

Propelant Gaze Gaze Gaz GazParticule electrice Plasmă

Ioni Electroni

Instalaţie de propulsie

Ajutaje:- masic- termic- mecanic

Ajutaj mecanic

Ajutajmecanic

Ajutaj mecanic

Ajutajelectric

Ajutajelectric

Ajutaj mecanic

Forţa depropulsie

Reacţie Presiune

Reacţie Reacţie Reacţie Reacţie Reacţie Reacţie

Denumirea ştiinţifică asistemului

Sistem chimico-termic

Sistem chimico-termic

Sistemnuclearo-termic

Sistem electro-termic

Sistem electro-static

Sistem electro-static

Sistem magneto-hidrodinamic

Denumirea consacrată înliteratură

Aero-reactoare

Motor rachetă cu combustibilchimic

Motor rachetănuclear (atomic)

Motor rachetă electro-termic

Motorrachetăionic

Motorrachetăelectronic

Motorrachetăcu plasmă

Sistem depropulsie

CONVENŢIONAL CLASIC NECONVENŢIONAL CLASIC

Tabelul 1.2

SURSA DE ENERGIE EXTERNĂ

Energie primară Radiaţie solară Radiaţie electromagnetică

Sursa de energie SoareLumina

Obişnuită Stimulată (laser)

Energia produsăîn sistem

TermicăMecanică (Potenţială)

Mecanică (Cinetică) Termică

Propelant Gaz Gaz Fotoni Gaz

Instalaţiade propulsie

Ajutaj mecanic(geometric)

VelaAjutaj mecanic(geometric)

Ajutaj mecanic(geometric)

Forţa de propulsie Reacţie Presiune Reacţie Reacţie

Denumirea ştiinţificăa sistemului

Sistem solar termicSistem solarcu presiune

Sistem fotonic Sistem cu laser

Denumirea consacratăîn literatură

Motor rachetă solar Vela solară Motor rachetă fotonic Motor rachetă laser

Sistem de propulsie NECONVENŢIONAL SPECIAL

7

1.6 Aspecte generale privind motoarele aeroreactoare

Motoarele aeroreactoare sunt maşini care transformă energia potenţială a aerului şi combustibilului în energie cinetică a gazelor sau energie mecanică

E = energia gazelor produsă prin arderea amestecului aer-combustibil.

Propulsia prin reacţie directă

a gazelor este folosită integral pentru propulsie.- este cazul: - motoarelor rachetă;

- motoarelor statoreactoare

a gazelor este folosită parţial pentru propulsie,

restul fiind transformată în energie mecanică .- este cazul motoarelor turboreactoare

Propulsia prin reacţie indirectă

a gazelor este folosită aproape integral pentru

producerea energiei mecanice .- este cazul: - motoarelor turbopropulsoare

- turbomotoarelor;

1.6.1 Producerea energiei

Majoritatea sistemelor de propulsie folosesc aer, care este supus unei serii de transformări ce se pot reduce la următoarele faze: comprimare, ardere, destindere:

8

În cazul unui motor cu turbină cu gaze elementele principale sunt:- dispozitivul de admisie- compresorul, C;- camera de ardere, CC;- turbina, T.- dispozitivul de evacuare.

1.6.2 Sisteme de propulsie cu reacţie directă

Motorul rachetă (MR) (rocket)- poate funcţiona în vid;- tipuri:

- cu combustibil solid;- cu combustibil lichid;- ...

Motor statoreactor (MSR) (ramjet)- funcţionează doar la viteze mari de zbor;- nu are piese în mişcare

Motor pulsoreactor (MPR) (pulsejet)- funcţionează doar la viteze mari de zbor;- nu are piese în mişcare

Motor turboreactor (MTR) (turbojet) - o parte din energia produsă de turbină este utilizată pentru antrenarea compresorului.

Motor turboreactor cu dublu-flux (MTRDF) (by-pass turbojet, turbofan)

- randament mărit;- consum specific scazut;- zgomot redus;

Motor turboreactor cu dublu-flux birotor (MTRDF birotor)(twin-spool turbojet)

-randament mărit;-consum specific scăzut;-zgomot redus;-dimensiuni si masă proprie reduse

9

1.6.3 Sisteme de propulsie cu reacţie indirectă:

Motor cu piston: (turbo-compound)tipuri: - cu aprindere prin scânteie; (MAS)

- cu aprindere prin comprimare (Diesel) (MAC)

Motor turbopropulsor (MTP)(turboprop, turbo-propeller)

Motor turbopropulsor (MTP) cu turbină liberă (free turbine turbo-propeller)

Turbomotor (turbo-shaft)- este un MTG care asigură energie pentru diverse aplicaţii:

- CTP -> rotor elicopter;- pompe hidraulice- generatoare electrice

Turbomotor cu turbină liberă (free turbine turbo-shaft)

Turbosuflantă (turbo-air generator, turbocharger)- generator de aer comprimat;- energie cinetică pentru propulsie nulă;

- energie mecanică nulă

1.6.4 Clasificarea motoarelor aeroreactoare în funcţie de anvelopa de zbor şi performanţele impuse:

10

1.7. Caracteristici principale ale sistemelor de propulsie convenţionale elementare

I) Motoare aeroreactoare - avantaje - funcţionează la viteze mici;

- au consum specific de combustibil mic la viteze mici.

- dezavantaje: - variază cu şi depinde de viteza de zbor, putându-se chiar anula;- scade cu înălţimea de zbor, până la .

II) Motoare cosmice- avantaje: - forţa nu depinde de viteza de zbor;

- forţa creşte când înălţimea creşte;- nu au limite în ceea ce priveşte înălţimea de zbor.

- dezavantaje: - în principal, la viteze mici au consumuri specifice de combustibil mari.

1.7.1 Principalele motoare aeroreactoare

Motorul motopropulsor (MMP)

- este un sistem de propulsie aeriană cu comprimare mecanică ce are în componenţă un motor cu ardere internă cu piston şi una sau mai multe elice.

- fluidul de propulsie este aerul; - a apărut după motorul rachetă;

- puterile realizate sunt în intervalul . (ex: Pratt & Whitney R-4360)

- consumul specific de combustibil este de circa ;- reprezintă una dintre cele mai complexe soluţii constructive;- este utilizat pentru propulsia aeronavelor de mici dimensiuni, etc.

Motorul turbopropulsor (MTP)

- este un sistem de propulsie aeriană ce are în componenţă cel puţin o turbină şi o elice;- este al doilea sistem de propulsie care a apărut.

- puterea efectivă pe care o poate dezvolta este ; (ex: Kuznetsov NK-12MA(Ru))

- nu este un mare consumator de combustibil, având un consum de .- este în curs de perfecţionare, restricţiile fiind încă impuse de soluţia constructivă a elicei, etc.

Motorul motoreactor (MMR)

- reprezintă un sistem de propulsie aeriană rudimentar, ce are în componenţă un motor cu ardere internă cu piston ale cărui gaze de ardere sunt evacuate prin ajutaje de reacţie (ex. ajutaj convergent-divergent tip Laval).

- nu antrenează o elice aeriană, ci doar un compresor;- producţia a fost aproape oprită în anii 1950 (ex: Klimov VK-107(Ru), Tsu-11(Jp)).

Motorul turboreactor (MTR)

- face parte din categoria sistemelor de propulsie aeroreactoare care au ca fluid de lucru aerul. - sursa de energie e reprezentată de unul sau două grupuri turbocompresoare- instalaţia de propulsie de către un ajutaj de reacţie.- forţa de propulsie a unui MTR va fi o însumare de componente forţe care se obţin fie din reacţie

directă, fie prin reacţie indirectă.- în funcţie de numărul de fluxuri, MTR se împart astfel: - monoflux

- dubluflux (MTRDF)11

- în funcţie de numărul de rotoare MTR pot fi: - monorotoare;- birotoare;- trirotoare (ex: Rolls-Royce RB211-22B)

- MTR monoflux se caracterizează prin faptul că fluidul de propulsie este identic cu fluidul de lucru al sistemelor; fluidul care asigură realizarea energiei în sursă participă integral la obţinerea forţei de propulsie;

- MTRDF se deosebeşte de primul sistem prin faptul că o parte din fluidul de propulsie participă la formarea energiei sursă.

- este cel mai des întâlnit în prezent; - MTRDF poate avea fluxurile:

separate (MTRDF bijet) - preponderent în aviaţia militară; sau amestecate (MTRDF monojet) - preponderent în aviaţia civilă;

- MTRDF este în continuă modernizare.

Motorul pulsoreactor (MPR)

- are ca fluid de propulsie aerul- are ca instalaţie de propulsie un ajutaj de reacţie. - procesul de ardere realizat în motor este nestaţionar (pulsatoriu). - este folosit pentru motorizarea aeromodelelor, avioanelor ţintă, etc.

Motorul statoreactor (MSR)

- este un sistem de propulsie aeriană cu comprimare dinamică a fluidului de lucru;- are ca fluid de propulsie aerul; - are ca instalaţie de propulsie un ajutaj de reacţie; - procesul de ardere realizat în motor este staţionar; - este folosit pentru motorizarea aeronavelor ce evoluează în regim supersonic (ex. Pratt & Whitney

J58 pe avionul SR 71 Blackbird).

Sisteme de propulsie cosmică SPC

MRCS- reprezintă un motor rachetă ce utilizează combustibil solid. - este folosit pentru propulsarea rachetelor mici, cu rază mică şi medie de acţiune, rachete

meteorologice (ex. Tomahawk).MRCL

- reprezintă un motor rachetă ce utilizează combustibil lichid;- este folosit pentru propulsarea rachetelor cu rază lungă de acţiune (transcontinentale), rachete

purtătoare de sateliţi.

MRCH - reprezintă un motor rachetă ce utilizează combustibil hibrid (solid şi lichid).

Motoarele MRCS, MRCL, MRCH sunt sisteme de propulsie cosmică care au o forţă de reacţie foarte mare.

Pentru corecţia evoluţiei unei nave în spaţiul cosmic se folosesc motoare rachetă ionice (MRI), fotonice (MRF), cu plasmă (MRP). Aceste motoare au o forţă de reacţie mică, dar au impuls foarte mare.

Definiţii12

Gas turbine:- defineşte motorul care transformă energia prin utilizarea elementelor componente principale: compresor; cameră de ardere; turbină;- se foloseşte in aplicaţii diverse: MTR, MTP, TM, etc.Gas Generator: - parte componentă a motorului în care se produce energie in urma unui ciclu termodinamic;- când ansamblul transmite în principal energie mecanică la un arbore se mai numeşte “power section” (grup de putere)

APLICAŢII ALE MOTOARELOR CU TURBINĂ CU GAZE:

MTR- propulsie prin reacţie.

MTP- asigură putere la arborele elicei.

TM- asigură putere la arbore.

Turbocompresor- asigură aer comprimat.

Auxiliary power unit (APU)(Sursă de putere auxiliară)- asigură energie pentru aplicaţii diverse

Aplicaţii „non-aero”

Transport de suprafaţă- turbo-train;- hovercraft;- nave

Aplicaţii industriale- total power station(sursă de putere integrată)

13

MTG cu recuperator de căldură

MTG: Elemente componente, faze ale procesului termodinamic, secţiuni principale:

Variaţia parametrilor cinematici (V) şi termodinamici (P, t) în cazul:

MTR

14

TM

TM cu turbina liberă

Ciclul termodinamic

- poate fi reprezentat în diagrama p-V , T-V, i-s, etc.

Diagrama p-V:- comprimarea este teoretic adiabatică;- lucrul mecanic necesar antrenării compresorului:

- arderea: p scade uşor, T creşte;- destinderea: este teoretic adiabatică: p şi T scad brusc;- în realitate comprimarea şi destinderea sunt politropice;

Diagrama p-T (Brayton):- evidenţiază:

domeniul de funcţionare, S;temperatura limită, T3

- T3 este limitată de caracteristicile la rezistenţă ale materialelor

Repartizarea energiei disponibile:

15

W este energia transmisă la arbore în cazul unui TM

În cazul TM industriale se poate recupera o mare parte din energia gazelor; randamentul poate ajunge la (70-90)%

Tipuri de motoare:

MTR

- funcţionare: prin controlul debitului de combustibil injectat în C.A.;

- datorită randamentului şi consumului specific este utilizat în aviaţia militară;

- pot fi prevăzute cu sisteme de postcombustie.

Forţa de tracţiune:

Forţa de tracţiune specifică:

Consumul specific de combustibil:

MTRDF- creşterea debitului de aer fără micşorarea randamentului termic se realizează prin asigurarea fluxurilor de aer principal şi secundar;

16

- raportul de diluţie:

- mai mic şi mai mare decât MTR;- configuraţii pentru mono-, bi- sau trirotor;- monojet sau bijet;- domeniul de funcţionare este situat în cele ale MTR şi ale MTP;- MTR are randament mai bun la viteze mari;

MTRDF birotor- turaţiile rotoarelor sunt proporţionale;- fiecare compresor are propria diagramă caracteristică de funcţionare;- riscul de pompaj este redus la înălţimi mari, dar CJP este mai sensibil la turaţii miciMTR trirotor- pot fi: monoflux sau dubluflux;- randamente mai bune;- complexitate constructivă

TM monorotor- poate antrena rotorul principal al elicopterului, un alternator, o pompă,... prin intermediul unui reductor;

TM cu turbină liberă- cu priza de putere posterioară;- cu priza de putere frontală:

- printr-un arbore exterior;- printr-u arbore interior, coaxial;

17

MTP- monorotor;- birotor.

Alte utilizări ale MTG:

Turbo-train

Auxiliary power unit (APU)(Sursă de putere auxiliară)- asigură energie electrică, hidraulică, pneumatică pentru aplicaţii diverse;Total power station(sursă de putere integrată)- energia totală este utilizată pentru a obţine:

- energie electrică (alternator);- energia calorică a gazelor (schimbător de

căldură);- aer comprimat, direct de la compresor;

MTG cu recuperator de căldură- destinat încălzirii aerului la ieşire din compresor şi intrate în C.A.;- randamentul creşte considerabil;

18

Tema 2 - Părţi componente principale ale MTG

2.1 Dispozitivul de admisie (DA)

1.1 IntroducereRol:

- de a asigura debitul de fluid de lucru, necesar funcţionării motorului sau sistemului de propulsie, la orice regim de funcţionare deci, la orice turaţie, şi la orice regim de zbor al aeronavei.

Cerinţe:- să transforme energia cinetică a fluidului de lucru în energie potenţială, cu un randament cât mai

ridicat, prin frânarea fluidului de lucru în scopul creşterii presiunii statice;- să realizeze pierderi de presiune totală a fluidului de lucru cât mai mici şi, pe această bază, pierderi de

fluid cât mai mici;- să fie insensibil la variaţia regimului de zbor al aeronavei, adică performanţele lui să se modifice cât

mai puţin la variaţiile de regim;- să asigure distribuţii uniforme ale parametrilor termodinamici şi cinematici, ai fluidului de lucru, în

secţiunea de intrare în compresorul sistemului;- să nu permită pătrunderea corpurilor străine în interiorul sistemului (ex. site, filtre, etc.);- să împiedice depunerea şi formarea gheţii pe elementele sale componente sau pe elementele

componente ale compresorului;- trebuie să permită amplasarea şi protecţia unor componente ale motorului (pompe de ungere, traductori

de presiune etc.);- să preia şi să transmită celulei, eforturile generate, de forţele şi momentele aerodinamice şi mecanice,

în diverse părţi componente ale motorului.

Clasificare:

I. Din punctul de vedere al regimului de curgere, DA se împart în:a) DA subsonice;b) DA transonice;c) DA supersonice.

MTR – viteze medii şi mari, controlul undelor de şoc

MTP – în zona centrală se poate monta reductorul

TM – pentru cele montate pe elicoptere pot fi prevăzute cu site de protecţie, filtre de nisip, etc.

1. DA subsonice se caracterizează prin faptul că, în interiorul canalului de lucru, regimul de curgere este subsonic, respectiv în nici un punct din domeniul de curgere viteza aerului nu depăşeşte viteza locală a sunetului.

Având în vedere forma aerodinamică a învelişului exterior al DA, numărul Mach critic ( ) al acestuia fiind de aproximativ 0.7, aceste dispozitive se vor folosi pentru evoluţii ale aeronavelor cu numere Mach de zbor .

19

2. DA transonice se caracterizează prin existenţa, în canalul de lucru, a unor domenii în care curgerea este supersonică, acestea ocupând parţial canalul de lucru. Ele sunt folosite pentru evoluţii ale aeronavelor cu

.3. DA supersonice au, în canalul de lucru, domenii întregi în care regimul de curgere este supersonic iar

aceste domenii ocupă integral canalul de lucru al dispozitivului. Ele se folosesc pentru numere Mach de zbor

Indiferent de regimul de zbor al aeronavei, întotdeauna, în avalul DA, regimul de curgere este subsonic, deoarece compresorul, în curgere absolută, este subsonic. Din cauza acestui fapt se face o distincţie netă între avionul supersonic şi motorul supersonic.

La avionul supersonic viteza de zbor este supersonică în timp ce, în cazul motorului supersonic, viteza relativă a fluidului în compresor sau în turbină este supersonică.

II. Din punctul de vedere al spaţiului din care DA absorb aerul, acestea sunt:– dispozitive cu cameră de presiune;– dispozitive cu aspiraţie liberă.

III. Din punctul de vedere al amplasării DA pe avion acestea sunt:– în, pe sau sub aripă;– în, pe sau sub fuselaj;– la încastrarea aripă-fuselaj;– de o parte şi de alta a ampenajului vertical sau în ampenajul vertical.

IV. Din punctul de vedere al formei secţiunii de intrare, DA sunt:– circulare;– semicirculare;– semilunare;– eliptice;– semieliptice;– rectangulare (pătrate sau dreptunghiulare).

V. Din punctul de vedere al modificării geometriei canalului de lucru se întâlnesc:– dispozitive cu geometrie fixă (nereglabile), subsonice;– dispozitive cu geometrie variabilă (reglabile), transonice sau supersonice.

1.2. Dispozitivul de admisie subsonic

În funcţie de forma canalului de lucru se cunosc două variante:– dispozitive divergente–convergente, figura nr. 1.1 a; – dispozitive convergente, figurile nr. 1.1 b şi c,

Fig. 1.1

undeI = învelişul exterior al DA;II = corpul de rezistenţă al DA;III = montanţi;IV = corpul central.

Variantele b şi c sunt folosite pentru motoarele turbopropulsoare.

I. Învelişul exterior al DA are rolul de a profila:

20

- exteriorul canalului de lucru al dispozitivului, prin intradosul învelişului;- exteriorul sistemului de propulsie, prin intermediul extradosului acestuia,

astfel încât distribuţiile de presiuni pe cele două suprafeţe (intrados şi extrados) să fie cât mai uniforme pe direcţia axială.

II. Corpul de rezistenţă al DA are sarcina de a prelua eforturile mecanice, generate pe învelişul exterior sau pe corpul central şi de a le transmite către structura de rezistenţă a aeronavei.

III. Montanţii DA au dublu rol:

a) gazodinamic; montaţii sistemului sunt profilaţi aerodinamic şi au rolul de a elimina componentele tangenţiale ale curgerii în secţiunea de intrare în compresorul motorului. Aceste componente tangenţiale apar, de obicei, la regimurile de funcţionare ale dispozitivului care corespund regimurilor de zbor cu incidenţă mare cum sunt regimul de decolare şi regimul de aterizare ale aeronavei. Prin urmare, sistemul de montanţi asigură curgerea axială la intrarea în compresor.

b) mecanic; din punctul de vedere mecanic montanţii realizează:– fixarea corpului central la carcasa DA;– trecerea unor conducte sau a unor conductori electrici, pe direcţia radială, în ambele sensuri, de la

corpul de rezistenţă la corpul central;– preluarea eforturilor mecanice care apar pe corpul central şi transmiterea acestora către corpul de

rezistenţă al dispozitivului de admisie.

IV. Corpul central realizează profilarea interioară a canalului de lucru. Totodată, el asigură tranziţia secţiunii de la o secţiune de formă circulară la una de formă inelară, care corespunde intrării în compresor. Corpul central permite amplasarea unor organe componente.

În canalul de lucru se disting trei domenii caracteristice , şi .

Domeniul este limitat la exterior de o linie de curent care separă masa de fluid ce pătrunde în sistem, de masa de fluid care înconjoară sistemul de propulsie. Forma acestei linii de curent depinde de legătura care există între viteza de zbor, , şi viteza de aspiraţie a compresorului .

Domeniul poate fi: - convergent:

- cilindric:

- divergent:Domeniul reprezintă priza de aspiraţie a motorului sau tunelul de aspiraţie al dispozitivului de

admisie.

Domeniul face parte din canalul de lucru al dispozitivului de admisie limitat la exterior de învelişul dispozitivului. El este un canal divergent care realizează o precomprimare statică a fluidului de lucru.

În domeniul au loc pierderi de energie datorită stratului limită de pe intradosul învelişului exterior.

Domeniul , care aparţine canalului de lucru, este un canal convergent în care fluidul de lucru se accelerează şi, ca urmare, presiunea statică a fluidului scade.

Prezenţa lui este dictată de:– trecerea de la o secţiune de formă circulară la o secţiune de formă inelară;– necesitatea realizării unor distribuţii uniforme de parametrii cinematici şi termodinamici, la ieşirea

din domeniu .

În domeniul , pierderile de energie cresc datorită existenţei stratului limită pe corpul central, montanţi, corpul central şi intradosul învelişului exterior.

Forma învelişului exterior depinde, în principal, de regimul de zbor al aeronavei:– pentru regimuri de zbor subsonice, profilul aerodinamic al învelişului are grosimea relativă, raza de

curbură a bordului de atac precum şi curbura, mari. – pentru regimuri de curgere transonice scad grosimea, raza şi curbura.

Fig.1.221

– pentru regimuri de zbor supersonice, învelişul capătă o formă specifică, aceea de pană (fig.1.2).

22

Regimurile de funcţionare ale DA subsonice

În timpul evoluţiei unei aeronave, DA poate avea regimuri de funcţionare:– normale;– anormale.

A. Regimuri normaleAcestea cuprind două domenii:

a) domeniul regimurilor de viteză mică, ce include regimul de decolare;b) domeniul regimurilor de viteză mare, care include regimul de croazieră.

Regimul de decolare

Pentru acest regim, spectrul curgerii (fig.1.3) se caracterizează prin aceea că domeniu este puternic convergent. Debitul de fluid fiind mare, viteza de circulaţie a fluidului ajunge în final la (100-200) m/s şi, ca urmare, schimbul de căldură dintre fluid şi pereţi este redus.

Presiunea totală scade datorită pierderilor care au loc în straturile limită de pe organele componente. Datorită accelerării fluidului de lucru, în canalul de aspiraţie, are loc o scădere puternică a temperaturii

statice ceea ce face ca, la intrarea în DA, să se atingă valori ale temperaturii sub 0°C.

În aceste condiţii, vaporii de apă din aer condensează şi, chiar mai mult, apa îngheaţă formând un strat de gheaţă în dispozitivul de admisie şi chiar pe compresor, adică apare givrajul. Stratul de gheaţă, în primul rând, modifică forma aerodinamică a învelişului exterior şi, în al doilea rând, îngustează secţiunea de trecere a fluidului de lucru care provoacă o scădere a debitului de aer. Se are în vedere împiedicarea formării gheţii pe elementele componente ale sistemului. Ca urmare, orice sistem de propulsie va avea o instalaţie specializată de antigivraj.Definiţii:

= coeficientul de pierdere de presiune totală

= coeficientul pierderii de energie în stratul limită

- stabilit la bancul de probă: ;

=>

Viteza depinde de turaţia compresorului şi de tipul acestuia:

– pentru compresoare axiale: =(150-200) m/s;

– pentru compresoare centrifugale: =(100-150) m/s

Regimul de croazierăSpectrul curgerii, la acest regim, este reprezentat în figura 1.4.

=>

B. Regimurile anormale

Regimurile normale de funcţionare ale DA subsonic se definesc pentru următoarele situaţii:

a) pentru şi o viteză de aspiraţie constantă în motor, ;

b) pentru şi o viteză de zbor

În alte situaţii, liniile de curent, ce separă tunelul de aspiraţie de mediul înconjurător, vor imprima formei acestuia un puternic caracter convergent sau divergent, în aşa fel încât, pe învelişul exterior, stratul limită se desprinde. Se defineşte, astfel, un regim anormal de funcţionare al DA.

Fig. 1.4

Fig. 1.3

23

Se pot preciza două situaţii:a) Prima situaţie (fig. 1.5) este aceea care are loc atunci când:

şi

sau şi

Linia de curent defineşte viteza maximă, , până la care DA va funcţiona corect, iar linia , caracterizează un regim anormal.

În acest caz, desprinderea stratului limită de pe extrados are ca efecte:- îngroşarea profilului exterior, creşterea rezistenţei la înaintare, ;

- pentru o forţă de reacţie constantă, , scăderea vitezei .Deoarece creşte rezistenţa la înaintare a dispozitivului de admisie, forţa de propulsie a sistemului scade

întrucât:(a)

Această scădere are drept consecinţă micşorarea vitezei , şi, astfel, linia se va deplasa către poziţia sa iniţială . Acest regim nu este defavorabil pentru DA. Totodată, acesta este un regim stabil de funcţionare deoarece, curgerea fluidului revine la situaţia normală iniţială (ex. evoluţia în picaj).

b) A doua situaţie (fig. 1.6) este aceea în care: şi ;

sau şi .Linia de curent defineşte viteza minimă de evoluţie corectă a

aerului DA. În acest caz, tunelul fluidului fiind foarte convergent are loc desprinderea stratului limită pe intrados şi, ca urmare, va creşte rezistenţa la înaintare a DA, . Totodată, se micşorează secţiunea de aspiraţie a

motorului, ce are ca efect, scăderea forţei de reacţie a sistemului, . Deoarece creşte rezistenţa la înaintare a DA, forţa de propulsie a sistemului scade, conform relaţiei (a).

Această scădere are drept consecinţă, imediată, micşorarea vitezei , linia de curent are o tendinţă de deplasare către exterior şi, ca urmare, se accentuează regimul defavorabil al sistemului.Exemple:

DA radial (admisie laterală) pentru TM DA axial (admisie frontală) pentru TMObservaţii:

- DA pot fi prevăzute cu amortizoare de zgomot;- materialele cele mai utilizate sunt aliajele uşare (de aluminiu şi magneziu).- profilarea DA: cu arcuri de cerc sau cu profiluri de bază de tip NACA

1.3 Dispozitivul de admisie supersonic

Dacă viteza de zbor a unei aeronave depăşeşte Mach-ul critic al învelişului exterior atunci, pe extradosul învelişului exterior, apare un domeniu în care curgerea este supersonică. În acest domeniu, trecerea din subsonic în supersonic se face printr-un sistem de unde Mach, de mică intensitate, iar trecerea din supersonic în subsonic se face printr-o undă de şoc.

Pentru , domeniul curgerii supersonice se extinde şi avansează către amonte astfel încât, la un anumit Mach de zbor, se creează în amontele dispozitivului de admisie o undă de şoc normală şi plană (figura 1.7).

Fig. 1.7

Fig. 1.6

Fig. 1.5

24

Poziţia ei depinde de viteza de zbor, de regimul de funcţionare al motorului (turaţie) şi de forma aerodinamică a învelişului exterior.

Din punct de vedere fizic unda de şoc conduce la salturi ale parametrilor aerului:- termodinamici, în sensul creşterii acestora;- cinematici, în sensul descreşterii (viteză, presiune totală a fluidului).

Definiţie: coeficient de pierdere de presiune în unda de şoc:

Dacă se defineşte o pierdere de presiunea admisibilă, , atunci se consideră că DA

funcţionează în condiţii normale dacă

Pentru este necesară o modificare a formei învelişului exterior, în sensul înlocuirii acestuia

cu un dispozitiv de grosime, curbură şi raza bordului de atac mai mici pentru a se aduce valoarea în domeniu admisibil.

O asemenea soluţie este DA tip Pitot. El poate funcţiona în condiţii bune pentru viteze cuprinse în intervalul

Pentru viteze , datorită creşterii intensităţii undei de şoc normale, readucerea lui în gama admisibilă, presupune înlocuirea undei de şoc normale cu una oblică. În acest scop, în componenţa DA se introduce corpul central profilat în formă de pană sau con. De acest corp central se ataşează unda de şoc normală, care se transformă într-o undă de şoc oblică, plană sau conică.

În funcţie de viteza de zbor există următoarele soluţii constructive:

- pentru , sistemul de unde al DA are în componenţă două unde de şoc: una oblică şi una normală.

- dispozitivul de admisie se numeşte “DA tip 1+1”;

- pentru , sistemul de unde al DA va avea în componenţă trei unde de şoc: două oblice şi una normală.

- dispozitivul de admisie se numeşte “DA tip 2+1”;

- pentru , sistemul de unde al DA trebuie să aibă în componenţă patru unde de şoc: trei oblice şi una normală.

- dispozitivul de admisie se numeşte “DA tip 3+1”;

- dacă se va profila corpul central astfel încât să se genereze un sistem continuu de unde de mică intensitate sau unde Mach ( figura 1.8).

1.3.1. Caracteristicile undei de şoc normale

Dacă un curent supersonic traversează un tunel şi întâlneşte o perturbaţie mecanică sau gazodinamică (o variaţie de temperatură, presiune, densitate), în tunel apare o undă de şoc plană ( figura 1.9).

Evident unda de şoc normală creează o discontinuitate în curgerea fluidului.

Deci, printr-o undă de şoc normală, un curent în regim supersonic trece în regim subsonic. Unda de şoc reprezintă mijlocul cel mai eficient de modificare a regimului de curgere al unui fluid, din regim supersonic în regim subsonic.

Fig. 1.9 Unda de şoc normală

Fig. 1.8

25

Întotdeauna, la intrarea în motor, în mişcare absolută, regimul de curgere este subsonic . În cazul unei evoluţii supersonice a unei aeronave, trecerea fluidului din regimul supersonic, corespunzător regimului de zbor al avionului, în cel subsonic, corespunzător regimului de curgere la intrare în motor, se face printr-un sistem de unde de şoc în care ultima undă de şoc va fi, obligatoriu, normală.

Pentru a transforma o undă de şoc normală într-o undă de şoc oblică se ataşează unda de şoc de elementele componente ale dispozitivului de admisie. Ca urmare, toate dispozitivele de admisie cu vor avea în componenţă cel puţin o undă de şoc oblică şi una normală.

1.3.2 Caracteristicile undei de şoc oblice

Dacă un curent supersonic întâlneşte o perturbaţie mecanică, de deviaţie a curgerii q0 , modificările care au loc sunt cele din figura 1.10.

Printr-o undă de şoc oblică curgerea rămâne, în continuare, supersonică. Unda de şoc oblică are o intensitate mai mică decât unda de şoc normală.

1.3.3 Dispozitive de admisie „1+1” ( )

Când numărul Mach de zbor se află în intervalul se pot obţine pierderi de presiune

admisibile dacă, în componenţa sistemului de unde, intră o undă de şoc oblică şi o undă de şoc normală. Prin urmare, din prima familie de DA cu comprimare exterioară fac parte cele de tipul “1+1”. Schema

cinematică a curgerii, în acest caz, este reprezentată în figura 1.11. În funcţie de poziţia undei de şoc normală, faţă de bordul de atac al învelişului exterior, dispozitivul de

admisie poate avea trei domenii de funcţionare: a – domeniul de funcţionare subcritic; b – domeniul de funcţionare critic; c – domeniul de funcţionare supracritic.

În figura nr. 1.12 sunt reprezentate schematic curgerile în cele trei situaţii. – dacă unda de şoc normală trece prin bordul de atac al DA, regimul se numeşte critic. Dacă turaţia

Fig. 1.12

Fig. 1.10

Fig. 1.11

26

creşte se constată că, pentru o anumită turaţie, unda de şoc oblică va trece şi ea prin bordul de atac al învelişului exterior, adică dispozitivul intră în regimul nominal de funcţionare. Aceasta implică un debit maxim prin dispozitiv şi (figura 1.12, b); – dacă turaţia creşte în continuare, unda de şoc oblică scade ca intensitate, aceasta înseamnă că se înclină şi pătrunde în canalul de lucru al dispozitivului de admisie. Ea se reflectă de învelişul exterior şi generează un sistem de unde incidente care se încheie cu o undă de şoc normală. Acesta se află în canalul de lucru al dispozitivului, generând o pierdere de presiune mare şi o pierdere de debit importantă. Regimul creat este supracritic (figura 1.12, c).

– dacă turaţia scade, dispozitivul intră în regim subcritic de funcţionare (figura 1.12, a).

27

1.3.4 Dispozitive de admisie „2+1” ( )

Sistemul de unde de şoc care asigură pierderi de presiune totală în gama cerută, trebuie să aibă în componenţă trei unde de şoc, două unde de şoc oblice şi una normală, dreaptă.

Realizarea unui asemenea sistem de unde este posibilă prin utilizarea unui corp central ce asigură două perturbaţii mecanice, de unghiuri şi (figura 1.13).

În raport cu poziţia undei de şoc normale faţă de bordul de atac al învelişului exterior, DA „2+1” poate avea trei domenii de regimuri de funcţionare:

- domeniul regimurilor subcritice; - domeniul regimurilor critice; - domeniul regimurilor supracritice.

Aceste domenii (fig. 1.14) se obţin:- menţinând regimul de funcţionare al motorului constant şi variind regimul de zbor;- admiţând un regim constant de zbor şi modificând regimul motorului.

a b c

Fig. 1.14

Regimul de curgere critic ( fig.1.14 b) = în care unda de şoc normală (USN) trece prin bordul de atac, , al învelişului exterior.

Regimul nominal = regimul în care, pentru o geometrie optimă, toate undele de şoc trec prin punctul . În această situaţie, debitul de aer : , iar pierderea de presiune este minimă: .

Prin urmare, regimul nominal (de calcul) face parte din domeniul regimurilor critice.

Acest regim se obţine pentru o combinaţie a regimurilor de zbor şi de funcţionare .

Admiţând că este constant, atunci la creşterea turaţiei sistemului de propulsie sistemul de unde pătrunde în canalul de lucru al DA, undele generate de corpul central se reflectă de pereţii canalului, se suprapun generând un sistem complex. În acest nou sistem (figura 1.14 c) pierderea de presiune creşte considerabil. Un asemenea regim este denumit supracritic.

Dacă (figura 1.14 a) => sistemul de unde se deplasează către amontele DA. Ultimele două unde alcătuiesc o undă de tip , prin care scad atât debitul de aer cât şi coeficientul de pierdere de presiune totală.

Pentru regimuri de zbor 2.4 > MH > 2.2 se folosesc DA cu patru unde de şoc, de tipul „3+1”. Comportarea şi funcţionarea dispozitivelor „3+1” sunt similare cu cele ale dispozitivului „2+1”. Pentru MH > 2.4 se profilează corpul central astfel încât undele de şoc să scadă ca intensitate, ele devenind

unde Mach. Asemenea dispozitive sunt cunoscute sub denumirea de izentropice.

1.3.4 Dispozitive de admisie cu comprimare interioară

- au caracteristic faptul că sistemul de unde de şoc, prin care se face trecerea de la un regim supersonic de zbor la un regim subsonic de funcţionare al motorului, este plasat în interiorul canalului de lucru al DA. Spectrul undelor de şoc, în acest caz, se poate vedea în figura 1.15.

Fig. 1.13

Fig. 1.15

28

Tema 2 - Părţi componente principale ale MTG

2. Compresoare centrifugale şi axiale

2.1 Tipuri constructive şi cerinţe impuse

Tipuri: centrifugale; axiale; combinate.

A. Compresoare centrifugale (CpC):- asigură debite de aer relativ mici: ;

- gradele de comprimare sunt relativ mici: ;- sunt robuste;- mai puţin sensibile la pompaj;- procesul de fabricaţie este mai simplu;- randamentele sunt relativ mici: ;- au dimensiuni diametrale mari- au masă relativ mare.

Obs: în etapa actuală se utilizează CpC cu admisie bilaterală, la care:- debitul de aer la partea din aval a compresorului este mai mic;- prezenţa aerului pe cele două feţe ale discului favorizează descărcarea de forţă axială a CpC;- solicitările din rulmenţii lagărelor sunt mai mici;- componentele axiale ale forţelor sunt mai mici.

B. Compresoare axiale (CpA)- pot asigura debite de aer mari > 300kg/s; ex: RV211-524 (Boeing 747): G = 674 kg/s;- asigură grade de comprimare relativ mari, πc = 25..30 : ex: RV211-524

(Boeing 747): π = 24,1;- grade de comprimare pe treapta subsonică: 1,1-1,4;- grade de comprimare pe treapta supersonică: 1,5-2,5;- au dimensiuni diametrale mici -> se impune folosirea CpA în

construcţia sistemelor de propulsie care echipează avioane de mare viteză.

- pot fi realizate cu trepte supersonice;- au randamente ridicate: 0,90-0,92;- poziţia paletelor poate fi reglabilă (mai ales la stator);- dimensiunile de gabarit sunt mult mai mari decât cele ale CpC; astfel, lungimea compresorului provoacă

o alungire a sistemului de propulsie, cu (20-25)%.- greutatea sa este mai mare decât cea a CpC: de (2-4) ori.- sunt mai sensibile în exploatare; necesită sisteme antipompaj;- procesul de fabricaţie este mai complicat;- necesită materiale rezistente la oboseală şi la temperatură (mai ales la

ultimele trepte);- preţurile de cost şi de exploatare sunt mai ridicate.

Clasificare: monorotoare; birotoare; trirotoare.Tipuri constructive: tambur; disc; tambur-disc;

C. Compresoare combinate:- sunt formate din trepte de CpC + CpA;- treapta de CpC se montează de regulă după trepte de CpA (TURMO

IV);

29

Un compresor este caracterizat de următorii parametrii funcţionali principali:

- gradul de comprimare: sau

- debitul de aer:

- puterea absorbită:

- randamentul:

Cerinţe impuse compresoarelor- să asigure debitul necesar de aer în camera de ardere;- să realizeze gradul de comprimare impus la un randament cât mai ridicat;- masă şi dimensiuni diametrale reduse (impuse de viteza periferică u2 = 450..500 m/s;- să asigure viteze de intrare cât mai mari :

o =(100-150) m/s la c. centrifugale

o =(150-200) m/s la c. axiale (treapta subsonică)

o = (270-300) m/s la c. axiale (treapta supersonică)

- sensibilitate minimă la variaţii de regim;- siguranţă funcţională şi simplitate constructivă.Randamentul este condiţionat de:

- soluţia constructivă aleasă;- mărimea jocurilor dintre elementele mobile şi cele fixe;- condiţiile de fabricaţie;- condiţiile de reglaj; etc.

Dimensiunile compresorului depind de:- tipul compresorului- debitul de aer impus;- materialele existente;- solicitările la care sunt supuse elementele componente;- modul de dispunere al compresorului; etc.

2.2 Compresorul centrifugal (CpC)

2.2.1 Particularităţi constructive ale CpC

Părţile componente ale compresorului sunt:I - canalizaţia de aspiraţie.II - aparatul director.III’ - anterotorul.III - rotorul.IV - difuzorul de ieşire fără palete.V - difuzorul de ieşire cu palete.VI - colectorul.

I. Canalizaţia de aspiraţie asigură transportul aerului, din secţiunea de ieşire a dispozitivului de admisie, în secţiunea de intrare a aparatului director. Din punct de vedere mecanic aceasta transformă secţiunea circulară de curgere într-o secţiune inelară.

II. Aparatul director imprimă fluidului de lucru o mişcare tangenţială, în sens invers rotaţiei părţii mobile, în scopul modificării lucrului mecanic transmis de rotor fluidului de lucru.

III. Rotorul primeşte lucrul mecanic, prin arborele , de la turbină, îl cedează reţelei de palete de pe discul şi, apoi, transferă acest lucru mecanic aerului în scopul comprimării lui statice. Rotorul modifică direcţia de curgere a fluidului de lucru de la o direcţie axială la una radială şi, totodată, transportă debitul de fluid din secţiunea 1c-1c către secţiunea 2c-2c.

III’ Anterotorul are rolul de a realiza intrarea aerului în rotor fără şoc mecanic.

Schema de principiu, elementele componente şi principalele secţiuni ale CpC monoetajat

30

IV. Difuzorul de ieşire fără palete realizează o frânare liberă a fluidului de lucru dar şi o uniformizare a curgerii în secţiunea de intrare în difuzorul cu palete.

V. Difuzorul de ieşire cu palete asigură frânarea forţată a aerului, în scopul reducerii dimensiunilor de gabarit ale compresorului.

VI. Colectorul realizează schimbarea direcţiei de curgere de la o direcţie radială la una axială şi, totodată, asigură distribuţia uniformă a aerului către camera de ardere.

Rotorul şi anterotorul alcătuiesc partea mobilă a CpC.Canalizaţia de aspiraţie, aparatul director, difuzorul de ieşire fără palete, difuzorul de ieşire cu palete şi

colectorul alcătuiesc partea fixă a CpC sau statorul.

Aparatul director fix are rolul de :- a asigura trecerea aerului spre compresor cu pierderi minime;- a asigura devierea prealabilă a aerului pentru micşorarea vitezelor relative (unghiuri optime)

Obs: - când admisia aerului se face radial este prevăzut cu suprafeţe conice care împiedică apariţia zonelor

turbionare- la unele motoare paletele aparatului director fix pot fi reglabile.

Aparatul director mobil (anterotorul) poate fi:- din aceeaşi bucată cu rotorul: avantaj: rigiditate;

dezavantaj: greu de realizat;- separat de rotor:

o avantaje: fabricaţie mai simplă; posibilitate de schimbare; pot fi folosite materiale diferiteo dezavantaj: se impune o strângere bună la rotor pentru diminuarea vibraţiilor.

Un CpC monoetajat poate transporta un debit maxim de aer de circa (10-15) kg/s, în condiţiile în care gradul de comprimare este de circa 1.5-3.5. Pentru îmbunătăţirea performanţelor CpC subsonic se apelează la cuplarea treptelor în serie sau în derivaţie (paralel). Aceste compresoare se numesc CpC polietajate cu trepte în serie sau în derivaţie.

La cuplarea în serie se pot utiliza 2-8 trepte de CpC.În aviaţie, cea mai întâlnită variantă este aceea cu două trepte. Se poate obţine un grad de comprimare

, în condiţiile în care debitul de fluid de lucru este cel corespunzător unei trepte de compresor.

La cuplarea în derivaţie sau în paralel se pot utiliza 2 trepte rezultând un compresor cu rotorul bilateral paletat, denumit compresor dublu flux.

Astfel, pentru se obţine, teoretic, o dublare a debitului de fluid de lucru, iar efectiv o creştere cu

(80-90)%.O altă cale de a îmbunătăţi performanţele CpC monoetajat este trecerea de la un regimul de curgere

subsonic la unul supersonic, fie în rotorul compresorului, fie în difuzorul de ieşire cu palete.La variantele vechi de compresoare această trecere se realiza în difuzorul de ieşire cu palete, în timp ce la

variantele noi această trecere se face în rotorul compresorului.

2.2.2 Stabilirea dimensiunilor principale

Metodologie:

CpC polietajate

31

- din condiţia asigurării unei rezistenţe corespunzătoare a paletelor se alege viteza periferică: u2 = 450..500 m/s; ex : la VK-1 => u2 = 475 m/s;

- se calculează gradul de comprimare: πc; = 4,5..5;- pentru tracţiunea impusă se determină debitul de aer: G=F/Fsp;- se alege viteza axială a aerului la intrarea în compresor;- din relaţia: G=ρaSca rezultă S şi deci se poate calcula diametrul secţiunii de intrare;- se alege turaţia rotorului;

- se alege numărul de palete ale rotorului: ;

- se determină sau se alege temperatura la ieşirea din compresor: (mai mare la

motoarele combinate).

Obs: dimensiunile principale ale compresorului sunt dictate în principal de:- aeronava pe care se montează motorul;- debitul de aer impus;- viteza periferică;- gradul de comprimare.

2.2.3 Principiul de funcţionare al CpC

În cele ce urmează, se pun bazele fizice ale comprimării aerului în CpC. În acest scop, se consideră un sector din rotorul unui CpC, care cuprinde canalul de lucru dintre două palete radiale, închis în cele două secţiuni de intrare şi respectiv de ieşire, cu două bandaje, astfel încât aerul să nu părăsească incinta canalului.

Se admite la raza un volum elementar de fluid de înălţime şi suprafaţă .Asupra fluidului acţionează:– forţa elementară centrifugă, ;– forţa de presiune datorită diferenţei de presiune care

acţionează pe feţele elementului de fluid, ,

Se poate observa că lucrul mecanic de comprimare se realizează pe seama forţelor centrifuge.

Deci, dacă asupra unui fluid închis într-un canal, aflat în stare de rotaţie, acţionează un câmp de forţe centrifuge, sub efectul acestuia fluidul se comprimă static.

Prin urmare, în timpul rotirii fluidului, într-un canal închis, se produce un câmp de forţe centrifuge sub a cărei acţiune presiunea statică în canal creşte. Presiunea în canal este cu atât mai mare cu cât raza exterioară a rotorului, şi respectiv turaţia rotorului, iau valori mai mari.

În general:

Dacă se eliberează bandajul exterior atunci, între presiunea exterioară şi presiunea de refulare , se poate stabili o corelaţie. Astfel:

- dacă : compresorul refulează aer în circuitul exterior;

- dacă : ventilatorul funcţionează în gol, aerul aspirat nu va părăsi compresorul, iar din cauza mişcării, acesta se încălzeşte, rezultând efecte termice şi mecanice nedorite;

- dacă : fluidul din exterior pătrunde în compresor generând o funcţionare anormală a acestuia, denumită fenomen de pompaj.

Presiunea din exterior este determinată de rezistenţele mecanice din avalul rotorului CpC.

Curgerea în rotorul CpC are trei particularităţi:– fluidul se comprimă static în spaţii mici;– comprimarea se realizează pe fondul accelerării fluidului în mişcare absolută: fluidul pătrunde în rotor

cu viteza C1=(100-200) m/s şi îl părăseşte cu viteza C2=(400-500) m/s;

32

– direcţia curgerii se modifică cu aproape , fapt care dă naştere unei distribuţii neuniforme de parametrii în canalul dintre două palete. Acest neajuns, se regăseşte într-o distorsiune a câmpurilor de presiune şi temperatură.

33

2.2.4 Canalizaţia de aspiraţie a CpC

Canalizaţia de aspiraţie a CpC are rolul de a asigura o distribuţie uniformă de viteze la intrarea în rotor. Compresorul centrifugal are sarcina de a schimba direcţia de curgere a aerului, la intrarea în rotor, cu scopul modificării lucrului mecanic transmis de rotor fluidului. Ca urmare, în componenţa canalizaţiei intră şi aparatul director al CpC.

Canalizaţia de aspiraţie a CpC, din punct de vedere mecanic, face trecerea de la o secţiune de curgere circulară la una inelară.

Din punctul de vedere constructiv, canalizaţia de aspiraţie a CpC este compusă din:– canalizaţia propriu-zisă;– aparatul director;– reţeaua intermediară de palete, având scopul de a fragmenta curgerea în vederea eliminării desprinderii

aerului de pereţii canalizaţiei de aspiraţie.Complexitatea constructivă a canalizaţiei de aspiraţie depinde de destinaţia CpC. Astfel, există diferenţe

între canalizaţiile de aspiraţie ale compresoarelor pentru motorul cu piston şi cele destinate compresoarelor motoarelor aeroreactoare.

Geometric, canalizaţia de aspiraţie a CpC are o secţiune de intrare şi una de ieşire. De regulă, secţiunea de ieşire este identică cu secţiunea de admisie în rotorul compresorului.Secţiunile de intrare se pot clasifica:

1. După direcţia curgerii, în secţiuni:a) de tip axial.b) de tip radial.c) de tip axial–radial.

2. Din punctul de vedere al numărului secţiunilor de intrare există variantele:a) cu o secţiune de intrare.b) cu două secţiuni de intrare.

Secţiunile de admisie se clasifică:1. După caracterul admisiei în rotor în secţiuni cu:

a) admisie inelară.b) admisie spiralată.

2. Din punctul de vedere al gradului de admisie în rotor, se întâlnesc:a) admisii totale.b) admisii parţiale.

3. Din punctul de vedere al direcţiei admisiei aerului în rotor se cunosc admisii cu:a) direcţie axială.b) direcţie tangenţială; în acest caz în componenta canalizaţiei intră un aparat director, care poate

avea geometrie fixă sau variabilă.

Anterotor cu intrare axială, simplă cu admisie inelară axială (tangenţială)

Anterotor cu intrare radială, simplă, cu admisie inelară şi axială

Anterotor cu canalizaţie inelară, dublă, cu admisie inelară şi axială

Ultimele variante au intrarea radială din considerente constructive.Acestea se folosesc atunci când în faţa CpC se află fie cutia de agregate a motorului, fie treptele de

compresor cuplate în serie.

34

2.2.5 Anterotorul CpC

Anterotorul are sarcina de a realiza introducerea aerului în rotorul compresorului fără şoc mecanic. Direcţia vitezei, la intrarea în rotor, trebuie să fie foarte apropiată de direcţia tangentei la fibra medie a paletei de anterotor, adică unghiul de incidenţă trebuie să fie aproape nul.

Din punct de vedere gazodinamic, curgerea în anterotor este similară unei curgeri într-o reţea axială în care profilele componente diferă foarte puţin faţă de profilele normale.

Din punct de vedere tehnologic anterotorul se poate realiza din aceleaşi material ca şi rotorul sau, din material diferit, ca în cazul compresoarelor mari, la care rotorul este construit din aliaje de aluminiu care nu rezistă mecanic în mediu poluat cu particule solide.

La vârful anterotorului regimul relativ de curgere poate deveni supersonic, deoarece viteza este mare. Acest lucru reprezintă, pentru o paletă subsonică, un pericol deoarece, pot apare unde de şoc conoidale.

2.2.6 Rotorul CpC

Din punct de vedere constructiv rotoarele se întâlnesc în trei variante:

Rotorul de tip deschis:- combină procesul de comprimare centrifugal cu cel axial;- pierderi mici prin frecare între fluid şi rotor;- cele mai mari pierderi secundare de fluid de lucru; au loc curgeri secundare atât în jocul axial anterior cât

şi în cel posterior; acest lucru implică un randament scăzut al rotorului.- se foloseşte mai puţin deoarece asigură grade de comprimare reduse şi paletele sunt supuse la vibraţii de

amplitudini mari;

Rotorul de tip semiînchis;- este cel mai des folosit;- paletele sunt mai rigide decât cele ale rotorului de tip deschis;- are randament mai mic decât cel al rotorului de tip închis.

Rotorul de tip închis (la vârf există un bandaj continuu care încastrează reţeaua de palete):- are cele mai mici pierderi secundare, deoarece nu există pierderi laterale;- pierderi mari prin frecare între fluid şi rotor;- este mai greu de realizat constructiv;- paletele sunt supuse la forţe centrifuge foarte mari (funcţionează la turaţii reduse)- cel mai bun comportament la vibraţii.

Rezultă că, cea mai bună variantă o reprezintă rotorul semideschis, având paletele dispuse radial. Această variantă asigură performanţe bune, dar nu maxime. Din punctul de vedere tehnologic, rotorul semideschis, care se realizează prin frezare, este cel mai economic.

35

2.2.7. Difuzorul de ieşire al CpC

Aerul care intră în difuzorul de ieşire cu o viteză de (300-500) m/s, posedă o energie cinetică mare. Deoarece sarcina compresorului este de a comprima static aerul, această energie cinetică va trebui transformată în energie potenţială, prin frânarea fluidului în organele componente plasate în avalul rotorului. Astfel, difuzorul de ieşire are rolul de a continua procesul de comprimare statică început în rotor.

În condiţii ideale, jumătate din lucrul mecanic transmis de rotor fluidului este folosit pentru comprimarea aerului de către rotor. Ca urmare, cealaltă jumătate reprezintă contribuţia difuzorului de ieşire.

Din punct de vedere constructiv şi gazodinamic în componenţa difuzorului de ieşire intră:a) difuzorul de ieşire fără palete;b) difuzorul de ieşire cu palete.

2.2.8 Difuzorul de ieşire fără palete

Secţiune axială în difuzorul de ieşire Vedere frontală a compresorului pentru a pune în evidenţă curgerea în difuzorul de ieşire fără palete.

Se face ipoteza că în difuzorul de ieşire regimul de curgere este subsonic. Ca urmare, o comprimare statică a fluidului, deci ,

presupune în mod obligatoriu, o frânare a acestuia adică .În condiţii ideale, traiectoria fluidului în difuzorul de ieşire păstrează

constantă direcţia de curgere la ieşirea din rotor, în raport cu direcţia tangenţială. O asemenea curbă se numeşte spirală logaritmică.

O traiectorie lungă provoacă pierderi mari de energie prin frecare şi, astfel, scade componenta de comprimare statică a fluidului. Factorii care ar putea scurta traiectoria, în condiţii reale, sunt compresibilitatea curgerii şi frecarea.

2.2.9 Difuzorul de ieşire cu palete

Deosebirea dintre cele două difuzoare constă în prezenţa, în ultima variantă, a unei reţele de palete care are sarcina de a modifica traiectoria unei particule a fluidului, în sensul scurtării acesteia, respectiv de a reduce efectul frecării.

Difuzorul de ieşire fără palete se amplasează de regulă în amontele difuzorului de ieşire cu palete. În cazul compresoarelor de aviaţie care, pe lângă faptul că au un debit foarte mare de fluid, au şi regimuri variate de turaţie, se produc modificări importante ale parametrilor termodinamici, cinematici precum şi variaţii ale incidenţei vitezei la intrarea în difuzorului de ieşire cu palete.

Există pericolul desprinderii fluidului de pereţii paletelor difuzorului de ieşire cu palete. De asemenea are loc o scădere a presiunii statice care generează vibraţii pe palete şi carcase. Este, astfel, obligatoriu ca între rotorul compresorului şi difuzorul de ieşire cu palete să existe un spaţiu (plenum) în care să se amortizeze orice variaţii şi pulsaţii ale vitezei sau presiunii aerului care părăseşte rotorul.

Acest spaţiu reprezintă, de fapt difuzorul de ieşire fără palete.Gradul de divergenţă al canalului de lucru este determinat de direcţiile a două palete vecine. Se poate

imagina un difuzor echivalent, axial-simetric, cu ajutorul căruia se poate stabili variaţia de presiune la traversarea canalului de lucru.

În vederea creşterii unghiului a se pot folosi trei tipuri de reţele, în funcţie de forma acestora, respectiv- reţele rectilinii.

36

- reţele curbilinii în care paletele sunt în formă de arc de cerc.- reţele de palete profilate aerodinamic.

1. Difuzorul de ieşire cu palete rectiliniiSchemele funcţională şi geometrică ale difuzorului cu reţele rectilinii se pot vedea în figura nr. 2.58

Dezavantajul fundamental al soluţiei este distribuţia neuniformă a vitezelor la ieşirea din canalul de lucru, care se reflectă, în mod direct, prin scăderea randamentului comprimării aerului în difuzorul de ieşire.

Avantajul fundamental îl reprezintă simplitatea constructivă şi tehnologică a soluţiei.

Din aceste motive, profilele rectilinii se folosesc pentru compresoare cu destinaţie terestră de performanţe modeste.

2. Difuzorul de ieşire cu palete circulareSchema cinematică se poate vedea în figura nr. 2.59.La bancul de probă se constată că, un randament bun

se asigură când gradientul de presiune este constant în lungul canalului de lucru. Pentru a obţine acest gradient constant se modifică forma canalului prin înlocuirea arcului de cerc cu 2-3 arce de cerc. Dacă nici în acest caz nu se obţine un randament acceptabil, se profilează aerodinamic paletele astfel încât între cele două suprafeţe, extrados şi intrados, să se poată obţină forma canalului care să asigure un gradient constant.

Astfel, se obţine o reţea de palete aerodinamice capabilă să asigure un randament maxim al comprimării în difuzorul de ieşire.

2.2.10 Vibraţia paletelor CpC

Ruperea paletelor rotorului CpC provoacă deteriorarea sau distrugerea completă a compresorului.Ruperea paletelor se produce de cele mai multe ori de datorită fisurilor generate de vibraţiile cu amplitudini

mari la regimuri de rezonanţă;Vibraţiile paletelor se datorează variaţiei periodice a presiunii pe paletă ce rezultă ca urmare a curgerii

neuniforme a fluidului printre paletele rotorului, cauzată de:o neuniformitatea unghiurilor la paletele anterotorului;o prezenţa paletelor aparatului director;o diferenţe dintre dimensiunile canalelor de curgere dintre paletele rotorului.

Forme caracteristice de vibraţie:

1)toată paleta vibrează în raport cu zona de încastrare la disc unde este dispusă linia de noduri2)două porţiuni ale paletei vibrează şi sunt delimitate de linia de noduri;3)trei porţiuni ale paletei vibrează în raport cu linia nodurilor- cele mai periculoase sunt primele două forme de vibraţie care pot duce la apariţia amorselor de fisuri,

precum şi propagarea acestora în cazul vibraţiilor de amplitudini mari;- ultima formă are o frecvenţă foarte înaltă şi iese din domeniul de funcţionare îndelungată a motorului.

1 2 3

37

2.3 Compresoare axiale (CpA)

Compresorul axial face parte din categoria compresoarelor cinetice la care comprimarea statică a fluidului este rezultatul transformării energiei mecanice în lucru mecanic, a lucrului mecanic în energie cinetică şi, în final, a energiei cinetice în energie potenţială.

Pentru a face posibil acest multiplu proces de transformare a energiilor în compresor este necesar să existe o serie întreagă de reţele de palete capabile să transmită lucrul mecanic aerului. Deoarece direcţia de curgere a fluidului prin compresor este aproape axială compresorul se numeşte compresor axial.

Transformarea energiei cinetice în energie potenţială în compresor se realizează sub efectul unui câmp de forţe aerodinamice. Forţele aerodinamice sunt cele în măsură să oblige fluidul să treacă printre canalele dintre palete. În aceste condiţii, transformarea energiei cinetice în energie potenţială presupune o anumită formă a canalului între două palete consecutive, care să permită frânarea fluidului. Prin urmare, canalele vor trebui să fie divergente, dacă regimul de curgere este subsonic şi convergente dacă regimul de curgere este transonic sau supersonic. Rezultă, clar că, de fapt, compresorul axial este un compresor aerodinamic.

2.3.1. Clasificarea CpA

1. Din punctul de vedere al regimului de curgere al aerului, în raport cu un sistem de referinţă mobil, deci cu un sistem legat de rotor, există

– compresoare subsonice;– compresoare transonice;– compresoare supersonice.

În cazul compresoarelor supersonice, comprimarea aerului se face în două moduri. Astfel, pe lângă comprimarea dinamică, realizată în canalul dintre palete, care este continuă, are loc şi o comprimare prin sistemul de unde de şoc, conoidale care este o comprimare discontinuă. Rezultă că, gradele de comprimare în treptele supersonice vor fi mult mai mari decât gradele de comprimare în treptele subsonice. Ca urmare, lungimea CpA supersonic este mult mai mică, decât cea a CpA subsonic, de circa (2-3) ori.

2. Din punctul de vedere al modificării geometriei reţelelor componente ale compresorului, se întâlnesc:

- compresoare cu reţele nereglabile, fixe;- compresoare cu reţele reglabile; geometria variabilă

presupune fie reţele fixe reglabile, fie reţele mobile reglabile.

2.3.2 Compunerea şi principiul de funcţionare a CpA

Schema de principiu a unui CpAI. Rotorul compresorului (partea mobilă).II. Statorul (partea fixă).

1. Reţele de palete mobile alternante.2. Tamburul sau discuri de care se fixează paletele mobile.3. Arborele compresorului.4. Aparatul director.5. Reţele de palete fixe alternante.6. Carcasa.

I. Rolul părţii mobile este de a prelua energia mecanică de la arbore şi de a o transfera paletelor mobile, unde are loc transformarea energiei mecanice în lucru mecanic. Acest proces are ca rezultat apariţia unor forţe aerodinamice sub efectul cărora aerul se va deplasa. Reţelele mobile transformă lucrul mecanic, pe de o parte, în energie potenţială şi, pe de altă parte, în energie cinetică. Respectiv:

- în mişcare relativă lucrul mecanic se transformă în energie potenţială;- în mişcare absolută lucrul mecanic se transformă în energie mecanică.

38

Astfel,– în mişcarea relativă, L→Ep, comprimarea realizându-se în canalele dintre palete;– în mişcarea absolută, L→Ec (comportament de elice) şi Ec→Ep, deci se realizează comprimarea.

II. Statorul are în componenţă două elemente fundamentale:– carcasa;– reţelele fixe de palete.

Rolul reţelelor fixe de palete este de a transforma energia cinetică a aerului, care părăseşte rotorul, în mişcare absolută, în energie potenţială. Deci, statorul continuă procesul de comprimare a aerului început în rotor.

Din punctul de vedere fizic rotorul accelerează aerul, în mişcare absolută, generând o forţă de reacţiune.Deoarece fluidul se comprimă, apar forţe axiale de presiune atât pe reţelele fixe de palete cât şi pe cele

mobile care, însumate, vor da o forţă de tracţiune direcţionată în sensul deplasării motorului. Astfel, forţa de

tracţiune va avea două forme:– FR, forţă de tracţiune dinamică (reacţia);– Fp, forţă de presiune cu componentele:

– Fpr, forţa de presiune în rotor;– Fps, forţa de presiune în stator.

Forţa de tracţiune, de pe rotor, se transmite la celulă prin tambur saudiscuri, arbore şi lagărele rotorului compresorului şi apoi, structurii de rezistenţă a motorului. Forţa de presiune se transmite celulei prin carcasa compresorului, şi tot prin lagăre, apoi, structurii de rezistenţă a motorului.

Ansamblul format dintr-o reţea fixă şi una mobilă reprezintă treapta CpA.Aparatul director, (AD), caracteristic treptelor subsonice are sarcinade a păstra valori în limite normale ale incidenţei vitezei relative în rotor indiferent de regimul de funcţionare sau de zbor.

Repartizarea lucrului mecanic pe trepte, se aproximează repartiţia reală (linia continuă) cu una teoretică (linia punctată).

Rezultă clar o reducere a încărcărilor, în primele trepte şi în ultima treaptă, sub valoarea medie.

Variaţia vitezei axiale C1a, se alege astfel încât să fie constantă la primele trepte şi apoi să scadă către ultima treaptă. Această alegere este necesară realizării unui canal de lucru cu o formă convenabilă curgerii.

2.3.4 Caracteristica de funcţionare a compresorului. Pompajul compresorului

Elementele componente aleprimei trepte de compresor

39

La scăderea componentei axiale, va creşte incidenţa

vitezei . Se produce, astfel, desprinderea stratului limită pe

extrados, creşte rezistenţa la înaintare, scade turaţia reţelei mobile şi,

evident, . În acest caz, curgerea se restabileşte în reţea şi,

totodată, comprimarea, deoarece triunghiul de viteze este asemenea cu cel iniţial.

Scăderea turaţiei provoacă o scădere a debitului, cu apariţii ale desprinderii aerului pe intradosul profilului, deci apar pierderi importante de debit şi de presiune.

Pompajul Caracteristica de funcţionare a compresorului

Căile de reducere şi eliminare ale pompajului pornesc de la ideea fundamentală de a păstra incidenţa vitezei relative la valoarea ei de calcul, indiferent de modificarea triunghiului de viteze. Astfel, se pot folosi reţele mobile reglabile. Se poate modifica direcţia vitezei , folosind un aparat director reglabil.

În fine, se poate împiedica viteza să treacă de , prin utilizarea unui compresor polirotor. Cea mai

întâlnită metodă este însă prelevarea unei mase de aer din compresor. Ca urmare, treptele predispuse

pompajului funcţionează la debite normale , excesul de aer, , fiind prelevat prin supape

antipompaj.

2.3.5 Particularităţi constructive ale CpA

A. Forma canalului de lucru

- de obicei, se alege în funcţie de destinaţia motorului;- variantele:

– compresor cu Dv=ct., cea mai convenabilă soluţie;– compresor cu Dm=ct.;– compresor cu Db=ct.

Prelevarea unei masede aer din compresor

40

Alegerea uneia sau alteia dintre soluţii este determinată de destinaţia compresorului. Din punct de vedere energetic, cea mai bună soluţie este a. Cât priveşte randamentul comprimării cea mai avantajoasă este varianta b. Dimensiunile de gabarit cele mai mari se obţin în cazul variantei c.

Ca atare, alegerea soluţiei este opţiunea proiectantului.

Dv=ct. Dm=ct Db=ct.

B. Construcţia paletelor de rotor

Părţile componente ale paletei sunt: corpul, piciorul, porţiuni intermediare (numai la unele palete).

Caracteristici:a) lungimea;b) forma profilului;c) legea de variaţie a secţiunii în lungul paletei;d) forma piciorului paletei;e) modul de siguranţare a paletei la disc;f) soluţiile constructive pentru diminuarea amplitudinilor datorare vibraţiilor.

Corpul paletei:- lungimea paletei rezultă din calculul gazodinamic şi de rezistenţă astfel încât să asigure:

o debitul necesar de aer;o tensiuni mai mici sau egale cu cele admisibile pentru materialul utilizat în secţiunea cea mai

solicitată.- lungimea cea mai mare se întâlneşte la paletele primei trepte: lmax = 450..500 mm (sau mai mari !!!)- lungimea minimă o au paletele de la ultima treaptă: lmin = 25..30 mm (sau mai mici!!!)

Forma profilului:- variază în secţiune în funcţie de viteza de curgere a aerului- profilele pot fi subsonice sau supersonice, pe toată lungimea sau pe tronsoane ale paletei (unele palete au

profile supersonice la vârf sau subsonice la baza paletei)

Legea de variaţie a secţiunii în lungul paletei:- este dată de amplitudinea solicitărilor- pot fi palete cu aria secţiunii constantă sau cu aria care variază după o lege liniară, eventual parabolică- paletele de rotor sunt confecţionate din aliaje de Al, aliaje de Ti sau din oţel (în funcţie de eforturile

termice la care sunt supuse)

Piciorul paletei:- serveşte la fixarea paletei la disc;- poate fi de tip:

o trapezoidal („coadă de rândunică”);o Laval;o con de brad (mai rar);o cu ştifturi;o palete sudate la disc;

- poate lipsi în cazul în care paletele şi discul se confecţionează „dintr-o bucată”.

Corpul intermediar:

41

- se impune când diferenţa dintre secţiunile de intrare şi de ieşire sunt foarte mari (lungimea bordului de atac este >> lungimea bordului de fugă);

- se execută prin decupări pentru micşorarea masei;- la unele palete pe picior se pot dispune şi elemente de etanşare (labirinţi).

Fixarea paletei la disc:- se face prin elemente de siguranţare:

o ştifturi;o şuruburi de siguranţare;o inele elastice:o siguranţe lamelareo ştifturi sau şuruburi prinse la partea interioară a paletei;o siguranţe lamelare şi pinten de sprijin, etc.

- trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:o simplitate constructivă;o să nu introducă concentratori de efort;o să permită montări şi demontări repetate, fără distrugerea paletei sau discului.

Soluţiile constructive pentru diminuarea amplitudinilor datorare vibraţiilor: (paletele lungi sunt supuse la vibraţii de amplitudini mari) => se folosesc bandaje sau inele pentru mărirea rigidităţii;

C. Construcţia rotorului compresorului axial

După numărul de lagăre rotoarele compresoarelor axiale pot fi:- în consolă;- pe două reazeme (cea mai folosită);- pe două reazeme şi o treaptă în consolă;

Pentru asigurarea dilatării libere + preluarea forţelor radiale şi axiale reazemele pot fi:- radial (role, ace);- radial-axial (cu bile);

Ex.: la R11: o RJP: primul reazem = radial cu role;

al doilea reazem = radial-axial cu bile;o RÎP: primul reazem = radial-axial cu bile;

al doilea reazem = radial-axial cu bile.Rotorul pe două reazeme se foloseşte atât pentru trepte subsonice cât şi supersonice.Rotorul cu o treaptă în consolă are treapta din consolă de regulă supersonică. Acestea nu au montanţi la

dispozitivul de admisie, iar rulmentul radial este montat în dreptul statorului primei trepte.

După soluţia constructivă rotoarele pot fi:o tip tambur: paletele sunt dispuse pe un înveliş conic;o tip disc: paletele sunt montate pe discuri independente:

Paleta

Disc

Siguranţă lamelară

Pinten

Paleta

Disc

Siguranţă lamelară

Paleta

Disc

Inel elastic

42

o tip tambur-disc: au discuri separate pentru fiecare treaptă, dar există elemente de legătură dintre ele care asigură formarea tamburului.

Ex: la R11: RJP: disc în consolă la treapta I şi tambur-disc la următoarele două trepte (tamburul se realizează

prin îmbinare specială cu ştifturi); RÎP: discuri independente pentru fiecare treaptă; tamburul se realizează prin îmbinare cu ştifturi sau

prin presare;

Solicitările la care sunt supuse rotoarele:- acţiunea forţelor gazodinamice => dau naştere la Mt, Minc, etc.

o forţele şi momentele ce se dezvoltă pe corpul paletelor;o forţa axială se dezvoltă atât pe paletă cât şi pe disc sau tambur;

- acţiunea forţelor centrifuge;- acţiunea momentului de torsiune transmis de la turbină;- acţiunea momentelor încovoietoare datorate :

o greutăţii propriio forţelor de inerţie ce apar pe timpul evoluţiei aeronavei;

- solicitări datorate vibraţiilor (dat. curgerii pulsatorii);- solicitări termice datorate încălzirii neuniforme.

Obs: pe timpul evoluţiilor aeriene apar momente giroscopice considerabile, momentele încovoietoare dau solicitări foarte mari => se impune echilibrarea rotorului.

A. Rotorul tip tambur

Paletele pot fi dispuse pe tambur:a) în canale longitudinale:

- canalele se execută mai uşor;- distanţa dintre palete se poate regla cu ajutorul unor piese intermediare- dezavantaj: numărul de palete pe orice treaptă este acelaşi

b) în canale transversale: pe fiecare treaptă se pot monta un număr diferit de palete;

Utilizarea este limitată de valorile mari ale vitezelor tangenţiale: v = 180..200 m/s.

B. Rotorul tip discAvantaje:

- construcţie simplă şi uşoară;- soluţia permite dimensionarea discurilor ţinând cont de solicitarea pe fiecare treaptă;- discurile se pot dispune pe arbore relativ uşor, iar strângerea la arbore se poate face:

o prin fretare;o prin caneluri;o flanşe şi buloane;

- de regulă arborele central este prevăzut la capete cu inele pentru fixarea în lagăr;- arborele este gol la interior şi are diametru relativ mare;- pe arbore, între discuri, se pot monta elemente de distanţare (intermediare).

Fixarea prin fretare:- îmbinarea se face la cald: T= 150..170 ºC;- momentul de frecare dintre arbore şi disc trebuie să fie mai mare decât momentul de torsiune;- asigurarea fixării doar prin fretare poate duce la apariţia unor tensiuni interne mari => la unele

soluţii se folosesc suplimentar ştifturi sau caneluri pentru mărirea siguranţei în funcţionare şi micşorarea strângerii prin fretare.

Fixarea prin caneluri:- canelurile au formă trapezoidală;- pot transmite momente de torsiune mari;- pentru montare şi demontare uşoară, arborele se execută în trepte;

Fixarea pe arborele în trepte:

43

- discurile se fixează prin presare unul câte unul;- preluarea momentului de torsiune se realizează prin intermediul unor caneluri frontale practicate

atât în arbore cât şi în disc;- pot transmite momente de torsiune mari;- fabricaţia este complicată (mai ales a canelurilor de pe arbore).

Fixarea prin flanşe şi buloane:- flanşele pot fi continue sau discontinue;- este un sistem simplu din punct de vedere tehnologic, dar buloanele sunt foarte solicitate;

Obs: unele discuri pot fi montate în consolă, caz în care apar vibraţii cu amplitudini mari, iar soluţia constructivă se complică.

C. Rotorul tip tambur-discReprezintă o soluţie combinată între tambur şi disc.Caracteristic: partea de tambur se formează prin îmbinarea unor proeminenţe practicate pe disc (de regulă

la extremităţile discurilor)Avantaje:

- permite transmiterea de solicitări mari, prin construirea porţiunii de tambur ca solid de egală rezistenţă

- se formează cavităţi interne, închise, ce asigură canalizarea corespunzătoare a aerului către labirinţii de etanşare, precum şi descărcarea de forţă axială;

- se pot folosi elemente constructive din materiale diferiteDezavantaje: pentru realizare se impun condiţii tehnologice foarte severe.

După modul în care se realizează îmbinarea porţiunilor de tambur avem:- îmbinare prin ştifturi dispuse radial;- îmbinare prin şuruburi dispuse radial;- fixarea discurilor între ele prin intermediul unui şurub central sau cu şuruburi dispuse în jurul

arborelui

D. Construcţia statorului compresorului axial

Statorul este format din:- reţele de palete de stator precum şi cele ale aparatului director;- carcasa compresorului- sisteme de eliminare a fenomenului de pompaj.

Paletele de stator se pot fixa în reţea astfel:- în consolă;- încastrate la un capăt şi sprijinite la celălalt;- sudate la ambele capete;- reglabile în timpul funcţionării motorului

Paletele fixate în consolă- fixarea se face la capătul exterior prin şuruburi, prin sudură sau în canale trapezoidale (coadă de

rândunică);- este o soluţie simplă din punct de vedere constructiv, dar la paletele lungi apar vibraţii de

amplitudini mari.

Paletele încastrate la un capăt şi sprijinite la celălalt- se foloseşte atunci când reţeaua de palete se poate demonta în două părţi în plan longitudinal;- paletele pot fi fixate:

o la carcasa compresorului prin şuruburi, sudură (la carcasă sau la un inel exterior);o sprijinite la interior într-un inel cu orificii.

44

Paletele reglabile- sistemul de comandă poate fi:

o pe la partea exterioară a motorului (carcasa): cresc dimensiunile diametrale ale motorului; se centrează greu elementele de antrenare; soluţie constructivă simplă

o pe la partea interioară: se foloseşte de regulă un sector dinţat, pe fiecare paletă existând un pinion de

antrenare; sistemul trebuie să aibă dimensiuni mici pentru a putea fi montat.

Canal trapezoidal

Carcasa

PaletăInel interior

Şurub

Sudură

45

Carcasa compresoruluiCerinţe:

- să participe la preluarea solicitărilor date de paletele statorului precum şi cele solicitate provenite de la celelalte elemente auxiliare ale carcasei;

- să facă parte din sistemul de rezistenţă al motorului;- să aibă greutate mică;- să nu se deformeze la solicitări mari, pe timpul evoluţiilor aeronavei;- să fie suficient de rezistentă pentru a putea transmite forţa de reacţie, deoarece ferurile de prindere

ale motorului la fuselaj se montează de regulă pe carcasa compresorului;- să permită montarea – demontarea uşoară a compresorului;- să asigure dispunerea convenabilă a agregatelor.

Pentru montarea-demontarea uşoară a elementelor de stator, carcasa poate fi:- cu plan de separaţie perpendicular pe axa motorului;- cu plan de separaţie longitudinal;- soluţie combinată.

Pentru rigidizare, carcasa poate fi prevăzută cu nervuri: se reduce masa carcasei şi a motorului, dar apar concentratori de tensiuni.

Când carcasa se realizează din mai multe elemente îmbinate, se folosesc flanşe pentru asigurarea centrajului.

Pe carcasa compresorului sunt dispuse sisteme antipompaj.Pompajul se poate elimina prin:

- modificarea poziţiei paletelor;- prelevare de aer prin orificii practicate în carcasă.

Deschiderea orificiilor se face prin:a) bandă elastică;b) volet;c) cu supapă.

- debitul prelevat depinde de mărimea orificiilor practicate în carcasă şi de înălţimea de ridicare a benzii elastice (RD 9B);

- aerul captat în canalul colector este evacuat pe lângă clapetă;- sistem prevăzut cu verin hidraulic şi un canal colector (la motoarele

care intră mai greu în pompaj – R11).Orificiile se dispun în interstiţiul dintre paletele de stator şi rotor; nu se dispun în dreptul paletelor de rotor căci ar constitui o sursă de vibraţie. Numărul orificiilor este mare pentru a nu perturba parametrii fluidului la intrarea în rotor.

Paletă stator

Bandă elastică Canal colector

Carcasă

VoletPiston

Supapă

Canal colector

46

2.3.6 Jocurile dintre paletele de rotor şi paletele de stator. Jocurile dintre paletele de rotor şi carcasă.

Obs:- mărimea acestor jocuri depinde de:

- starea de încălzire a paletelor de rotor şi stator;- solicitările la care este supusă aeronava în zbor;- posibilităţile de execuţie şi condiţiile gazodinamice de

curgere.- mărimea jocului axial influenţează direct asupra uniformităţii

curgerii în reţea precum şi asupra vibraţiilor la care este supusă pala;- pentru mărirea randamentului compresorului se iau măsuri speciale

de etanşare suplimentară a acestor jocuri, care, la rândul lor , trebuie să aibă dimensiuni mici.

Valorile permise pentru jocurile axiale şi radiale sunt:

, unde b = coarda profilului paletei

- la

primele trepte

- la

ultimele trepte

Soluţii constructive pentru micşorarea jocului radial:

a) cu un canal practicat în carcasă;b) bandaj cu labirinţi practicat la vârful paletei;c) bandaj din material moale dispus în carcasă în dreptul paletei de rotor.

2.3.7 Sisteme de etanşare

2.3.7.1 Consideraţii generale

Sistemele de etanşare sunt impuse de:- necesitatea de a obţine randamente mari;- necesitatea de a crea cavităţi închise între elementele în mişcare şi elementele fixe;- necesitatea de a se împiedica contactul dintre fluide cu parametrii diferiţi (ex.: ulei cu gaze arse)

Sistemele de etanşare trebuie să îndeplinească condiţiile:- să funcţioneze sigur şi stabil la orice regim de turaţie al motorului;- să aibă dimensiuni cât mai mici, îndeosebi cele longitudinale;- să nu necesite soluţii complicate şi o întreţinere specială;- să funcţioneze bine la diferenţe mari de presiune;- să aibă pierderi minime, chiar şi în situaţia în care este foarte solicitat;- să fie montate şi demontate uşor;- să nu se deterioreze la demontarea altor elemente;- frecările între elementele de etanşare şi cele statice să fie minime;

Obs: - aceste condiţii sunt îndeplinite parţial de sistemele de etanşare actuale

Clasificare:- fără contact: cu interstiţii; cu labirinţi; cu spirale;- prin contact: cu segmenţi.

lΔr

Δa

a) b) c)

47

2.3.7.2 Sisteme de etanşare fără contact

A. Etanşarea prin interstiţii

Se folosesc la elementele cu dimensiuni diametrale mici;L = lungimea elementului ce realizează etanşarea;s = înălţimea interstiţiului.

- în funcţie de L şi s se apreciază şi căderea de presiune pe interstiţiu

- în proiectare se consideră: L/s > 150, pentru ca sistemul să funcţioneze sigur;

- pentru L/s < 150 este preferabil să se folosească alte elemente de etanşare (labirinţi);

- pentru creşterea lungimii L, se folosesc diferite sisteme de etanşare cu interstiţii:

Obs: - mai greu de realizat, dar asigură o etanşare mai bună.Dezavantaj: trebuie să se asigure o centrare foarte bună a pieselor;

Calculul debitului de aer prin interstiţiuunde:

= aria secţiunii interstiţiului la intrare;= coeficientul de pierderi în interstiţiu;

= coeficient de pierderi la intrarea în interstiţiu: = 0.5..0,52= coeficient de pierderi la ieşirea din interstiţiu: = 3..4= coeficient de pierderi prin frecări în interstiţiu: = 1,35..2,7

= căderea de presiuneSe folosesc la arbori în apropierea carcaselor (cu o centrare foarte bună); la agregate, etc.

B. Etanşare prin labirinţi Obs:

- se poate realiza etanşarea între cavităţi cu fluide diferite;

- se folosesc la elementele cu turaţii mari şi dimensiuni diametrale relativ mari;

- se utilizează la căderi mari de presiune;- nu necesită o întreţinere deosebită;- funcţionează corect la temperaturi ridicate.

Dezavantaje:- are dimensiuni longitudinale mari;- randamentul depinde de precizia execuţiei canalelor

labirinţilor;- sunt sensibili la montare şi demontare;- nu asigură o etanşare perfectă.

Obs: - procesul de reducere a presiunii în labirint este un

proces de laminare a fluidului;- labirintul este format dintr-o serie de camere, forma

şi dimensiunile acestora fiind în funcţie de căderea de presiune impusă pe labirint şi de posibilităţile de dispunere.

- în prima fază fluidul se contractă, iar la intrarea în cameră se destinde, apărând o zonă de curgere turbionară - apare un consum suplimentar de energie;

- în secţiunea minimă (de trecere de la o cameră la alta) cresc frecările dintre fluid şi pereţii solizi;

s

L

L

p1

p2

s

l

p1

p2

Caz ideal

Caz real

Căderea de presiune pe un labirint

p1 p2

l

48

Tipuri de labirinţi

k = coeficientul pierderilor de presiuneCalculul debitului de fluid scos prin labirinţi

pentru curgerea subsonică

unde:

= coeficient de debit

prin care se apreciază curgerea prin labirintul real; = aria secţiunii labirintului;= temperatura de intrare;

z = numărul de camere ale labirintului; = coeficient ce ţine seama de forma peretelui labirintului = coeficient de repartizare a energiei cinetice; depinde de

pasul relativ al camerelor labirinţilor.Măsuri pentru creşterea eficienţei labirinţilor

- folosirea unui labirint cu număr mare de camere (presupune lungime mare): în aviaţie se folosesc labirinţi cu z <= 10;

- la diferenţe mari de presiune se folosesc labirinţi etajaţi- suflarea cu aer a labirintului.

2.3.6.3 Etanşarea prin contact (cu segmenţi)

Se folosesc în următoarele situaţiio când se impune separarea totală a 2 cavităţi în care sunt

fluide de natură diferită;o vitezele periferice nu sunt prea mari (80..100 m/s);o pentru arbori cu dimensiuni diametrale mici;o diferenţe mari de presiune (10..15 daN/cm2).

Se folosesc de obicei împreună cu labirinţiSegmenţii se execută din: oţel, bronz, fontă.La executarea segmenţilor se iau măsuri speciale, deoarece în

funcţionare intervin forţe de frecare foarte mari:- segmentul trebuie să aibă suprafeţe perfect paralele;- suprafaţa de contact a segmentului să fie maximă;- jocul transversal prin segment să fie cât mai mic astfel încât pierderea de presiune să fie cât mai mică

s = 1,1..0,2 mmObs:

- La montare se are în vedere ca jocurile transversale să nu fie pe aceeaşi linie- Segmenţii pot fi montaţi direct pe arbori sau pe o bucşă specială

Condiţii de calcula) segmentul să nu se rotească în îmbinare;b) frecarea pe suprafaţa laterală 2-2 să fie cât mai mică;c) prin segment să poată fi izolate fluide de naturi diferite

k = 1,27 k = 1,15 k = 0,7

s

h

R

α = 0,8 α = 1 α = 0,65

49

Prin calcul se precizează presiunea necesară a fi asigurată de forţa elastică a segmentului, astfel ca acesta să nu se rotească în îmbinare.

= presiunea fluidului;= presiunea pe suprafaţa laterală a segmentului;= presiunea de contact a segmentului;

În secţiunea 1-1: unde: - datorată elasticităţii segmentului; - datorată presiunii segmentului de către fluid;

=> =>

În secţiunea 2-2: unde: =>

Din condiţia de echilibru a segmentului: ??? =>

=> Din condiţia: rezultă:

Măsuri constructive pentru creşterea eficienţei etanşării cu segmenţi:1) asigurarea paralelismului feţelor;2) momentul M2 să fie cât mai mic - se realizează prin ungerea suprafeţelor respective ale segmentului sau

prin tratamente de suprafaţă (cromare);3) când momentul M2 este mare se folosesc mai mulţi segmenţi, dar nu mai mulţi de 3;4) elasticitatea segmentului să fie cât mai mare (să se păstreze chiar şi la temperaturi ridicate;

Dezavantaj: etanşarea nu este eficientă decât la arbori cu diametre mici (<120 mm).

p1 p2

pk

2

2

r1

r

dr

R1

R

1 1

b

50

Tema 2 - Părţi componente principale ale MTG

3. Camere de ardere (CA)

3.1. Consideraţii generale

CA are sarcina de a organiza si a asigura desfăşurarea procesului de ardere astfel încât performanţele ei să fie maxime. Astfel:

- în CA are loc transformarea energiei chimice a combustibilului în energie termică, în urma procesului de ardere, si apoi preluarea acestei energii de către gazele de ardere;

- în CA se introduc aer si combustibil în proporţii bine determinate, astfel încât procesul de ardere stoechiometric să fie corect si complet.

pentru o răcire gazelor de ardere care pătrund in turbină.În condiţii teoretice de ardere se apreciază că viteza amestecului proaspăt este maximă. Prin aceasta, se

realizează o CA cu dimensiuni de gabarit minime si o greutate minimă.Din cauza vitezei mari a fluidului, timpul în care gazele rămân în CA este foarte mic, miimi de secundă,

ceea ce presupune, în mod necesar, un control foarte riguros a poziţiei frontului de flacără dar si a formei acestuia. Frontul de flacără trebuie să fie continuu.

Arderea este caracterizată de: o raportul dintre debitele aer/combustibil;o pierderea de presiune (aprox. 4%);o randament (aprox. 96%);o temperatură.

Factorii care influenţează arderea:o timpul necesar derulării reacţiei chimice;o temperatura de menţinere a flăcării;o modul de pulverizare a combustibilului

3.2 Cerinţele impuse camerei de ardere

În funcţie de soluţia constructivă aleasă şi de perfecţiunea CA depind:- funcţionarea stabilă a motorului;- randamentul motorului;- câmpul temperaturii şi presiunii în fata turbinei;- resursa motorului;- cantitatea de fum debitată de motor;- vibraţia elementelor constructive ale motorului;- dimensiunile de gabarit ale motorului;

3.2.1 Cerinţele fundamentale

- să aibă o tehnologie de realizare simplă si eficientă;- tehnologia de exploatare să fie ieftină;- rezistenţa mecanică să fie satisfăcătoare;- să aibă o fiabilitate ridicată.

o fiabilitatea este proprietatea unei componente de a funcţiona, la performanţele de proiectare, un timp cât mai mare.

51

3.2.2 Cerinţe specifice

- să asigure un proces de ardere stabil, aceasta însemnând ca frontul de flacără să fie continuu si bine precizat, din punct de vedere geometric (să asigure funcţionarea corectă şi stabilă la diferite viteze şi înălţimi de zbor);

- să nu producă: pulsaţii; ruperea frontului de flacără, stingerea flăcării în camera de ardere;

- să asigure un randament al procesului de ardere cât mai mare. - prin randamentul CA se înţelege cât din energia termică, rezultată în urma arderii ideale, este

preluată, sub formă de căldură, de gazele de ardere (coeficientul arderii totale ).- pierderile pot fi :

căldura care se transferă între gaze si pereţii camerei de ardere; energia termică pierdută prin ardere incompletă.

- să asigure pierderi de presiune totală si statică, cât mai mici (pierderile de presiune să fie < 3-4% din presiunea la ieşire din compresor);

- să realizeze distribuţii uniforme de parametri cinematici în secţiunea de intrare în turbină, prin o profilarea corespunzătoare a CA; în regim de curgere subsonic se va folosi un canal convergent;o alegerea corespunzătoare a numărului de tuburi de foc (incinta în care are loc arderea

stoechiometrică a amestecului), astfel încât pierderile de presiune să fie cât mai mici. Alegerea numărului de tuburi de foc este un compromis între pierderile de presiune si

distribuţia de viteze la ieşire. Astfel, cu cât numărul de tuburi este mai mare cu atât distribuţia de viteze este mai uniformă dar si pierderile cresc si invers. Statistic numărul de tuburi trebuie să fie cuprins între 9 si 16.

- să asigure o distribuţie uniformă a temperaturii maxime a gazelor de ardere la intrarea în turbină.

- să aibă o încărcare termică mare.o din punct de vedere al încărcării, în raport cu volumul, CA a unui turbomotor este cel mai

încărcat focar termic la ora actuală;- aprinderea şi arderea combustibilului să se facă sigur şi fără depuneri de calamină la orice H şi V;

- rezistenţă la temperatură ridicată a gazelor în zona de ardere: t=1600 - 2200°C.

- să aibă o resursă de funcţionare cât mai mare (egală cel puţin cu a celorlalte organe principale ale motorului) o prin resursă de funcţionare se înţelege durata de funcţionare a unei componente între două

reparaţii capitale. Din punct de vedere al resursei, CA se află pe penultimul loc, pe ultimul loc situându-se rulmenţii. Durata de funcţionare a CA este cuprinsă între 200 ore si 300 ore.

3.2.3 Cerinţe constructive

- dimensiuni minime diametrale şi longitudinale, greutate redusă;- să nu necesite măsuri deosebite pentru exploatare (să poată fi controlate şi schimbate uşor);- folosirea eficientă a spaţiului pentru arderea amestecului carburant;- folosirea unor materiale rezistente la preţuri rezonabile (aliaje de Ni, Mo, Cr);- pentru aeronavele de viteză mare la care viteza din compresor este mare (120-200 m/s) trebuie să se

folosească diferite elemente constructive în scopul reducerii vitezei aerului până la limita pentru care arderea este stabilă (20 – 40 m/s);

52

3.3 Principii constructive

Indiferent de forma, tipul si destinaţia CA există anumite principii comune, de construcţie a CA:

1. Orice CA împarte masa de aer în două fluxuri:- fluxul primar ;

- fluxul secundar Fluxul primar reprezintă acea componentă a masei de aer care asigură arderea stoechiometrică, în condiţii

ideale, a amestecului proaspăt. Din punct de vedere valoric, acest flux, este din debitul de aer al motorului.

În condiţii reale de ardere, excesul de aer, , variază între 0.4÷1.7

- 0.4 pentru amestecul bogat- 1.7 pentru amestecul sărac.

Prin intermediul celor două limite, specifice fiecărui combustibil, se controlează si se stabilizează frontul de flacără în tubul de foc. Dacă se impune procesului condiţia ca într-o zonă excesul să fie de peste 1.7 arderea încetează. Deşi teoretic ar trebui ca viteza de ardere a amestecului să se realizeze la se constată, în mod real, la

bancul de probă, că viteza de ardere este maximă la .

La o viteză de ardere, pentru kerosen, , de (20÷40) m/s, se dezvoltă în CA o temperatură cuprinsă între 2000 K si 2200 K. La aceste temperaturi, produsele de ardere afectează termic toate organele componente situate în fluxul de gaze de ardere si, în special, paletele de turbină.

Deoarece paletele de turbină rezistă, din punct de vedere termic si mecanic, până la temperaturi cuprinse

în gama , si aceasta în condiţii în care sunt puternic răcite, este nevoie ca produsele de

ardere să fie răcite. În acest scop, se foloseşte aerul din fluxul secundar. Prin amestecul celor două fluide, produsele de ardere si aerul secundar, rezultă gazele de ardere care vor avea .

Partea componentă a CA care asigură divizarea aerului în două fluxuri se numeşte tub de foc.

2. Fluxul secundar de aer se introduce treptat, în tubul de foc, după o anumită lege.

Această lege este de regulă liniară, de panta acestei drepte depinzând lungimea CA si gradul de încărcare termică.

Astfel, dacă panta dreptei este mare, rezultă o CA de lungime mică, dar cu o încărcare termică foarte mare.

Elementele constructive, prin care se realizează o asemenea distribuţie liniară, sunt orificiile practicate în pereţii tubului de foc. Orificiile permit ca fluxul secundar de aer să asigure si o protecţie termică a tubului de foc.Obs:

- debitul de aer secundar se introduce prin orificii practicate atât radial cât şi longitudinal; din debitul de aer secundar:

- 70 - 75% se introduce prin orificii radiale;- 20 - 30% se introduce prin orificii longitudinale.

- orificiile longitudinale folosesc pentru răcirea peliculară, interioară a tubului de foc;- existenta fluxurilor primar şi secundar presupune că excesul de aer la MTG să fie , iar

camera de ardere sa fie prevăzută cu tub de foc.

G [kg/s]

Gap

Ga

θ

Ltf [m]

53

3. Deoarece viteza de ardere a amestecului aer–kerosen este mică (20÷40)m/s, atunci aerul care pătrunde în CA va trebui frânat de la o viteză de circa (100÷200)m/s la o viteză egală cu viteza de ardere.

Această frânare a aerului poate fi realizată pe două căi:- gazodinamică;- mecanică.

Frânarea gazodinamică se realizează, ţinând seama că regimul de curgere este subsonic, prin introducerea fluidului într-un canal divergent. În acest canal divergent are loc o scădere a vitezei aerului la circa jumătate dinvaloarea sa iniţială. Pentru a realiza aceasta, toate CA vor avea iniţial o formă divergentă.

Reducerea, în continuare, a vitezei fluidului presupune micşorarea componentei axiale a aerului. Astfel, în tubul de foc, aerul se introduce într-o reţea de palete plasată la intrare, care imprimă aerului o mişcare tangenţială, concomitent cu reducerea componentei axiale.

Componenta tangenţială crescută, favorizează amestecarea rapidă a aerului cu vaporii de kerosen si, totodată, o amestecare mai bună.

Componenta axială, egală cu viteza de ardere, asigură stabilitatea frontului de flacără în tubul de foc. Elementul care realizează turbionarea aerului, sau mişcarea tangenţială a lui, se numeşte turbionator.

4. Aprinderea amestecului se face în 2–4 puncte, situate simetric pe CA, prin intermediul unor blocuri de pornire sau de aprindere.

Orice bloc de aprindere cuprinde: un injector de oxigen; un injector de kerosen; o bujie; o mică incintă.

Aceste blocuri de aprindere sunt situate pe 2–4 tuburi de foc. Amestecul se aprinde rezultând 2–4 zone calde. Ca frontul de flacără să se extindă, de la tuburile calde la cele reci, este nevoie ca tuburile să fie legate între ele prin conducte. Prin aceste conducte se face expansiunea gazelor calde către zonele reci ale CA.

5. Reaprinderea amestecului proaspăt în timpul funcţionării normale a motorului.Deci, după ce amestecul s-a aprins, instalaţia de pornire a motorului încetează să mai funcţioneze si,

atunci, se pune problema de a asigura, în continuare, reaprinderea amestecului proaspăt. Reaprinderea amestecului se face de la gazele de ardere obţinute în procesul de ardere anterior. Astfel,

gazele vor trebui menţinute, un timp foarte scurt, în CA. În acest scop, se introduc corpuri profilate, conic sau tronconic, cu vârfurile către amontele CA si cu bazele către avalul acesteia. Astfel, în spatele acestor corpuri se reţin, parţial, gazele de ardere care asigură reaprinderea. Aceste suprafeţe se numesc stabilizatoare de flacără.

6. Pentru a uniformiza parametrii curgerii la ieşire, se profilează tubul de foc si CA, astfel încât să se obţină un canal convergent. Prin urmare, toate CA au, în final, un tronson de formă convergentă.

7. CA, ca orice parte componentă a motorului, trebuie să preia şi să transmită momente şi forţe mecanice de la turbină, compresor si partea centrală a motorului, către celulă, constituind si un element de rezistenţă.

Există o parte componentă a CA foarte încărcată din punct de vedere termic, tubul de foc. În acest caz, se descarcă tubul de eforturi mecanice si se asigură posibilitatea de dilatare liberă a sa pe toate direcţiile.

Ca atare, tubul de foc se fixează, într-un singur punct: pe turbină sau pe injector.

8. Introducerea combustibilului în CA se poate face prin:- injecţie;- vaporizare.

injector simplu injector duplex combustibil injectat

într-o canalizaţie de forma ”J” si preîncălzit

injecţie centrifugală

54

În primul caz, se foloseşte un injector. Injecţia este procesul invers carburaţiei si constă din pulverizarea combustibilului datorită impactului dintre pânza de combustibil si aerul din tubul de foc, ca urmare a diferenţei de viteze dintre viteza combustibilului si viteza aerului.

După pulverizare urmează vaporizarea picăturilor si apoi, amestecarea cu aerul în vederea arderii.

Fiecare proces elementar, pulverizarea, vaporizarea si amestecarea, durează un anumit interval de timp care este de ordinul miimilor de secundă (aprox. 2/1000 s). Deci, ca să aibă loc cele trei procese, CA trebuie să asigure spaţiul necesar evoluţiei lor, ceea ce înseamnă că, toate CA care folosesc un injector, au o anumită lungime. Scurtarea CA este posibilă dacă pulverizarea este externă, respectiv se face în afara tubului de foc. După aceasta amestecul este dirijat către vaporizator.

3.4 Compunerea CA

În componenţa CA intră următoarele elemente:I = învelişul exterior, alcătuit din:

4 - divergentul camerei;5 - convergentul camerei.

II = tubul de foc în care se disting:1 - turbionatorul;2 - stabilizatorul de flacără;3 – tronson de tub de foc.

III = injectorul.IV = blocul de pornire.V = conductele de legătură.

Învelişul exterior:- este mai puţin solicitat termic (300-350)°C;- în funcţie de soluţie generală a motorului poate participa sau nu la preluarea solicitărilor;- la CA inelare sau mixte fac (de regulă) parte din corpul de rezistenţă al motorului;- îmbinarea cu carcasa compresorului şi carcasa turbinei se face cu ajutorul flanşelor cu şuruburi;- la motoarele la care învelişul interior al CA face parte din sistemul de rezistenţă al motorului => corpul

exterior are un capăt sprijinit pentru asigurarea dilatării libere (de regulă la partea dinspre compresor).

Tubul de foc:- este elementul în care se organizează procesul de ardere;- asigură introducerea întregului debit de aer (primar şi secundar);- permite dispunerea cât mai corectă a injectorului;- asigură reducerea vitezei aerului astfel încât arderea să fie stabilă;- este prevăzut cu elemente de legătură cu celelalte tuburi de foc;- construcţia tubului de foc trebuie să fie cât mai rigidă, să reziste la T ridicate;- trebuie să aibă resursa egală cu a celorlalte elemente ale motorului;- datorită condiţiilor de lucru, este solicitat la:

o presiunea gazelor;o variaţia temperaturii în lungul şi pe grosimea pereţilor;o vibraţii;

- în jurul orificiilor pot apare fisuri se iau măsuri constructive:o rotunjirea marginilor orificiilor;o bordurarea (prin ambutisare) sau manşonarea (manşoane sudate în jurul orificiilor) acestora;

- dilatarea tubului de foc se face către partea din faţă pentru a se evita uzurile pe suprafaţa de sprijin din faţa turbinei;

- secţiunea de ieşire din tubul de foc trebuie sa fie apropiată de cea de intrare în turbina pentru a se reduce pierderile hidraulice de presiune.

55

Turbionatorul poate fi:- cu palete;

- asigură frânarea şi turbionarea aerului pentru reducerea lungimii pe care are loc arderea;- este indicat sa aibă un număr cât mai mare de palete dispuse la un unghi de aproximativ 80 °, dar cu

cât numărul de palete creste => pierderile hidraulice sunt mai mari;- în cadrul lui se dispune injectorul, care reprezintă şi suport pentru partea anterioară a tubului de foc

- cu jet de aer (cupă perforată);- are o serie de orificii dispuse în partea frontală a tubului de foc;- asigură: protecţia termică a părţii anterioare a tubului de foc; crearea unei zone turbionare;

- cu elemente în forma de V:- se utilizează la unele CA inelare, dar îndeosebi la camerele de postcombustie;

Efectul turbionatorului cu palete Stabilizarea flăcării

3.5 Clasificarea CA

a) în funcţie de modul cum se repartizează debitul de aer pe injectoarele de combustibil:- individuale;- inelare;- mixte;

Cameră de ardere individuală Cameră de ardere inelară Cameră de ardere mixtă

b) în funcţie de sensul de curgere al gazelor:- în echicurent;- în contracurent;- normale sau perpendiculare pe sensul de curgere a fluidului prin motor; CA radiale sunt folosite,

în general, pentru motoare cu debite mici de aer (motoare de elicopter)c) în funcţie de presiunea de injectare a combustibilului în CA:

- cu injecţie la presiune mare;- cu injecţie la presiune mică (la care se folosesc vaporizatoare);

d) în funcţie de execuţia elementelor componente:- dintr-o bucată;- din tronsoane sudate.

56

A. Camerele de ardere individuale

- fiecare injector, III, are propriile sale fluxuri de aer, primar si secundar se folosesc la motoarele cu compresor centrifugal; sunt dispuse longitudinal sau înclinat (de regulă); în funcţie de soluţia constructiva a motorului => numărul camerelor de ardere = 7 .. 14; un motor cu număr mic de camere de ardere permite o organizare bună a arderii cu pierderi de

presiune mici, dar spaţiul este incorect utilizat; pentru uniformizarea parametrilor gazelor în faţa turbinei presupune utilizarea unor colectoare.

Avantaje: - simplitatea constructivă;- demontare uşoară şi posibilitatea schimbării unor tuburi de foc;- acces pentru controlul pe timpul exploatării;- resursă mare;- poate fi testată la bancul de probă.- temperaturi de lucru şi solicitări mari;

Dezavantaje: - dimensiuni diametrale mari;- greutate mare (12-15% din greutatea motorului);- nu sunt incluse în sistemul de rezistenţă al motorului;- pierderi hidraulice mari;

Obs: se folosesc pentru motoare mici, care dezvoltă forţe de tracţiune până la 20000N sau puteri până la 500kW.

B. Camerele de ardere inelare

cu injecţie în echicurent cu injecţie în contracurect cu injecţie centrifugală

- toate injectoarele au aceleaşi fluxuri de aer, primar şi secundar; se utilizează îndeosebi la motoarele cu tracţiuni mari (de până la 700000 N); au dimensiuni mici (longitudinale şi diametrale); învelişul exterior cilindric, conic sau profilat face parte din sistemul de rezistenţă al motorului =>

asamblare cu flanşe şi şuruburi; pereţii au grosimi de 2-4 mm şi sunt executaţi din aliaje care rezistă la solicitările mecanice şi termice;

57

asigură o uniformizare bună a parametrilor gazelor la intrarea în turbină şi pierderi hidraulice mici; permit dispunerea unui număr mare de injectoare 10 .. 24 (în turbionatoare cu palete); fixarea tubului de foc la nivelul exterior se face cu legături care permit dilatarea liberă (poate ajunge

la 2 .. 4 mm); tubul de foc la partea anterioară se sprijină pe injectoare, iar la partea posterioară se sprijină pe inele

care fac corp comun cu suportul lagărului turbinei; au greutate mică (6 .. 8% din greutatea motorului);

Dezavantaje: schimbarea şi controlul sunt dificile (este necesar sa se demonteze motorul) (ex: RD 33).

C. Camere de ardere mixte

- fiecare injector are propriul flux primar dar toate injectoarele au acelaşi flux secundar.

se utilizează la motoarele cu tracţiune medie, (30000÷50000) N;

îmbină avantajele şi dezavantajele CA inelare şi individuale;

sunt formate din: înveliş exterior, interior şi 9 .. 16 tuburi de foc;

spaţiul dintre tuburile de foc vecine e aprox de 0,15 .. 0,20 din diametrul tubului de foc;

tuburile de foc nu fac parte din sistemul de rezistenţă al motorului (sunt confecţionate din oţeluri refractare sudabile);

Dezavantaje:- controlul se face numai prin demontarea motorului;- complexitate constructivă;- lungime relativ mare;- pierderile hidraulice în zona camerei de ardere sunt destul de mari;

CA mixtă pentru o instalaţie industrialăTema 2 - Părţi componente principale ale MTG

58

4. Turbine cu gaze

Rol: în MTG, turbina extrage energia necesară antrenării compresorului, agregatelor şi (eventual) a unui receptor

Tipuri: turbina radială;turbină axială;

Turbina MTG este organul cel mai solicitat mecanic şi termic, de construcţia căruia depind: - temperatura maximă a gazelor;- resursa motorului; - masa motorului.

Temperatura maximă a ciclului motorului, timpul maxim de funcţionare şi randamentul motorului depind de materialele din care sunt fabricate paletele şi discurile de turbină, de forma constructivă a acestora şi de gradul de uniformizare a temperaturii în faţa turbinei.

Obs: - în mod obişnuit T3* = 1000 grade C;- printr-o răcire specială: T3* = 1400-1700 grade C;- timpul de funcţionare a paletelor este de aproximativ 15000 ore.

Cerinţe impuse turbinei:

- temperatură cât mai mare de funcţionare;- resursă cât mai mare: - 750 - 1000 h (motoare pt. avioane de luptă);

- 15000 h (motoare pt. avioane de transport);- randamente cât mai ridicate:

o alegerea optimă a parametrilor gazodinamici;o alegerea optimă a numărului de trepte de turbină prin reducerea pierderilor în turbină;o profilarea corectă a paletelor şi discurilor;o finisarea suprafeţelor de contact cu gazele;

- să aibă dimensiuni cât mai mici aşa încât lungimea şi masa motorului să se reducă- resursă şi fiabilitate cât mai ridicată

o utilizarea unor materiale cu proprietăţi mecanice bune la temperaturi ridicate;o procese tehnologice de fabricaţie corespunzătoare;o măsuri şi sisteme de răcire cât mai eficiente;

- posibilitatea schimbării unor piese componente ale turbinei;- să poată fi montate-demontate uşor şi fără deteriorări.

4.1 Bazele fizice ale destinderii gazelor de ardere în treaptă

Se consideră o secţiune cilindrică printr-o treaptă de turbină care se desfăşoară în plan.

Gazele de ardere pătrund în reţeaua fixă, pe direcţie axială, cu o viteză subsonică de (150÷250)m/s.

Deoarece statorul are sarcina de a transforma energia potenţială în energie cinetică, deci să accelereze fluidul de lucru, este necesar ca între paletele sale să se formeze canale convergente întrucât regimul de curgere este subsonic.

Un asemenea canal se poate obţine prin deviaţia fluxului de gaze în sensul îndepărtării lui de direcţia axială. În secţiunea minimă a canalului de lucru, regimul de curgere este critic, ceea ce asigură o

59

încărcare maximă a statorului, viteza fluidului fiind de (500÷800)m/s. Există condiţii ca, în avalul curgerii, regimul de curgere să devină supersonic.

Prin urmare, reţeaua fixă accelerează şi deviază fluidul de lucru: Deoarece si reţeaua mobilă are sarcina de a accelera, în continuare, fluidul de lucru, canalul dintre două

palete vecine va trebui să fie:- convergent, dacă regimul de curgere este subsonic;- divergent, dacă regimul de curgere este supersonic. Turbina se consideră supersonică dacă este supersonică.

Rezultă:–în mişcarea relativă, rotorul turbinei realizează accelerarea fluxului de gaze: ;–în mişcarea absolută, rotorul frânează gazele: .

4.2 Bazele fizice ale producerii lucrului mecanic

Dacă un curent de aer cu viteza întâlneşte un perete după care el

părăseşte domeniul de curgere cu viteza , asupra peretelui, fluidul va

acţiona cu o forţă , de acelaşi sens cu şi reprezintă forţa de acţiune a

fluidului asupra peretelui. Forţa de acţiune se poate mări dacă se curbează placa, astfel încât

fluidul să părăsească domeniul curgerii în sens invers. Dacă peretele este mobil, acesta va avea o deplasare . Se produce, astfel, un lucru mecanic al forţei de acţiune:

Dacă unghiul de deviaţie este de 180°, atunci forţa de acţiune se dublează, faţă de cazul unui perete drept, iar lucrul mecanic va creste, teoretic, cu 100%. Ca atare, o parte din lucrul mecanic produs de reţeaua mobilă este realizat de forţa de acţiune. Această componentă va fi cu atât mai mare cu cât deviaţia este mai puternică.

Dacă fluidul părăseşte un canal, cu o viteză mai mare decât viteza cu care a intrat se creează o forţă de reacţie, , dirijată în sens invers curgerii fluidului. Dacă acesta este mobil, sub efectul forţei de reacţie, canalul se deplasează cu producându-se astfel un lucru mecanic al forţei de reacţie:

Forţa de reacţie apare ca o reacţie a fluidului la modificarea (creşterea) vitezei, în special, a modulului acesteia.

ConcluzieLucrul mecanic produs într-un canal mobil este următoarea:

- pentru un canal curb:

- canal profilat: Se poate admite că procesul în turbină este gazodinamic în timp ce, la compresor, el este, exclusiv,

aerodinamic.

4.3 TURBINA RADIALĂ

Turbinele radiale, în comparaţie cu turbinele axiale, au următoarele avantaje:o performanţe ridicate;o construcţie simplă;o dimensiuni de gabarit mici;o preţ de cost redus.

Datorită acestor avantaje, turbinele radiale sunt folosite, cu predilecţie, în componenţa:60

- instalaţiilor de pornire;- generatoarelor portabile de urgenţă;- instalaţiilor de producere a , , ca turbine de expansiune;- motoarelor cu piston performante, pentru realizarea grupurilor turbocompresoare de supraalimentare;- micromotoarelor utilizate în aeronautică.

Specific turbinei radiale este faptul că direcţia de curgere a gazelor de ardere, în secţiunea de intrare este radială, adică perpendiculară pe axa de simetrie a sistemului.

În ceea ce priveşte direcţia de ieşire a gazelor de ardere se face menţiunea că acestea poate fi:- radială: - centrifugale;

- centripete.- axială.

Luând în considerare, pe de o parte, sensurile în care circulă gazele de ardere în secţiunile de intrare si, pe de altă parte, direcţia de curgere, se pot defini următoarele tipuri de turbine radiale:

- turbine radial-axiale;- turbine radial-radiale, sau radiale; - turbine axial-radiale.

Cele trei tipuri de turbine sunt cunoscute în literatura de specialitate, si sub alte denumiri:- turbinele radial-axiale centripete, folosite şi în hidraulică (turbinele Françis);- turbinele radiale centripete (cunoscute sub numele de turbine Cantilever);- turbinele axial-radiale centrifugale de abur sunt cunoscute ca turbine Ljungstrım.În aviaţie, în construcţia instalaţiilor de pornire sau a sistemelor de propulsie, cea mai întâlnită variantă

este turbina radial-axială centripetă, datorită avantajului pe care îl prezintă această schimbare de direcţie.Practic, prin modificarea direcţiei de curgere, cu circa , se creează condiţii ca turbina să-si schimbe

fundamental rolul ei, din punct de vedere al forţei obţinute pe direcţie axială. Concret, din consumatoare de forţă de tracţiune, cum este turbina axială, aceasta devine o sursă de forţă

de tracţiune absolut necesară în propulsia aeriană.Compunerea turbinei centripete

Din punct de vedere constructiv, turbina centripetă radial-axială se aseamănă cu compresorul centrifugal.Principalele componente ale unei turbine centripete:

I colectorul (camera spirală);II statorul (reţeaua de palete fixe);

III rotorul:a - reţeaua de palete mobile; b - discul; c - arborele turbinei.

4.4 TURBINA AXIALĂ

Turbină Françis

61

Compunere

I, statorul sau partea fixă:

a = carcasa turbinei;b = reţelele de palete fixe.

II - rotorul sau partea mobilă:c = reţelele de palete mobile;d = discurile la care se fixează paletele mobile.

Statorul turbinei realizează transformarea energiei potenţiale a gazelor de ardere în energie cinetică. Rotorul asigură transformarea energiei cinetice a fluidului în lucru mecanic. Treapta turbinei (TR.T) este ansamblul format din:

- reţea fixă (R.F.);- reţea mobilă (R.M.).

Turbina activă (tip impuls)- lucrul mecanic se obţine prin devierea vectorului viteză- se caracterizează prin aceea că destinderea gazelor de

ardere are loc numai în reţeaua fixă;- reţeaua mobilă realizează doar devierea fluxului de

gaze si, pe această bază, obţinându-se lucrul mecanic

Turbină reactivă- lucrul mecanic se obţine datorită forţelor aerodinamice ce acţionează pe profilul paletei;- destinderea are loc pe stator şi rotor;- gradul de reacţie = variaţia de entalpie statică pe rotor/lucrul mecanic static al treptei (aprox. 0,5);- este cea mai folosită în MTG;

Variaţia presiunii statice şi vitezei în treapta de turbină

Dispunerea paletelor de stator şi rotorModelul curgerii

4.4.1 Construcţia rotorului turbinei

Schema unei turbine axială polietajată

Treaptă de turbină

62

Construcţia paletelor de rotor

Obs:- sunt elementele cele mai solicitate ale turbinei;- paletele pot fi montate pe unul sau pe două etaje (la MTRDF)- legea de variaţie a ariei secţiunilor transversale poate fi:

constantă, liniară, parabolică (cea mai bună soluţie). - tensiunile maxime nu apar la baza paletei. ci la aprox. d = l/3 de la baza paletei.- deoarece paletele sunt foarte solicitate, se acordă o atenţie deosebită racordării bordului de atac şi a

celui de fugă (datorită diferenţelor mari de temperatură în lungul paletei şi între bordul de atac şi cel de fugă).

Piciorul paletei poate fi de:

tip con de brad:- preia solicitări mari- are dimensiuni mici;- preia şi transmite în condiţii bune căldura de la palete la disc;- se montează şi se demontează uşor;

tip Laval:- se foloseşte la turbine de dimensiuni mici;- se poate monta un număr mare de palete dispuse în planuri diferite;- se comportă bine la vibraţii

tip cu ştifturi:- format dintr-o serie de elemente ce se montează în canale frezate- se montează cu joc pentru asigurarea dilatării libere;- sistemul de prindere este cu nituri sau cu şuruburi

tip articulaţie:- asigură o comportare bună la funcţionarea în regim dinamic, deoarece paleta are posibilitatea să

amortizeze vibraţiile şi să se autocentreze.

Construcţia discului de turbină

Destinaţia discului de turbină:- asigură dispunerea paletelor în poziţia necesară;- preia solicitări mecanice şi termice;- favorizează transmiterea căldurii;- transmite momentul de torsiune necesar antrenării în mişcare de rotaţie

a compresorului şi celorlalte agregate;Discul este solicitat la:- acţiunea forţelor centrifuge date de masa proprie şi de palete- diferenţa de presiune pe cele două feţe ale discului;- acţiunea momentului de torsiune;- încălzirea neuniformă în lungul razei discului şi pe grosimea lui => apar tensiuni termice care pot

favoriza deformarea plastică în diferite puncte sau pe toată suprafaţa acestuia;- solicitări date de vibraţii: vibraţii proprii; vibraţia paletelor; vibraţia arborelui.

Obs: vibraţiile datorate arborelui sunt foarte mari => se accelerează la ieşirea din picaj, vrie, etc. => apar încovoieri mari ale arborelui => se solicită puternic lagărele şi discul.

Clasificare după forma constructivă:

1. Discuri cilindrice: - au grosime mică;- proces de fabricaţie simplu;- tensiunea şi coeficienţii de siguranţă variază foarte mult;- se utilizează la turbina cu mai multe trepte (dar nu la

treapta I)

1 2 3

63

2. Discuri conice:- asigură o distribuţie convenabilă a tensiunilor în disc;- procesul de fabricaţie este relativ simplu;3. Discuri de tip solid de egală rezistenţă- asigură o distribuţie foarte bună a tensiunilor în disc;- procesul de fabricaţie este mai complicat;- se foloseşte la viteze periferice reduse.

Coroana discului poate fi dreaptă, trapezoidală, evazată. Dimensiunea şi forma coroanei discului depind de:- necesitatea asigurării prinderii paletelor;- preluarea solicitărilor mecanice şi termice;- modul de organizare a etanşării treptei.

Coroana discului este supusă la acţiunea:- forţelor centrifuge ale paletelor şi a masei proprii;- momentelor încovoietoare transmise de palete- solicitări termice (în special).

Îmbinarea arborelui cu discul

Trebuie să reziste timp îndelungat la:o solicitările date de momentul de torsiuneo solicitările date de momentele giroscopice foarte mari ce apar în timpul evoluţiei aeronavei;o acţiunea forţelor centrifuge şi axiale datorită dezechilibrajului rotorului;o acţiunea greutăţii proprii;o variaţii mari de temperatură;o solicitări date de vibraţii.

64

Îmbinarea discului la arbore poate fi: demontabilă sau nedemontabilă, cu respectarea unor condiţii de centraj foarte stricte.

1 – îmbinarea prin sudurăo îmbinare nedemontabilă, cu discul format din două bucăţi, partea centrală face parte comună cu discul

2 – îmbinare cu ştifturi radiale:o asigură o transmitere bună a

momentului de torsiune;o asigură un centraj bun al rotorului;o simplitate constructivă;o se demontează greu;

3 - îmbinare prin caneluri şi şuruburi:o transmite momente de torsiune de

valori mari;o montare şi demontare simplă;

4 – îmbinare prin şuruburi:o soluţie constructivă simplă din

punct de vedere tehnologic;o orificiile din corpul discului

diminuează rezistenţa discului;5 – îmbinare prin şurub central:

- momentul de torsiune este transmis prin caneluri centrale;

- se asigură un centraj bun al ansamblului disc – arbore;

- se poate demonta uşor;6 – îmbinare cu ştifturi radiale pentru o turbină cu două trepte:

- prin intermediul diafragmei se realizează soluţia tambur – disc;- în spatele ultimului disc există o diafragmă prin care se dirijează aerul către coroana discului;- este o soluţie constructivă simplă;- se demontează mai greu ştifturile din îmbinare.

4.4.2 Construcţia statorului turbinei: (ansamblul format din paletele de stator şi carcasa turbinei)

Construcţia paletelor de stator

Paleta de stator este elementul cel mai solicitat termic al turbinei. Poate rezista la temperaturi mai înalte, comparativ cu paleta de rotor, deoarece solicitările mecanice asupra paletei de stator sunt mai reduse.

Solicitările în paleta de stator sunt date de:- momentul încovoietor; solicitările termice datorate gradienţilor mari de

temperatură; vibraţii;- solicitări date de forţe şi momente, atunci când statorul turbinei face parte din

corpul de rezistenţă al motorului; de regulă, eforturile de la lagăre se transmit prin diafragme la paletele de stator, care la rândul lor le transmit la carcasă (există soluţii constructive la care statorul nu face parte din corpul de rezistenţă).

Clasificare după modul de prindere;a. încastrate la un capăt şi libere la celălaltb. încastrate la un capăt şi sprijinită la celălalt;c. încastrată la ambele capete.

5

2 31

64

65

Soluţii constructive (prezentate în figură)

1 - paletă nerăcită, încastrată la exterior prin intermediul unui bolţ;- la parte interioară are un bandaj prevăzut cu elemente de etanşare- se foloseşte la treptele intermediare ale turbinei şi nu este prevăzută cu un sistem special de răcire.- pentru răcirea capătului exterior al paletei sunt practicate canale în carcasa turbinei.

2 - paletă încastrată prin sudură la capătul exterior şi liberă la capătul interior:- este folosită la prima treaptă a turbinei;- datorită neuniformităţii câmpului termic care depăşeşte cu 120 - 140°C temperatura paletelor de rotor

se impune o răcire specială;3 - paletă sudată la ambele capete:

- nu este răcită şi se foloseşte la motoarele cu timp scurt de funcţionare;4 - paletă fixată cu şurub protejat de o bucşă:

- este folosită la prima treaptă de turbină;- se execută cu pereţi subţiri şi este răcită la interior;- ghidarea şi etanşarea paletei se realizează prin decupări;- se poate dilata liber la ambele capete

5 - paletă încastrată la un capăt şi simplu rezemată la celălalt:- este folosită la trepte intermediare;

6 - paletă ghidată la ambele capete - dilatarea liberă are loc la capătul exterior;- unele palete de stator pot fi reglate prin intermediul unui excentric dispus la capătul exterior, pe

carcasa turbinei. Carcasa turbinei

- este învelişul exterior al turbinei, de formă cilindrică sau conică;- se poate executa dintr-o singură bucată sau din mai multe tronsoane;- carcasa de turbină executată din mai multe tronsoane prezintă următoarele avantaje:

- asigură menţinerea jocului între paletele de rotor şi carcasă şi se poate asigura mai bine răcireadezavantaj: temperatura este repartizată neuniform pe carcasă.

- poate fi prevăzută şi cu planuri de separaţie longitudinale, caz în care se asigură un control mai uşor la paletele de rotor. În acest caz, jocurile radiale sunt mai greu de asigurat.

Cerinţe:- să reziste la presiunea gazelor din interior;- să reziste la momentul de torsiune dezvoltat de

paletele de stator;- să aibă stabilitate bună la vibraţii;- să asigure o repartizare uniformă a temperaturii

(de-a lungul carcasei şi pe grosimea acesteia);- să asigure o etanşare bună, caz în care pot fi

folosite diverse sisteme de etanşare (ex.: garnituri de etanşare din materiale moi, dispuse în dreptul paletelor de rotor);

Pentru asigurarea cerinţelor de mai sus, carcasa poate fi nervurată şi poate fi prevăzută cu flanşe de prindere profilate corespunzător.

1 2 3 4 5 6

b

a

Etanşarea se realizează pe suprafaţa a-b şi prin

alte elemente speciale de etanşare

Etanşare cu garnituri din material moale, dispus în dreptul paletelor de rotor

66

Răcirea carcasei turbinei:o cu cât grosimea carcasei este mai mare => apar gradienţi mari de temperatură => apar tensiuni termice

mai mari.o răcirea se face cu aer, pe la partea exterioară a acesteia, aerul fiind captat de la una din treptele de

compresor şi adus prin canale longitudinale.

4.5 Jocurile radiale şi axiale

Solicitare la fluaj Distribuţia temperaturii Jocuri radiale si axiale

- turbina funcţionează la variaţii mari de temperatură, care determină dilatarea diferenţiată a pieselor componente;

- acest fenomen impune ca între piesele rotorului şi cele ale statorului să existe jocuri radiale şi axiale bine determinate;

- jocurile sunt influenţate de:- dimensiunile turbinei;- natura materialului turbinei (coeficientul de dilatare termică);- creşterea temperaturii în funcţionare faţă de temperatura la care s-a realizat montajul;- deformaţia permanentă a paletelor de rotor, datorită fenomenului de fluaj;- mărimea amplitudinilor vibraţiilor rotorului şi carcasei;- măsurile luate pentru evitarea pierderilor de presiune;- precizia execuţiei pieselor;

- mărimea jocurilor radiale şi axiale depinde de regimurile de funcţionare ale motorului;- pentru stabilirea mărimii jocurilor, în calculele de proiectare se consideră regimurile ce mai periculoase:- pentru jocul radial: oprirea motorului în aer - de regulă discurile şi paletele se dilată sau se contractă

mai lent decât carcasa!!!

- pentru jocul axial: pornirea motorului - elementele de stator se dilată mai repede decât cele de rotor => dacă între rotor şi stator sunt montaţi labirinţi, aceştia se pot uza rapid sau chiar distruge, în cazul în care jocul axial este prea mic.

4.6 Sisteme de răcire a elementelor turbinei

δrδr max

δr n δr min

Jocul radial de montaj (“la rece”)

Jocul radial la pornirea motorului

Jocul radial la regim nominal

Jocul radial la oprirea motorului în zbor

67

Tema 2 - Părţi componente principale ale MTG

5. Dispozitive de evacuare

Rol:- să asigure transformarea energiei potenţiale a gazelor de ardere în energie cinetică cu randament maxim.- să transporte gazele de ardere, din zona turbinei în zona de ieşire din motor, cu pierderi minime.- de a asigura un jetul de gaze axial în scopul realizării unei componente a forţei de tracţiune maximă.

Cerinţe:- să asigure un proces de curgere cu pierderi minime de presiune statică;- să asigure pierderi totale de presiune mici cu scopul de a realiza maximizarea energiei jetului de gaze;- să realizeze distribuţii uniforme de viteze în secţiunea de ieşire, aceasta fiind o condiţie necesară

pentru realizarea unei forţe de tracţiune maximă;- să nu permită transferul de căldură între jetul de gaze si structura de rezistenţă a avionului;- să realizeze o reducere a nivelului de zgomot al jetului de gaze;- să permită amplasarea unor organe componente ale sistemului de propulsie (lagăre posterioare);- să asigure preluarea unor solicitări de pe axa sistemului si transmiterea acestora către structura de

rezistenţă a avionului.În componenţa sistemului de evacuare intră următoarele elemente:

–ajutajul de reacţie;–amortizorul de zgomot;–instalaţia de postcombustie;–deviatorul de jet;–inversorul de tracţiune;

5.1 Schema de principiu a sistemului de evacuare cuprinde

I - difuzorul sistemului de evacuare;II - tubul prelungitor;III - ajutajul de reacţie.

Din difuzor fac parte:68

a. Carcasa exterioară (învelisul exterior);b. Sistemul de montaţi;c. Corpul central.

a. Învelişul exterior profilează jetul de gaze la exterior, iar din punct de vedere mecanic preia solicitările si le transmite celulei.

b. Montanţii, în număr de 4-6, au dublu rol:–gazodinamic:

- asigură curgerea axială, în interiorul canalului de evacuare, prin eliminarea componentelor tangenţiale ale vitezei absolute

–mecanic:– permit trecerea unor conducte si conductori de la exterior spre interior si invers;– preiau solicitările mecanice de pe corpul central si le transmit carcasei;– fixează corpul central la carcasă.

c. Corpul central- profilează la exterior jetul de gaze si asigură gradul de divergenţă al canalului de lucru, astfel

încât să nu apară pierderi prin desprinderea stratului limită;- preia solicitările de pe axa motorului;- asigură transformarea secţiunii canalului de lucru, dintr-o secţiune inelară într-o secţiune

circulară;- protejează termic discul turbinei.

Tubul prelungitor, prin forma sa, are rolul de a frâna jetul de gaze. Ca urmare, se măreşte energia potenţială a gazelor la intrare în ajutaj, micşorându-se totodată pierderile în organele componente.

Ajutajul de reacţie asigură transformarea energiei potenţiale a gazelor în energie cinetică, în scopul creşterii forţei de tracţiune a sistemului de evacuare.

5.2 Clasificarea sistemelor de evacuare

Sistemele de evacuare pot fi clasificate astfel:1. Din punct de vedere al modificării geometriei canalului de lucru acestea pot fi:

a. Nereglabile (geometrie fixă);b. Reglabile (geometrie variabilă).

2. Din punct de vedere al formei canalului de lucru al ajutajului de reacţie acestea sunt cu:a. Ajutaj convergent;b. Ajutaj convergent divergent.

3. Din punct de vedere al formei transversale a secţiunii de ieşire, se întâlnesc sisteme cu:a. Geometrie simplă;b. Geometrie complexă (profilate).

Performanţele sistemului de evacuare depind, fundamental, de:1. Gradul de destindere al gazelor de ardere în sistemul de evacuare, 52. Gradul de destindere al gazelor de ardere în ajutaj,

Modalităţi de creştere ale destinderii în ajutaj:1. Creşterea viteza de zbor, la H=ct.;2. Creşterea gradului de comprimare.3. Creşterea înălţimii de zbor, dacă V=ct.

Având în vedere regimul de zbor si gradul de destindere al gazelor în ajutaj, alegerea tipului de ajutaj se face astfel:

– pentru se vor folosi ajutaje convergente nereglabile, ACNR;

69

– pentru se vor folosi ajutaje convergente reglabile, ACR;

– pentru se vor folosi ajutaje convergent–divergent nereglabile, ACDNR;

– pentru se vor folosi ajutaje convergent-divergente parţial reglabile, ACDPR;

– pentru se vor utiliza ajutaje convergent-divergente total reglabile, ACDTR.

Observaţie- la MTP şi TM tracţiunea jetului este reziduală -> se foloseşte un ajutaj

divergent

În ceea ce priveşte reglarea secţiunii de ieşire există, în prezent, două metode care presupun utilizarea unui:

–ajutaj cu voleţi reglabili;–ajutaj cu corp central reglabil pe direcţia axială.

Ajutaj cu voleţi reglabili,Ajutaj cu corp central reglabil pe

direcţia axială

5.3 Forţa de tracţiune a ajutajului de reacţie

Studiul forţei de tracţiune a ajutajului de reacţie, la un regim nenominal, presupune analiza variaţiei impulsului total realizat de ajutaj, întrucât acesta are o pondere importantă în tracţiune. Considerând un volum control, ca în figura

5minD

5

5

5maxD

5

5

minA5

5

'minA

70

forţa de tracţiune a motorului va avea forma următoare:

71

Tema 3. Performanţele sistemelor de propulsie

În general, orice sistem de propulsie poate fi apreciat după performanţele sale care pot fi;- absolute:

- forţa de tracţiune;- impulsul total;- greutatea sistemului

- specifice:- forţa de tracţiune specifică;- impulsul specific;- consumul specific de combustibil.

- relative:- tracţiunea relativă;- greutatea relativă,

3.1 Studiul general al performanţelor absolute

A1. Forţa de tracţiune

Definiţie: forţa de tracţiune a unui sistem de propulsie este dată de variaţia funcţiei forţei curentului între cele două secţiuni fundamentale ale sistemului, ieşire şi intrare, adică

unde funcţia forţei curentului este:

Considerând schema de principiu din figura 3.1 se poate preciza volumul de control, pe baza căruia s-a stabilit relaţia forţei de tracţiune, ca fiind situat între secţiunile 1-1 şi 5-5.

HV

1

5

5

1

5C1C

Hp

HA1A

5p

5A

H

H

aM

gM1pT

72

Fig.3.1

În aceste condiţii, forţa de tracţiune se poate scrie ca:

unde mărimile care intervin au semnificaţiile:

, = debitul de aer, respectiv debitul de gaze;

, = viteza aerului in secţiunea de intrare, respectiv, viteza gazelor în secţiunea de ieşire;

, = presiunea aerului in secţiunea de intrare, respectiv, presiunea gazelor în secţiunea de ieşire;

, = aria secţiunii de intrare, respectiv, aria secţiunii de ieşire

Admiţând un tunel de aspiraţie cilindric, între secţiunile H-H şi 1-1 expresia forţei devine:

, deoarece:

În cazul unui motor rachetă, in care secţiunea 5-5 se noteaza cu e-e şi , iar forţa de propulsie devine:

- în atmosferă:

- în cosmos: , întrucât

A2. Impulsul total:

în care este forţa de propulsie a unui motor racheta, iar este durata de funcţionare a motorului.

3.2 Studiul general al performanţelor specifice

B1. Forţa de tracţiune specifică:

sau, în condiţiile unei destinderi complete a gazelor de ardere, :

unde = aportul de combustibil

B2. Consumul specific de combustibil:

în care = debitul de combustibil injectat

B3. Impulsul specific:

Obs : există şi alte definiţii

B4. Arie frontală specifică a unui motor:

în care reprezintă aria frontală a sistemului de propulsie, adică aria proiecţiei motorului pe un plan perpendicular pe axa de simetrie. Această performanţă specifică influenţează fundamental rezistenţa la înaintare a motorului.

73

3.3 Studiul general al performanţelor relative

C1. Tracţiunea relativă , în care este greutatea motorului,

C2. Greutatea relativă

74

3.4 Necesitatea înnoirii sistemelor de propulsie

Schimbările fundamentale ale sistemelor de propulsie convenţionale sunt legate de creşterea vitezei de zbor, ca o condiţie esenţială a unui transport modern.

Odată cu creşterea vitezei de zbor, în atmosfera terestră au loc:- creşterea rezistenţei la înaintare a aparatului, proporţional cu ;- ridicarea temperaturii elementelor componente datorită:

- frecării;- creşterii temperaturii avionului, ca urmare a frânării puternice a aerului;

- imposibilităţii utilizării unor sisteme de propulsie convenţionale.Astfel, motoarele pentru viteze mari trebuie să dezvolte forţe de propulsie foarte mari.Se menţionează că forţa de tracţiune, a unui motor turboreactor simplu flux, variază cu viteza într-o

manieră care depinde de:- tipul motorului;- parametrii de bază;- soluţia de reglare a motorului.

Este suficient să se reprezinte variaţiile forţei de tracţiune şi consumului specific de combustibil, în funcţie de numărul Mach ( ), pentru programul de reglare , pentru a stabili limitele performanţelor sale, figura 3.2.

Fig. 3.2MTR cu postcombustie, deşi asigură forţe de tracţiune mai mari la viteze mici, au consumul specific de

combustibil mai mare decât al motorului statoreactor pentru aceiaşi forţă. În figură, se observă existenţa unor valori caracteristice ale numărului Mach. Astfel, se pot defini câteva valori caracteristice:

- - până la care are loc o scădere a forţei, ;

- - până la care se observă o creştere a tracţiunii, la

- - la care forţa se anulează, .Acest caracter al variaţiei tracţiunii face ca motorul turboreactor să fie neutilizat la viteze ce depăşesc . Mai mult decât atât, la creşterea vitezei de zbor, ca urmare a frânării puternice a aerului în dispozitivul

de admisie, în cazul în care , se micşorează încălzirea aerului în compresor, deci scade comprimarea mecanică. Se obţin astfel, sisteme cu comprimare dinamică a fluidului de lucru de tipul statoreactoarelor. Forţa de reacţie a motorului statoreactor este legată de gradul de frânare a aerului m faţa sistemului şi de temperatura maximă.

F spc

M

F

H ct

spc

1M 2M 3M

75

Caracteristica de zbor a motorului statoreactor este reprezentata în figura 3.3.

Fig. 3.3

Din figură se constată că:- la viteze mici, forţa de reacţie este mică;- cu creşterea vitezei, creşte atingând, pentru o valoare extremă. Acest Mach este superior lui ;

- la creşterea, în continuare, a vitezei forţa scade anulându-se la .

Deci şi motorul statoreactor are ca domeniu de utilizare o plajă de viteze cuprinsă între şi . în plus, motorul statoreactor are avantajul realizării unui regim economic de viteze, comparabile cu

la care forţa este maximă.Faptul că la aceste sisteme, forţa se anulează la anumite viteze este legat de creşterea pierderilor în

sistem care, pentru a fi acoperite, necesită un consum de energie mare, comparativ cu energia degajată de sistem.

Forţa specifică scade o dată cu creşterea vitezei zbor şi se poate anula dacă nu se iau măsurile corespunzătoare, respectiv:

- înlocuirea combustibilului care conduce, imediat, la creşterea temperaturii maxime deci, a vitezei de evacuare ;- creşterea vitezei de ardere a amestecului combustibil prin înlocuirea combustibilului sau prin trecerea la o ardere supersonică;- postcombustie;- utilizarea motoarelor rachetă, la care forţa de reacţie nu depinde de viteza de zbor. Mai concret, ea

creşte cu înălţimea de zbor, indiferent de natura şi starea de agregare a combustibilului utilizat.

F spc

M

F MTR

H ct

spc

M M 3M

F MSR

76

4. Combustibili potenţiali (Fac parte din tema 3)

4.1. Tipuri de combustibili

O importanţă deosebită asupra performanţelor unui sistem de propulsie o are caracteristicile combustibililor utilizaţi.

Ca urmare este utilă, în continuare o scurtă prezentare a combustibililor propuşi spre a fi utilizaţi în motoarele aeroreactoare. în general, discuţia se va face pe marginea a trei categorii de combustibili:

- hidrogen;- hidrocarburi;- solid.

A. HidrogenulHidrogenul şi, în special, hidrogenul lichid, pare să fie combustibilul ideal pentru sistemele de propulsie

de viteză mare, datorită caracteristicilor sale:- conţinut mare de energie pe cantitate de masă, mult mai mare decât hidrocarburile clasice. Ca atare, impulsul său specific este mare;- căldură latentă de vaporizare de aproape 20 de ori mai mare decât a combustibililor convenţionali, fapt pentru care este folosit la prerăcirea aerului şi a diferitelor componente ale structurii;- stabilitate mare, ceea ce face ca încălzit, la temperaturi mari, să nu se degradeze, din punct de vedere termic;- căldură specifică ridicată. Ca atare, poate produce un lucru mecanic mare la destinderea sa în turbină.

Dezavantaje- are o densitate mică, deci, impulsul său volumetric este mic şi, ca atare, necesită rezervoare mari

pentru stocare. - este inflamabil şi, prin urmare, este periculos la manipulare.

B. HidrocarburileÎn prezent, aproape toate motoarele aeroreactoare folosesc combustibili cum ar fi JP-4, JP-5 şi RP-1.Deoarece hidrocarburile au o căldură de vaporizare mult mai mică decât hidrogenul sunt preferate

pentru viteze de zbor M < 5.Densitatea lor permite înmagazinarea lor în rezervoare de volum mult mai mic.

C. Combustibili soliziAceşti combustibili sunt, evident, mai denşi decât cei lichizi, deci oferă un impuls specific volumetric

mai mare. De aici, interesul curent faţă de combustibili solizi, ei necesitând un volum redus pentru stocare. Ca urmare, aceşti combustibili sunt utilizaţi pentru motoare statoreactoare, motoare rachetă şi motoare de accelerare (booster).

Impulsul lor specific este mai mare decât al hidrogenului. Deoarece borul are o energie mare, el constituie un combustibil solid preferat.

Dezavatajele borului, prezent în compoziţia combustibililor solizi, sunt acelea că reduce randamentul arderii şi produce fum, când arderea se face la presiuni mici.

4.2. Comparaţie între combustibiliDin cele prezentate anterior reiese că se pot utiliza, pentru aceste sisteme de propulsie, combustibili cu

hidrocarburi, metan lichid sau hidrogen lichid. Folosirea unor combustibili, alţii decât kerosenul, conduce la modificări ale motoarelor.

In figura nr. 2.7 este reprezentat potenţialul motoarelor aeroreactoare sub forma funcţiilor

şi , pentru diferite tipuri de motoare, utilizând ca propelant hidrogenul,

77

Fig. 2.7 În figură, domeniile marcate reprezintă funcţionarea: -1, motoarelor turboreactoare;- II, motoarelor statoreactoare cu ardere subsonică;- III, motoarelor statoreactoare cu ardere supersonică.

O altă comparaţie, între combustibili are în vedere alegerea acestuia în funcţie de performanţele, masa şi mărimea sistemului de propulsie, figura nr. 2.8,

Fig. 2.8Se pot constata avantajele oferite de hidrogen, sub toate aspectele:

- masa de hidrogen generează aceeaşi energie ca şi kerosenul;- capacitate de răcire este mai mare de 21 de ori decât cea a kerosenului;- volumul rezervoarelor este de 4 ori mai mic decât al rezervoarelor pentru kerosen, deoarece densitatea hidrogenului este de 12 ori mai mică decât cea a kerosenului;- este avantajos a fi utilizat pentru zboruri hipersonice.

78

Tema 4. CONSTRUCŢIA ARBORILOR ŞI LAGĂRELOR

4.1 Tipuri de rotoare

Def: Rotor = ansamblul format din: - rotorul compresorului;- rotorul turbinei;- arborele de legătură.

Clasificare:- din punct de vedere constructiv întâlnim rotoare: - pe 2 lagăre;

- pe 3 lagăre;- pe 4 sau mai multe lagăre;

- numărul de lagăre depinde de numărul de rotoare ale compresoarelor:- monorotoare;- birotoare – cele mai folosite;- trirotoare;

- arborii pot fi: - dintr-o bucată;- din mai multe bucăţi şi prevăzute cu cuplaje;

- numărul de lagăre depinde de: - dimensiunea longitudinală a motorului;- numărul de rotoare;- forma şi dimensiunea camerei de ardere;- posibilitatea de dispunere a lagărelor;- posibilităţile de ungere şi răcire a rulmenţilor lagărelor;- solicitările rotorului;- condiţiile de fabricaţie şi montaj;

4.2 Rotoare pe două lagăre

- se folosesc la motoare de dimensiuni mici, la turbopompe, la motoare auxiliare, etc.Avantaje: - construcţie simplă;

- sunt uşoare;- distanţa dintre compresor şi turbină este relativ mică.

Obs:- forţa axială este preluată de rulmentul axial cu bile dispus în fata compresorului;- rulmentul turbinei este dispus în faţă sau în spate (când este dispus în spate ungerea se realizează

mai greu => de regulă se dispune în faţa turbinei.Dezavantaje:

- când arborele este lung => apar vibraţii mari;- când se transmit momente de torsiune ( ) mari =>dimensiunile diametrale ale arborilor sunt mari.

79

4.3 Rotoare pe 3 reazeme

- cel mai des utilizateAvantaje:

1. arborele poate fi realizat din mai multe bucăţi îmbinate prin cuplaj;2. distanţa dintre lagăre este mai mică => se micşorează vibraţia;3. asigură a buna organizare a procesului de montare şi demontare;4. creste rigiditatea arborelui;5. asigura dispunerea convenabilă a lagărelor pentru ungerea şi răcirea rulmenţilor.

Dezavantaje:- necesită cuplaj intermediar =>

implică o mare precizie în execuţie; necesită sisteme de siguranţare pentru a împiedica desfacerea pe timpul funcţionării.

Schiţa motorului R11 (R- 13) – zona dintre arbori este plină cu ulei

4.4 Construcţia arborilor

4.4.1 Particularităţi constructive şi cerinţe impuse

Forma arborelui este influenţată de:

r. radialcu role

r. radial-axial cu bile

r. radial cu role

80

1. Numărul de lagăre şi distanta dintre lagăre: - nedemontabile;- demontabile;- cu sau fără cuplaj.

2. Modul în care se asigură ungerea şi răcirea arborii sunt folosiţi şi pentru a asigură circulaţia aerului de răcire => sunt prevăzuţi cu orificii (prin

arbori poate circula ulei); datorită prezenţei orificiilor în arbori => se impune o prelucrare cât mai corectă pentru micşorarea

concentratorilor de tensiuni;3. Modul de dispunere a rulmenţilor;

- cu ajutorul inelelor- cu bilele (rolele) dispuse direct pe arbore, soluţie care impune:

a) prelucrarea corectă a zonei de dispunere a bilelor (rolelor);b) mărirea durităţii zonei;

4. Construcţia generală a motorului: dispunerea treptelor de compresor şi turbină; dimensiunile rulmenţilor.

5. Solicitările la care sunt supuşi arborii ( , , , tensiuni din vibraţii).6. Natura materialului.7. Forma constructiva a cuplajului:

cu caneluri; cu sisteme speciale de prelucrare a forţei axiale; cu elemente semisferice de preluare a forţei axiale, etc.

Cerinţe impuse: să transmită mari; să reziste timp îndelungat solicitărilor date de vibraţii; să se deformeze cât mai puţin în timpul evoluţiei avionului; să aibă masa cat mai mică.

4.4.2 Particularităţi de calcul la rezistenţă a arborelui

Solicitări: momente de torsiune determinate de puterea turbinei; forţe centrifuge datorate maselor neechilibrate; forţe de inerţie şi momente giroscopice ce apar datorita evoluţiei avionului; forţe şi momente date de angrenajele dispuse pe arbore; solicitări termice şi cele date de vibraţii;

forţa axială rezultantă din sumarea şi

Sub acţiunea forţelor şi momentelor apar următoarele deformaţii:- de torsiune => datorită - de încovoiere datorate:

- greutăţii proprii;- greutăţii discurilor dispuse pe arbori;- forţelor centrifugale ale maselor neechilibrate;- forţelor de inerţie datorate evoluţiei avionului;- momentelor giroscopice;

- de întindere şi compresiune => date de forţele axiale ce apar pe rotoare.

Etape de calcul la rezistenţă: se stabileşte regimul de zbor în care arborele este cel mai solicitat; se determină mărimea şi direcţia forţelor şi momentelor ce acţionează asupra arborelui; se reprezintă grafic variaţia forţelor şi momentelor; se determină tensiunile maxime (în secţiunea critică)

81

se alege materialul şi se determină coeficientul de siguranţă.

Regimurile de zbor la care se calculează arborii:

1. regimul corespunzător ieşirii din picaj, la care se consideră:a) turaţia motorului este maximă;b) forţele de inerţie datorate evoluţiei avionului sunt maxime, forţe de inerţie datorate dezechilibrajului motorului sunt maxime;c) forţele de inerţie şi forţele date de masa proprie a motorului sunt situate în acelaşi plan şi dau o rezultantă de valoare maximă;d) coeficientul de suprasarcină luat în calcul e de q = 8 … 10;e) viteza unghiulară a avionului pe traiectorie = 0,5 … 0,6 rad/sec.

2. regimul corespunzător vriei plate:a) momentul încovoietor dat de masa proprie, masa discurilor şi forţa centrifugă datorată dezechilibrajului rotorului, precum şi momentele giroscopice sunt maxime, iar vectorii sunt în acelaşi plan şi în acelaşi sens;b) coeficientul de suprasarcină: q = 2 … 4c) viteza unghiulară a avionului pe traiectorie = 2,5 … 3 rad/sec

Obs: sensul momentului giroscopic este determinat şi de sensul rotirii rotorului => se va preciza iniţial sensul de rotaţie al arborelui.

4.5 Cuplajele dintre arborele turbinei şi arborele compresorului

4.5.1 Cerinţe impuse. Particularităţi funcţionale şi constructive

Necesitatea cuplajului: asigură montarea şi demontarea uşoară a arborelui asigură o buna organizare a lagărelor asigură rigiditatea arborelui uşurează înlăturarea unor defecţiuni (înlăturarea doar a unor elemente)

Tipuri: - după solicitări:a) cuplaje care preiau numai solicitări radiale;

b) cuplaje care preiau numai momente de torsiune;c) cuplaje ce preiau şi solicitări (axiale şi radiale) şi momente;

- după elemente constructive: a) cuplaje cu caneluri;b) cuplaje cu caneluri şi şurub central;c) cuplaje cu caneluri şi semisferă ce preiau forţele axiale.

Solicitările în cuplaj sunt date de: a) momentele de torsiune;b) forţele pe direcţia radială ce apar:

- când nu se asigură coaxialitatea celor 2 arbori;- când apar deformaţii în arbori;

c) ce apar pe rotoare; d) solicitările termice;e) solicitări la coroziune => în contact cu - gazele arse;

- aerul de răcire.Schiţa cuplajului motoarelor

82

RD–45 şi VK-1

1 – arbore compresor2 – piesa intermediară cu caneluri3 – cuplaj exterior4 –semisferă5 – piesa de strângere6 – ştift de siguranţă7 – arbore turbină

1

2 3

4

5

7

6

83

Schiţa cuplajului motorului R 11 F 300

1 – arbore compresor2 – piuliţă3 – bucşă de fixare4 – ştift5 – arbore de turbină6 – resort7 – caneluri8 - filet

Influenţa dezaxărilor

Dezaxările pot fi: axiale sau unghiulareDezaxările axiale pot apare datorită procesului tehnologic: δ

Dezaxările unghiulare apar datorita evoluţiei avionului: φ ( )

Obs. la apariţia dezaxărilor solicitările în cuplaj cresc foarte mult; mărimea şi forma dezaxărilor depind de: - evoluţia avionului în zbor;

- rigiditatea arborelui;- uzurile care apar în lagăre.

4.6 Lagărele motoarelor cu turbină cu gaze

4.6.1 Particularităţi constructive şi de funcţionare

Lagăr = ansamblul format din: - rulment;- carcasa rulmentului;- sistemul de ungere;- sistemul de etanşare;

→ Lagărele pot fi : - de rostogolire <= > rulmenţi- de alunecare: → mai puţin utilizate la motoare cu turaţii mari;

δ

2

4

7

5

8

6

1

3

φ

84

→ temperatura este ridicată în zona lagărului; → solicitările sunt mari; → se folosesc uleiuri cu vâscozitate mică.

Avantajele rulmenţilor: dimensiuni longitudinale mici → efect asupra lungimii motorului (greutăţii) (B=35...40mm); pot prelua solicitări radiale şi axiale mari; consum de ulei pentru ungere = redus; lucrează bine la temperaturi ridicate: - t = 180 o ÷ 200o C, rulment (lagăr compresor) - t = 250 o ÷ 280 oC (chiar 400oC ), rulment (lagăr turbină)

Dezavantaje: au diametre mari; li se impun condiţii constructive stricte; la apariţia jocurilor în rulment → rulmenţii se distrug în timp relativ scurt;

- jocurile admise (pentru asigurarea dilatării) : → axiale = 0,004... 0,005 mm → radiale = 0,07÷0,1 mm

au resursă scăzută în funcţie de condiţiile de funcţionare: 100÷500 h

Solicitări: - pe direcţie radială;- pe direcţie axială;- datorate: - temperaturii ridicate; - mediului coroziv; - vitezelor periferice mari, Vlim= 70...80 m/s

Măsuri:- clasa înaltă de precizie în execuţie şi materiale cu calităţi de rezistenţă superioare;- echilibrajul corect al separatorului (şi utilizarea acestuia );- sortarea cu atenţie a bilelor şi rolelor (diferenţele să fie ≤ 0,2 microni);- sisteme: - eficiente pentru ungere;

- de aducere a uleiului sub presiune la rulmenţi (folosirea injectoarelor); - de etanşare eficiente (reducerea Tlucru) → labirinţi, segmenţi

- de răcire speciale: cu ulei sau cu aer.

4.6.2 Soluţii constructive.

Depind de modul în care sunt solicitate lagărele care preiau numai sarcini radiale (rulmenţi cu role); care preiau numai sarcini axiale (rulmenţi cu bile); care preiau sarcini radiale şi axiale (rulmenţi cu bile)

Fixarea rulmentului se face: cu inelul exterior dispus direct pe arbore (si inel exterior rotitor); cu inel interior rotitor; cu ambele inele rotitoare (mai puţin utilizate);

Moduri de fixare a inelelor rulmenţilor → îndrumar proiectare: prin presare şi siguranţare cu inel elastic. siguranţare cu inel elastic, ştifturi.

85

strângere cu piuliţe siguranţate cu ştifturi; plăci plane şi şuruburi siguranţate cu şaibe, etc.

Când carcasa este din aluminiu între inelul exterior şi carcasa se introduce o bucşă din otel.Intre inelul exterior şi arbore se poate dispune pe direcţie axială o bucşă distanţieră care foloseşte pentru:

prelucrarea jocurilor axiale; reglarea axială a poziţiei rotorului; crearea de spatii pentru ungere.

Dacă se folosesc mai mulţi rulmenţi într-un lagăr :→ se utilizează rulmenţi cu aceleaşi jocuri;

→ se folosesc bucşe distanţiere între rulmenţi, pentru ungere.Nu este indicat să se folosească mai mult de trei rulmenţi într-un lagăr.

Când lagărul are trei rulmenţi: inelele interioare se dispun direct pe arbore; inelele exterioare se dispun pe bucşe separate pentru a se asigura o încărcare uniformă a

tuturor rulmenţilor din lagăr.

4.6.3 Carcasa lagărului. Sisteme de ungere şi răcire.

Carcasa lagărului în care se introducere rulmentul trebuie prevăzută cu:- cavitate pentru uleiul de ungere;- cavitate pentru aerul de etanşare şi răcire;

Forma carcasei depinde de: - numărul de rulmenţi pe lagăr;- forma rulmentului;- modul în care carcasa participa la transformarea solicitărilor de la lagăre la corpul de rezistenţă;- sistemul de ungere utilizat;- forma şi dimensiunile labirinţilor şi segmenţilor;- condiţiile de montaj;

Carcasa lagărului face de regulă parte din sistemul de rezistenţă al motorului, forma şi dimensiunile depind de solicitări.

Cerinţe impuse: - sa fie suficient de rigidă→ de aceasta depinde vibraţia şi coaxilitatea rotorului;- sa asigure o buna izolare termică a rulmentului;- sa fie etanşă pentru a nu permite intrarea gazelor fierbinţi în lagăr;- sa asigure o centrare bună a motorului;- sa reziste la oboseală.

Grosimea carcasei lagărului depinde de:- solicitări;- materialul din care este confecţionată : → oţel în fata şi spatele turbinei; → duraluminiu în fata şi spatele compresorului.

Sistemele de ungere:o ungerea se face de regulă cu ulei;o natura şi compoziţia uleiului depinde de Tlucru;o tipuri de ulei: de transformator, MK8, AEROSHEL OIL-3P;o îşi păstrează caracteristicile normale până la t ≈ 120°C;o la temperaturi mai mari – uleiuri sintetice;o ungerea se face sub presiune cu ajutorul injectoarelor;o normele prevăd un consum de 1,2 l ulei la ora de funcţionare.

86

87

4.7 Sistemele de rezistenţă ale motoarelor

Sunt formate din doua subsisteme:1) subsistem de rezistenţă al rotorului: → turbină - arbore - compresor

2) subsistem de rezistenţă al statorului.- solicitările se transmit la lagăre şi de aici la sistemul de rezistenţă al motorului;- sistemul de rezistenţă general este un sistem închis → se formează circuite cu anumite structuri.

Exemplu: solicitările de la rotor → lagăre → diafragme → carcasa exterioară- rezultanta forţelor şi momentelor se transmit în final la ferurile de prindere ale motorului.

Solicitări: - Mr al turbinei şi compresorului;- F axiale;- F date de presiunea interioară;- F inerţie datorată zborului pe traiectorii curbilinii;- F date de dezechilibrajul rotorului;- G proprie a agregatelor;- solicitări date de temperatură → variază temperatura pe grosimea şi de-a lungul elementului.

Cerinţe:- să nu aibă masă mare şi să asigure o rigiditate bună;- să nu ducă la deformări permanente;- să nu determine modificarea jocurilor radiale;- să asigure dilatarea liberă a unor elemente;- să asigure montarea şi demontarea uşoară a elementelor motorului.

Clasificare: - după modul în care eforturile se transmit de la lagăr la carcasă.- după modul în care se închid circuitele de forţă.

Cazuri:1. Corp de rezistenţă la care legătură între corpul turbinei şi corpul compresorului se face pe la partea

interioară a camerei de ardere.1) paleta stator sau montant;2) corpul lagărului anterior al compresorului;3) paleta de stator la ultima treaptă de compresor;4) înveliş interior al camerei de ardere;5) paletă de stator turbină;

2. Corp de rezistenţă la care legătura dintre carcasa compresorului şi carcasa turbinei se face pe la partea exterioara a camerei de ardere; fiecare lagăr este prevăzut cu diafragme de legătură şi montanţi sau de reţea de palete de stator.

Avantaje: → construcţie simplă şi are dimensiuni mici.Dezavantaje:

→ necesită diafragme cu grosimi mari; → învelişul exterior al camerei de ardere este solicitat termic – necesita elemente de rigidizare; → se impune o etanşare bună în exteriorul camerei de ardere;

3. Sisteme prin care legătura dintre carcasa turbinei şi carcasa compresorului se face atât pe la partea interioară cât şi exterioară a camerei de ardere.

1) variante la care statorul turbinei nu participa la preluarea eforturilor.Avantaje: → pot fi transmise F şi M mari;

→ elementele componente ale corpului de rezistenţă au grosimi mici => se pot asigura:

o o etanşare bună;o organizarea corectă a compartimentului pentru ungerea lagărului;

→ se pot transmite diferenţiat solicitările pe circuitul exterior şi pe circuitul interior.

Dezavantaje: → partea interioara a camerei de ardere are grosime mare => solicitări termice mari.

88

2) reţeaua de palete ale statorului participă la transmiterea forţei.Avantaje: → corpul de rezistenţă are dimensiuni mai mici (în interiorul paletelor de stator pot fi

introduse bolţuri sau şuruburi atât pentru fixarea paletelor la carcasă şi la inelul interior, cât şi pentru transmiterea forţelor şi momentelor.

89

Tema 5: Sistemele specifice MTGSistemele specifice MTG: circuitul de aer, ungere, pornire, combustibil, indicaţii şi control, degivrare, antiincendiu, reversare şi deviere a tracţiunii

5.1 Circuitul de aer

Compunere: circuitul intern;circuitul extern;

5.1.1 Circuitul intern de aer

- asigură: - echilibrul termic (răcirea): turbinei;accesoriilor (ex: radiolocator);

- echilibrarea forţelor care acţionează asupra elementelor componente ale MTG; reducerea eforturilor din lagăre

- presurizarea ermetizărilor;

Circuitul intern de aer pentru motorul Arriel

Circuitul de răcire a turbinei

90

Presurizarea ermetizărilor

5.1.2 Circuitul extern de aer

- asigură: - aer pentru răcirea accesoriilor (ex: radiolocator);- aer pentru degivrare;- ventilarea compartimentului motor

Circuitul extern de aer

Ventilarea compartimentului motor

5.2 Sistemul de ungere

asigură o peliculă de ulei pentru ungerea şi răcirea elementelor componente în contact ale:- lagărelor;- cutiei agregatelor;- reductorului

91

Pornirea cu ajutorul unui motor electric

Cuplul necesar la pornire

Alimentarea cu combustibil

92

Circuitul electric de aprindere

Diagrama de pornire

Anvelopa de reaprindere

Rotirea la rece (ventilarea motorului)

5 Sistemul de monitorizare şi control

Maneta de gaze

Sistemul de comandă a debitului de combustibil93

Indicaţii la bord asupra funcţionării motoruluituraţia motoruluitemperatura gazelortemperatura şi presiunea uleiuluicuplul

Schemă de principiu a sistemului de combustibil

Agregatul petrol-ulei

94

Sistem de degivrare cu aer

Sistem de degivrare electric

8 Sistemul de reversare şi deviere a tracţiunii

Reducerea nivelului de zgomot

95

Tema 6. Motorul statoreactor (MSR)

Prezentare generală- MSR este un sistem de propulsie care produce forţă de tracţiune fără a avea componente în mişcare.

Principalele componente ale unui MSR sunt:- dispozitivul de admisie;- camera de ardere;- ajutajul reactiv.

Funcţionare:- aerul atmosferic pătrunde în dispozitivul de admisie unde are loc o creştere a presiunii sale. - această creştere a presiunii se numeşte comprimare dinamică şi este rezultatul transformării energiei

cinetice a aerului în energie potenţială. Mărimea gradului de comprimare dinamică este funcţie de viteza de zbor şi de caracteristicile dispozitivului de admisie.

- gazele produse în urma arderii se destind în ajutajul de reacţie, generând o componentă a forţei de tracţiune a motorului.

Tipuri de MSR, în funcţie de tipul de ardere:- statoreactoare cu ardere subsonică;- statoreactoare cu ardere supersonica.

MSR cu combustibil lichid este varianta clasică, de bază, cea mai matură dintre toate variantele existente în prezent.

6.1 MSR cu ardere subsonică

Performanţe

- MSR cu combustibil lichid este statoreactorul cu cel mai mare impuls specific. Astfel, impulsul maxim specific este mai mare de 1200s, când sistemul utilizează un combustibil bazat pe hidrocarburi şi peste 4000s dacă motorul foloseşte hidrogen.

- performanţele unui statoreactor sunt afectate de altitudine şi viteza de zbor; în timp ce efectul presiunii atmosferice este neglijabil, efectul temperaturii aerului este apreciabil.

- "creierul" motorului statoreactor este considerat sistemul de control al combustibilului.- efectele numărului Mach ( ), asupra motorului statoreactor, sunt mai greu de înţeles.- gama de variaţie a vitezei dezvoltate este limitată din mai multe motive.

- la numere M mari creşte pierderea de presiune totală, în special, în sistemul de unde de şoc asociat dispozitivului de admisie.

- totodată, la mari, creşte temperatura în camera de ardere, rezultând disocierea produselor care reacţionează, ceea ce produce, în final, un consum mare de energie în procesul de destindere a gazelor în ajutajul de reacţie.

96

Avantaje- performanţe deosebite;- capacitatea mare de adaptare la optimizarea misiunii;- simplitatea constructiva;- lipsa pieselor în mişcare;- forţa de tracţiune specifica mare;- impulsul specific apreciabil.

Dezavantaje- complexitatea sistemului de control al combustibilului;- imposibilitatea de a produce forţă de tracţiune la ;- viteza maximă de zbor în jurul lui ;- răcirea componentelor motorului la viteze mai mari de .

Pratt & Whitney Rocketdyne (PWR) – MSR cu sistem dual de funcţionare cu ardere - subsonică pentru

- supersonică pentru - motoare: SJX61-1 şi SJX61-2 montate pe X-51A pentru . - prevăzute cu un sistem de monitorizare a alimentării cu combustibil şi a răcirii structurii

6.2 MSR cu ardere supersonică

97

Caracteristici- la viteze de zbor mai mari de => pierderile de presiune totală în sistemul de unde de şoc

produc, în MSR cu ardere subsonică, disocieri care generează pierderi mari;- aceste disocieri ar putea fi evitate la viteze mari, prin aprinderea şi arderea în condiţii supersonice a

amestecului aer-combustibil. Această variantă de motor, denumită cu ardere supersonică, permite unui MSR să funcţioneze, în condiţii corespunzătoare, la viteze foarte mari de zbor.

- datorită performanţelor sale, statoreactorul cu ardere supersonică a devenit un candidat potenţial pentru echiparea navelor care vor evolua în straturile superioare ale atmosferei cu , mai ales în varianta cu hidrogen, drept combustibil.

Funcţionare:- aerul cu viteză supersonică este frânat până la o viteză, tot supersonică, la intrare în dispozitivul de

admisie, I;- combustibilul lichid este injectat prin pereţi unde se amestecă cu aerul şi arde în divergentul

supersonic al camerei de ardere, II;- combinarea efectului de încălzire cu forma divergentă a canalului de lucru a camerei de ardere

generează unde de şoc în amontele camerei de ardere. - intensitatea sistemului de unde, din amontele camerei de ardere, depinde de viteza de zbor şi de

raportul geometric al camerei de ardere .

- faţă de MSR cu ardere subsonică, cel de faţă, nu are o secţiune de arie minimă, aşa încât poate fi egal sau mai mare decât , adică:

- La viteze de zbor în gama , procesul de ardere generează un sistem de unde de şoc

echivalent cu o undă de şoc normală. In acest caz, procesul de ardere este similar celui din MSR cu ardere subsonică;

- la creşterea vitezei de zbor, intensitatea sistemului de unde de şoc, la intrare în camera de ardere, descreşte, în prezenţa unui unde de şoc oblice. Acest mod de funcţionare al motorului statoreactor se numeşte ardere duală.

Performanţe- din cauza limitărilor de ordin practic, limita maximă de viteză a acestui statoreactor este ;- teoretic, s-a stabilit că motorul este capabil să producă forţe de tracţiune până la , deci, în

gama - este capabil să evolueze în straturile superioare ale atmosferei, cu o viteză ;- impulsul specific teoretic, al motorului cu hidrogen, este de circa 2400 s.

Avantaje- forţă de tracţiune specifică mare;- gama de viteze în care poate să evolueze: - ajutaj fără secţiune de arie minimă;- posibilitatea funcţionării în regim dual.

Dezavantaje- fizica arderii şi curgerii, pentru , sunt încă insuficient cunoscute;

98

- nu poate realiza forţă de tracţiune la viteze mici;- sensibilitate ridicată la viteze mari;- funcţionarea motorului, sub , solicită combustibili speciali sau combustibili preparaţi.

Desen al avionului experimental fără pilot X-43A cu MSR supersonic. Este lansat de pe avionul B-52 cu ajutorul unei rachete Pegasus. Racheta se larghează când avionul ajunge la . Zborul demonstrativ s-a realizat în martie 2004.

6.3 Limitele performanţelor motoarelor aeroreactoare

Deoarece performanţele motoarele aeroreactoare depind atât de condiţiile exterioare cât şi de viteza de zbor, anvelopele de zbor ale vehiculelor pe care le echipează au limite fizice şi practice. Aceste limite sunt generate de consideraţii de ordin structural şi aerodinamic precum şi de performanţele motoarelor.

Limitele performanţelor motoarelor aeroreactoare, pentru diferite tipuri de motoare:- I, domeniul pentru MTR;- II, domeniul pentru MSR e cu ardere subsonică;- III, domeniul pentru MSR cu ardere supersonică;- IV, domeniul ce cuprinde cerinţele generaţiilor viitoare de motoare.

Înălţimile maxime şi vitezele limită rezultă din cerinţele ce privesc răcirea activă a structurii vehiculului şi motorului, pentru viteze de zbor la toate înălţimile de zbor.

99

Tema 7. Motoare rachetă termice

Fac parte din categoria sistemelor de propulsie convenţionale clasice. În această familie pot fi incluse:- motoarele racheta chimico-termice;- motoarele rachetă nuclearo- termice.

7.1 Motoarele rachetă chimico-termice

- în funcţie de starea de agregare a combustibilului utilizat, motoarele rachetă termice chimice pot fi cu:- combustibil solid (MRCS);- combustibil hibrid (MRCH);- combustibil lichid (MRCL).

Performanţe:a) forţa de tracţiune- performanţa de bază a motorului rachetă este forţa de tracţiune.- se ţine seama de formula generală a tracţiunii, în cazul sistemelor de propulsie prin reacţie, adică

unde: - este debitul de gaze rezultate din procesul de ardere;

- este viteza de evacuare a gazelor din ajutajul de reacţie;

- este debitul de aer;- este viteza rachetei;- este aria secţiunii de ieşire din ajutajul de reacţie;

- este presiunea în secţiunea de ieşire din ajutajul de reacţie;

- reprezintă presiunea exterioară (atmosferică, ).

Deoarece, în cazul motorului rachetă, şi , atunci:

unde reprezintă debitul masic al gazelor

Observaţii:- odată cu micşorarea presiunii exterioare, ceea ce corespunde unei creşteri a înălţimii de zbor a rachetei,

tracţiunea motorului creşte;- tracţiunea maximă se poate obţine atunci când motorul funcţionează în vid, adică

- pentru zborul rachetei, în afara limitei atmosferei, se poate admite . Expresia torţei capătă forma

- tracţiunea nu depinde de viteza de evoluţie a rachetei; viteza rachetei depăşeşte viteza de ieşire a gazelor.

De obicei, forţa de propulsie a motorului rachetă este cunoscută sub forma:

unde: se numeşte viteza efectivă. De regulă, are valori în gama

b) tracţiunea specifică: =>

c) impulsul total:

- este integrala tracţiunii motorului pe toată durata arderii, , a combustibilului.

100

d) impulsul specific:

e) consumul specific de combustibil:

f) puterea utilă: unde este viteza rachetei;

g) puterea disponibilă:

- puterea disponibilă dP este puterea utilă maximă a jetului de gaze al rachetei, când pierderile sunt nule.

- puterea pierdută :

h) randamentul global:

unde: este puterea utilă

= căldura totală ideală, introdusă în motor prin ardere.

i) randamentul exterior:

- înlocuind expresiile puterilor rezultă:

- variaţia randamentului exterior, în funcţie de raportul vitezelor, este reprezentată, sub

forma:

- se observă că există o valoare a raportului de viteze la care randamentul exterior devine maxim.

Evident, această valoare optimă este . Teoretic, la această valoare corespunde

Variante de motoare rachetă chimice

A. Motoare rachetă cu combustibil solid (MRCS)

A.1. GeneralităţiParticularitatea acestor sisteme de propulsie constă în aceea că au combustibilul sub formă solidă, având

în structura sa chimică elementele necesare unei reacţii exotermice. - carburantul, substanţă oxidabilă;

- oxidantul, substanţă oxidantă, aflate sub formă de pulbere.Ele sunt amestecate într-o proporţie bine determinată şi sunt menţinute, sub formă compactă, cu ajutorul

unei substanţe de legătură, care se numeşte liant.

101

Un astfel de combustibil are proprietăţi plastice, utile la fabricarea sa sub diverse forme şi, totodată, rezistenţă mecanică.

A.2 Schema de principiu a unui MRCS şi elementele componente

I reprezintă camera de ardere;II este ajutajul de reacţie. în camera de ardere se găsesc:

1 - încărcătura de combustibil;2 - aprinzătorul;3 - diafragma;4 - membrana de siguranţă - se află în secţiunea minimă a

canalului de lucru al ajutajului.

A.3 Rolul componentelor

- încărcătura de combustibil are formă tubulară;- în general, formele încărcăturii sunt foarte diverse; astfel, se întâlnesc încărcături

- formate din discuri;- cu canale.

Arderea încărcăturii se poate realiza:- frontal;- de la interior spre exterior;- la exterior.

Alegerea uneia din formele prezentate, precum şi tipul de ardere se fac în funcţie de legea de ardere, în timp, a combustibilului.

Aprinzătorul reprezintă o cantitate de pulbere fină care se aprinde şi arde foarte repede, producând gaze cu temperatură ridicată, care aprind încărcătura de combustibil. Ele se pot plasa astfel:

- frontal;- la interior;- la exterior;- combinat.

Diafragma se montează între încărcătură şi ajutajul de reacţie. Rolul ei este de a fixa încărcătura şi de a împiedica evacuarea bucăţilor mari din combustibil, care se pot desprinde în timpul arderii, datorită presiunii şi vitezelor mari.

Ajutajul de reacţie, de tip Laval, asigură condiţiile destinderii gazelor cu presiune şi temperatură ridicate.Membrana de siguranţă are rolul de a asigura creşterea presiunii în camera de ardere până la o valoare

calculată. Ea se autodistruge în momentul atingerii presiunii calculate.

A.4. Principiul de funcţionare

Ca urmare a alimentării cu curent a aprinzătorului are loc arderea conductorului prin incandescenţă şi, concomitent, are loc aprinderea încărcăturii aprinzătorului. Corpul acestuia se distruge iar gazele rezultate din ardere cu presiune şi temperatură ridicată, aprind încărcătura motorului, care începe să ardă.

Când s-a depăşit presiunea minimă admisibilă din cameră, la care arderea devine stabilă, se distruge membrana de siguranţă şi gazele părăsesc ajutajul, producând forţa de reacţie a motorului.

A.5 Caracteristici

Avantaje:a) motorul are o construcţie simplă;b) sunt întotdeauna pregătite pentru a fi folosite;c) necesită condiţii relativ uşoare de păstrare, putând fi pregătite pentru pornire foarte repede;d) au o mare siguranţă în funcţionare;e) exploatarea motorului este uşoară.

102

Dezavantaje: a) tracţiune specifică mică;b) durată de funcţionare redusă;c) după o pornire a motorului, a doua nu mai poate avea loc decât cu mare dificultate şi după reîncărcarea

camerei de ardere, dacă nu este deteriorată, cu un nou calup de combustibil;d) absenţa fluidului necesar răcirii face ca, în construcţia motorului, să se folosească materiale scumpe,

rezistente la temperaturii mari cum ar fi oţelurile refractare, superaliaje şi materiale ablative.

B. Motoare rachetă cu combustibil hibrid (MRCH)

B.1 Generalităţi

Pentru realizarea unor tracţiuni specifice, respectiv, a unui impuls specific ridicate şi, în acelaşi timp, pentru a avea posibilitatea controlării procesului de ardere din camera de ardere, se folosesc, pe scară largă, motoare cu combustibil combinat. Acestea se caracterizează prin faptul că o componentă a combustibilului este solidă, iar cealaltă lichidă. Din acest punct de vedere se disting două tipuri de rachete cu combustibil hibrid:

a) MRCH la care substanţa oxidantă este solidă şi cea oxidabilă lichida:b) MRCH la care substanţa oxidabilă este solidă, iar cea oxidantă lichidă.Indiferent însă de natura şi starea de agregare, întotdeauna substanţa solidă se află în camera de ardere, iar

cea lichidă este păstrată în rezervoare, situate în corpul rachetei.

B.2 Schema de principiu a unui MRCH şi elementele componente

1 - camera de ardere şi ajutajul de reacţie;2 - componenta solidă;3 - sistemul de alimentare cu componenta lichidă;4 - rezervorul de combustibil lichid;5 - rampa de injectoare.

De obicei, componenta lichidă este folosită ca agent de răcire a ajutajului. Ca atare, ea se va introduce din direcţia ajutajului către camera de ardere după ce, în prealabil, s-a încălzit, respectiv, s-a asigurat răcirea ajutajului. Componenta lichidă se injectează în camera de ardere unde au loc procesele de aprindere şi de ardere.

În ceea ce priveşte alimentarea cu componenta lichidă se pot utiliza două sisteme:a) alimentarea cu turbopompe - la motoarele cu tracţiuni mari;b) alimentarea sub presiune - la motoarele cu tracţiuni mici.

B.3 Caracteristici

Avantajea) pot realiza forţe de tracţiune mai mari prin creşterea vitezei de ardere;b) se pot folosi în construcţia motoarelor şi materiale cu caracteristici refractare mai slabe, datorită răcirii;c) durata de ardere este mai mare;d) există posibilitatea pornirilor repetate, în număr limitat.

Dezavantaje1) soluţiile constructive sunt mai complicate;2) volumul ocupat de lichid fiind cu mult mai mare decât al componentei solide, scad posibilităţile de

încărcare cu elemente utile;3) sunt mai greu de întreţinut şi necesită condiţii speciale de păstrare.

103

C. Motoare rachetă cu combustibil lichid (MRCL)

C.1 Generalităţi

Necesitatea unor motoare care să funcţioneze un timp mai îndelungat, posibilitatea pornirii lor, în scopul unor corecţii de traiectorie, împreună cu alte avantaje precum şi progresele în domeniul tehnologiei, au dus la dezvoltarea acestor tipuri de sisteme de propulsie, cu precădere pentru zborurile cosmice.

Cele două componente ale combustibilului, sub formă lichidă, sunt stocate în rezervoare separate aflate în corpul rachetei, ele neafectând dimensiunile motorului.

C.2 Schema de principiu a MRCL şi elementele componente

I - motorul propriu zis;II - sistemul de alimentare;III - rezervoarele de combustibil;IV - sistemul de aprindere;V - aparatura de comandă şi control;VI - canalizaţiile de legătură.

C.3 Clasificare

I. Din punct de vedere al oxidantului folosit se disting motoare cu:a) acizi sau oxizi de azot;b) oxigen;c) apă oxigenată;d) fluor sau acizi ai fluorului.

II. Din punct de vedere al sistemului de alimentare cu combustibil, există motoare cu sisteme:a) prin dislocare;b) cu turbopompe.

III. După sistemul de răcire, motoarele pot fi cu:a) răcire exterioară;b) răcire interioară.

IV. După destinaţie se întâlnesc motoare pentru:a) rachete geofizice;b) rachete purtătoare de sateliţi şi module cosmice;c) rachete balistice.

C.4 Schema de principiu a MRCL cu sistem de alimentare prin dislocare

1 - camera de ardere; 2 - ajutajul de reacţie;3 - rezervor de carburant;4 - rezervor de oxidant;5 - sistemul de dislocare;6 - reductoare de presiune.

- în general, camera de ardere are pereţii dubli pentru a permite circulaţia uneia din componente în scopul de a răci ajutajul şi camera.

104

Camera de ardere poate fi:- cilindrică;- sferică;- în formă de pară;- de formă conică.

- reductoarele de presiune au rolul, pe de o parte, de a menţine presiunea din rezervor constantă iar, pe de altă parte, ele sunt elementele de reglare ale debitelor de carburant şi oxidant.

- în general, mărimea presiunii după reductor depinde de proporţia de amestec a celor două componente.

C.5 Schema de principiu a MRCL cu alimentare prin ţurbopompe

Toate motoarele rachetă puternice folosesc pentru alimentarea cu carburant şi oxidant, sisteme de turbopompe.

1 - motorul propriu zis2, 3 - rezervoarele de combustibil;4 - turbina de gaze;5 - pompe de combustibil;6 - generatorul de gaze.

Turbina de gaze este acţionată de gazele produse în generatorul de gaze. Ea antrenează cele două pompe de combustibil şi, are în componenţă, două trepte active.

7.2 Motoare rachetă nuclearo-termice

Generalităţi

Sursa de energie a motoarelor rachetă nucleare (MRN) consta în reacţiile de fisiune sau de fuziune a combustibililor nucleari. Drept combustibili nucleari pot fi folosiţi izotopii unor elemente grele, cum ar fi:

- Uraniu 233, U233;- Uraniu 235, U235; - Plutoniu 239, Pu239.

Pentru temperaturi înalte se recomandă folosirea unui combustibil nuclear format din combinaţii ale uraniului cu oxigenul, sau carbonul, cum sunt:

- UC+U02;- U02+oţel inoxidabil.

Combustibilul poate fi în stare: - solidă;- lichidă sau plastică.

Schema de principiu a MRN

1 - sistemul de pompare;2 - valva de control;3 - reactorul de fisiune nucleară;4 - ajutajul de reacţie;5 - rezervorul de propelant.

105

Principiul de funcţionare

Practic, sistemul de pompare dirijează propelantul, în general, hidrogen lichid, din rezervor prin supapa de control către reactorul nuclear, la o presiune ridicată.

Propelantul este încălzit în tuburile reactorului; în urma acestui proces, se produc gaze cu o presiune şi temperatură ridicate.

Gazele se destind în ajutajul de reacţie, până la viteze supersonice, în secţiunea de ieşire. Se obţine astfel forţa de tracţiune a sistemului.

Ca şi în cazul motoarelor rachetă cu combustibil lichid, motoarele rachetă nucleare necesită un sistem de răcire a pereţilor ajutajului. în mod normal se utilizează un sistem de răcire regenerativ.

Elementele componente ale unul reactor nuclear eterogen

1 - zona activă a reactorului, în care are loc reacţia de fisiune nucleară;a) elementele termice (pila de combustibil nuclear);b) elementul de transmisie a căldurii către fluidul de lucru care circulă

prin canalele practicate în încărcătura nucleară;c) elementele de reglare care modelează sau controlează reacţia

nucleară.2 - reflectorul de neutroni constituie un ecran de protecţie antineutroni, format din substanţe ceramice sau pe bază de W cu rolul de a reflecta sau absorbi neutronii rapizi;3 - protecţia termică;4 - învelişul ermetic;5 - protecţia biologică.

Ca urmare a reacţiei de fisiune exotermică, se dezvoltă o mare cantitate de căldură. Temperaturile în reactor sunt de ordinul a zecilor de mii de grade. Căldura degajată este preluată şi transmisă agentului de lucru care, totodată, constituie şi agentul de răcire al reactorului. Răcirea se poate realiza fie cu gaze inerte, fie cu metale lichide.

Instalaţiile de răcire cu gaze au dezavantajul de a avea o zonă activă de dimensiuni mari, pe când cele de răcire cu lichide, pentru aceeaşi putere, permit micşorarea dimensiunilor zonei active, deci a masei specifice a reactorului, prin reducerea substanţială a zonelor de protecţie.

Totuşi, folosirea gazelor inerte permite realizarea unor valori mai ridicate pentru temperatură. Metalele topite au căldură specifică şi conductibilitate termică foarte ridicată şi, ca atare, este necesar un debit mai mic de agent de lucru.

Alt dezavantaj al metalelor 1ichide este acela că la trecerea lor prin zona activă ele se activează, deci trebuie luate măsuri speciale de protecţie contra radiaţiilor. Metalele au punct de fierbere foarte ridicat, de aceea în circuitul de răcire se menţine o presiune joasă, fără a exista pericolul formării undelor de compresiune.

Ca agenţi de răcire se pot folosi:- Litiul: şi ;

- Natriul: şi ;

- Bi+Pb, şi .

Agentul de lucru este accelerat într-un ajutaj putându-se obţine, la ieşire, viteze de ordinul a .Motoarele rachetă nucleare se împart în două categorii:

1. MRN cu transmisie de căldură către agentul de lucru;2. MRN cu evacuare în atmosferă odată cu agentul de lucru şi a combustibilului nuclear (particule

radioactive).

106

Schemele de amenajare a rachetelor cu MRN. Construcţia şi amenajarea MRN, sunt asemănătoare cu cele ale MRCL, cu deosebirea că în camera de ardere se află reactorul nuclear.

Locul rezervoarelor de combustibil îl ia rezervorul de agent de lucru. Agentul este pompat, în zona activă, prin conducte speciale unde se evaporă datorită transmisiei de căldură ce are loc în această zonă.

Agentul de lucru, evaporat, este încălzit până la temperaturi foarte ridicate iar, după aceea, se destinde într-un ajutaj de reacţie, obţinându-se forţa de tracţiune. Căldura degajată, în zona activă, se transmite agentului de lucru prin:

- conductibilitate;- convecţie;- radiaţie.

Principala problemă este preluarea căldurii degajate în zona activă şi transferul ei către fluid. Aceasta necesită o suprafaţă de schimb de căldură foarte mare, de câteva mii de m2.

Deci, foarte des se foloseşte schema prin care se prevăd, în blocul zonei active, numeroase canale prin care circulă agentul de lucru.

7.3 Comparaţie între motoarele aeroreactoare şi motoarele rachetă termice

În tabel este reprezentată o comparaţie între motoarele aeroreactoare şi motoarele rachetă termice, dacă folosesc acelaşi combustibil hidrogen.

Caracteristica Motor rachetă Motor aeroreactor

Impuls specific Aproximativ 4500 m/s Aproximativ 500 m/s

Raport Aproximativ 50-100 Aproximativ 5

Durata de funcţionare (1-5) min Aproximativ 100 h

Raport Aproximativ 14 % Aproximativ 3 %

Cerinţe de integrare Scăzute Înalte

Emisie ; ; Cloridă ; ;

Zgomot Mare Mediu

Se pot preciza câteva elemente:

- motoarele aeroreactoare necesită cerinţe legate de materiale, structură, metode de calcul;- motorul rachetă solicită materiale şi structuri adecvate;- motoarele rachetă sunt mult mai simple din punct de vedere constructiv;- motoarele aeroreactoare solicită cerinţe legate de misiunea zborului, traiectoria zborului;- motoarele aeroreactoare au foarte multe limitări privind condiţiile active de zbor.Alternativele viabile, în viitor, sunt combinaţiile dintre motoarele rachetă şi turboreactor.

107