Κινητήρας αερίου-στροβίλου, οποιοσδήποτε κινητήρας εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιεί αέριο ως υγρό λειτουργίας που χρησιμοποιείται για την περιστροφή στροβίλου. Ο όρος χρησιμοποιείται επίσης συμβατικά για να περιγράψει έναν πλήρη κινητήρα εσωτερικής καύσης που αποτελείται από τουλάχιστον έναν συμπιεστή, έναν θάλαμο καύσης και έναν στρόβιλο.
Γενικά χαρακτηριστικά
Χρήσιμη εργασία ή προωθητική ώθηση μπορεί να επιτευχθεί από έναν κινητήρα αεριοστροβίλου. Μπορεί να οδηγήσει μια γεννήτρια, αντλία ή έλικα ή, στην περίπτωση ενός κινητήρα αεριωθούμενου αεροσκάφους, να αναπτύξει ώθηση επιταχύνοντας τη ροή καυσαερίων του στροβίλου μέσω ενός ακροφυσίου. Μεγάλες ποσότητες ισχύος μπορούν να παραχθούν από έναν τέτοιο κινητήρα που, για την ίδια έξοδο, είναι πολύ μικρότερος και ελαφρύτερος από έναν παλινδρομικό κινητήρα εσωτερικής καύσης. Οι παλινδρομικοί κινητήρες εξαρτώνται από την κίνηση προς τα πάνω και προς τα κάτω ενός εμβόλου, το οποίο στη συνέχεια πρέπει να μετατραπεί σε περιστροφική κίνηση με διάταξη στροφαλοφόρου άξονα, ενώ ένας αεριοστρόβιλος παρέχει απευθείας περιστροφικό άξονα. Αν και εννοιολογικά ο κινητήρας αερίου-στροβίλου είναι μια απλή συσκευή, τα εξαρτήματα για μια αποτελεσματική μονάδα πρέπει να σχεδιάζονται προσεκτικά και να κατασκευάζονται από δαπανηρά υλικά λόγω των υψηλών θερμοκρασιών και των τάσεων που συναντώνται κατά τη λειτουργία. Έτσι, οι εγκαταστάσεις κινητήρα αερίου-στροβίλου περιορίζονται συνήθως σε μεγάλες μονάδες όπου γίνονται οικονομικά αποδοτικές.
Κύκλοι κινητήρα αερίου-στροβίλου
Ιδανικός απλός κινητήρας αερίου-στροβίλου ανοιχτού κύκλου
Οι περισσότεροι αεριοστρόβιλοι λειτουργούν σε έναν ανοιχτό κύκλο στον οποίο ο αέρας λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα, συμπιέζεται σε έναν φυγοκεντρικό ή συμπιεστή αξονικής ροής και στη συνέχεια τροφοδοτείται σε ένα θάλαμο καύσης. Εδώ, το καύσιμο προστίθεται και καίγεται σε μια ουσιαστικά σταθερή πίεση με ένα μέρος του αέρα. Επιπρόσθετος πεπιεσμένος αέρας, ο οποίος παρακάμπτεται γύρω από το τμήμα καύσης και στη συνέχεια αναμιγνύεται με τα πολύ καυτά αέρια καύσης, απαιτείται για να διατηρηθεί η έξοδος του θαλάμου καύσης (στην πραγματικότητα, η είσοδος του στροβίλου) αρκετά χαμηλή για να επιτρέψει στον στρόβιλο να λειτουργεί συνεχώς. Εάν η μονάδα πρόκειται να παράγει ισχύ άξονα, τα προϊόντα καύσης (κυρίως αέρας) επεκτείνονται στην τουρμπίνα σε ατμοσφαιρική πίεση. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής στροβίλου απαιτείται για τη λειτουργία του συμπιεστή. Μόνο το υπόλοιπο είναι διαθέσιμο για την τροφοδοσία άξονα σε γεννήτρια, αντλία ή άλλη συσκευή. Σε έναν κινητήρα αεριωθουμένων, ο στρόβιλος έχει σχεδιαστεί για να παρέχει αρκετή ισχύ για να οδηγεί τον συμπιεστή και τις βοηθητικές συσκευές. Το ρεύμα αερίου στη συνέχεια αφήνει τον στρόβιλο σε μια ενδιάμεση πίεση (πάνω από την τοπική ατμοσφαιρική πίεση) και τροφοδοτείται μέσω ενός ακροφυσίου για να παράγει ώθηση.
Ένας ιδανικός κινητήρας αερίου-στροβίλου που λειτουργεί χωρίς απώλειες σε αυτόν τον απλό κύκλο Brayton θεωρείται πρώτος. Εάν, για παράδειγμα, αέρας εισέλθει στον συμπιεστή στους 15 ° C και ατμοσφαιρική πίεση και συμπιεστεί σε ένα megapascal, τότε απορροφά θερμότητα από το καύσιμο σε σταθερή πίεση έως ότου η θερμοκρασία φτάσει τους 1.100 ° C πριν από την επέκταση μέσω του στροβίλου πίσω στην ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η εξιδανικευμένη μονάδα θα απαιτούσε έξοδο στροβίλου 1,68 kilowatt για κάθε kilowatt ωφέλιμης ισχύος με 0,68 kilowatt να απορροφηθεί για την κίνηση του συμπιεστή. Η θερμική απόδοση της μονάδας (καθαρή εργασία που παράγεται δια της ενέργειας που προστίθεται μέσω του καυσίμου) θα είναι 48 τοις εκατό.
Πραγματική απλή απόδοση ανοιχτού κύκλου
Εάν για μια μονάδα που λειτουργεί μεταξύ των ίδιων ορίων πίεσης και θερμοκρασίας, ο συμπιεστής και ο στρόβιλος είναι αποδοτικοί μόνο κατά 80% (δηλαδή, η εργασία ενός ιδανικού συμπιεστή ισούται με 0,8 φορές την πραγματική εργασία, ενώ η πραγματική έξοδος στροβίλου είναι 0,8 φορές η ιδανική έξοδος), η κατάσταση αλλάζει δραστικά ακόμα κι αν όλα τα άλλα εξαρτήματα παραμένουν ιδανικά. Για κάθε παραγόμενη kilowatt καθαρής ισχύος, η τουρμπίνα πρέπει τώρα να παράγει 2,71 kilowatt, ενώ η εργασία του συμπιεστή γίνεται 1,71 kilowatt. Η θερμική απόδοση μειώνεται στο 25,9 τοις εκατό. Αυτό δείχνει τη σημασία των πολύ αποδοτικών συμπιεστών και των στροβίλων. Ιστορικά, ήταν η δυσκολία σχεδιασμού αποτελεσματικών συμπιεστών, ακόμη και περισσότερο από αποδοτικών στροβίλων, που καθυστέρησαν την ανάπτυξη του κινητήρα αερίου-στροβίλου. Οι σύγχρονες μονάδες μπορούν να έχουν απόδοση συμπιεστή 86-88 τοις εκατό και απόδοση τουρμπίνα 88-90 τοις εκατό σε συνθήκες σχεδίασης.
Η απόδοση και η ισχύς μπορούν να αυξηθούν αυξάνοντας τη θερμοκρασία εισόδου του στροβίλου. Όλα τα υλικά χάνουν αντοχή σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, ωστόσο, καθώς τα πτερύγια του στροβίλου ταξιδεύουν σε υψηλές ταχύτητες και υπόκεινται σε σοβαρές φυγοκεντρικές καταπονήσεις, οι θερμοκρασίες εισόδου στροβίλου άνω των 1.100 ° C απαιτούν ειδική ψύξη λεπίδας. Μπορεί να αποδειχθεί ότι για κάθε μέγιστη θερμοκρασία εισόδου στροβίλου υπάρχει επίσης μια βέλτιστη αναλογία πίεσης. Οι σύγχρονοι αεριοστρόβιλοι αεροσκαφών με ψύξη λεπίδων λειτουργούν σε θερμοκρασίες εισόδου στροβίλου άνω των 1.370 ° C και σε αναλογίες πίεσης περίπου 30: 1.
