Hvordan Gasturbinemotorer Arbejder

{h1}

Turbinmotorer, eller jetmotorer, har revolutioneret flyindustrien. Lær om turbine motorer og hvordan turbine motorer arbejder.

Whe-n du går til en lufthavn og ser de kommercielle jets der, du kan ikke lade være med at lægge mærke til de enorme gader, der driver dem. De fleste kommercielle jetfly er drevet af turbofanmotorer, og turbofans er et eksempel på en generel klasse af kaldte motorer gasturbine motorer.

Du har måske aldrig hørt om gasturbinemotorer, men de bruges i alle slags uventede steder. For eksempel, mange af de helikoptere du ser, mange s-maller kraftværker og endda M-1 Tank bruge gasturbiner. I denne artikel vil vi se på gasturbinmotorer for at se, hvad der gør dem tik!

Typer af turbiner

-Der er mange forskellige slags turbiner:

  • Du har sikkert hørt om a dampturbine. De fleste kraftværker bruger kul, naturgas, olie eller en atomreaktor til at skabe damp. Dampen løber gennem en stor og meget omhyggeligt designet flerstadie-turbine til at dreje en udgangsaksel, der driver anlæggets generator.
  • Anvendelse af vandkraftværker vandturbiner på samme måde for at generere strøm. Turbinerne, der anvendes i et vandkraftværk, ser helt anderledes ud end en dampturbine, fordi vand er så meget tættere (og langsommere bevægelse) end damp, men det er det samme princip.
  • Vindturbine, også kendt som vindmøller, bruge vinden som deres motive kraft. En vindmølle ser intet ud som en dampturbine eller en vandturbine, fordi vinden er langsomt bevæget og meget lys, men igen er princippet det samme.

En gasturbine er en udvidelse af det samme koncept. I en gasturbine spoler en gas til tryk turbinen. I alle moderne gasturbiner fremstiller motoren sin egen trykgas, og det gør det ved at brænde noget som propan, naturgas, parafin eller jetbrændstof. Den varme, der kommer fra brænding af brændstoffet, udvider luften, og den høje hastighed i denne varme luft spinder turbinen.

Fordele og ulemper ved jetmotorer

Så hvem bruger M-1-tanken en 1.500 hestekraft gasturbinemotor i stedet for en dieselmotor? Det viser sig, at der er to store fordele ved turbinen over diesel:

  • Gas turbine motorer har en stor effekt-til-vægt-forhold sammenlignet med reciprocerende motorer. Det vil sige, mængden af ​​strøm, du kommer ud af motoren i forhold til vægten af ​​motoren selv er meget god.
  • Gas turbine motorer er mindre end deres reciprocerende kolleger af samme magt.

-Den største ulempe ved gasturbiner er, at de er sammenlignet med en frem- og tilbagegående motor af samme størrelse dyrt. Fordi de spinder ved så høje hastigheder, og på grund af de høje driftstemperaturer er design og fremstilling af gasturbiner et hårdt problem både fra teknik og materiale. Gasturbiner har også tendens til at bruge mere brændstof, når de er tomgang, og de foretrækker en konstant snarere end en svingende belastning. Det gør gassturbiner gode til ting som transcontinental jetfly og kraftværker, men forklarer hvorfor du ikke har en under hooden på din bil.

Gassturbinprocessen

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Gassturbinmotorer er teoretisk meget enkle. De har tre dele:

  • Kompressor - Komprimerer indgående luft til højt tryk
  • Forbrændingsareal - Brænder brændstoffet og producerer højtryksgas med høj hastighed
  • Turbine - Ekstraherer energi fra højtryksgas med høj hastighed, der strømmer fra forbrændingskammeret

Den følgende figur viser det generelle layout af en med aksial strømning gasturbine - den slags motor du vil finde kørsel på en helikopters rotor, for eksempel:

I denne motor suges luft fra højre af kompressoren. Kompressoren er dybest set en kegleformet cylinder med små fanblader fastgjort i rækker (otte rækker af knive er repræsenteret her). Forudsat at lyseblå repræsenterer luft ved normalt lufttryk, så når luften tvinges gennem kompressionsfasen, stiger dets tryk betydeligt. I nogle motorer kan trykket fra luften stige med en faktor på 30. Den højtryksluft, der produceres af kompressoren, er vist i mørkeblå.

Forbrændingsareal

Hvordan gasturbinemotorer arbejder: motorer

-Denne højtryksluft kommer ind i forbrændingsområdet, hvor en ring af brændstofinjektorer sprøjter en konstant strøm af brændstof. Brændstoffet er generelt petroleum, jetbrændstof, propan eller n-atural gas. Hvis du tænker på, hvor let det er at blæse et lys ud, så kan du se designproblemet i forbrændingsområdet. Indtastning af dette område er højtryksluft, der bevæger sig i hundreder af miles i timen. Du vil gerne holde en flamme brændende kontinuerligt i det miljø. Det stykke, der løser dette problem kaldes en "flammeholder" eller nogle gange en "kan". Det kan er et hult perforeret stykke tungmetal. Halvdelen af ​​dåsen i tværsnit er vist nedenfor:

Det injektorer er til højre. Komprimeret luft går gennem perforeringerne. Udstødningsgasser udgår til venstre. Du kan se i den foregående figur at a andet sæt cylindre wraps rundt på indersiden og ydersiden af ​​denne perforerede dåse, der styrer den komprimerede indsugningsluft ind i perforeringerne.

Turbinen

Hvordan gasturbinemotorer arbejder: pund

Til venstre for motoren er turbine afsnit. I denne figur er der to sæt turbiner. Det første sæt styrer kompressoren direkte. Turbinerne, akslen og kompressoren vender alle sammen som en enkelt enhed:

Langt til venstre er et sidste turbine-trin, vist her med et enkelt sæt vinger. Det kører udgangsakslen. Denne sidste turbine fase og udgangsakslen er en helt frittstående freewheeling enhed.De spinder frit uden nogen forbindelse til resten af ​​motoren. Og det er den fantastiske del om en gasturbinmotor - der er nok energi i de varme gasser, der blæser gennem knivene af den endelige outputturbine for at generere 1.500 hestekræfter og køre en 63 tons M-1 Tank! En gas turbine motor er virkelig så simpelt.

I tilfælde af den turbine, der anvendes i en tank eller et kraftværk, er der virkelig intet at gøre med udstødningsgasserne, men ventilationen gennem et udstødningsrør, som vist. Nogle gange vil udstødningen løbe igennem en eller anden form for varmeveksler enten for at udvinde varmen til et andet formål eller at forvarme luft, før det kommer ind i forbrændingskammeret.

Diskussionen her er naturligvis forenklet en smule. For eksempel har vi ikke diskuteret områderne af lejer, oliesystemer, interne støttestrukturer af motoren, statorvinger og så videre. Alle disse områder bliver store tekniske problemer på grund af de enorme temperaturer, tryk og centrifugeringshastigheder inde i motoren. Men de grundlæggende principper, der beskrives her, styrer alle gasturbiner og hjælper dig med at forstå motorens grundlæggende layout og drift.

Gas Turbine Variationer

Hvordan gasturbinemotorer arbejder: gasturbinemotorer

Store jetliners bruger hvad der er kendt som turbofan motorer, der ikke er mere end gasturbiner kombineret med en stor ventilator foran på motoren. Her er det grundlæggende (meget forenklede) layout af en turbofan motor:

Du kan se, at kernen i en turbofan er en normal gasturbinemotor som den, der er beskrevet i det foregående afsnit. Forskellen er, at den endelige turbine fase driver en aksel, der gør sin vej tilbage til forsiden af ​​motoren for at drive ventilator (vist rødt i dette billede). Dette multiple koncentrisk aksel tilgangforresten er yderst almindelig i gasturbiner. I mange større turbofans kan der faktisk være to helt separate kompressionsfaser drevet af separate turbiner sammen med ventilatorsturbinen som vist ovenfor. Alle tre aksler kører inden for hinanden koncentrisk.

Formålet med ventilatoren er at dramatisk øge mængden af ​​luft, der bevæger sig gennem motoren, og derfor øge motorens fremstød. Når man ser på motoren af ​​en kommerciel jetfly i lufthavnen, ser du denne fan på forsiden af ​​motoren. Det er enormt - i størrelsesordenen 10 meter (3 m) i diameter på store jetfly, så det kan flytte meget luft. Den luft, som fanen bevæger sig, kaldes "bypass air"(vist i lilla ovenover), fordi den omgår turbindelen af ​​motoren og bevæger sig lige igennem til bagsiden af ​​nacellen med høj hastighed for at tilvejebringe trykkraft.

EN turboprop Motoren ligner en turbofan, men i stedet for en ventilator er der en konventionel propel foran på motoren. Udgangsakslen forbindes til a gearkasse for at reducere hastigheden, og gearkasseens udgang drejer propellen.

Thrust Basics

-Målet med en turbofan-motor er at producere fremstød at køre flyvemaskinen fremad. Træk er generelt målt i pund i USA (det metriske system u-ses Newtons, hvor 4,45 Newton er lig med 1 pund kraft). Et "pund af stød" er lig med en kraft, der kan accelerere 1 pund materiale 32 fod pr. Sekund pr. Sekund (32 fod pr. Sekund pr. Sekund forekommer at svare til accelerationen tilvejebragt af tyngdekraften). Derfor, hvis du har en jetmotor, der er i stand til at producere 1 pund stødkraft, kunne det holde 1 pund materiale suspenderet i luften, hvis strålen pegede lige ned. Ligeledes kunne en jetmotor, der producerer 5.000 pund stød, holde 5.000 pund materiale suspenderet i luften. Og hvis en raketmotor producerede 5.000 pund stød, der blev anvendt på et 5.000 pund objekt, der flydede i rummet, ville 5 000 pund objektet accelerere med en hastighed på 32 fod pr. Sekund pr. Sekund.

Thrust er genereret under Newtons princip, at "hver handling har en lige og modsat reaktion." For eksempel forestil dig at du flyder i rummet, og du vejer 100 pounds på jorden. I din hånd har du et baseball, der vejer 1 pund på jorden. Hvis du kaster baseball væk fra dig med en hastighed på 32 fod pr. Sekund (21 mph / 34 kph), vil din krop bevæge sig i modsat retning (det vil reagere) med en hastighed på 0,32 fod pr. sekund. Hvis du løbende skulle kaste baseballs på den måde med en hastighed på en pr. Sekund, ville dine baseballs generere 1 pund af kontinuerlig trykkraft. Husk at for at generere det 1 pund af stødkraften i en time, skal du være i stand til at holde 3.600 pund baseballs i begyndelsen af ​​timen. Hvis du ville gøre det bedre, er det vigtigt at kaste baseballs hårdere. Ved at "smide" dem (med en pistol, siger) ved 3.200 fod pr. Sekund, ville du generere 100 pund stødkraft.

Jet Engine Thrust

-I en turbofan-motor er de baseballs, som motoren kaster ud, luftmolekyler. Luftmolekylerne er allerede der, så flyet behøver ikke at transportere dem rundt i det mindste. Et individuelt luftmolekyle vejer ikke meget, da motoren kaster en masse af dem, og det kaster dem med meget høj hastighed. Thrust kommer fra to komponenter i turbofan:

  • Det gasturbine i sig selv - Generelt dannes en dyse ved udstødningsenden af ​​gasturbinen (ikke vist i denne figur) for at frembringe en højhastighedstråle af udstødningsgas. En typisk hastighed for luftmolekyler, der forlader motoren, er 1.300 mph (2.092 kph).
  • Det bypass air genereret af ventilatoren - Denne bypass-luft bevæger sig langsommere end udstødningen fra turbinen, men ventilatoren flytter meget luft.

Som du kan se, er gasturbinemotorer ret almindelige. De er også ret komplicerede, og de strækker grænserne for både væskedynamik og materialevidenskab.Hvis du vil lære mere, ville et værdifuldt sted være biblioteket på et universitet med en god ingeniørafdeling. Bøger om emnet tendens til at være dyre, men to kendte tekster omfatter "Aircraft Gas Turbine Engine Technology" og "" Elements of Gas Turbine Propulsion. "

Der er en overraskende aktivitet i den hjemmebyggede gasturbine arena, og du kan finde andre interesserede i samme emne ved at deltage i nyhedsgrupper eller mailinglister om emnet.

For mere information om gasturbine motorer og relaterede emner, se linkene på den følgende side.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com