Ştiinţă

articolul anterior articolul urmator

Motorul cu reacţie

9
2 Mar 2015 05:43:41
Vladimir Stoicescu

Introducerea motoarelor cu reacţie a redus considerabil numărul accidentelor aviatice. Aceste motoare sunt considerate extrem de sigure şi pot funcţiona, fără o revizie generală a motorului, şi 20,000 de ore.

Durata de viata a motoarelor este limitate, in primul rand, de numarul de decolari si de aterizari. In general, motoarele unei aeronave de cursa lunga sunt schimbate mai rar ca cele ale unei aeronave ce opereaza curse scurte.

            Din punct de vedere aerodinamic, motoarele cu reactie functioneaza pe principiul legii a treia a lui Newton: o actiune provoaca o reactie egala in directia opusa.  Practic, aerul care este evacuat prin spatele motorului impinge motorul in directia opusa. Un motor cu reactie functioneaza in patru stagii: admisie, compresie, combustie si evacuare. In motoarele cu piston aceste stagii se desfasoara secvential, in motoarele cu reactie aceste stagii se desfasoara simultan.

Motoare cu reactie vs. Motoare cu piston

  • Motorul cu reactie produce de 20x compresia unui motor cu piston, fapt care il face sa functioneze mai bine in situatii cand presiunea atmosferica este scazuta. Functioneaza mai bine la altitudine.
  • Produce mai multa putere ca un motor cu piston, fapt care il face mai rapid la altitudine.
  • Combustia nu se in intampla in spatii inchise (in piston).
  • Combustia se intampla la o temperatura mai ridicata, fapt care il face mai eficient.
  • Motoarele cu reactie consuma de zece ori mai mult combustibil pentru a produce acelasi numar de cai ca un motor cu piston.
 

Ciclul Brayton si componentele unui motor cu reactie

            Am sa discut la inceput despre un motor extrem de simplu, insa, pe parcursul articolului, vom discuta si despre motoare mai complexe. Acest motor este compus dintr-un compresor, o “camera” de ardere si o turbina. Trebuie precizat ca un motor cu reactie, dupa ce a fost pornit, se autosustine. Compresorul comprima aerul, in camera de combustie se adauga combustibilul, se intampla aprinderea, si gazul ce rezulta are o viteza si un volum mult mai mare. Acest gaz invarte turbina. Turbina este conectata printr-un ax cu compresorul, de unde rezulta ca rotatia turbinei roteste compresorul. Restul gazului este evacuat si aici intervine legea a treia a lui Newton.


Un motor cu reactie foloseste o mare cantitate de aer, iar energia produsa de catre motor este proportionala cu cantitatea de aer pe care acesta este capabil sa o consume. Masa de aer consumata este crescuta de puterea de compresie a compresorului. Compresorul este necesar datorita inabilitatii combustibilului sa produca suficienta energie atunci cand presiunea aerului este normala.

            In acest moment lucrurile se complica considerabil, exista trei tipuri de motoare cu reactie: turbojet, turboprop si turbofan. Exista doua tipuri de compresoare: compresor centrifug si compresor in linie. De asemenea, exista trei tipuri de “camere” de combustie: can, can-anular si anular.

Turbojet: Considerat motorul cu reactie clasic, acesta are o eficienta scazuta sub 400 de noduri si nu este folosit pe aeronavele moderne. Turbojet-ul are eficienta maxima la mach 1.5, viteza unde motorul este eficient in proportie de aproximativ 78%.

Turboprop: Cineva a decis ca este o idee buna sa puna o elice mare in fata motorului, pentru a rezolva problemele de eficienta, la viteza scazuta, ale unui motor turbojet. Surprinzator sau nu, aceasta idee a functionat. Turboprop-ul (ATR, Saab, Dash, King Air, Dornier etc.) este cel mai eficient la mach .4, viteza unde motorul este eficient in proportie de 82%. Pentru a face comparatie, la mach .4 un turbojet este eficient in proportie de aproximativ 30%. Turboprop-urile sunt limitate la 400 de noduri datorita elicei, eficienta scazand rapid dupa 350 de noduri. Elicea produce 90% din propulsie si este rotita de catre turbina.

Turbofan: Alt inginer s-a gandit ca ar fi ideal daca micsoreaza elicea si o pune in nacela. Scopul a fost proiectarea unui motor ce are eficienta unui turboprop si viteza unui turbojet. In realitate, turbofan-ul are o eficienta si o viteza intre turbojet si turboprop. Turbofan-ul este cel mai eficient la mach .78, viteza unde motorul este eificent in proportie de aproximativ 72%. “Elicea” se numeste acum “fan” si produce 80% din propulsie la altitudine scazuta si 25% la altitudine ridicata. Exista doua tipuri de turbofan: high bypass si low bypass. Majoritatea motoarelor sunt high bypass. Intr-un motor high bypass o mare parte din totalul aerul ce trece prin “fan”, insa nu trece si prin compresor. Motoarele Boeing-ului 787 au un bypass ratio de 10:1. Asta inseamna ca pentru fiecare kilogram de aer ce trece prin compresor, zece kilograme il evita.


            In contiunuare am sa ma concentrez pe motorul pe care il cunosc cel mai bine. Evident, exista diferente intre motoare.

Allison AE3007

Acest motor este folosit pe aeronavele Embraer EMB-145, iar o versiune similara apare pe Cessna Citation X. Embraer afirma ca motorul este capabil sa produca 7426 pounds of thrust, insa la nivelul marii, intr-o zi standard (15 C, 29.92), acest motor poate sa produca 9500 de pounds. Motorul are o greutate de 1607 pounds si “fan”-ul are 24 de pale. Compresorul are un raport de compresie de 22:1, aceasta inseamnand ca presiunea aerul este de 22 de ori mai mare la iesirea din compresor. Acest motor este high bypass si are un bypass ratio de 5:1. 16% din aer intra in compresor si 84% trece prin bypass. Din aerul ce intra in compresor: 25% este folosit in combustie, 6% este folosit la presurizarea garniturilor de ulei, si 69% este folosit in racirea motorului. Aproximativ 80% din propulsive este produsa de bypass air si motorul este controlat electronic de catre FADEC (Full Authority Digital Electronics Control).

N1 – Low Pressure Spool

Practic, aceasta este viteza “fan”-ului din fata compresorului. Pilotul foloseste N1 pentru a seta puterea motorului. La putere maxima, N1 se invarte la o viteza de 8700 RPM, insa, pentru a simplifica lucrurile, 8700 RPM apare ca 100% pe EICAS (Engine Indicating and Crew Alerting System). Daca N1 ajunge la 105%, FADEC comanda oprirea. N1 sau Low Pressure Spool este conectat printr-un ax la Low Pressure Turbine, aceasta are trei stagii. Practic, gazul ce rezulta din combustie invarte  turbina si turbina invarte N1. Low pressure spool idle este in jur de 25%

N2 – High Pressure Spool

Compresorul are 14 stagii. Un stagiu este format dintr-un rotor si un stator si, evident, rotorul se roteste si statorul este stationar. Fara a intra in prea multe detalii, compresia este facuta de catre rotor si functia statorului este sa previna miscarea aerului in sens invers (compressor surge). Primele sase stagii au statori variabili ce sunt activati de catre FADEC folosind combustibil. N2 sau High Pressure Spool este conectat printr-un ax independent (N1 si N2 functioneaza independent) la o High Pressure Turbine ce are doua stagii. Practic, high pressure turbine invarte compresorul folosind gazele ce rezulta din combustie. N2 invarte un “tower shaft”, un ax,  ce este conectat la “accessory gearbox”. Pentru a simplifica, alte sisteme si componente folosesc rotatia compresorului pentru a functiona: Fuel Pump Metering Unit (FPMU), Permanent Magnet Alternator (PMA), pompa de ulei, pompa hidraulica, generatoare (2) si pneumatic starter. Mai mult de atat, folosim aer comprimat (incalzit) de catre compresor pentru degivrare, racirea motorului, pornirea celuilalt motor si presurizare. Aerul comprimat este preluat din stagiile 9, 10 si 14 si N2 idles at 57%. Daca pilotul a inceput coborarea si exista posibilitatea de givraj, motoarele trebuie setate la o putere mai mare pentru a avea suficient aer comprimat pentru degivraj. Acesta este unul din motivele pentru care pilotii coboara de multe ori cu frana ridicata. Exista o corelatie directa intre presiune si temperatura, aerul comprimat furnizat de compresor are o temperature foarte ridicata.

Aceasta este variant simplificata, pentru ca am vrut sa stau departe de explicatii mult prea complicate. Motoarele cu reactie, chiar daca sunt destul de simple ca design, au revolutionat industria aeronautica. 

Adauga Comentariu

Pentru a comenta, alege una din optiunile de mai jos

Varianta 1

Autentificare cu contul adevarul.ro
Creeare cont

Varianta 2

Autentificare cu contul de Facebook
Logare cu pseudonim

9 Comentarii

bazu caius
2.03.2015, 08:54:54

"Durata de viata a motoarelor este limitate, in primul rand, de numarul de decolari si de aterizari." - stiu ca articolul este despre motoare, dar puteai sa amintesti ca acelasi lucru este valabil si in cazul fuselaj + aripi. Sau gresesc? Bun articol, ca de obicei.

0 (2 voturi)
Octavian Thor Pleter
2.03.2015, 10:07:10

Imi place articolul pentru ca are multe idei esentiale, unele mai putin vehiculate. As adauga faptul ca motorul turboventilator (turbofan) s-a impus datorita izolarii fonice exceptionale a gazelor de evacuare din fluxul principal (interior) de catre aerul din fluxul secundar, (exterior) care le "imbraca". In era turbojet anterioara, poluarea fonica in zona aeroporturilor era inacceptabila.

+1 (3 voturi)
Menumorut
2.03.2015, 13:55:54

Felicitari pentru subiectul abordat...E un prilej de imbunatatire a culturii tehnice. Ceva sugestii insa.. Stage se traduce treapta si surge "pompaj"...Statorul nu are numai rol antipompaj (si nici nu prea are)..ci acela de a dirija gazul catre urmatoarea treapta. Ceea ce solicita (uzeaza) cel mai mult un astfel de ansamblu sunt pornirile...si evident pompajul, care poate distruge ansamblul. V-as ruga sa folositi unitati de masura romanesti, pentru ca cititorul sa "simta" mai usor...valoarea. In rest, multumesc pentru citit ! Sunt bine venite astfel de articole !

+2 (2 voturi)
aerolaur
2.03.2015, 22:39:01

Ma asteptam ca un pilot sa explice mai bine functionarea motoarelor aeroreactive si sa pomeneasca, macar, de Coanda. Asta e cand traduci... Si cred ca sunt mai multe tipuri! Dar despre asta, in episodul urmator! Cer senin!

-1 (3 voturi)
Utilizator Adevărul
4.03.2015, 21:13:54

Comentariu considerat abuziv.

Vezi toate comentariile (9)

Modifică Setările