Teoria silników turbinowych

Wprowadzenie do przedmiotu
Teoria silników lotniczych
Wykład nr 1
Rozwój i przegląd konstrukcji
Literatura
• Dzierżanowski i in. Turbiniowe silniki odrzutowe
• Gajewski Lesikiewicz: Przepływowe silniki odrzutowe
• Dzierżanowski i in. Turbinowe silniki śmigłowe i
śmigłowcowe
• Stolarczyk, Wiatrek Teoria lotniczych silników
turbinowych
• Orkisz: Wybrane zagadnienia z teorii turbinowych
silników odrzutowych
• Muszyński, Orkisz: Modelowanie turbinowych silników
odrzutowych
• Antas, Wolański: Obliczenia termogazodynamiczne
lotniczych silników turbinowych
Literatura c.d.
• Oates: Aerothermodynamics of Gas Turbines and Rocket
Propulsion
• Oates: Aircrafts Propulsion System Technology and
Design
• Oates: Aerothermodynamics of Aircraft Engine
Components
• Mattingly: Airctaft Engine Design
• Kerrebrock: Aircraft Engines and Gas Turbines
• Coumpsty: Jet Propulsion – A Simple Quide to the
Aerodynamic and Thetmodynamic Design and
Performanece of Jet Engines
• i in.
Literatura silniki tłokowe:
• Dzierżanowski P. i.in: Silniki Tłokowe z serii Napędy
lotnicze, WKŁ. Warszawa 1981
• Borodzik F.: Budowa silnika z serii Aeroklub polski
szkolenie samolotowe, WKŁ Warszawa 1973
• Ambrozik A.:Wybrane zagadnienia procesów cieplnych
w tłokowych silnikach spalinowych, Wyd. Politechniki
Świętokrzyskiej, Kielce 2003
• Cheda W., Malski M.: Techniczny poradnik lotniczy,
Silniki, WKŁ, Warszawa 1984
Silnik braci Wright
Pierwszy silnik lotniczy moc-12KM
Flyer
Pierwszy lot samolotu Flyer
17 grudnia 1903
[km/h]
prędkość dźwięku
silniki tłokowe
silniki tłokowe silniki
doładowane odrzutowe
Samoloty wyczynowe
Samoloty wojskowe
Maksymalne prędkości samolotów w latach 1903-1945
Silnik lotniczy w układzie rzędowym
Silnik lotniczy w układzie gwiazdy
R4360 – największy lotniczy silnik tłokowy
skonstruowany w czasie drugiej wojny światowej
(moc 3000 KM, układ poczwórnej gwiazdy)
Silnik:
9 – cylindrów
300 KM – moc startowa
Sprężarka umożliwia utrzymanie
poziomu mocy do 1800 m
Samoloty:
PZL 101- Wilga
PZL 104 - Gawron
Jak-12A
AI 14 R
Silnik:
9 – cylindrów
860 kW – moc startowa
Sprężarka umożliwia utrzymanie
poziomu mocy do 1500 m
Samoloty:
An –2
M – 18
PZL M-24 Super dromader
DC-3 Dakota
ASz 62 IR
Twórcy silników odrzutowych
Sir Frank WHITTLE
1907 - 1996
Dr Hans Joachim
PABST von OHAIN
1911 - 1998
Hans von OHAIN
1935 – patent na silnik odrzutowy
ze sprężarką odśrodkową
Silnik HeS-3B
o ciągu 5 kN
(zastosowany w pierwszym samolocie odrzutowym He-178
pierwszy lot 27 sierpnia 1939)
Gloster E28/39 z silnikiem odrzutowym
W1 oblot 15.05.1941
Messerschmitt Me 262 pierwszy myśliwiec
produkowany seryjnie
(z dwoma silnikami odrzutowymi Jumo 004B)
Jan Oderfeld, Władysław
Bernadzikiewicz, Józef Sachs
Wirnik turbiny
(patent nr
235223)
Wieniec kierownic
sprężarki
Schemat turbiny
„Czynił on nieopisanie wiele hałasu, miotał
imponujący język płomienia i dawał... bardzo mały
Jan ODERFELD
ciąg.”
Technika Lotnicza Nr 9, 1948
Silnik ASPIN I – ciąg 197 daN (1950-51)
Archip Michaylovich Lulka
(1908-1984)
Patent A.M. Lulki
dwuprzepływowego turbinowego
silnika odrzutowego
( 1937 / 1941 )
Gyorgy Jendrassik
(1889-1954)
Pierwszy w świecie turbinowy
silnik śmigłowy CS-1
( 1938 - 1940 ) Ne= 760 [kW]
Dwusilnikowy samolot
śmigłowy Varga RMI-1
Spadek jednostkowego zużycia paliwa kolejnych
generacji silników dwuprzepływowych
100
jednoprzepływowy
%
dwuprzepływowe (I)
80
dwuprzepływowe (II)
60
dwuprzepływowe (III)
40
1950
śmiogłowenylatorowe
(propfan)
1960
1970
1980
1990
2000
Zmiany właściwości użytkowych wraz z rozwojem
turbinowych silników odrzutowych
Ciąg jednostkowy
Jednostkowe zużycie paliwa
cj
kj
Ns/kg
900
kg/Nh
0.14
m
ze
la c
m
e
a
z
p
c
do
pa la
ez
z do
w
e
o
w
o
w
pływ
pły
prze
rze
o
p
n
d
u
dw
iki je
iki
s iln
s iln
800
0.1
700
0.08
600
dn
op
rz
e
0.12
pł
yw
ow
e
silniki jednoprzepływowe
0.06
500
0.04
400
0.02
300
s il
ni
ki
je
silniki dwuprzepływowe
silniki dwuprzepływowe
0
1940
1950
1960
1970
1980
Rok produkcji
cj =
B
K
B – godzinowe lub sekundowe zużycie paliwa
K – ciąg silnika
1990
2000
200
1940
kj =
1950
1960
1970
1980
Rok produkcji
K
m
m - masowe natężenie przepływu
1990
2000
Zmiany parametrów roboczych silnika
π*s
T*3
F110
JT10D
30
V2500
CF6-50A
PW2037 RB211-600
PW1120
RB211-56 CFM56-2
M88
TF39
F404
RB199-3
F100
F401
TF30-100
TF34
JT9D-3
25
20
RB163
J52
JT4A
10
5
1950
Mars45A
J79-15
RB146R
Olimp593
J97-100
1300
J33-35
1960
1500
1970
Abur58
TF34
TF41
Olimp593
J97-100
JT18D
RB211
JT9D-3
JT9-19
J52 RB163
J79-15
J73 JT4A
J73D1
J33-35
RB211-18
J73D1
J73
1700
TF30-12
JT9-19
15
PW1128
M85
PW2037
RB199-3
V2500
F110
CF6-50A
M88
F404
PW1120
JT10D
F100
RB211-600
M53-R2
TF30-100 RB211-56CFM56-2
M53-2
TF39
[K]
1980
Silnik jednoprzepływowy
Silnik dwuprzepływowy
rok
1100
1950
1960
1970
1980
rok
Silnik jednoprzepływowy z dopalaczem
Silnik dwuprzepływowy z dopalaczem
Materiały konstrukcyjne stosowane w silnikach
lotniczych
kompozyty
metaliczne
[%]
stal
kompozyty
ceramiczne
nikiel
tytan
aluminium
kompozyty
kompozyty
metaliczne
[%]
stal
nikiel
kompozyty
ceramiczne
tytan
MATERIAŁY
KONSTRUKCYJNE
aluminium
kompozyty
Tendencje i prognozy zastosowania różnych
materiałów w konstrukcji silników
100 [%]
80
hydrauliczne
60
cyfrowe
40
FADEC
20
Authority
Digital
Electronic
Control
UKŁADY STEROWANIA
Full
elektroniczne
1970
1980
1990
2000
Procentowy udział systemów regulacji
silnika w latach 1970-2000
Zasada pracy silnika odrzutowego
Akcja
Reakcja
Ciąg silnika odrzutowego
• Źródłem siły ciągu jest przyrost pędu strumienia powietrza
5 − V)
K = m(C
gdzie m - masowe natężenie przepływającego powietrza
Silniki odrzutowe – strumieniowe
X-43A – M=6.83
(27.03.2004)
Silnik HYPOSED III 7,6 Ma
Pojazd X-43A osiągnął z silnikiem strumieniowym prędkość 9,6 Ma
Silniki odrzutowe – pulsacyjne
Silnik rakietowy
- na paliwo stałe
- na paliwo ciekłe
SO-3 (ciąg 10 kN)
Ciąg:
Z dopalaczem: 105,7 kN, bez dopalacza 65 kN
Dwuprzepływowy silnik odrzutowy V2500
Ciąg: od: 97 kN, do 145 kN
PEGASUS –silnik do samolotów
pionowego startu
Formy konstrukcyjne silników turbinowych
śmigłowych i śmigłowcowych
Prop-Fan
Łopaty „śmigło-wentylatorów”
samolotu An-70
Unducted Fan UDF® Engine
Obniżenie zużycia paliwa o 20 – 30%
Silniki o zmiennym obiegu
termodynamiczny
a
)
b
)
Rys.1 Silnik GE-23 a) z nastawami dla pracy w warunkach lotu z prędkością poddźwiękową, b) z nastawami dla pracy w warunkach lotu z
prędkością naddżwiękową [5].
Podział silników lotniczych ze względu
na sposób wytwarzania ciągu
Silniki lotnicze
O działaniu bezpośrednim
Silniki odrzutowe
Przepływowe silniki
odrzutowe
Turbinowe
silniki odrzutowe
Silniki rakietowe
Pulsacyjne
Strumieniowe
O działaniu pośrednim
Silniki samolotów śmigłowych
i śmigłowcowych
Tłokowe
Turbinowe silniki śmigłowe
i śmigłowcowe
Obszary stosowalności podstawowych
typów silników lotniczych
H
km
30
Silnik rakietowy
Silnik
strumieniowy
Turbinowy
odrzutowy
z dopalaczem
20
y
ow y
in w
rb uto
Tu drz
o
Turbinowy
śmigłowy
Tłokowy
10
0
1
2
3
4 Ma