Kaasuturbiinimoottorin työntövoima - Gas turbine engine thrust
Tuttu tutkimus suihkukonetta kohtelee jet työnnön "mustan laatikon" kuvauksessa vain tarkastellaan, mitä menee suihkumoottorin , ilman ja polttoaineen, ja mitä tulee ulos, pakokaasujen ja epätasapainoinen voima. Tämä voima, jota kutsutaan työntövoimaksi, on sisääntulon ja poistumisen välisen momenttieron ja mahdollisen sisäänmenon ja poistumisen välisen epätasapainoisen paineen voiman summa, kuten "työntövoiman laskennassa" selitetään.
Esimerkkinä varhainen turbomoottori, Bristol Olympus Mk. 101, työntövoima oli 9300 paunaa ja painevoima 1800 paunaa, mikä antoi yhteensä 11 100 paunaa. "Mustan laatikon" sisälle katsominen osoittaa, että työntövoima johtuu kaikista itse moottorissa syntyvistä epätasapainoisista momenteista ja paineista . Nämä voimat, jotkut eteenpäin ja toiset taaksepäin, ovat kaikkien sisäisten osien, sekä paikallaan että pyörivien, kuten kanavien, kompressorien jne. Poikki, jotka ovat primäärisessä kaasuvirrassa, joka virtaa moottorin läpi edestä taakse. Kaikkien näiden voimien algebrallinen summa toimitetaan lentokoneen rungossa työntövoimaa varten. "Lento" antaa esimerkkejä näistä sisäisistä voimista kahdelle varhaisen suihkumoottorille, Rolls-Royce Avon Ra.14: lle ja de Havilland Goblinille
Työntövoiman siirtäminen ilma-alukseen
Moottorin työntövoima vaikuttaa moottorin keskilinjaa pitkin. Ilma-alus "pitää" moottoria moottorin ulkovaipassa tietyllä etäisyydellä moottorin keskiviivasta (moottorin kiinnikkeissä). Tämä järjestely saa moottorin kotelon taipumaan (tunnetaan rungon taivutuksena) ja pyöreät roottorin kotelot vääristyvät (soikea). Moottorin rakenteen vääristymiä on hallittava sopivilla asennuspaikoilla, jotta roottorin ja tiivisteen välykset pysyvät hyväksyttävinä ja hankautuminen estetään. Hyvin julkistettu esimerkki liiallisesta rakenteellisesta muodonmuutoksesta tapahtui alkuperäisen Pratt & Whitney JT9D -moottorin asennuksen yhteydessä Boeing 747 -koneeseen . Moottorin kiinnitysjärjestelyä oli tarkistettava lisäämällä ylimääräinen painerunko kotelon taipumien vähentämiseksi hyväksyttävään määrään.
Roottorin työntövoima
Painelaakerin roottorin työntövoima ei liity moottorin työntövoimaan. Se voi jopa muuttaa suuntaa joillakin kierrosluvuilla. Laakerin kuormitus määräytyy laakereiden käyttöiän perusteella. Vaikka kompressorin ja turbiinin siipien aerodynaamiset kuormitukset vaikuttavat roottorin työntövoimaan, ne ovat pieniä verrattuna roottorin sisällä oleviin ontelokuormituksiin, jotka johtuvat toisioilmajärjestelmän paineista ja levyjen tiivistehalkaisijoista jne. Kuorman pitämiseksi laakerin määrittelytiivisteen sisällä halkaisijat valitaan vastaavasti kuten monta vuotta sitten de Havilland Ghost -moottorin juoksupyörän takapinnalla . Joskus roottorin sisälle on lisättävä ylimääräinen kiekko, joka tunnetaan nimellä tasapainomäntä. Varhainen turbomoottori, jossa oli tasapainomäntä, oli Rolls-Royce Avon .
Työntövoiman laskenta
Moottorin nettopainovoima ( F N ) saadaan:
| missä: | |
| ṁ ilmaa | = moottorin läpi kulkevan ilman virtauksen massanopeus |
| ṁ polttoainetta | = moottoriin tulevan ponneainekierron massanopeus |
| v e | = suihkun tehollinen pakokaasunopeus (pakoputken nopeus lentokoneeseen nähden) |
| v | = ilmanoton nopeus = ilma-aluksen todellinen nopeus |
| ( ṁ ilma + ṁ polttoaine ) v e | = suuttimen kokonaisvoima ( F G ) |
| ṁ ilma v | = imuilman painevastus |
Useimmissa suihkumoottorityypeissä on ilmanotto, joka tuottaa suurimman osan nesteestä pakokaasusta. Tavanomaisissa rakettimoottoreissa ei kuitenkaan ole imuaukkoa, joten ṁ ilma on nolla. Siksi rakettimoottoreilla ei ole päinvastusta ja rakettimoottorin suuttimen bruttopaine on moottorin nettopainovoima. Tästä johtuen rakettimoottorin työntöominaisuudet eroavat ilman hengityssuihkumoottorista ja työntövoima on riippumaton nopeudesta.
Jos suihkumoottori suihkumoottorista on yhtä suuri kuin äänenopeus, sanotaan, että suihkumoottorin suutin on tukehtunut. Jos suutin tukehtuu, paine suuttimen ulostulotasossa on suurempi kuin ilmakehän paine, ja yllä olevaan yhtälöön on lisättävä ylimääräisiä termejä paineen työntövoiman huomioon ottamiseksi. Kuitenkin, v e on tehokas tyhjentymisnopeus. Jos turbomoottorimoottorissa on puhtaasti konvergentti pakosuutin ja todellinen pakokaasunopeus saavuttaa äänen nopeuden ilmassa pakokaasun lämpötilassa ja paineessa, suutinta ei voida enää kiihdyttää pakokaasulle. Tällöin pakokaasu ylläpitää ympäröivän ilman painetta. Tämä on "paineen työntövoiman" lähde.
Moottoriin saapuvan polttoaineen virtausnopeus on usein hyvin pieni verrattuna ilmavirtaan. Kun polttoaineen vaikutus suuttimen bruttopaineeseen voidaan jättää huomiotta, nettopainovoima on:
Suihkun nopeuden ( v e ) on ylitettävä ilma-aluksen todellinen nopeus ( v ), jos lentokoneessa on netto eteenpäin suuntautuva työntövoima. Nopeus ( v e ) voidaan laskea termodynaamisesti adiabaattisen laajenemisen perusteella .
Työntövoiman lisäys
Työntövoiman kasvattaminen on ollut monessa muodossa, yleisimmin täydentämään riittämätöntä lentoonlähtöpainetta. Jotkut varhaiset suihkukoneet tarvitsivat rakettiapua lentoonlähtöön korkealla sijaitsevilta lentokentiltä tai päivän lämpötilan ollessa korkea. Uudempi lentokone, Tupolev Tu-22 -äänikaiutin, oli varustettu neljällä SPRD-63-tehostimella lentoonlähtöä varten. Ehkä äärimmäinen vaatimus, joka tarvitsi rakettiapua ja oli lyhytikäinen, oli nollapituus . Lähes yhtä äärimmäistä, mutta hyvin yleistä on lentotukialusten katapultti-apu. Rakettiapua on käytetty myös lennon aikana. SEPR 841 booster moottori käytetty Dassault Mirage suuren korkeuden kuuntelua.
Varhaiset peränpuhallinjärjestelyt, jotka lisäsivät ohivirtauksen ilmavirran turboahdukseen, tunnettiin työntövoimana. General Electric CJ805 -3 -turboahtimeen asennettu peruspuhallin lisäsi lentoonlähtöpainetta 11 650 lb: sta 16 100 lb: iin.
Vedestä tai muusta jäähdytysnesteestä, ruiskutuksesta kompressoriin tai polttokammioon ja polttoaineen ruiskutuksesta suihkuputkeen ( jälkipolttaminen / uudelleenkuumennus) tuli vakiotapa lisätä työntövoimaa, joka tunnetaan nimellä 'märkä' työntövoima erottamiseksi ilman kuormaa nousevan työntövoiman kanssa.
Jäähdytysnesteen ruiskutusta (esikompressorijäähdytys) on käytetty yhdessä jälkipolton kanssa työntövoiman lisäämiseksi yliäänenopeudella. Skyburner McDonnell Douglas F-4 Phantom II saavutti nopeuden maailmanennätyksen käyttämällä vesiruiskutusta moottorin edessä.
Suurilla Mach-lukumäärillä jälkipolttimet tuottavat asteittain enemmän moottorin työntövoimaa, kun turbomoottorin työntövoima putoaa kohti nollaa, jolla moottorin painesuhde (epr) on laskenut arvoon 1,0 ja kaikki moottorin työntövoima tulee jälkipolttimesta. Jälkipolttimen on myös korvattava painehäviö turbomoottorissa, joka on vetovoima suuremmilla nopeuksilla, joissa epr on alle 1,0.
Nykyisten jälkipolttoainemoottorilaitteiden työntövoiman kasvattamista erityisiin lyhytaikaisiin tehtäviin on tutkittu pienten hyötykuormien laukaisemiseksi matalalle maalle kiertoradoille lentokoneilla, kuten McDonnell Douglas F-4 Phantom II , McDonnell Douglas F-15 Eagle , Dassault Rafale ja Mikoyan MiG-31 , ja myös kokeellisten pakettien kuljettamiseen suurille korkeuksille Lockheed SR-71: n avulla . Ensimmäisessä tapauksessa kiertoradan laukaisua varten tarvitaan nykyisen maksiminopeuden lisääminen. Toisessa tapauksessa työntövoiman lisääminen nykyisen nopeuskyvyn sisällä on tarpeen. Ensimmäisessä tapauksessa käytetään kompressorin tulojäähdytystä. Kompressori kartta osoittaa, että ilmavirta vähentää kasvaessa kompressorin sisäänmenon lämpötilassa, vaikka kompressori on edelleen käynnissä enintään RPM (mutta alensi aerodynaaminen nopeus). Kompressorin tulojäähdytys lisää aerodynaamista nopeutta, virtausta ja työntövoimaa. Toisessa tapauksessa sallittiin pieni mekaanisen maksiminopeuden ja turbiinin lämpötilan nousu yhdessä typpioksidin ruiskutuksen kanssa jälkipolttimeen ja samanaikaisen lisäyksen polttimen jälkipolttoaineen virtauksessa.