Can en jetmotor nytta av nitrousoxid boost?

7

Jag läste just denna wikiartikel igen om GM-1-boostsystemet. Detta användes i nazistiska plan under andra världskriget. Det injicerade kväveoxid (N2O) i kolvmotorns laddare. Tanken var att få mer oxidationsmedel i motorn, vilket möjliggör högre bränsleinsprutning och därmed högre motoreffekt tillfälligt. Detta kan tjäna för att klättra snabbare eller starta bättre eller behålla hög höjd.

Min ursprungliga tolkning av GM-1-systemet och det relaterade MW-50 -systemet är att de är som efterbrännare av deras era. Men den analogi är inte perfekt. Efterbrännare använder samma jetbränsle som används inom motorn, men sprutas utanför på baksidan. GM-1 använde ett annat bränsle, N2O (egentligen en monopropellant med mer oxidationsmedel inbyggd i kemikaliet än bränsle), injicerade inuti motorn.

Vad jag vill veta är, kan N2O öka arbetet i en jetmotor genom att injicera direkt i förbränningskammaren (tillsammans med ökad bränsleinsprutning)? Är det en bra idé för militära jetflygplan (jämfört med efterbrännare)? Är det även möjligt utan överhettning något?

Jag är intresserad av turbojets och turbofans, och skulle även överväga en centrifugal jetmotor.

    
uppsättning DrZ214 06.08.2017 06:03

3 svar

11

För brännaren säger jag att svaret är nej, för det som begränsar bränslehastigheten är inte syrgasmängden (gasturbinbrännare är mycket lutna), men turbinmaterialets förmåga att motstå en högre gas temperatur som går in i turbinen. Därför, för att tillfälligt öka motorns kraft, användes vatteninsprutning i förbränningsanordningen på tidiga jetmotorer, för att öka tryckkraften vid start.

Det här låter ganska kontraintuitivt, men förklaringen baseras på termodynamik. Naturligtvis avdunstar vattnet i ånga, som sedan upphettas till temperaturen på förbränningsutgångstemperaturen. Denna avdunstnings- och uppvärmningsprocess av vattnet och därefter ångan dras av brännarens värme och minskar därigenom förbränartemperaturen (för samma bränsleflöde). Motorn behöver emellertid inte lägga till mer bränsle för att kompensera för denna kylning, på samma nivå av drivkraft, eftersom den energi som tillsätts till ångan fortfarande är tillgänglig i turbinen, att släppas när förbränningsgas / ångblandningen strömmar genom turbinen expanderar och kyler. När det svalnar ger den upp denna energi, som effektivt används för att driva turbinen. Den återstående energin omvandlas sedan till tryck, då flödet expanderar genom det slutliga drivmunstycket. Men nu, eftersom turbontemperaturen är lägre för samma trycknivå, kan bränsleflödet kan ökas tills den maximala turbininloppstemperaturen nås, och nu ger nu mer dragkraft .

Så, hellre än att injicera N2O i huvudförbränaren, injicera vatten.

För efterbrännaren (AB) är fallet dock helt annorlunda, och jag tror att en prestationsförmån skulle kunna existera. AB-förbränning sträcker sig mycket närmare ett ekvivalensförhållande på 1 (cirka 0,96), dvs att bränna nästan 100% av bränslenivån som kan uppträda med fullständig förbränning av all tillgänglig luft. Och till skillnad från huvudbrännaren finns det inga riktiga materialtemperaturbegränsningar (kalla bypassutgångar längs insidan av AB-kanalytan). Men frågan är, vill du verkligen göra det operativt? Är det bättre att använda några av tankens tankkapacitet för vissa N2O, eller helt enkelt för bränsle? Jag misstänker att det är bättre att kunna använda AB längre, vid en något lägre trycknivå än kortare, för en högre drivkraft. Jag tror inte att militära flygplan använder AB för att driva missiler, så det är inte det enda målet att rena dragkraft är. Men det är en annan (nästa) fråga ....

    
svaret ges 06.08.2017 13:29
4

Kraften kan ökas i turbojets genom vatteninjektion eller efterbränning som de andra svaren förklarar. Varje teknik har sina fördelar och nackdelar, men den är heller inte väl lämpad i mer än några minuter - vanligtvis vid start, klättring och krigens nödkraftansökan under strid.

Vatteninjektion fungerar bäst på låga nivåer där det finns mer tillgängligt syre. Efterbrännare arbetar i alla höjder men gör ineffektiv användning av bränsle jämfört med bassturbojet (efterbrännings specifik bränsleförbrukning är ungefär dubbelt så mycket per pund av tryckkraft). De enda jetmotorerna som jag vet kombinerar båda teknikerna är i MiG-25 och -31.

Det finns för närvarande inga jetmotorer som marknadsför nitroxidinsprutning men det betyder inte att det inte kan vara användbart i vissa situationer. Det första beslutet är huruvida man ska injicera flytande eller gasformig kväve. Vätska är klart bättre både på grund av tätare lagring och kylning av fasbyte. Denna kylningseffekt är den enda anledningen till att du kanske använder kväve vid start, men eftersom du skulle lägga till oxidationsmedel skulle det fortfarande finnas temperaturhänsyn. Det bättre stället att använda lustgas skulle vara på höjden för extra klättra prestanda eller hastighet dashing där motorn skulle ha överskott tillgängligt bränsle (upp till havet nivåer flöden). I sådana fall skulle lustgasinflammation troligen vara att föredra efter efterborrning, eftersom maximalt tryck skulle vara större (lustgas kan producera upp till 70 procent mer effekt jämfört med efterbränningens 50 procent) och det skulle producera den extra kraften utan att eftergasningens speciella bränsleförbrukning med gasstrålning. Det betyder inte bara att gå snabbare men också gå vidare. Så det finns definitivt en plats för kväveinjektion i jets.

Men vad skulle Putin göra? H skulle lägga till lust i vatteninjektionen och efterbrännare på hans MiG-31s och MAYBE får ett flygplan som äntligen är snabbare än en SR-71.

    
svaret ges 11.08.2017 22:21
1

Nitro fungerar bra i en kolvgasmotor eftersom blandningen ligger i ett ganska smalt område och ytterligare syre kan användas med en blandning som blir berikad, plus har tillsatt syre. I själva verket skapar det ekvivalent av ett inloppsförhöjning, eftersom det lägger till tillgängligt syre.

Turbinmotorn går mycket smalare och har ett brett blandningsområde som stöder förbränning. Eftersom turbiner normalt har extra syre skulle de inte dra nytta av tillsatsen av tillgängligt syre. Åtminstone inte hur en kolvmotor med en berikad bränsleblandning skulle.

Således skulle nettoeffekten av att injicera lust i en jetmotor vara mycket liten och vid max effektinställningar skulle den fortfarande vara liten på grund av den inneboende lutningsoperationen och därtill hörande överutbud av syre i förbränningskammaren. Med andra ord är det lite fördelaktigt att tillsätta syre när det redan finns gott.

    
svaret ges 06.08.2017 15:42