Kompressor-Turbin: Varför en axel och inte typ av en "roterande trumma"?

Navigera dina svar
12

Jag studerar grundprinciperna för jetframdrivning och dess tillämpningar. Jag har verkligen den här följande frågan och har ännu inte hittat något svar: Varför använder jets en axel (eller mer) för att ansluta turbinen till kompressorns enheter, men inte en "roterande trumma" istället?

Vad jag kallar en "roterande trumma" (jag skissade den nedan) är en tunn roterande cylinder som har inbyggda rotorblad i början och utgången.

Jag skulle vilja veta om detta är ett genomförbart arrangemang, och vad skulle vara nackdelarna med det. Jag tror att det här kan vara oåtkomligt eftersom:

  • Det skulle finnas mycket värmespänning i mitten av trumman.

    • Men om vi skulle övervinna denna nackdel på något sätt tror jag att vi skulle gynna på följande sätt:

  • Mindre vikt tror jag, med respekt för det traditionella axelsystemet.
  • Mer internt utrymme (inget ihåligt) för andra krävande komponenter, som förbränningsenheten. Förbrännaren kan bli lite större, vilket ökar brännningseffektiviteten (mer reaktionstid för reaktanter, ...).

    • Jag vet inte hur korrekt / fel jag är. Det här är en fråga av ren nyfikenhet och jag ville få lite feedback på den. Ska jag gå vidare och börja arbeta med en liten prototyp av det? Hoppas min fråga här är inte för grundläggande.

    PS: Skissen jag gjorde är just det: en skiss. Därför visas inte viktiga saker som det relativa antalet steg kompressor-turbinen eller de ökande / minskande områdena för var och en av dessa två komponenter.

        
    uppsättning Jose Lopez Garcia 07.05.2016 18:53

    3 svar

    18

    Det finns några mycket praktiska skäl till varför turbinmotorer använder inre axlar / spolar.

    Först är jetmotorrullar roterande delar med hög hastighet, vilket betyder att de utsätts för stora mängder centripetalkraft. Centripetalkraften beräknas med $ F = mr \ omega ^ 2 där F är Force, m är massa, r är gyrationsradius och $ \ omega $ är vinkelhastighet. Så uppenbarligen ju större gyrationens radie är desto högre är krafterna som rotorn måste bära. För att minska gyratorns radie försöker man trycka rotorns massa så nära motorens mittlinje som möjligt. I bilden nedan ( källa ) har jag kretsat HPC, HPT och LPT rotorerna. Du kan se hur de är mycket tunna under bladet och sedan ha en stor glödlampa väldigt nära motorens mittlinje. Flyttar all denna massa mot mittlinjen, sänker gyrationens radie och minskar därigenom centripetalkraften. Genom att minska centripetalkraften kan du också minska rotorns styrka, eftersom de inte behöver bära så mycket last. Detta gör det möjligt att ta bort massa från rotorerna, vilket ytterligare minskar centripetalkraften och den totala vikten på motorn.

    Sedanvillduattlagrenskavarasåsmåsommöjligt.Dettaberorpåatteftersomradieavettlagerökardenlinjärahastighetenavdenökarockså,viadennaekvation:$v=\omegar$.Jusnabbaredenlinjärahastighetendestohögreslitagedestostörrefriktionochstörrevärmegenerering.Sådetfinnsetttryckförattgöralagrensåsmåsommöjligtmedtankepåandrahinder.Ibildennedanharjagkröktlagren,derödacirklarnaliggerpålågtrycksspolen,medandeblåcirklarnaärhögtrycksspolen.Dettagörsintealltid,mendetblirmycketvanligtattdethögatryckbärandelagretgördetmöjligtattkörapålågtrycksaxeln.Dessaaxlarroterarvanligtvisisammariktning,sålagringshastighetenreducerasmeddennaekvation$\omega_{AftHPbearing}=\omega_{HP}-\omega_{LP}$.Bärfriktionminskarmotornseffektivitet,ochbärslitagetärenbetydandeunderhållsförare.

    (Det blir lång så jag ska avkorta resten) Det skulle också finnas många andra problem, såsom bladmontering (svanshaler i kompression istället för spänning), bladdesign (kompression istället för spänning), möjlig ökning i läckagevägar, inneslutning, statorstruktur design (nu är alla dina statorer kopplade till en stationär axel som endast kan stödjas vid ändarna), kontroll av variabla statorvingar, bränsle i förbränningen, hur monterar motorn, etc.

    Redigera: Bara omläsa frågan och insåg att du pratade också om att göra förbränningen större. Moderna förbränningsmedel blir mindre och är mycket mindre än de var i de ursprungliga jetmotorerna. Du kan också se i bilderna ovan, de använder inte redan all ledigt utrymme och om de behöver mer utrymme kan armen (axeln) som förbinder HPT och HPC sänkas ytterligare.

        
    svaret ges 08.05.2016 06:01
    12

    En roterande trumma kommer att ha högre tröghet. När piloten bestämmer en tryckförhöjning, tar trumman längre tid än att spola upp en axel. En stor trumma är också svårare att balansera bra än en tunn axel.

    Men vad du föreslår är inte så långt från allmän praxis: Högtrycksspolen på moderna motorer är ganska stor redan, men den är fortfarande på insidan av knivarna. Se den bortskurna bilden av Generell elektrisk passport till exempel (source ):

    Här är det intressant att se att kärnkomponenterna är ganska små än kanalen för bypassluften, men högtrycksspolen använder allt utrymme som lämnas av förbränningen. Du kan också se att lågtrycksspolen måste vara tunn för att ge tillräckligt med tvärsnitt för de första stadierna av högtryckskompressorn. Genom att använda en trumma skulle här inte bara öka trögheten hos lågtrycksspolen, men också för hela högtryckskompressorn. Att sätta trumman på utsidan av knivarna skulle lägga den i vägen för blöda luftledningar, tillbehör drivaxlar och bränsleledningar. Att göra statorvingarna rörliga skulle också bli mycket svårare. Skärningen bör göra det uppenbart att diametern hos högtryckssektionen var så liten som praktisk.

        
    svaret ges 07.05.2016 22:43
    3

    Du verkar beskriva en Exoskeletal Turbin -design. Jag är ingen expert, bara vagt associerad med branschen. De är attraktiva delvis, eftersom dina rotormaterial bara behöver vara starka i kompression, så att du kan använda t.ex. keramik. Vidare kan den ihåliga inre volymen återanvändas för en alternativ flödesväg eller motortyp, vilket öppnar alternativ för sc / ramjet-alternativ med en konventionell turbofan som viks runt den. NASAs undersökte det, med stora resultat som lagringstekniken inte gjorde existerar vid den tiden och att supportutrustning sannolikt skulle äta upp någon fördel som uppnåtts, för ungefär likvärdig prestanda. Materialförbättringar kan ändra balansen på något sätt.

        
    svaret ges 21.04.2017 19:14

    Läs andra frågor om taggar Kärlek och kompatibilitet Skor Gear 12 Stjärntecken Grunderna

    Badrumsljus och fläkt kombinationsskydd och ledningar Enligt spelreglerna kan en Paladin ha en Familiar? [stängd]