چرا موتورهای جت نمی توانند با هوای مافوق صوت کار کنند

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1651

سپاس: 3161

جنسیت:

تماس:

چرا موتورهای جت نمی توانند با هوای مافوق صوت کار کنند

پست توسط rohamjpl »

معمولاً وقتی جریان هوای ورودی نسبت به موتور مافوق صوت است، جت ها نمی توانند کار کنند. چرا اینطور است؟ همچنین، چرا اسکرام جت ها می توانند از هوای مافوق صوت استفاده کنند؟
برای کاهش سرعت هوا به سرعت زیر صوت، هوا از یک موج شوک عبور می کند (اگر درست متوجه شده باشم). این چگونه هوا را کند می کند؟
تیغه کمپرسور در جریان مادون صوت بهترین عملکرد را دارد. جریان مافوق صوت منابع درگ اضافی را معرفی می کند که اگر کارایی مهم است باید از آنها اجتناب شود. بنابراین، ورودی باید سرعت هوا را به عدد ماخ بین 0.4 تا 0.5 کاهش دهد. توجه داشته باشید که سرعت محیطی بالای یک تیغه فن بزرگ همچنان به این معنی است که نوک‌های آن در حدود 1.5 ماخ کار می‌کنند، اما مراحل بعدی کمپرسور در شرایط زیر صوت کار می‌کنند.
یک اسکرام جت با سوخت هایی با سرعت جلوی شعله مافوق صوت و اختلاط سریع سوخت و هوا امکان پذیر است. اگر موتور نفت سفید معمولی می سوزاند، اگر سرعت هوای داخلی مافوق صوت باشد، شعله مانند شمع خاموش می شود، و حتی اگر نگهدارنده های شعله شعله را در جای خود نگه دارند، بیشتر احتراق تنها پس از خروج مخلوط سوخت و هوا انجام می شود. موتور به دلیل اختلاط آهسته نفت سفید و هوا. با استفاده از هیدروژن می توان احتراق پایداری را حتی در جریان مافوق صوت به دست آورد. با توجه به سرعت بالای پرواز، فشرده سازی توسط یک آبشار از شوک ها امکان پذیر است، بنابراین در رم جت ها و اسکرام جت ها به توربوماشین های متحرک نیاز نیست.
همه جت ها هوا را در ورودی خود کاهش می دهند تا فشار هوا را افزایش دهند. این فشرده سازی هوا را گرم می کند و برای رسیدن به احتراق که نیروی رانش ایجاد می کند، این گرما باید محدود شود. اگر هوا بیش از تقریباً گرم شود. 6000 درجه کلوین، افزودن انرژی بیشتر منجر به تفکیک گاز با افزایش کمی بیشتر گرما می شود. از آنجایی که رانش با انبساط هوا از طریق گرمایش تولید می‌شود، هوای سوزانی که در دمای 6000 درجه کلوین وارد فرآیند احتراق می‌شود، نیروی رانش زیادی را به دست نخواهد آورد. اگر هوا با 6 ماخ وارد ورودی شود، نباید کمتر از حدوداً سرعت آن کاهش یابد. 2 ماخ برای دستیابی به احتراق با افزایش قابل توجه دما - به همین دلیل است که اسکرام جت در وسایل نقلیه مافوق صوت استفاده می شود.
افشای کامل: بسته به فشار، اکسیژن در حال حاضر بین 2000 درجه و 4000 درجه کلوین شروع به تفکیک می‌کند، در حالی که نیتروژن عمدتاً بالای 8000 درجه کلوین تجزیه می‌شود. رقم 6000 درجه کلوین در بالا یک سازش تقریبی برای مرزی است که در آن افزودن انرژی بیشتر شروع به ایجاد می‌کند. حس کمتر و کمتر البته حتی دمای شعله 6000 درجه کلوین برای مواد محفظه احتراق چالش برانگیز است و سرامیک با خنک کننده فیلم الزامی است.
معادله دمای رکود T0 هوا نشان می دهد که سرعت پرواز v چقدر مهم است:
$T_0 = T_{\infty} \cdot \frac{v^2}{c_p} = T_{\infty} \cdot \left(1 + \frac{\kappa - 1}{2}\cdot Ma^2 \right)$
$T_{\infty}$دمای محیط، cp گرمای ویژه در فشار ثابت و κ نسبت گرمای ویژه است. برای گازهای دو اتمی (مانند اکسیژن و نیتروژن)، κ 1.405 است. دما با مجذور سرعت پرواز افزایش می یابد، بنابراین در 2 ماخ ضریب افزایش گرما نسبت به محیط تنها 3.8 است، در حالی که در 6 ماخ این ضریب به 26.3 می شود. حتی در دمای هوای 220 درجه کلوین، هوا تا 5800 درجه کلوین گرم می شود، زمانی که در حالتی که وسیله نقلیه مافوق صوت با سرعت 6 ماخ حرکت می کند، هوا به طور ایده آل فشرده شود. توجه داشته باشید که فرآیندهای فشرده سازی واقعی به دلیل اصطکاک هوا را حتی بیشتر گرم می کنند.
فشرده سازی با شوک
جریان مافوق صوت با افزایش فشار در طول مسیر جریان کند می شود. از آنجایی که هیچ "هشدار قبلی" در مورد آنچه در راه است امکان پذیر نیست، این افزایش فشار ناگهانی است: فشار از یک مقدار ثابت جلوتر به یک مقدار ثابت بالاتر از پرش می جهد. به این می گویند شوک. انرژی افزایش فشار از انرژی جنبشی هوا گرفته می شود، بنابراین پس از شوک، تمام پارامترهای دیگر (سرعت، چگالی و دما) مقادیر جدیدی به خود می گیرند.
ساده ترین شوک ضربه مستقیم است. این را می توان در ورودی های پیتوت مانند F-16 در پرواز مافوق صوت یافت. رایج‌تر ضربه‌های مورب هستند که بر اساس عدد ماخ جریان آزاد کج می‌شوند. آنها در لبه های پیشرو و دنباله دار، دماغه های بدنه و تغییرات کانتور به طور کلی اتفاق می افتند: هرگاه چیزی جریان هوا را به دلیل اثر جابجایی خود خم کند، مکانیسم این خم شدن مسیر جریان یک شوک مایل است.
شوک مستقیم و مایل
شاخص 1 شرایط قبل از شوک و 2 شرایط پایین دست شوک را نشان می دهد. برای شوک های مستقیم ضعیف، حاصل ضرب سرعت جلوتر از شوک v1 و سرعت گذشته از شوک v2 برابر است با مجذور سرعت صوت:
$v_1\cdot v_2 = a^2$
اگر $Ma_1 > 1$ باشد، پس Ma2 باید کوچکتر از 1 باشد، بنابراین جریان همیشه با یک ضربه مستقیم به سرعت زیر صوت کاهش می یابد.
همین معادله برای مولفه سرعت عادی vn جلو و پس از یک شوک مایل ضعیف کار می کند:
$v_{1n}\cdot v_{2n} = a^2$
توجه داشته باشید که مولفه مماسی vt تحت تأثیر شوک قرار نمی گیرد! فقط جزء معمولی کاهش می یابد. اکنون سرعت v2 هنوز مافوق صوت است، اما کمتر از v1 است، بنابراین یک شوک مایل ضعیف باعث افزایش متوسط ​​فشار، چگالی و دما می شود.
زاویه موج ضربه ای مورب با عدد ماخ جلوتر از ضربه تعیین می شود.
ورودی های مافوق صوت
شوک های ضعیف مورد نظر هستند، زیرا آنها فقط تلفات جزئی در اثر اصطکاک ایجاد می کنند. ورودی‌های پیتوت با شوک‌های تک و مستقیم خود در سرعت‌های مافوق صوت پایین به خوبی کار می‌کنند، اما l بالاتری را متحمل می‌شوند.استخوان ها با اعداد ماخ بالاتر. به عنوان یک قاعده کلی، مصرف پیتوت بهترین سازش در سرعت های زیر 1.6 ماخ است. اگر سرعت طراحی بیشتر باشد، ورودی‌های پیچیده‌تر و سنگین‌تری برای کاهش سرعت هوا مورد نیاز است. این کار با دنباله ای از تکان های ضعیف و مایل و با استفاده از مکش گوه ای انجام می شود.
افزایش تدریجی زاویه گوه باعث ایجاد آبشاری از شوک های شیب دار تر و مورب می شود که به تدریج هوا را کاهش می دهد. هدف طراحی این است که این آبشار از شوک‌های ناشی از گوه در بالا قرار گیرد تا به لبه ورودی پایین برخورد کنند. این کار توسط یک کانتور متحرک از هندسه ورودی بالایی و/یا لبه انجام می شود. هدف دستیابی به سرعت یکنواخت در سطح مقطع ورودی و عدم هدر دادن هوای فشرده در جریان اطراف ورودی است. برای نمونه ای از لبه ورودی متحرک (که مسلماً عمدتاً برای افزایش ناحیه جذب در سرعت کم و برای جلوگیری از جدا شدن جریان حتی با شعاع لبه ورودی کوچک است)
هنگامی که هوا وارد دهانه ورودی می شود، فقط مافوق صوت خفیف است و می تواند توسط یک شوک نهایی و مستقیم در باریک ترین نقطه ورودی، سرعت آن را کاهش دهد. پس از آن نقطه، کانتور ورودی به تدریج گسترده می شود، به طوری که هوا بدون جدا شدن بیشتر کاهش می یابد. برای دستیابی به این امر، جریان بسیار یکنواخت در سراسر منطقه ورودی الزامی است، و حتی از اختلال جزئی ناشی از لایه مرزی هر چیزی که جلوتر از آبگیر است باید اجتناب شود. این امر توسط یک صفحه تقسیم کننده که به دست می آید. صفحه اسپلیتر ورودی یوروفایتر حتی سوراخ شده است تا لایه مرزی اولیه را از آنجا بمکد.
کاهش سرعت جریان ورودی منجر به افزایش فشار قابل توجهی می شود: در مورد کنکورد در کروز 2.02 ماخ، ورودی باعث افزایش فشار بیش از 6 برابر شد، بنابراین کمپرسور موتور مجبور شد "فقط" یک ضریب اضافه کند. 12، به طوری که فشار در محفظه احتراق چهار موتور Olympus 593 80 برابر فشار محیط بود (البته این فشار محیط تنها 76 میلی بار در ارتفاع کروز 18 کیلومتری بود).
این افزایش فشار به این معنی است که یک ورودی مافوق صوت باید مانند یک مخزن تحت فشار ساخته شود و وجه مستطیلی ورودی باید به سرعت به سطح مقطع گرد در پایین دست تغییر یابد تا جرم ساختار ورودی پایین بماند.
ورودی با سرعت بالاتر
تندتر رفتن به این معنی است که بازیابی فشار ورودی با مجذور سرعت پرواز افزایش می‌یابد: در مورد ورودی SR-71 در 3.2 ماخ، فشار در قسمت جلوی موتور تقریباً 40 برابر بیشتر از فشار محیط بود. اکنون مشخص می شود که سرعت بیشتر از 3.5 ماخ نیاز به توربو کمپرسور را برطرف می کند: در این سرعت ها یک ورودی به درستی طراحی شده می تواند به خودی خود فشرده سازی کافی برای احتراق ایجاد کند تا نیروی رانش کافی ایجاد کند، و رفتن به بالاتر از 5 ماخ نیاز به مهار در کاهش سرعت دارد. جریان ورودی را کاهش دهید تا حاشیه دمای کافی برای احتراق وجود داشته باشد، که نیاز به جریان مافوق صوت در محفظه احتراق دارد...hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

ارسال پست