کمپرسور-توربین: چرا یک شفت و نه نوعی "درام دوار

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: Tehran, Qeytariyeh

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 847

سپاس: 524

جنسیت:

تماس:

کمپرسور-توربین: چرا یک شفت و نه نوعی "درام دوار

پست توسط rohamjpl »

من اصول پیشرانه جت و کاربردهای آن را مطالعه می کنم. من واقعاً این سوال بعدی را دارم و هنوز پاسخی پیدا نکرده ام: چرا جت ها از شفت (یا بیشتر) برای اتصال توربین (ها) به دستگاه (ها) کمپرسور استفاده می کنند ، اما در عوض از "درام چرخان" استفاده نمی کنند؟
چیزی که من آن را "طبل چرخان" می نامم (در زیر آن را ترسیم کرده ام) یک استوانه باریک و دوار است که در ابتدا و خروج دارای تیغه های روتور است.
من می خواهم بدانم آیا این یک ترتیب امکان پذیر است و مضرات آن چه خواهد بود. من فکر می کنم این ممکن است غیر ممکن باشد زیرا:
استرس گرمایی زیادی در وسط drum یاطبل وجود خواهد داشت.
اما اگر بخواهیم به نحوی بر این نقص غلبه کنیم ، فکر می کنم از راه های زیر سود خواهیم برد:
من فکر می کنم وزن کمتری با توجه به سیستم شفت سنتی وجود دارد.
فضای داخلی بیشتر (بدون توخالی) برای سایر اجزای سخت مانند احتراق. احتراق می تواند کمی بزرگتر شود ، بنابراین راندمان سوختن را افزایش می دهد (زمان واکنش بیشتر برای واکنش دهنده ها ، ...).
چرخش-درام
نمی دانم چقدر درست/اشتباه می کنم. این یک سوال از سر کنجکاوی محض است و می خواستم در مورد آن بازخورد بگیرم. آیا باید پیش بروم و روی نمونه اولیه آن در مقیاس کوچک کار کنم؟ امیدوارم سوال من در اینجا خیلی اساسی نباشد.
PS: طرح من درست همان است: یک طرح. بنابراین ، موارد مهمی مانند تعداد نسبی مراحل توربین کمپرسور ، یا مناطق افزایش/کاهش برای هریک از آن دو جزء ، ظاهر نمی شوند.تصویر
در اینجا چند دلیل بسیار کاربردی وجود دارد که چرا موتورهای توربین از شفت/قرقره داخلی استفاده می کنند.
اول ، قرقره های موتور جت قطعات چرخشی بسیار بالایی هستند ، این بدان معناست که آنها تحت مقادیر زیادی نیروی گریز از مرکز قرار می گیرند. نیروی گریز از مرکز با $F=mr\omega ^2$محاسبه می شود اگر F نیرو باشد ، m جرم است ، r شعاع چرخش و ω سرعت زاویه ای است. بنابراین بدیهی است که هرچه شعاع چرخش بیشتر باشد نیروهایی که روتورها باید حمل کنند بیشتر است. برای کاهش شعاع چرخش سازندگان سعی کنید جرم روتورها را تا حد ممکن به خط مرکزی موتور فشار دهید. من روتورهای HPC ، HPT و LPT را دیدم. می توانید ببینید که چگونه زیر تیغه ها بسیار نازک هستند و سپس یک لامپ بزرگ بسیار نزدیک خط مرکزی موتور دارند. حرکت تمام این جرم به سمت خط مرکزی ، شعاع چرخش را کاهش می دهد ، و در نتیجه نیروی مرکز گریز را کاهش می دهد. با کاهش نیروی گریز از مرکز ، می توانید قدرت روتورها را نیز کاهش دهید ، زیرا آنها مجبور نیستند بار زیادی حمل کنند. این به شما این امکان را می دهد که جرم را از روتورها بردارید و نیروی گریز از مرکز و وزن کلی موتور را بیشتر کاهش دهید.
روتورهاRotors
در مرحله بعد ، شما می خواهید یاتاقان ها تا حد ممکن کوچک باشند. این به این دلیل است که با افزایش شعاع یاتاقان ، سرعت خطی آن نیز از طریق این معادله افزایش می یابد: $v=\omega r$هرچه سرعت خطی بیشتر باشد ، سایش بیشتر است ، اصطکاک بیشتر و تولید گرما بیشتر می شود. بنابراین با توجه به محدودیت های دیگر ، فشارهایی برای کوچک کردن بلبرینگ ها وجود دارد. در تصویر زیر یاتاقان ها را دور زده ام ، دایره های قرمز روی بلبرینگ های قرقره فشار کم هستند ، در حالی که دایره های آبی بلبرینگ های قرقره فشار قوی هستند. این همیشه انجام نمی شود ، اما بسیار رایج است که یاتاقان فشار قوی عقب سوار بر شفت کم فشار می شوند. به طور معمول این شفت ها در یک جهت می چرخند ، بنابراین سرعت تحمل با این رابطه کاهش می یابد $\omega_{AftHPbearing}=\omega_{HP}-\omega_{LP}$. اصطکاک یاتاقان باعث کاهش کارایی موتور می شود و سایش بلبرینگ یک محرک مهم در نگهداری است.
بلبرینگBearings
همچنین بسیاری از مسائل دیگر وجود خواهد داشت ، مانند نصب تیغه (در حالت فشرده سازی به جای کشش) ، طراحی تیغه (فشرده سازی به جای کشش) ، افزایش احتمالی مسیرهای نشت ، مهار ، طراحی ساختار استاتور (اکنون همه استاتورهای شما به یک شفت ثابت متصل شده اند که فقط در انتها قابل پشتیبانی است) ، کنترل پره های متغیر استاتور ، ورود سوخت به احتراق ، نحوه نصب موتور و غیره.
فقط سوال را دوباره خوندم و متوجه شدم که درباره بزرگتر کردن احتراق نیز صحبت می کنید. احتراق های مدرن کوچکتر می شوند و بسیار کوچکتر از موتورهای جت اولیه هستند. در تصاویر بالا نیز مشاهده می کنید ، آنها در حال حاضر از تمام فضای در دسترس خود استفاده نمی کنند و در صورت نیاز به فضای بیشتر ، بازو (شفت) اتصال HPT و HPC می تواند کمی بیشتر کاهش یابد.
یک طبل دوار اینرسی بالاتری خواهد داشت. هنگامی که خلبان دستور افزایش فشار را می دهد ، چرخاندن درام بیشتر از چرخاندن یک شفت به طول می انجامد. همچنین ، تعادل یک درام بزرگ سخت تر از یک شفت نازک است.
چندان دور از معمول نیست: قرقره فشار قوی در موتورهای مدرن در حال حاضر بسیار بزرگ است ، اما هنوز در داخل تیغه ها است. برش خورده موتور General Electric Passport ببینیدتصویر
در اینجا جالب است که ببینیم اجزای اصلی بسیار کوچکتر از کانال هوای بای پس هستند ، اما قرقره فشار قوی از تمام فضای باقی مانده از احتراق استفاده می کند. همچنین می توانید ببینید که قرقره فشار کم باید نازک باشد تا سطح مقطع کافی برای مراحل اولیه کمپرسور فشار قوی فراهم شود. استفاده از درام در اینجا نه تنها باعث کاهش اینرسی قرقره کم فشار ، بلکه کل کمپرسور فشار قوی می شود. قرار دادن طبل در قسمت بیرونی تیغه ها ، آن را در مسیر خطوط جریان هوا ، قطعات محوری محور و خطوط سوخت قرار می دهد. همچنین حرکت دادن پره های استاتور بسیار سخت تر خواهد بود. برش باید واضح باشد که قطر قسمت فشار قوی به اندازه عملی کوچک نگه داشته شده است.استفاده از یک شفت بین کمپرسور و توربین در موتور جت چه محدودیت هایی دارد؟می بینم که یک شفت بین کمپرسور و توربین وجود دارد ، به طوری که انرژی به صورت مکانیکی از گاز خروجی استخراج شده و برای کمک به چرخش کمپرسور استفاده می شوددرک کنید که شفت آنجاست تا توربین به حرکت کمپرسور کمک کند. اما این یک محدودیت جدی ایجاد می کند: هم کمپرسور و هم توربین باید با سرعت یکسان بچرخند. آیا این به طور کلی درست است؟ وقتی چندین شفت که چندین کمپرسور/توربین را به هم متصل می کنند چگونه این کار انجام می شود؟ آیا در اینجا جعبه های احیاء مورد نیاز است یا در واقع با همان سرعت حرکت می کنند؟ آیا این یک مقدار بزرگ است ، آیا محدودیت/اشکال جدی در رابطه با نیروی هوایی خروجی ایجاد می کند؟وقتی چندین شفت که چندین کمپرسور/توربین را به هم متصل می کنند چگونه این کار انجام می شود؟
محورهای مختلف با سرعت متفاوتی از یکدیگر می چرخند ، اما جفت های نسبی کمپرسور/توربین با همان سرعت می چرخند.
کمی گسترش می یابد ، در پیچیده ترین موردی که من شنیده ام ، 3 محور وجود دارد: فشار بالا (HP) ، فشار متوسط ​​(IP) و فشار پایین (LP)
توربین HP و کمپرسور HP با سرعت یکسان می چرخند ، اما این لزوماً برابر نیست (در واقع به احتمال زیاد متفاوت خواهد بود ، در غیر این صورت نیازی به شفت های مختلف نخواهد بود) با سرعت کمپرسور/توربین IP زن و شوهر. و این با سرعت زوج توربین/فن LP متفاوت خواهد بود.
آیا در اینجا جعبه های احیاء مورد نیاز است یا در واقع با همان سرعت حرکت می کنند؟
آنها معمولاً با همان سرعت می چرخند. و به طور کلی شما نمی خواهید جعبه دنده را در قسمت مرکزی موتور خود داشته باشید. جدا از کابوس تعمیر و نگهداری که با توجه به سرعت و انرژی چرخشی درگیر می شوند ، بسیار سنگین ، ناکارآمد و یک سیستم بحرانی کاملاً مستعد شکست خواهند بود.
، آنها فضای کافی دارند و در جلوی بقیه موتور قرار دارند و به جعبه دنده در محفظه آنها اجازه می دهد. در این سوال می توانید بحث بهتری در مورد این مورد پیدا کنید. به خاطر داشته باشید که در اینجا شما 3 مرحله کمپرسور با تنها 2 مرحله توربین دارید ، گیربکس برای داشتن اختلاف سرعت بین فن و کمپرسور IP بدون نیاز به 3 مرحله توربین و شفت اضافی ضروری بود.
آیا این یک مقدار بزرگ است ، آیا محدودیت/اشکال جدی در رابطه با نیروی هوایی خروجی ایجاد می کند؟
مانند همه چیز در مهندسی ، موازنه وجود دارد. عملکرد ایده آل از طریق مجموعه ای بی نهایت از توربین ها/کمپرسورهای بی نهایت نازک بدست می آید که هر کدام با سرعت کمی متفاوت می چرخند ، اما این از نظر فنی امکان پذیر نیست. سپس طراحان موتور به عملکرد کمی کمتر از حد مطلوب بسنده می کنند ، اما در واقع با 1 یا 2 (در موارد شدید 3) شفت گسسته قابل دستیابی است.
شما نمی توانید یک مرحله از موتور توربین را "خاموش" کنید.
همانطور که در جاهای دیگر مشاهده شد موتورهای جت یک بلوک واحد هستند که به صورت مکانیکی به هم قفل شده اند: تمام مراحل (کمپرسور و توربین) به یک محور متصل می شوند. اگر محور بچرخد ، تمام مراحل متصل به آن می چرخند.
شما می توانید طرح هایی با چند شافت داشته باشید ، اما این پیچیدگی (طراحی و نگهداری) را به شدت افزایش می دهد.
حتی اگر برای لحظه ای فرض کنیم که می توانید 1 شفت در هر مرحله داشته باشید ، متوقف کردن یکی از این موارد به طور کلی ایده بدی است. به دلایل آکوستیک ، تعداد تیغه ها در قسمت ثابت صحنه و آنهایی که در قسمت چرخشی قرار دارند باید نسبت به یکدیگر اول باشد (به عنوان مثال: 37 تیغه در طرف ثابت و 39 تیغه در قسمت دوار). این بدان معناست که وقتی قسمت دوار متوقف می شود ، نمی توانید تمام تیغه ها را با تیغه های ثابت تراز کنید و باعث ایجاد کشش و تلفات در موتور می شود و در نتیجه کارایی را کاهش می دهد.
اگر برای یک ثانیه احتمال دهیم که یک موتور جت کار می کند ، چگونه تغییر می کند تا چند مرحله را متوقف کند تصویر
همچنان بازده را کاهش می دهید: مراحل کمپرسورهایی هستند که در واقع هواپیما را به جلو می کشند (در این صورت نیروی کمتری تولید می کنید*) و مراحل توربین آنهایی هستند که انرژی را از اگزوز خارج می کنند.
در صورت توقف بیش از حد مراحل کمپرسور و عدم فشار کافی در ورودی محفظه احتراق ، حتی ممکن است شعله بالا رود.
پاسخ طولانی تر: موتورهای جت با چندین دیسک کمپرسور و توربین طراحی شده اند که به صورت مکانیکی به یک شفت واحد متصل شده اند ، به نام اسپول. معمولاً به دلیل نیاز به کمپرسور فشار قوی و فن ورودی اصلی برای چرخش با سرعت های مختلف ، 2 (یا گاهی 3) از این قرقره ها در داخل موتور وجود دارد. هر قرقره آزادانه می چرخد ​​و توسط هوای فشرده در هسته موتور که در مراحل توربین متصل به آن قرقره رانده می شود ، هدایت می شود.
راهی برای "بستن" قرقره خاص وجود ندارد. تا زمانی که فشار در هسته موتور بیشتر از فشار پشت نازل باشد ، توربین ها می چرخند و قرقره را به حرکت در می آورند. اگر یکی از مراحل توربین یا یکی از مراحل کمپرسور را از یک قرقره جدا کنید به گونه ای که "آزاد" باشد ، دیسک های توربین به دلیل کاهش بار احتمالاً بیش از حد سرعت می گیرند. علاوه بر این ، یک مرحله کمپرسور بدون اصطکاک ، ایست کمپرسور را تجربه می کند ، که اساساً یک غرفه آیرودینامیکی پره های مرحله کمپرسور است.
در نهایت ، این امر به چند دلیل غیر ضروری است:
اول ، جدا از مشکلاتی که ممکن است ایجاد کند ، با خاموش کردن مرحله کمپرسور چیزی به دست نمی آید. همانطور که اندی در کامنت به درستی اشاره کرد ، موتورهای جت بر خلاف موتورهای پیستونی سوخت ثابت در هر دور موتور ندارند. اگر یک موتور جت نیازی به تولید نیروی زیاد نداشته باشد ، می تواند سوخت کمتری را در محفظه احتراق تزریق کند. با پایین آمدن فشار در محفظه احتراق ، قرقره ها به تنهایی به تنهایی به پایین می چرخند (به دلیل فشار کمتر در حرکت مراحل توربین.)
ثانیاً ، پروفایل خروجی قدرت عملیات هواپیماهای جت هیچ شباهتی به مشخصات خودروها ندارد. برای یک خودرو ، قدرت موتور بالا معمولاً فقط در جهش های کوتاه برای شتاب استفاده می شود و کروز از بخش کوچکی از این مقدار قدرت استفاده می کند. در هواپیمای جت ، از سوی دیگر ، موتورها در درصد بالاتری از حداکثر دور در دقیقه در بیشتر پرواز به کار گرفته می شوند. این به این دلیل است که قدرت اضافی به آنها اجازه می دهد تا بالاتر پرواز کنند ، که در واقع کارایی را افزایش می دهد..I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260
تصویر

ارسال پست