Universitatea Politehnica Universitatea Politehnica Universitatea Politehnica Universitatea Politehnica Bucure Bucure Bucure Bucure ș ti ști ști ș ti Facultatea de Inginerie Facultatea de Inginerie Facultatea de Inginerie Facultatea de Inginerie Aerospa Aerospa Aerospa Aerospa ț ial ț ial ț ial ț ial ă Lucrare de diploma Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeicientul de e!ces de aer constant Profesor Coordonator Ș. L. Marius Brebenel Student Laurian Ciobanu
52
Embed
Motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant.pdf
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Universitatea PolitehnicaUniversitatea PolitehnicaUniversitatea PolitehnicaUniversitatea Politehnica BucureBucureBucureBucureștiștiștiști
Facultatea de InginerieFacultatea de InginerieFacultatea de InginerieFacultatea de Inginerie AerospaAerospaAerospaAerospațialțialțialțialăăăă
Lucrare de diploma
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeicientul de
e!ces de aer constant
Profesor Coordonator
Ș. L. Marius Brebenel
Student
Laurian Ciobanu
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
2
"uprins
1 Influența excesului de aer asupra performanțelor turbomotoarelor .............................................. 4
1.1 Rolul excesului de aer asupra combustiei .......................................................................... 4
1.2 Calculul excesului de aer în funcție de temperatura .......................................................... 5
1.3 Performanțele MTR în funcție de coeficientul de exces de aer ......................................... 7
2 Evoluția unui MTR cu coeficient de exces de aer constant ...................................................... 9
2.1 Motivația alegerii legii de reglare ........................................................................................... 9
2.2 Algoritmul de calcul ............................................................................................................... 9
3 Studiu comparativ al motoarelor funcționând cu legea de reglaj „α=constant” .......................... 15
3.1 Algoritm de calcul ........................................................................................................... 16
3.2 Comportamentul motoarelor propuse, funcționând după legea de reglaj „α=constant” . 17
3.3 Concluzii privind comportamentul motoarelor cu *3nT și
cnπ diferite............................... 22
4 Posibilități de menținere la valoare constantă a coeficientului de exces de aer. Avantaje șidezavantaje ..................................................................................................................................... 25
Anexa 2: Deducerea bilanțului energetic in volumul de control .................................................... 33
Anexa 3: Modelarea forței de tracțiune si a consumului specific în funcție de variația excesului deaer ................................................................................................................................................... 34
Anexa 5: Modelarea unor serii de MTR, cu α ct. la diferite *3T si
cπ ......................................... 46
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
3
Notații utilizate:
a M & = debitul de aer
ga M & = debitul de gaze de ardere
c M & = debitul de combustibil
*h = entalpia frânată în diferite secțiuni ale motorului
*T = temperatura frânată în diferite secțiuni ale motorului
* p = presiunea frânată în diferite secțiuni ale motorului
α = coeficientul de exces de aer
cπ = raportul de comprimare
T δ = raportul de destindere în turbină
cη = randamentul compresorului
T η = randamentul turbinei
CAξ = coeficient de pierdere de energie termică în camera de ardere
3 A = aria secțiunii 3 (ieșirea din statorul turbinei) a motorului
5 A = aria secțiunii 5 (ieșirea din ajutajul de reacție) a motorului
3'α = unghiul de fixare al bordului de fuga al statorului
1n D = diametrul secțiunii 1 de intrare în motor
Z = numărul de trepte ale compresorului
1aλ = numărul lui Ceaplighin corespunzător vitezei axiale în secțiunea 1 a motorului
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
4
# Inluența e!cesului de aer asupra perormanțelor turbomotoarelor
#$# %olul e!cesului de aer asupra combustiei
Amestecul combustibil-aer trebuie să aibă o combinație fixă, astfel încât să poată fi menținută o
flacără stabilă. Flacăra începe imediat la intrarea în camera de ardere. Parții din spate a frontului
flăcării îi este permis sa progreseze pentru a asigura arderea cat mai completă a combustibilului.
Pe măsură ce flacăra devine mai fierbinte atunci când amestecul sărăcește, din cauza formei
camerei de ardere, fluxul este accelerat spre spatele camerei. Este necesară o diferență de presiune
pentru mișcarea gazelor de ardere către spatele motorului și nu înapoi in față. Procesul de combustie
implică mai puțin de 25% din aer, la unele motoare chiar mai puțin de 12%, restul acționând ca un
absorbant al căldurii combustibilului ars.
Camera de ardere dintr-un motor cu reacție este expusă continuu la temperatura de vârf a flăcării
și funcționează la o presiune suficient de mare ca raportul stoichiometric aer-combustibil să o poată
topi împreună cu totul din aval. Însă, motoarele cu reacție funcționează cu un amestec foarte sărac
în combustibil, atât de sărac că, în mod normal, nu poate întreține combustia. Un miez central de
debit (debitul de aer primar) este amestecat cu combustibil suficient pentru a arde cu ușurință.
Tuburile de flacără sunt modelate cu grijă pentru a menține un strat de aer proaspăt nears între
suprafețele metalice și miezul central. Acest aer nears (fluxul de aer secundar) se amestecă în gazele
arse pentru a aduce temperatura la una pe care turbina o poate tolera.
(sursa: Wikipedia)
Stabilitatea combustiei este definită prin abilitatea procesului de combustie de a se auto-susține
continuu. Combustia stabilă, eficientă, se poate pierde dacă amestecul aer-combustibil devine atât
de sărac că temperatura și rata reacției scade sub nivelul necesar pentru a încălzi și vaporiza
combustibilul injectat în aer. O astfel de situație cauzează stingerea procesului de combustie. O
ilustrare a sensibilității stabilității arderii față de debitul de aer, viteză și presiune în funcție de
excesul de aer este arătată în figura (1).
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
5
2 M v p⋅&
Figura 1: Caracteristica stabilității arderii, excesul de aer
#$& "alculul e!cesului de aer 'n uncție de temperatura
Bilanțul energiei din volumul de control dedus in Anexa 2 este:
* *0ga e a CA c
M h M h Pci M ξ = + ⋅ ⋅& & & (1.1)
Se adimensionalizează ecuația de conservare a energiei, împărțind-o prin a M & , debitul de aer care
traversează motorul, și obținem:
* *0(1 )c e CA c
m h h Pci mξ + = + ⋅ ⋅ , unde
cc
a
M m
M =
&
&
(1.2)
* *0
*e
c
CA e
h hm
Pci hξ
−⇒ =
⋅ − (1.3)
Excesul de aer este definit de raportul:
1
min mina
c c
M
M L m Lα = =
⋅ ⋅
&
& (1.4)
Gazele de ardere sunt formate din aer in exces și din produși de ardere.
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
6
Notam:
an
an
ga
M x
M =
&
&, unde minan a c M M M L= −& & &
si
pa
pa
ga
M x
M =
&
&, unde min pa c c M M M L= +& & &
1 min
1an c
an
ga c
M m L x
M m
−= =
+
&
&
(1 min )
1 pa c
pa
ga c
M m L x
M m
+= =
+
&
&
* * *3 3( ) ( )e an an pa st h x h T x h T = ⋅ + ⋅ ,
undest h este entalpia frânata stoechiometrica a produșilor de ardere.
* * *3 3(1 ) (1 min ) ( ) (1 min ) ( )e c c an c st
h m m L h T m L h T + = − ⋅ + + ⋅ (1.5)
Egalând relațiile (1.2) cu (1.5), obținem:
* * *0 3 3(1 min ) ( ) (1 min ) ( )CA c c an c st h Pci m m L h T m L h T ξ + ⋅ ⋅ = − ⋅ + + ⋅ (1.6)
* *0
* * *3 3 3min ( ( ) ( )) ( )
anc
CA an st st
h hm
Pci L h T h T h T ξ
−=
⋅ − − − (1.7)
Înlocuind în (1.4) obținem:
* * *3 3 3
* *0
min ( ( ) ( )) ( )
( ) minCA an st st
an
Pci L h T h T h T
h h L
ξ α
⋅ − − −=
− ⋅ (1.8)
Înlocuind 43.000 / Pci kJ kg= , 0,93CA
ξ = , min 14, 67 L = kg aer/1kg combustibil, se obține:
7 * * *3 3 3
* *0
4 10 14,67( ( ) ( )) ( )
( ) 14,67an st st
an
h T h T h T
h hα
⋅ − − −=
− ⋅
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
7
#$( Perormanțele )*% 'n uncție de coeicientul de e!ces de aer
Creșterea excesului de aer este posibilă fie prin creșterea debitului de aer relativa debitului de
combustibil, fie prin scăderea mai rapida a debitului de combustibil raportat la debitul de aer.
Pe măsură ce excesul de aer crește, rata de reacție și temperatura *3T scad, odată cu eficiența
procesului de ardere.
Direct afectată de aceste scăderi este forța de tracțiune dezvoltată (Anexa 1),
5 5 5( )t g a H F M C M V A p p∞= − + −& & (1.9)
care pornind de la un maxim dat de arderea stoichiometrica scade continuu pe măsură ce excesul
de aer crește, după cum este arătat în Figura 1:
Figura 1: Forța de tracțiune în funcție de coeficientul de exces de aer
Consumul specific, considerat ca fiind debitul de combustibil orar raportat la forța de tracțiune
3600 c
t
M Csp
F
⋅=
&
(1.10)
va avea următoarea evoluție:
0 2 4 6 80
1 104
×
2 104
×
3 104
×
4 104
×
Ftz
αz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
8
Figura 2: Consumul specific de combustibil în funcție de coeficientul de exces de aer
Se observă din cele doua figuri că tracțiunea scade mai repede decât consumul specific, ceea ce
face ca alegerea plajei de valori în care să se situeze coeficientul de excesul de aer în funcționarea
motorului să se facă după utilizarea pe care o va avea: pentru un motor de aeronavă comercială se
va urmări un consum scăzut de combustibil, deci valoarea coeficientului de exces de aer va fi mare,
iar pentru un motor folosit în scopuri militare va prima interesul pentru forța de tracțiune, astfel
valoarea coeficientului de exces de aer va fi mică .
(Anexa 1)
De asemeni, urmărind graficul evoluției temperaturii *3T in funcție de variația coeficientului de
exces de aer, Figura 3, observam o scădere.
Figura 3: Evoluția temperaturii *3T în funcție de variația coeficientului de exces de aer
0 2 4 6 80.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
Cspz
α z
0 2 4 6 80
1 103
×
2 103
×
T3frhz
α z
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
9
Această variație a temperaturii *3T poate fi folosita la alegerea materialelor si a tehnologiilor de
fabricație a motorului, în funcție de coeficientul de exces de aer, cu implicații directe asupra
costurilor de producere a motorului.
& +voluția unui )*% cu coeicient de e!ces de aer constant
&$# )otivația alegerii legii de reglare
Stabilind o valoare fixă a coeficientului de exces de aer, se obțin câteva avantaje:
se asigura o ardere optimă a combustibilului, cu efecte pozitive în reducerea poluării
se menține un consum specific scăzut datorită arderii aproape complete a combustibilului
folosit
temperatura de lucru maxima este păstrata într-o zona sigura pentru motor
&$& Algoritmul de calcul
Pe baza datelor nominale tabelate ale unui motor ales sau obținute după un algoritm construit din
ecuații ale motorului ori estimate cu un software specific (se poate alege EngineSim de pe site-ul
NASA, http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/ngnsim.html) și folosind formula 1.8,
aflăm valoarea coeficientului nominal pentru excesul de aer si apoi pentru diverse altitudini si
viteze.
Din ecuația bilanțului energetic
( )1C T cl l m= + , obținem (2.0)
1'*
3' 1*
1 ' 1
1 1 11 1
min
k
k pc T
k
c pk T
cT
T L c
π η
η α δ
−
−
+
− = + − ⋅
(2.1)
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
10
Formula uzuala de aflare a *3T este:
1
* * *3 2 1
11
min min
k
k ca c ca
p c p
Pci PciT T T
c L c L
ξ π ξ
α η α
− − = + = + + ⋅ ⋅
(2.2)
Înlocuind 2.2 în 2.3 obținem formula de lucru pentru *3T :
*1
*3
'
' 1' 1
min
1 11 1 1
min
ca
p
p
T k
pk T
PciT
c LT
c
L c
ξ
α
η α
δ −
+
+⋅
=
− + − ⋅
(2.3)
Raportul de destindere in turbină este calculat cu formula:
'
'
2
15
3 3'sinT
A
A
ν
ν
δ α
+ =
⋅ (2.4)
obținută din egalitatea:
( ) ( )g gturbina ajutaj
M M =& &
unde
'ν este coeficientul politropic considerat constant, în funcție de care este aproximata destinderea.
Din egalitatea:
(1 )g a c M M m= +& & , unde
*1
1 1 1*1
sin ( ) ( )daa
p M A q K k
RT
σ α λ
⋅=& ,
*3
3 3 3*3
sin ( ) ( )cag
p M A q K k
RT
σ α λ
⋅′ ′ ′ ′=&
1
mincm Lα
=⋅
,
112
( )1
k
k
K k k k
+
− =
+ , * * *
3 1ca c p pσ π =
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
11
găsim
*31 1 1*
3 3' 1
sin ( ) 11
sin ( ') minc
T A q K k
A K k L T
α π
α α
⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ +
⋅ ⋅ (2.5)
Utilizând din nou formula 2.1, aflăm și valorile pe care la ia randamentul compresorului:
1
'*3
' 1*1 ' 1
1
1 11 1
min
k
k c
c
pT
k
pk T
cT
T L c
π η
η
α δ
−
−
+
−=
+ − ⋅
(2.6)
Odată aflat randamentul, din ecuația caracteristică a compresorului, aflam turația ca fiind valoarea
pozitiva obținută din rezolvarea ecuației de gradul 2:
22 * 1
11
*1
12
2 * 1111
*1
0,91
60
0,91
60
k pn k
c
ca
k an pnn n k
cn
n cnn
cT Dn
n Z T
cT n D
n Z T
π π
η λ
λ π
π η
−
−
⋅ ⋅ − − ⋅ = ⋅ ⋅ − − ⋅
(2.7)
Debitul de aer se obtine după formula prezentata mai sus:
*1
1 1 1*1
sin ( ) ( )a
p M A q K k
RT α λ =& (2.8)
În final, forța de tracțiune este calculată după formula (aflată în anexa 1):
5 5 5( )t g a H F M C M V A p p∞= − + −& & (2.9)
unde
; H
V M V M kRT
a
∞∞ ∞ ∞
∞
= =
Parametrii din secțiunea 5 sunt critici:
* * ** 3 1
5 4
2 2 2
1 1 1
k k k
k k k ca c
T T
p p p p
k k k
σ π
δ δ
′ ′ ′
′ ′ ′ = ⋅ = ⋅ = ′ ′ ′+ + +
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
12
*3*
5 4 1
2
2 2
1 1T
RT k k C RT
k k ν
ν δ ′−
′
′ ′= =
′ ′+ +
Iar consumul specific după formula 1.9:
3600 c
t
M Csp
F
⋅=
&
(2.10)
2.3 Variația parametrilor MTR pe intervale de altitudine și viteză
Simularea motorului în condițiile păstrării unui exces de aer constant duce la rezultatele de mai jos.
Calculul parametrilor se face pentru altitudinile de 1000m, 4000m, 7000m si 10.000m, cu viteza
variind între 0.22 si 1.4 Mach.
Temperatura *3T crește permanent pe măsura ce crește viteza:
0 0.5 1 1.5900
1 103
×
1.1 103
×
1.2 103
×
1.3 103
×
T3fri 1,
T3fri 2,
T3fri 3,
T3fri 4,
M i
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
13
Raportul de comprimare crește până la un maxim, după care în supersonic descrește:
De asemeni, randamentul crește mult în regim sub-sonic și începe să descrească la viteză mare.
Odată cu viteza, turația crește pentru a putea asigura fluxul de aer necesar:
0 0.5 1 1.55
10
15
20
πci 1,
πci 2,
πci 3,
πci 4,
Mi
0 0.5 1 1.50.4
0.6
0.8
1
ηci 1,
ηci 2,
ηci 3,
ηci 4,
Mi
0 0.5 1 1.50
5 103
×
1 104
×
1.5 104
×
ni 1,
ni 2,
ni 3,
ni 4,
Mi
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
14
După cum este de așteptat, odată cu creșterea vitezei si turației, debitul de aer creste continuu:
Forța de tracțiune dezvoltată are o variație importantă pe intervalul de viteza studiat. Ea pleacă de
la o valoare mica, suferă o creștere bruscă, atingând maximul în jurul valorii Mach 0,65 din
exemplul studiat. După atingerea punctului de maxim, scăderea în valoare este destul de rapidă.
Consumul specific are un comportament invers, scăzând într-o primă etapă scurtă, atinge un punct
de minim, după care începe sa crească ușor. Creșterea este mult accentuată odată cu intrarea în
regim supersonic (unitatea de măsură pentru consum din grafic kg/kN).
0 0.5 1 1.50
10
20
30
40
50
Mai 1,
Mai 2,
Mai 3,
Mai 4,
Mi
0 0.5 1 1.50
2 103
×
4 103
×
6 103
×
Fti 1,
Fti 2,
Fti 3,
Fti 4,
Mi
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
15
( Studiu comparativ al motoarelor uncțion,nd cu legea de reglaj
-./constant0
Se consideră patru serii de motoare turboreactoare, monorotor, având o arhitectură similară,
diferențele dintre ele fiind temperatura nominală *3nT și gradul de comprimare nominal
cnπ . În
cadrul fiecărei serii, temperatura *3nT este aceeași, gradul de comprimare fiind variabil.
Pentru a putea urmări diferențele pe grafice unitare, intervalele luate sunt relativ mici.
Ipoteze de lucru:
- Temperaturile de lucru *3nT pornesc de la 1.1500C, în pași de cate 500C: 1.2000C, 1.2500C,
1.3000C.
- Gradul de comprimarecn
π pornește de la 6 si progresează in 200 de pași de 0.1 pana la 8.
- Pentru toate motoarele înălțimea și viteza nominala de zbor coincid (se aleg
min 10.000 zbor no al H m= și min 0,95no al M = .
- Presiunea și temperatura exterioara se fixează pentru o anumita înălțime de zbor,
10.000 zbor H m= in simulare. Viteza de zbor, se alege la o valoare ușor de atins ( 0,6 zbor M =
in simulare).
- Aria 1 A de admisie în motor este considerata constantă ( 21 0,15 A m= ). De asemeni, se
considera constanți pentru toate motoarele următorii parametri: turația nominală
0 0.5 1 1.50
1
2
3
Cspi 1,
Cspi 2,
Cspi 3,
Cspi .4,
Mi
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
16
( )15.000 / minnn rot = , randamentul nominal al compresorului și turbinei ( ),cn Tnη η ,
coeficienții de pierdere de presiune totală și de energie termica din camera de ardere
( ),ca caσ ξ , unghiurile de fixare al bordului de fuga ale aparatului director și statorului
( )1 3',α α , coeficientul de pierdere de presiune totală în dispozitivul de admisie ( )daσ .
($# Algoritm de calcul
Pentru ca următoarele mărimi sunt constante:
1
1
.
.
.da
A ct
ct
ct
α
σ
=
=
=
și de asemeni viteza și înălțimea de zbor, se observa ca debitele de aer admise în secțiunea 1 A
sunt constante
*1
1 1 1*1
sin ( ) ( ) .daa
p M A q K k ct
RT
σ α λ
⋅= =&
În continuare, având 1 . A ct = și .a M ct =& se obțin turațiile .n ct =
Excesul de aer, pentru fiecare motor în parte se afla după formula 1.8:
* * *3 3 3
* *0
min ( ( ) ( )) ( )
( ) minCA an st st
an
Pci L h T h T h T
h h L
ξ α
⋅ − − −=
− ⋅
Egalat cu excesul de aer din formula 2.5, dă valoarea ariei secțiunii 3:
*31 1 1
3' *3' 1
sin ( ) 11
sin ( ') minc
T A q K k A
K k L T
α
π α α
⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ +
⋅ ⋅ (3.1)
Aria secțiunii 5 A se găsește egalând debitul din secțiunea 3 cu cel din secțiunea 5:
( )
2 '
' 1*
3
5 ' 1* * 2 '
3' 3'
11
min
( ') sin
a a n
H cn ca
M R T L
A
p K k A
ν
ν
ν
ν
α
π σ α
−
+
⋅ + ⋅ ⋅ =
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
&
(3.2)
Din 2.4 se găsește imediat raportul de destindere în turbină T δ .
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
17
Utilizând formulele 2.5 si 2.6 se obțin gradele de comprimare cπ și randamentele compresorului
cη
de lucru, reale. Turația constanta se verifică cu valorile obținute prin rezolvarea ecuației 2.7.
Ca și la capitolul 2, forța de tracțiune și consumul specific se află folosind ecuațiile 2.9 si 2.10.
($& "omportamentul motoarelor propuse1 uncțion,nd după legea de reglaj
-./constant0
Excesul de aer: pe măsură ce temperatura nominală *3nT crește, excesul de aer pe care motoarele îl
suportă, respectând legea de reglaj, scade. Odată cu creșterea gradului de comprimare cnπ , crește și
excesul de aer admis de motoare.
Ariile 3' A și 5 A necesare secțiunilor 3 și 5: cresc ușor odată cu creșterea temperaturii *3nT și scad
asimptotic pe măsură ce raportul de comprimare crește.
5 10 15 202
3
4
5
6
αnz 1,
αnz 2,
αnz 3,
αnz 4,
πcnz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
18
Temperatura *3T de lucru:
Motoarele intră in domeniul de temperaturi *3T posibile de funcționare la diferite valori ale
rapoartelor de comprimare.
Astfel:
- Seria 1 * 03( 1.000 )nT C = intră în plaja de temperaturi acceptate la valori ale gradului de
comprimare de peste 15
- Seria 2 * 03( 1.050 )nT C = intră în plaja de temperaturi acceptate la valori ale gradului de
comprimare de peste 17,1
- Seria 3 * 03( 1.100 )nT C = intră în plaja de temperaturi acceptate la valori ale gradului de
comprimare de peste 19,6
- Seria 4 * 03( 1.150 )nT C = intră în plaja de temperaturi acceptate la valori ale gradului de
comprimare de peste 22,3
5 10 15 200.02
0.04
0.06
0.08
0.1
A5z 1,
A5z 2,
A5z 3,
A5z 4,
πcnz
5 10 15 200.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
A3z 1,
A3z 2,
A3z 3,
A3z 4,
πcnz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
19
0 10 20 30800
1 103
×
1.2 103
×
1.4 103
×
1.6 103×
T3frz 1,
T3frz 2,
T3frz 3,
T3frz 4,
πcnz
Pentru motoarele cu temperaturile nominale *3nT mai ridicate, gradele de comprimare necesare
pentru a intra in domeniul de temperatura *3T de lucru posibil, sunt mai mari.
De asemeni, la creșterea suplimentară a gradului de comprimare, temperatura *3T de lucru a
motorului scade.
Randamentul compresoruluicη
Motoarele ies din domeniul posibil al randamentului la diferite valori ale rapoartelor de
comprimare. Se consideră ca limita maximă realizabilă a randamentului mecanic al compresorului
este 0,95cη = .
Astfel:
- Seria 1 * 03( 1.000 )nT C = iese din domeniul de valori acceptate ale randamentului mecanic
la valori ale gradului de comprimare de peste 17.
- Seria 2 * 03( 1.050 )nT C = iese din domeniul de valori acceptate ale randamentului mecanic
la valori gradului de comprimare de peste 19.
- Seria 3 * 03( 1.100 )nT C = iese din domeniul de valori acceptate ale randamentului mecanic
la valori gradului de comprimare de peste 22.
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
20
- Seria 4 * 03( 1.150 )nT C = iese din domeniul de valori acceptate ale randamentului mecanic
la valori gradului de comprimare de peste 24,3.
Motoarele cu temperaturile nominale *3nT mai scăzute, ies mai repede, la grade mai mici de
comprimare din domeniul realizabil al randamentului.
Scăderea gradului de comprimare duce și la scăderea randamentului motoarelor.
Turația:
Motoarele cu temperaturile nominale mari necesita o tura ție mai scăzută decât cele cu temperaturilenominale mici.Cele cu gradele de comprimare mari impun o tura ție crescuta.
0 10 20 300
0.5
1
1.5
ηcz 1,
ηcz 2,
ηcz 3,
ηcz 4,
0.95
πcnz
0 10 20 306.386 10
3×
6.388 103
×
6.39 103
×
6.392 103
×
6.394 103
×
6.396 103
×
n2z 1,
n2z 2,
n2z 3,
n2z 4,
πcnz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
21
Forța de tracțiune t F :
Și în cazul reglării motoarelor pentru a funcționa cu exces de aer constant, creșterea ambilor
parametrii ai motoarelor *3nT și
cnπ duce și la creșterea tracțiunii.
Se observă pentru motoare cu un grad de comprimarecn
π mic, de pana la 10, influența temperaturii
nominale din camera de ardere *3nT nu este importantă, variațiile forței de tracțiune fiind mici.
La motoarele cu grad de comprimare nominal mare, temperatura nominala *3nT ridicată la care sa
funcționeze motorul duce la un spor semnificativ al tracțiunii.
Totuși gradele de comprimare mai mari de 25-30 aduc sporuri mici de tracțiune.
Consumul specific spC :
Pentru motoare cu raport de comprimare nominal mare consumul specific scade. Similar graficului
de la forța de tracțiune, se observă ca pentru motoarele cu uncn
π mare, valoarea temperaturii
nominale *3nT are o influență mare asupra consumului specific.
Un raport de comprimare nominal mai mare de 25-30 apare ca nejustificat din punct de vedere al
consumului specific, în condițiile funcționarii motorului după legea de reglaj „α=constant”.
0 10 20 301 10
3×
2 103
×
3 103
×
4 103
×
Ftz 1,
Ftz 2,
Ftz 3,
Ftz 4,
πcnz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
22
($( "onclu2ii privind comportamentul motoarelor cu *3nT și
cnπ dierite
Valoarea excesului de aer este mai mică la motoarele care au temperatura nominala *3nT mai mare.
O valoare α mărita o au motoarele care au un grad de comprimare nominalcnπ mare.
Pentru fiecare serie de motoare cu temperaturi nominale *3nT egale, funcționând după legea de reglaj
„α=constant” se observă anumite intervale de grade de comprimare nominalecn
π posibile. Limitele
inferioare sunt date de temperaturile *3T de lucru peste cele admise iar limitele superioare sunt data
de valorile maxime posibil de atins ale randamentelor:
- Seria 1 * 03( 1.050 )nT C = are domeniul posibil pentru gradul de comprimare între 12,4 și 18,1.
- Seria 2 * 03( 1.100 )nT C = are domeniul posibil pentru gradul de comprimare între 14,3 și 20,1.
- Seria 3 * 03( 1.150 )nT C = are domeniul posibil pentru gradul de comprimare între 16,5 și 22,1.
- Seria 4 * 03( 1.200 )nT C = are domeniul posibil pentru gradul de comprimare între 18,9 și 24,4.
0 10 20 300
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Cspz 1,
Cspz 2,
Cspz 3,
Cspz 4,
πcnz
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
23
Se observă ca pe măsură ce temperatura nominală *3nT este mai mare, mărimea intervalului de grade
de comprimare care fac posibilă funcționarea după legea de reglaj „α=constant” este constantă.
0
1
2
3
4
5
6
1 1
1 1
. 6
1 2
. 2
1 2
. 8
1 3
. 4
1 4
1 4
. 6
1 5
. 2
1 5
. 8
1 6
. 4
1 7
1 7
. 6
1 8
. 2
1 8
. 8
1 9
. 4
2 0
2 0
. 6
2 1
. 2
2 1
. 8
2 2
. 4
2 3
2 3
. 6
2 4
. 2
2 4
. 8
2 5
. 4
2 6
2 6
. 6
2 7
. 2
2 7
. 8
nter!ale ale !alorilor gradelor de com"rimare
"entru fiecare serie de motoare studiata
#legea de reglare alfa$ct.%
1050 1100 1150 1200
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1&000.00
1&200.00
1&400.00
1 1
1 1
. 7
1 2
. 4
1 3
. 1
1 3
. 8
1 4
. 5
1 5
. 2
1 5
. 9
1 6
. 6
1 7
. 3 1 8
1 8
. 7
1 9
. 4
2 0
. 1
2 0
. 8
2 1
. 5
2 2
. 2
2 2
. 9
2 3
. 6
2 4
. 3 2 5
2 5
. 7
2 6
. 4
2 7
. 1
2 7
. 8
'em"eraturi '3 de lucru ale seriilor de motoare
studiate in functie de gradul de com"rimare
#legea de reglare alfa$ct.%
1050 1100 1150 1200
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
24
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1 1
1 1
. 6
1 2
. 2
1 2
. 8
1 3
. 4
1 4
1 4
. 6
1 5
. 2
1 5
. 8
1 6
. 4
1 7
1 7
. 6
1 8
. 2
1 8
. 8
1 9
. 4
2 0
2 0
. 6
2 1
. 2
2 1
. 8
2 2
. 4
2 3
2 3
. 6
2 4
. 2
2 4
. 8
2 5
. 4
2 6
2 6
. 6
2 7
. 2
2 7
. 8
(andamentele ale seriilor de motoare studiate
#legea de reglare alfa$ct.%
1050 1100 1150 1200
0
1
2
3
4
5
6
1 1
1 1
. 6
1 2
. 2
1 2
. 8
1 3
. 4 1 4
1 4
. 6
1 5
. 2
1 5
. 8
1 6
. 4 1 7
1 7
. 6
1 8
. 2
1 8
. 8
1 9
. 4 2 0
2 0
. 6
2 1
. 2
2 1
. 8
2 2
. 4 2 3
2 3
. 6
2 4
. 2
2 4
. 8
2 5
. 4 2 6
2 6
. 6
2 7
. 2
2 7
. 8
)aloarea excesului de aer constant "entru
motoare la diferiti "arametri '3 si *c nominali
1050 1100 1150 1200
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
25
3 Posibilități de menținere la valoare constantă a coeicientului de e!ces
de aer$ Avantaje și de2avantaje
3$# Posibilități teoretice
Pornind de la formula 1.4
1
min mina
c c
M
M L m Lα = =
⋅ ⋅
&
&, unde c
c
a
M m
M =
&
&
identificăm că modul de păstrare a excesului de aer constant este variația proporțională a debitelor
de aer și de combustibil.
Metodele de a realiza variația proporțională a debitelor în practică sunt prin controlul unuia sau
mai multor factori de reglare:
- reglarea debitului de combustibil în funcție de creșterea/scăderea debitului de aer
- prestabilirea unui debit minim, care va fi păstrat la aceeași valoare pe întreaga evoluție a
motorului sub aceasta lege de reglare. In acest caz, debitul de combustibil va rămâne și el
constant. Debitul minim este obținut prin introducerea unei clapete de evacuare a aerului
din compresor, care se închide sau se deschide in funcție de variația debitului din secțiunea
de intrare in compresor. Metoda coincide cu variația ariei 1 A , *1 p și *
1T din formula 2.8.
- combinația dintre cele doua metode.
Analizând formula debitului
*1
1 1 1*1
sin ( ) ( )a
p M A q K k
RT α λ =&
pot fi imaginate metode alternative care pot fi experimentate, dar nu sunt studiate în această lucrare:
- care se bazează pe aria 1 A a secțiunii de admisie variabilă
controlul debitului prin aria secțiunii de admisie A
- care se bazează pe controlul unghiului 1α pe care viteza aerului 1c il face cu viteza
tangențială a primei trepte de compresor
controlul debitului prin palete de stator variabile
- care se bazează pe variația densității aerului datorită următoarei dezvoltări:
Studiul unui motor turboreactor cu legea de reglaj coeficientul de exces de aer constant
26
** * * * *11 1 1 1 1*
1
p p RT RT
RT ρ ρ = ⇒ =
obținem:
* *1 1 1 1 1sin ( ) ( )a M RT A q K k ρ α λ =&
controlul debitului prin injecție de apă in motor
- care se bazează pe modificarea *1 p
controlul debitului prin folosirea unui ejector cu factor de ejecție variabil
3$& Un actor de reglare4 utili2area reglării debitului de combustibil mc
Factor de reglare: debitul de combustibil, mc.
Parametri reglați: excesul de aer α , turația n și indirect temperatura *3T (depinde de α )
Realizare: prin folosirea unui mecanism automat care în funcție de temperatura *1T data de un