Varför flyter gaser i förbränningskammaren bara en riktning till gasturbin i en jetmotor?

33

Såvitt jag vet från arbetsprincipen för jetmotorer, är tryckluft i förbränningskammaren (eller förbränningsbehållaren) blandad med bränsle. Den antända blandningen expanderar bakåt för att vrida turbinrotorerna och fortsätter arbetscykeln. Till sist skapar vänster över hetgas gasen.

Även om uppvärmd gas expanderar i alla riktningar i rymden, varför förbränningsgasen bara expanderar i en riktning mot turbinen?

    
uppsättning albin 16.01.2015 00:21

3 svar

25

Det är egentligen inte så enkelt att säkerställa rätt gashastighet i en gasturbin. I kompressorn vill du begränsa flödeshastigheten över kompressorns vingar till det höga subsoniska intervallet, så inloppen måste sänka flödet ner till ca. Mach 0,4 - 0,5. Mindre skulle innebära mindre genomströmning och därmed mindre dragkraft.

Denna hastighet är emellertid alldeles för hög för tändning. fuel behöver lite tid att blanda med komprimerad luft , och om flödeshastigheten är hög blir din förbränningskammare mycket lång och motorn blir tyngre än vad som behövs. Därför utvidgas tvärsnittet som leder från kompressorn till förbränningskammaren försiktigt för att sänka luftflödet utan separation (se avsnittet nedan kallat diffusor). Runt bränsleinsprutarna hittar du den lägsta gashastigheten i hela motorn. Nu förbränner förbränningen upp gasen och gör den större. Det högsta trycket i hela motorn ligger precis vid det sista kompressorsteget. Därifrån sjunker trycket endast desto längre framsteg. Detta säkerställer att ingen återflöde i kompressorn är möjlig. Men när kompressorens stall s (det här är ganska som en vingsstalling - är kompressorns vingar små vingar och har samma begränsningar), det kan inte hålla högt tryck och du får omvänd flöde. Detta kallas surge .

Diagrammet nedan visar typiska värden för flödeshastighet, temperatur och tryck i en jetmotor. Att få dessa rätt är motorns designers uppgift.

Plotavmotorflödesparametraröverlängdenpåenturbojet(bildtagenfrån denna publicering)

Motorns bakre del måste blockera flödet av den expanderande gasen mindre än den främre delen för att säkerställa att den fortsätter att flöda i rätt riktning. Genom att hålla tvärsnittet av förbränningskonstanten säkerställer motordesignern att den expanderande gasen accelererar, omvandlar termisk energi till kinetisk energi utan att förlora sitt tryck (det lilla tryckfallet i förbränningen orsakas av friktion). Nu träffar det accelererade flödet turbinen, och trycket i gasen sjunker i var och en av sina steg, vilket igen ser till att inget bakflöde uppstår. Turbinen måste ta så mycket energi från flödet som behövs för att köra kompressorn och de medföljande pumparna och generatorer utan att blockera flödet för mycket.

Det återstående trycket omvandlas igen till hastigheten i munstycket . Nu är gasen fortfarande mycket varmare än omgivande luft, och även om flödet i slutet av munstycket fortfarande är subsoniskt i moderna flygplansmotorer är den faktiska flödeshastigheten mycket högre än flyghastigheten. Hastighetsskillnaden mellan flyghastighet och utgångshastigheten hos gasen i munstycket är vad som ger dragkraft .

Fightermotorer har vanligen supersoniskt flöde vid munstyckets ände, vilket kräver noggrann formning och justering av munstyckets kontur. Läs allt om det här .

    
svaret ges 16.01.2015 06:39
15

Luften i kompressorn komprimeras både och förflyttas nedströms mot förbränningssektionen. Förbränningen skapar inte tillräckligt med tryck för att övervinna allt detta, och det finns lägre tryck eftersom luften expanderas genom turbinsektionerna.

När trycket i kompressorsektionen faller för mycket, förbränningsförbränningsflammorna i båda riktningarna. Detta kallas en " kompressorns överskott ".

    
svaret ges 16.01.2015 00:29
9

Ansvarsbegränsning: Jag kan ha spenderat flera timmar på Wikipedia vid en punkt som försöker svara på den här frågan för mig själv!

Jetmotorer använder Brayton-cykeln, som är en "isobarisk" process under förbränning, vilket betyder att den håller trycket konstant under den fasen. Detta står i kontrast till Otto-cykeln hos en typisk fyrtakts kolvmotor, som är "isokorisk" vid förbränning, vilket innebär att den håller volymen konstant under den fasen.

Brayton-cykeln består av 3 delar, av vilka förbränning sker i mitten

  • Inkommande luft komprimeras. Detta kräver arbete som levereras av turbinen i slutet av cykeln medan motorn är i drift eller en extern motor vid start av motorn. Detta ökar trycket i luften (sänker volymen).
  • Bränslet blandas med luften och antänds. Detta är en kontinuerlig process (till skillnad från kolvmotorer). Denna process är "konstant tryck", vilket är den del du frågar om. Det är inte intuitivt självklart varför, så vi kommer att gräva in i nästa avsnitt. Slutresultatet är en större volym luft vid samma tryck som inloppet till kammaren från kompressorn.
  • Luften passerar genom en turbin i en form som minskar trycket från komprimerat tryck till atmosfärstryck. Den använder denna turbin för att köra kompressorn. All tryckskillnad som inte behövs för att driva kompressorn används för att accelerera luften bakåt för att ge tryckkraft.
  • Så hur fungerar det här "konstanta trycket" saken? Behandla förbränningskammaren som en sorts låda en stund. Oavsett om det finns förbränning eller inte, kommer det att bli generellt konstant tryck inuti lådan. Luft pressas in i den av kompressorn, med viss hastighet och tryck. Om turbinen i kammarens ände kan "skrapa bort" luften med tillräckligt hög hastighet, kan det hålla trycket i kammarens bortre ände lika med den främre änden.

    Så hur håller den här "konstanttryck" saken faktiskt flamfronten framåt framåt? Tricket är att flamfronten är försöker gå framåt, men luftens hastighet genom kammaren matchar flamans framsida och håller den konstant i kammaren. Detta är en dynamisk process, så vi behöver lite dynamik. De viktigaste detaljerna är att turbinen och kompressorn är på en axel, så vad händer med att den påverkar den andra.

    Tänk på tre fall som jämför luftflödeshastigheten till bränslet:

    • För långsamt för förbränningshastighet - detta händer om du ökar gasreglaget eller vid start av motorn.
      • Förbränningen börjar vinna och förflyttar flamfronten mot kompressorn, precis som du skulle tro det skulle.
      • Nu kommer dynamiken in. När flamfronten går framåt ökar trycket vid kompressorns utlopp, vilket sänker luftens hastighet genom kompressorn.
      • Detta betyder att kompressorn inte behöver trycka så stor av en volym luft, så belastningen minskar.
        • (Kompressorn måste trycka volymen till ett högre tryck, men det är trivialt att se att denna effekt överskuggas av den minskade volymen av luft genom att överväga kanten på en mycket svag kompressor som tydligt ryggar upp om du trycker på den från andra sidan.)
      • Turbinen ser fortfarande samma tryck, men det är mindre belastat. Detta vrider turbinen upp, ökande luftflöde leder oss till ...
    • Trimmed engine - Det här är planen som normalt försöker fungera, och det är där du inte ser att flammor sprider sig framåt.
      • I detta tillstånd är hastigheten för inkommande luft tillräcklig för att matcha flamfrontens utbredning framåt.
      • Flamfronten fortsätter att försöka gå framåt, men luften skjuts framför den lika snabbt som den kan brinna.
    • För snabb för förbränningshastighet - detta händer om du sänker gasreglaget.
      • Med mindre bränsle börjar flamfronten falla bakåt mot turbinen.
      • Som i "alltför långsamt" fallet kommer dynamiken att spela. När flamfronten rör sig bakåt minskar detta också trycket på inloppet till förbränningskammaren och kompressorn.
      • Turbinen ser nu mer last, snurra turbinen ner. Att sänka turbinen minskar luftflödet genom kompressorn, vilket ger oss tillbaka mot en trimmotor.

    En takeaway från detta mönster är varför jetmotorer inte kan förändras snabbt. Om du snabbt tillsätter bränsle genom att strypa upp, chockar du motorn så att du inte får mycket extra kraft tills turbinen och kompressorn kan rotera för att utjämna motorn.

        
    svaret ges 16.01.2015 07:27