turbojet - Turbojet

Tipik bir gaz türbini jet motorunun şeması

Frank Whittle

Hans von Ohain

Turbojet bir bir hava emici jet motoru tipik olarak uçakta kullanılan. Bir sevk nozulu olan bir gaz türbininden oluşur . Gaz türbininde bir hava girişi, bir kompresör, bir yanma odası ve bir türbin (kompresörü çalıştıran) bulunur. Kompresörden gelen sıkıştırılmış hava, yanma odasında yakıt yakılarak ısıtılır ve daha sonra türbin boyunca genleşmesine izin verilir. Türbin egzozu daha sonra itme sağlamak için yüksek hıza hızlandırıldığı sevk nozülünde genişletilir. İki mühendis, Frank Whittle içinde Birleşik Krallık ve Hans von Ohain içinde Almanya , 1930 sonlarında pratik motorları içine bağımsız kavramını geliştirdi.

Turbojet, havacılık için gaz türbini elektrik santralinin ilk şekli olsa da, kullanımda büyük ölçüde orijinal konseptin diğer geliştirmeleri ile değiştirildi. Çalışırken, turbojetler tipik olarak nispeten az miktarda havayı çok yüksek süpersonik hızlara hızlandırarak itme üretirken, turbofanlar daha büyük miktarda havayı daha düşük transonik hızlara hızlandırır. Daha yavaş uçaklarda turbojetler, daha iyi özgül yakıt tüketimine sahip oldukları için turboproplarla değiştirildi . Pervanenin artık verimli olmadığı orta ila yüksek hızlarda, turbopropların yerini turbofanlar almıştır. Bu transonik hızlarda, turbofan daha sessizdir ve turbojetten daha iyi menzile özgü yakıt tüketimine sahiptir. Turbojetler, süpersonik uçaklar için oldukça verimli olabilir .

Turbojetler, düşük araç hızlarında düşük verimliliğe sahiptir ve bu da uçak dışındaki araçlarda kullanışlılıklarını sınırlar. Turbojet motorları, tipik olarak kara hız kayıtları denemeleri için, uçak dışındaki araçlara güç sağlamak için izole durumlarda kullanılmıştır . Araçların "türbinle çalıştırıldığı" durumlarda, bu daha yaygın olarak , dönen bir çıkış milini tahrik etmek için ek bir türbinin kullanıldığı gaz türbini motorunun geliştirilmiş hali olan bir turboşaft motorunun kullanılmasıdır. Bunlar helikopterlerde ve hovercraft'ta yaygındır. Concorde'da ve TU-144'ün süpersonik olarak uzun bir süre seyahat etmesi gereken daha uzun menzilli versiyonlarında turbojetler kullanıldı . Turbojetler, yüksek egzoz hızları, küçük ön alanları ve göreceli basitlikleri nedeniyle orta menzilli seyir füzelerinde hala yaygındır . Ayrıca MiG-25 gibi bazı süpersonik dövüşçülerde hala kullanılmaktadırlar , ancak çoğu süpersonik olarak seyahat etmek için çok az zaman harcarlar ve bu nedenle süpersonik sprintler için egzoz hızını artırmak için turbofanlar kullanır ve art yakıcılar kullanırlar.

Tarih

Albert Fonó'nun jet motorları için Alman patenti (Ocak 1928). Üçüncü çizim bir turbojet.

Heinkel He 178 , bir HeS 3 motor kullanarak tamamen turbojet gücüyle uçan dünyanın ilk uçağı

Bir uçağa güç sağlamak için gaz türbini kullanmanın ilk patenti 1921'de Fransız Maxime Guillaume tarafından alındı . Motoru eksenel akışlı bir turbojet olacaktı, ancak kompresörlerdeki son teknoloji üzerinde önemli ilerlemeler gerektireceğinden asla inşa edilmedi.

Whittle W.2 / 700 motor uçtu Gloster E.28 / 39 , bir turbojet motoru ile uçan ilk İngiliz uçakları ve Gloster Meteor

1928'de İngiliz RAF Koleji Cranwell öğrencisi Frank Whittle , turbojet için fikirlerini üstlerine resmen sundu. Ekim 1929'da fikirlerini daha da geliştirdi. 16 Ocak 1930'da İngiltere'de Whittle ilk patentini (1932'de verildi) sundu. Patent, tek taraflı bir santrifüj kompresörü besleyen iki aşamalı bir eksenel kompresörü gösterdi . Pratik eksenel kompresörler, AA Griffith'in 1926'da ufuk açıcı bir makalesinde ("Bir Aerodinamik Türbin Tasarımı Teorisi") fikirleriyle mümkün olmuştur . Whittle daha sonra çeşitli pratik nedenlerle sadece daha basit santrifüj kompresöre odaklanacaktı. Whittle , 12 Nisan 1937'de çalıştırılan ilk turbojet olan Power Jets WU'ya sahipti. Sıvı yakıtlıydı ve bağımsız bir yakıt pompası içeriyordu. Whittle'ın ekibi, motor durmayınca neredeyse panik yaşadı ve yakıt kapatıldıktan sonra bile hızlandı. Yakıtın motora sızdığı ve havuzlarda biriktiği ortaya çıktı, bu nedenle sızan tüm yakıt yanana kadar motor durmayacaktı. Whittle, icadıyla hükümetin ilgisini çekemedi ve gelişme yavaş bir hızda devam etti.

Almanya'da, Hans von Ohain 1935'te benzer bir motorun patentini aldı.

27 Ağustos 1939'da Heinkel He 178 , kontrollerinde test pilotu Erich Warsitz ile turbojet gücüyle uçan dünyanın ilk uçağı oldu ve böylece ilk pratik jet uçağı oldu. Gloster E.28 / 39 , (aynı zamanda "Gloster Whittle", "Gloster Pioneer" ya da "Gloster G.40" olarak anılacaktır), 1941 yılında ilk İngiliz jet motorlu uçuş yaptı Bu Whittle test etmek için tasarlanmıştır uçuşta jet motoru, Gloster Meteor'un gelişmesine yol açtı.

İlk iki operasyonel turbojet uçak, Messerschmitt Me 262 ve ardından Gloster Meteor , 1944'te II . Dünya Savaşı'nın sonlarına doğru hizmete girdi .

Hava, emme yoluyla dönen kompresöre çekilir ve yanma odasına girmeden önce daha yüksek bir basınca sıkıştırılır. Yakıt , basınçlı hava ile karıştırılır ve yakıcıda yanar. Yanma ürünleri yakıcı cihazı bırakıp yoluyla genişletmek türbin güç kompresörü sürmek için ayıklanır. Türbin çıkış gazları, sevk nozülünde yüksek hızlı jete dönüştürülen önemli miktarda enerji içerir.

İlk jet motorları, ya bir santrifüj kompresörü ( Heinkel HeS 3'te olduğu gibi ) ya da eksenel kompresörleri ( Junkers Jumo 004'te olduğu gibi ) olan ve daha uzun olmasına rağmen daha küçük bir motor çapı veren turbojetlerdi . Pistonlu motorlarda kullanılan pervanenin yüksek hızlı egzoz jeti ile değiştirilmesiyle daha yüksek uçak hızları elde edildi.

Bir turbojet motoru için son uygulamalardan biri , Olympus 593 motorunu kullanan Concorde idi . Tasarım sırasında, turbofanların daha düşük hızlar için avantajına rağmen, turbojetin ses hızının iki katı hızda seyir için optimum olduğu bulundu. Concorde için Mach 2.0'da belirli bir mil boyunca belirli bir itme kuvveti üretmek için , Mach 0.86 optimum hızında General Electric CF6 gibi modern bir yüksek baypaslı turbofandan daha az yakıt gerekiyordu .

Turbojet motorlarının ticari havacılık üzerinde önemli bir etkisi oldu . Turbojetler, daha yüksek uçuş hızları sağlamanın yanı sıra, pistonlu motorlardan daha fazla güvenilirliğe sahipti ve bazı modellerde %99,9'u aşan sevk güvenilirliği derecesi sergileniyordu. Jet öncesi ticari uçaklar, uçuş sırasındaki arızalarla ilgili endişeler nedeniyle kısmen dört motorla tasarlandı. Denizaşırı uçuş yolları, uçakları bir iniş alanından bir saat içinde tutmak için çizildi ve uçuşları uzattı. Turbojet ile gelen güvenilirlik artışı, üç ve iki motorlu tasarımları ve daha doğrudan uzun mesafeli uçuşları mümkün kıldı.

Yüksek sıcaklık alaşımları , jet motorlarında ilerlemeyi sürükleyen önemli bir teknoloji olan ters bir göze çarpıyordu . 1930'larda ve 1940'larda inşa edilen İngiltere dışı jet motorları, sürünme arızası ve kanatlardaki diğer hasar türleri nedeniyle her 10 veya 20 saatte bir elden geçirilmek zorunda kaldı . Bununla birlikte İngiliz motorları, Rolls-Royce Welland ve Rolls-Royce Derwent gibi motorlar ve 1949'da de Havilland Goblin gibi bakım gerektirmeden 500 saat boyunca tip testine tabi tutularak , revizyon yapılmadan uzun süreli kullanıma izin veren Nimonic alaşımları kullandılar . 1950'lere kadar süper alaşım teknolojisi diğer ülkelerin ekonomik olarak pratik motorlar üretmesine izin vermedi .

Erken tasarımlar

Erken Alman turbojetleri, türbinler için uygun yüksek sıcaklık malzemelerinin olmaması nedeniyle yapabilecekleri çalışma miktarı konusunda ciddi sınırlamalara sahipti. Rolls-Royce Welland gibi İngiliz motorları, daha iyi dayanıklılık sağlayan daha iyi malzemeler kullandı. Welland, başlangıçta 80 saat için tip sertifikalıydı , daha sonra testlerde elde edilen 500 saatlik uzatılmış bir çalışmanın bir sonucu olarak revizyonlar arasında 150 saate uzatıldı. Yüksek bakımlarına rağmen, ilk jet avcı uçaklarından bazıları hala orijinal motorlarıyla çalışır durumda.

General Electric'ten J85-GE-17A turbojet motoru (1970)

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki General Electric , II. Dünya Savaşı sırasında turbo süperşarjlarında kullanılan yüksek sıcaklıktaki malzemelerle ilgili deneyimi nedeniyle jet motoru işine girmek için iyi bir konumdaydı.

Su enjeksiyonu, izin verilen türbin giriş sıcaklıkları ile itme sınırlı olan erken turbojetlerde, genellikle kalkış sırasında itmeyi artırmak için kullanılan yaygın bir yöntemdi. Su, sıcaklık sınırında itmeyi artırdı, ancak tam yanmayı önledi ve genellikle çok görünür bir duman izi bıraktı.

İzin verilen türbin giriş sıcaklıkları, hem üstün alaşımların ve kaplamaların tanıtılmasıyla hem de kanat soğutma tasarımlarının tanıtılması ve aşamalı etkinliği ile zaman içinde istikrarlı bir şekilde artmıştır. Erken motorlarda, türbin sıcaklık limitinin tipik olarak başlatma sırasında ve maksimum itme ayarlarında pilot tarafından izlenmesi ve önlenmesi gerekiyordu. Pilot iş yükünü azaltmak ve aşırı sıcaklık nedeniyle türbin hasarı olasılığını azaltmak için otomatik sıcaklık sınırlaması getirildi.

Tasarım

Eksenel kompresörün bir animasyonu. Sabit kanatlar statorlardır.

turbojet animasyonu

Santrifüj akışlı bir turbojet motorunun çalışmasını gösteren şematik diyagram. Kompresör türbin aşaması tarafından tahrik edilir ve havayı dışarı doğru atar, bu da itme eksenine paralel olarak yeniden yönlendirilmesini gerektirir.

Eksenel akışlı bir turbojet motorunun çalışmasını gösteren şematik diyagram. Burada kompresör yine türbin tarafından tahrik edilir, ancak hava akışı itme eksenine paralel kalır.

Hava girişi

Gelen havanın hareketli kompresör kanatlarına düzgün bir şekilde yönlendirilmesine yardımcı olmak için kompresörün önünde bir giriş veya boru gereklidir. Eski motorlarda hareketli kanatların önünde sabit kanatlar vardı. Bu kanatlar ayrıca havayı kanatlara yönlendirmeye de yardımcı oldu. Bir turbojet motoruna akan hava, uçağın hızından bağımsız olarak her zaman ses altıdır.

Giriş, motora, basınçta kabul edilebilir derecede küçük bir değişiklikle (bozulma olarak bilinir) ve yolda mümkün olduğunca az enerji kaybıyla (basınç geri kazanımı olarak bilinir) hava sağlamalıdır. Girişteki ram basıncı artışı, girişin tahrik sisteminin genel basınç oranına ve termal verimliliğine katkısıdır .

Giriş, kompresör aşamasından daha fazla sıkıştırma ürettiğinde yüksek hızlarda önem kazanır. İyi bilinen örnekler , toplam sıkıştırmaya emme ve motor katkılarının Mach 2'de %63/8 ve Mach 3+'te %54/17 olduğu Concorde ve Lockheed SR-71 Blackbird tahrik sistemleridir. Girişler , Lockheed C-141 Starlifter'daki Pratt & Whitney TF33 turbofan kurulumundaki "sıfır uzunlukta" ile Kuzey Amerika XB-70 Valkyrie'deki ikiz, 65 fit uzunluğundaki girişlere ve her biri üç motor besleyen girişlere kadar değişiyordu. yaklaşık 800 lb/sn'lik giriş hava akışı.

Kompresör

Kompresör türbin tarafından tahrik edilir. Yüksek hızda dönerek hava akışına enerji katar ve aynı zamanda daha küçük bir alana sıkıştırır (sıkıştırır). Havayı sıkıştırmak, basıncını ve sıcaklığını arttırır . Kompresör ne kadar küçük olursa, o kadar hızlı döner. Aralığın geniş ucunda, GE90-115B fanı yaklaşık 2.500 RPM'de dönerken, küçük bir helikopter motoru kompresörü 50.000 RPM civarında döner.

Turbojetler , örneğin çevresel kontrol sistemi , buzlanmayı önleme ve yakıt deposu basınçlandırma için kompresörden uçağa sızma havası sağlar . Motorun çalışmaya devam etmesi için çeşitli basınçlarda ve akış hızlarında havaya ihtiyacı vardır. Bu hava kompresörden gelir ve onsuz türbinler aşırı ısınır, yağlama yağı yatak boşluklarından sızar, rotor baskı yatakları kayar veya aşırı yüklenir ve burun konisinde buz oluşur. Sekonder hava olarak adlandırılan kompresörden gelen hava, türbin soğutması, yatak boşluğu sızdırmazlığı, buzlanmayı önleme ve itme yatağındaki rotor eksenel yükünün onu zamanından önce yıpranmamasını sağlamak için kullanılır. Uçağa sızdırma havası sağlamak, sıkıştırılmış olduğu için motorun verimini düşürür, ancak daha sonra itme üretmeye katkıda bulunmaz. Turbofanla çalışan Boeing 787'de artık uçak hizmetleri için hava tahliyesine gerek yok .

Turbojetlerde kullanılan kompresör tipleri tipik olarak eksenel veya merkezkaçtı. Erken turbojet kompresörler, yaklaşık 5:1'e kadar düşük basınç oranlarına sahipti. Kompresörün iki ayrı dönen parçaya bölünmesi, giriş kılavuz kanatları ve statorlar için değişken kanat açılarının dahil edilmesi ve kompresörden havanın alınması gibi aerodinamik iyileştirmeler, sonraki turbojetlerin toplam basınç oranlarının 15:1 veya daha fazla olmasını sağladı. Karşılaştırma için, modern sivil turbofan motorlarının toplam basınç oranları 44:1 veya daha fazladır. Kompresörden ayrıldıktan sonra hava yanma odasına girer.

yanma odası

Yanan süreç yanma bir o anlamlı olarak farklıdır pistonlu motor . Bir pistonlu motorda, yanan gazlar küçük bir hacimle sınırlıdır ve yakıt yandıkça basınç artar. Bir turbojette, hava ve yakıt karışımı yanma odasında yanar ve basınç oluşmadan sürekli bir akış sürecinde türbine geçer. Bunun yerine, yakıcıda küçük bir basınç kaybı meydana gelir.

Yakıt-hava karışımı sadece yavaş hareket eden havada yanabilir, bu nedenle birincil bölgede yaklaşık olarak stokiyometrik yanma için yakıt memeleri tarafından bir ters akış alanı korunur. Yanma sürecini tamamlayan ve yanma ürünlerinin sıcaklığını türbinin kabul edebileceği bir düzeye indiren daha fazla sıkıştırılmış hava verilir. Havanın %25'inden daha azı tipik olarak yanma için kullanılır, çünkü türbin sıcaklık sınırları içinde kalmak için genel olarak zayıf bir karışım gerekir.

türbin

Türbin çarklarında farklı kanatlar kullanılmaktadır.

Yakıcıdan çıkan sıcak gazlar türbin boyunca genişler. Türbinler için tipik malzemeler arasında inconel ve Nimonic bulunur . Bir motordaki en sıcak türbin kanatları ve kanatları, dahili soğutma geçişlerine sahiptir. Metal sıcaklığını sınırlar içinde tutmak için kompresörden gelen hava bunlardan geçirilir. Kalan aşamalar soğutmaya ihtiyaç duymaz.

İlk aşamada, türbin büyük ölçüde bir dürtü türbinidir (bir pelton çarkına benzer ) ve sıcak gaz akımının etkisiyle döner. Daha sonraki aşamalar, gazı hızlandıran yakınsak kanallardır. Enerji, kompresördeki enerji transferinin tersi şekilde momentum değişimi yoluyla mile aktarılır. Türbin tarafından geliştirilen güç, kompresörü ve aksesuar dişli kutusu tarafından tahrik edilen yakıt, yağ ve hidrolik pompalar gibi aksesuarları çalıştırır.

meme

Türbinden sonra, gazlar egzoz memesinden genişleyerek yüksek hızlı bir jet üretir. Yakınsak bir nozulda, kanal kademeli olarak bir boğaza doğru daralır. Bir turbojet üzerindeki meme basınç oranı, memenin boğulmasına neden olmak için daha yüksek itme ayarlarında yeterince yüksektir.

Bununla birlikte, yakınsak-ıraksak bir de Laval nozulu takılırsa, ıraksak (artan akış alanı) bölüm, gazların ıraksak bölüm içinde süpersonik hıza ulaşmasına izin verir. Daha yüksek egzoz hızı ile ek itme üretilir.

İtki artırma

İtki en yaygın olarak su/metanol enjeksiyonlu veya art yakmalı turbojetlerde arttırılmıştır . Bazı motorlar her ikisini de aynı anda kullandı.

Sıvı enjeksiyonu, 1941'de Power Jets W.1 üzerinde önce suya ve ardından su-metanol ile değiştirilmeden önce amonyak kullanılarak test edildi . Gloster E.28/39'daki tekniği denemek için bir sistem tasarlandı, ancak hiçbir zaman uygulanmadı.

art yakıcı

Bir art yakıcı veya "yeniden ısıtma jet borusu", türbin egzoz gazlarını yeniden ısıtmak için eklenen bir yanma odasıdır. Yakıt tüketimi çok yüksektir, tipik olarak ana motorun dört katıdır. Afterburner'lar neredeyse sadece süpersonik uçaklarda kullanılır , çoğu askeri uçaktır. İki süpersonik uçak, Concorde ve Tu-144 , deneysel SpaceShipOne suborbital uzay aracı için bir taşıyıcı uçak olan Scaled Composites White Knight gibi art yakıcıları da kullandı .

Yeniden ısıtma , 1944'te bir Gloster Meteor I'de W.2/700 motorlarında uçuş denemesi yaptı .

Net itme

Bir turbojetin net itişi şu şekilde verilir: ${\displaystyle F_{N}\;}$

${\displaystyle F_{N}=({\dot {m}}_{hava}+{\dot {m}}_{f})V_{j}-{\dot {m}}_{hava}V }$

nerede:

${\displaystyle {\dot {m}}_{hava}}$	motordan geçen havanın akış hızıdır
${\displaystyle {\dot {m}}_{f}}$	motora giren yakıtın akış hızıdır
${\displaystyle V_{j}\;}$	jet hızıdır (egzoz dumanı) ve sonik hızdan daha az olduğu varsayılır
${\görüntüleme stili V\;}$	olan gerçek hava sürati uçağın
${\displaystyle ({\dot {m}}_{hava}+{\dot {m}}_{f})V_{j}}$	nozül brüt baskısını temsil eder
${\displaystyle {\dot {m}}_{hava}V}$	alımın ram sürüklemesini temsil eder

Jetin hızı sonik hıza eşitse , memenin " boğul " olduğu söylenir . Meme tıkalıysa, meme çıkış düzlemindeki basınç atmosfer basıncından daha büyüktür ve basınç itişini hesaba katmak için yukarıdaki denkleme ekstra terimler eklenmelidir.

Motora giren yakıt akış hızı, hava akış hızına kıyasla çok küçüktür. Yakıtın nozül brüt itme kuvvetine katkısı ihmal edilirse net itme:

${\displaystyle F_{N}={\dot {m}}_{hava}(V_{j}-V)}$

Gövde üzerinde net bir ileri itme olacaksa , jetin hızı, uçağın gerçek hava hızını aşmalıdır . Hız , adyabatik genişlemeye dayalı olarak termodinamik olarak hesaplanabilir . ${\displaystyle V_{j}\;}$${\görüntüleme stili V\;}$${\displaystyle V_{j}\;}$

Döngü iyileştirmeleri

Bir turbojetin çalışması yaklaşık olarak Brayton çevrimi ile modellenmiştir .

Bir gaz türbininin verimliliği, genel basınç oranını yükselterek, daha yüksek sıcaklıkta kompresör malzemeleri gerektirerek ve daha iyi türbin malzemeleri ve/veya geliştirilmiş kanat/kanat soğutması gerektiren türbin giriş sıcaklığını yükselterek artırılır. Aynı zamanda, akış girişten sevk nozülüne doğru ilerledikçe kayıplar azaltılarak da arttırılır. Bu kayıplar, kompresör ve türbin verimlilikleri ve kanal basıncı kayıpları ile ölçülür. Gaz türbininden gelen çıktının bir sevk nozülünde kullanıldığı bir turbojet uygulamasında kullanıldığında, türbin sıcaklığının yükseltilmesi jet hızını arttırır. Normal ses altı hızlarda bu, daha yüksek yakıt tüketimi veya SFC tarafından yansıtıldığı gibi genel bir kayıp vererek itici verimliliği azaltır. Ancak, süpersonik uçaklar için bu faydalı olabilir ve Concorde'un turbojet kullanmasının bir nedeni de budur. Turbojet sistemleri karmaşık sistemlerdir, bu nedenle bu tür bir sistemin optimal işlevini güvence altına almak için, otomasyon alanlarındaki en yeni bilgileri uygulamak için kontrol sistemlerini ilerletmek ve böylece güvenliğini ve etkinliğini artırmak için daha yeni modellerin geliştirilmesi için bir çağrı vardır.

Ayrıca bakınız

• Havalı çalıştırma sistemi
• Dış iskelet motoru
• jet arabası
• Türbin motoru arızası
• RAE'de turbojet geliştirme
• Değişken çevrimli motor

Referanslar

daha fazla okuma

• Springer, Edwin H. (2001). Bir Turboşarjlı Turbojet Motorunun İnşası . Turbojet Teknolojileri.

Dış bağlantılar

• Dünyanın ilk jet pilotu Erich Warsitz : nadir videolar (Heinkel He 178) ve sesli yorumlar içerir
• NASA pistonlu Motor Açıklaması : bir yazılım modeli içerir
• Jet Tahrik Olanakları : 1920'lerin ve 1930'ların deneysel tasarımlarının tartışıldığı 1941 araştırması.
• Whittle Power Jet Kağıtları - Cambridge Digital Library'de Whittle'ın pistonlu motorunun geliştirilmesine ilişkin Peterhouse, Cambridge College arşivlerinden yazışmalar
• [1]