PropulsioneAerospaziale e navale

Turbina a gas / motore a reazione

Un turbogetto monoalbero sul ciclo Brayton — mappa del compressore, bilancio di lavoro tra combustore e turbina, spinta dell’ugello, la modalità di guasto da pompaggio in accelerazione e il calo di prestazioni fuori progetto in quota, il tutto derivato dai principi primi.

DjiniousLabModellazione e simulazione

Una mappa del compressore — rapporto di pressione rispetto alla portata massica corretta, con linee di velocità, una linea di pompaggio che delimita una zona di pompaggio ombreggiata e la linea di funzionamento che attraversa i punti operativi restando in sicurezza al di sotto di essa

spinta di progetto (SL statica): 19,2 kNspinta di progetto (SL statica)
TSFC mg/N·s: 23.8TSFC mg/N·s
rendimento termico: 47.3%rendimento termico
temperatura di ingresso turbina: 1600 Ktemperatura di ingresso turbina
margine di pompaggio di progetto: 25.8%margine di pompaggio di progetto
notebook di progettazione: 10notebook di progettazione

Un motore a reazione, dal ciclo al pompaggio.

Il ciclo Brayton che alimenta ogni motore a reazione e ogni centrale a turbina a gas, modellato come un turbogetto monoalbero: l’aria viene compressa, il combustibile bruciato, il gas espanso attraverso una turbina che aziona il compressore, e il resto scaricato attraverso un ugello per generare spinta. I notebook lo costruiscono stazione per stazione, tracciano la mappa del compressore, trovano il punto di progetto, portano l’albero in velocità ed entrano — per poi uscirne — nella modalità di guasto che definisce il controllo del motore: il pompaggio del compressore.

Cinque stazioni, un solo albero.

L’aria entra nella presa, il compressore ne moltiplica la pressione per dodici, il combustore brucia il combustibile fino a 1600 K, la turbina espande il gas per azionare il compressore e l’ugello accelera ciò che resta fino a quasi un chilometro al secondo di scarico. Il punto di modellazione che rende un modello di turbogetto corretto oppure inutile: la turbina preleva solo l’entalpia sufficiente ad azionare il compressore — il bilancio di lavoro — lasciando così un ampio salto di pressione per l’ugello e quindi una spinta reale. Se si impone direttamente l’espansione in turbina, l’ugello non ha nulla su cui lavorare e il motore non produce spinta; se la si ricava dal lavoro del compressore, il punto di progetto si attesta a 19,2 kN con un consumo di combustibile da manuale di 23,8 mg/N·s.

Un diagramma temperatura-entropia del ciclo Brayton, ideale rispetto a reale, con l’area di lavoro perso compresa tra i due — Il ciclo Brayton su un diagramma T-s: compressione, apporto di calore a pressione costante fino alla temperatura di ingresso turbina, espansione e scarico. Il divario tra il ciclo ideale e quello reale è il lavoro perso — l’inefficienza di compressore e turbina — che separa il 47% di rendimento termico dall’ideale reversibile.

Una mappa del compressore con linee di velocità, una linea di pompaggio che delimita una zona di pompaggio ombreggiata, la linea di funzionamento e i punti operativi — La mappa del compressore — il grafico che definisce il motore. Ogni curva è una linea a velocità costante; la linea di pompaggio delimita la zona ombreggiata in cui il flusso collassa; la linea di funzionamento attraversa i punti operativi su cui il motore si trova realmente, con un margine del 25,8% dal pompaggio. Tutto ciò che il motore fa è un percorso su questa mappa.

Perché i motori hanno una legge di accelerazione.

Se si spalanca la manetta, il motore può andare in pompaggio — un collasso violento del flusso che può causare uno spegnimento della fiamma o danneggiare la macchina. La causa è l’inerzia: un rapido aumento del combustibile fa impennare la temperatura di ingresso turbina mentre l’albero è ancora a bassa velocità, spingendo il punto operativo su per la linea di velocità e oltre la linea di pompaggio. Il modello lo riproduce esattamente — un’iniezione di combustibile non regolata fa crollare il margine di pompaggio a −59,6%, in pieno pompaggio — e mostra il rimedio adottato da ogni vero regolatore motore: una legge di accelerazione sulla portata di combustibile che mantiene il punto operativo sulla linea di funzionamento e tiene il margine a +23%.

Il luogo dei punti di accelerazione sulla mappa del compressore: un’accelerazione brusca salta in alto e attraversa la linea di pompaggio, mentre l’accelerazione pianificata resta sulla linea di funzionamento, lontano dal pompaggio — Accelerazione sulla mappa del compressore: l’iniezione di combustibile non regolata (viola) salta in alto a bassa velocità e attraversa la linea di pompaggio; l’accelerazione pianificata sul combustibile (verde) resta sulla linea di funzionamento, lontano dal pompaggio, fino alla piena potenza. La differenza tra questi due percorsi è la legge di accelerazione del motore.

Un carpet plot di progettazione del ciclo, spinta specifica rispetto al consumo specifico di combustibile, che individua il punto di progetto — Il carpet plot di progettazione del ciclo: spinta specifica rispetto al consumo di combustibile al variare del rapporto di pressione e della temperatura in turbina. Una temperatura più alta guadagna spinta specifica; un rapporto di pressione più alto guadagna rendimento; il punto di progetto è il compromesso scelto su questa superficie di trade-off.

Calo di spinta con la quota a Mach 0,8 — la spinta scende a circa un terzo del valore al livello del mare a 11 km — La realtà fuori progetto: la spinta scende al 35% del valore al livello del mare a 11 km man mano che l’aria si rarefà, mentre il numero di Mach di volo recupera parte della pressione tramite l’effetto ram. Lo stesso modello di ciclo che ha dimensionato il motore dice cosa esso eroga realmente in quota e velocità.

Ogni specifica è un numero che puoi rieseguire.

Il notebook di collaudo ridefinisce ogni requisito a partire dallo stesso modello del percorso gas che il programma costruisce.

Risultato

Spinta di progetto (SL statica): 19,2 kN
Consumo di combustibile (TSFC): 23,8 mg/N·s
Temperatura di ingresso turbina: 1600 K
Margine di pompaggio (accelerazione pianificata): +23,0%
Requisiti verificati: 5 / 5

Requisito

Spinta di progetto (SL statica): R-01
Consumo di combustibile (TSFC): R-02
Temperatura di ingresso turbina: ≤ limite
Margine di pompaggio (accelerazione pianificata): ≥ 0, iniezione brusca −59,6%
Requisiti verificati: PASS

Termodinamica 0-D, di livello progettuale.

Il motore è un modello monoalbero 0-D / quasi-stazionario, caratterizzato da una linea di funzionamento autoconsistente più una linea di pompaggio, anziché da una mappa componente misurata con beta-line; il fluido di lavoro è un gas ideale con calori specifici a freddo e a caldo; l’albero è concentrato; il punto di progetto è a livello del mare statico. Questa è esattamente la fedeltà di cui la progettazione preliminare del ciclo e la logica di controllo motore hanno bisogno per prime — dimensionare il ciclo, scegliere rapporto di pressione e temperatura in turbina, impostare la legge di accelerazione e verificare il calo in quota — sui tuoi numeri motore, prima di un modello completo di component matching o aerodinamico 3D. Basato su notebook; il ciclo è causale, quindi non c’è alcuna rete acausale da comporre.