Οι κινητήρες Turbofan είναι σημαντικοί κινητήρες αεριοστρόβιλου-. Τροφοδοτούν πολλά αεροσκάφη και UAV (drones). Ας δούμε πώς λειτουργούν, την αποτελεσματικότητά τους, τη σύγκριση και τα κύρια μέρη τους.
Κύρια Εξαρτήματαενός Στροβιλοκινητήρα
Ένας κινητήρας turbofan έχει πολλά βασικά μέρη:
- Ανεμιστήρας: Βοηθά στην ώθηση επιταχύνοντας πολύ αέρα.
- Συμπιεστής: Αυξάνει την πίεση και τη θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα.
- Θάλαμος Καύσης: Όπου ο αέρας αναμειγνύεται με καύσιμο και αναφλέγεται.
- Τουρμπίνα: Λαμβάνει ενέργεια από θερμά αέρια για την κίνηση του συμπιεστή και του ανεμιστήρα.
- Στέλεχος: Συνδέει περιστρεφόμενα μέρη.
- Στόμιο: Επιταχύνει τα καυσαέρια για να δημιουργήσει ώση.
Ο ανεμιστήρας προσθέτει επιπλέον ώθηση. Ο συμπιεστής και οι στρόβιλοι κρατούν τον κινητήρα σε λειτουργία. Τέλος, το ακροφύσιο εκτοξεύει αέρια με υψηλή ταχύτητα για να μετακινήσει το UAV προς τα εμπρός.
Πώς λειτουργούν οι κινητήρες Turbofan
Οι κινητήρες Turbofan λειτουργούν πολύ όπως οι κινητήρες turboprop. Δείτε πώς, βήμα προς βήμα:
- Εισαγωγή και Διαίρεση αέρα: Ένας ανεμιστήρας τραβάει αέρα στον κινητήρα. Ο αέρας χωρίζεται σε δύο μονοπάτια. Το ένα μπαίνει στον πυρήνα του κινητήρα για καύση. Ο άλλος (αέρας παράκαμψης) ρέει γύρω από τον πυρήνα μέσω ενός αγωγού.
- Διαδικασία Συμπίεσης: Ο αέρας που εισέρχεται στον πυρήνα περνά πρώτα από έναν συμπιεστή χαμηλής- πίεσης (LPC). Το LPC αυξάνει την πίεση του αέρα. Στη συνέχεια, ο αέρας μετακινείται σε έναν συμπιεστή υψηλής-πίεσης (HPC). Το HPC συμπιέζει περισσότερο τον αέρα, καθιστώντας τον πολύ υπό πίεση και ζεστό.
- Δράση Καύσης και Στροβίλου: Στον καυστήρα, ο πεπιεσμένος αέρας αναμιγνύεται με το καύσιμο και αναφλέγεται μόνος του. Μετά την καύση, το αέριο υψηλής{1}}ενέργειας ρέει στον στρόβιλο υψηλής-πίεσης (HPT) και στη συνέχεια στον στρόβιλο χαμηλής-πίεσης (LPT). Αυτοί οι στρόβιλοι παίρνουν ενέργεια από το αέριο: κάποια ενέργεια οδηγεί τους συμπιεστές και τον ανεμιστήρα. Το υπόλοιπο εξέρχεται ως γρήγορο πίδακα μέσα από το ακροφύσιο της εξάτμισης.
- Γενιά ώθησης: Τα γρήγορα καυσαέρια εκτοξεύονται στον αέρα, δημιουργώντας ώθηση για να μετακινήσετε το UAV προς τα εμπρός. Η ροή αέρα παράκαμψης από τον ανεμιστήρα ενώνεται με τη ροή των καυσαερίων, κάνοντας μεγαλύτερη ώθηση συνολικά. Η ροή αέρα παράκαμψης είναι λίγο πιο γρήγορη από την ελεύθερη ροή αέρα. Έτσι, ένας τούρμπο ανεμιστήρας δέχεται ώση τόσο από τον πυρήνα όσο και από τον ανεμιστήρα.
Απόδοση και Εφαρμογές Στροβιλοκινητήρα
Τα πλεονεκτήματα της αποτελεσματικότητας
Οι κινητήρες Turbofan προσφέρουν εξαιρετική απόδοση, όλα χάρη στον καινοτόμο σχεδιασμό παράκαμψης τους. Στο επίκεντρο αυτής της απόδοσης βρίσκεται η αναλογία παράκαμψης-η αναλογία αέρα που ρέει γύρω από τον πυρήνα του κινητήρα (αέρας παράκαμψης) προς τον αέρα που εισέρχεται στον πυρήνα για καύση. Σε αντίθεση με τους turbojet, οι οποίοι εξαρτώνται αποκλειστικά από το καύσιμο-που καίει τη ροή αέρα του πυρήνα για τη δημιουργία ώθησης, οι στροβιλοανεμιστήρες χρησιμοποιούν έναν μεγάλο μπροστινό ανεμιστήρα για να επιταχύνουν τεράστιους όγκους αέρα παράκαμψης. Αυτός ο αέρας παράκαμψης συμβάλλει στην ώθηση χωρίς να καταναλώνει επιπλέον καύσιμο, πράγμα που σημαίνει ότι οι στροβιλοανεμιστήρες παράγουν περισσότερη συνολική ώθηση ενώ χρησιμοποιούν σχεδόν την ίδια ποσότητα καυσίμου με τον πυρήνα ενός στροβιλοκινητήρα.
Το χάσμα απόδοσης διευρύνεται περαιτέρω με διαφορετικές διαμορφώσεις παράκαμψης: οι υψηλοί-turbofans παράκαμψης (με αναλογίες παράκαμψης 5:1 ή υψηλότεροι) πλησιάζουν στο να ταιριάζουν με την απόδοση καυσίμου των στροβιλοκινητήρων, αλλά με το βασικό πλεονέκτημα ότι λειτουργούν σε πολύ υψηλότερες υποηχητικές ταχύτητες (ιδανικοί για εμπορικές πτήσεις). Ακόμη και οι ανεμιστήρες χαμηλής-παράκαμψης-σχεδιασμένοι για στρατιωτική χρήση-έχουν καλύτερη απόδοση από τους παραδοσιακούς turbojet, επιτυγχάνοντας καλύτερη ισορροπία μεταξύ της απόδοσης ώσης και της οικονομίας καυσίμου, ιδιαίτερα
σε μεγάλες φάσεις κρουαζιέρας.
Σενάρια χρήσης
Η ευέλικτη σχεδίαση των Turbofans τα καθιστά απαραίτητα τόσο στην πολιτική όσο και στη στρατιωτική αεροπορία, με διαμορφώσεις προσαρμοσμένες στις συγκεκριμένες ανάγκες. Στην πολιτική αεροπορία, σχεδόν όλα τα εμπορικά αεροσκάφη (από τα στενά-αεροσκάφη όπως το Boeing 737 έως τα αεροσκάφη ευρείας-ατράκτου όπως το Airbus A350) βασίζονται σε υπερυψηλούς-τους ανεμιστήρες παράκαμψης. Ο συνδυασμός εξοικονόμησης καυσίμου και ταχύτητας επιτρέπει στις αεροπορικές εταιρείες να εκτελούν διαδρομές μεγάλων αποστάσεων-οικονομικά, διατηρώντας παράλληλα ανταγωνιστικούς χρόνους πτήσης.
Για στρατιωτικές εφαρμογές, τα σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη (όπως τα F-16 και F{4}}35) χρησιμοποιούν στροβιλοανεμιστήρες χαμηλής-παράκαμψης. Αυτοί οι κινητήρες δίνουν προτεραιότητα στο συμπαγές μέγεθος και στις υψηλές αναλογίες ώσης{-και, πολύ σημαντικό, μπορούν να ενσωματώσουν συσκευές μετάκαυσης-που εγχέουν επιπλέον καύσιμο στην εξάτμιση για να αυξήσουν την ταχύτητα για αερομαχίες ή αναχαιτίσεις. Αντίθετα, οι στροβιλοανεμιστήρες υψηλής παράκαμψης δεν μπορούν να φιλοξενήσουν μετακαυστήρες λόγω των μεγάλων αγωγών παράκαμψης τους, γεγονός που καθιστά τα μοντέλα χαμηλής παράκαμψης τα πιο δημοφιλή για στρατιωτικά γρήγορα τζετ. Πέρα από τα μαχητικά, τα στρατιωτικά μεταφορικά αεροπλάνα χρησιμοποιούν επίσης στροβιλοανεμιστήρες, αξιοποιώντας την αποτελεσματικότητά τους για τη μεταφορά βαρέων φορτίων σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η προσαρμοστικότητα εδραιώνει τους turbofans ως την πιο ευέλικτη επιλογή πρόωσης στη σύγχρονη αεροπορία.
Turbojet εναντίον Turbofan Engines: A Comparison
- Παραγωγή ώσης & απόδοση καυσίμου: Οι στροβιλοτζετ βασίζονται εξ ολοκλήρου στη συμπίεση, την καύση και την αποβολή μικρού όγκου αέρα σε υπερηχητικές ταχύτητες για τη δημιουργία ώθησης-και αυτό καταναλώνει σημαντικό καύσιμο, ειδικά σε υποηχητικές ταχύτητες. Οι turbofan, ωστόσο, χρησιμοποιούν έναν μεγάλο μπροστινό ανεμιστήρα για να τραβήξουν και να επιταχύνουν μια τεράστια ποσότητα "παράκαμψης αέρα" γύρω από τον πυρήνα του κινητήρα. Αυτός ο αέρας παράκαμψης συμβάλλει στην ώθηση χωρίς επιπλέον καύσιμο, ενώ μόνο ένα μικρό μέρος αέρα εισέρχεται στον πυρήνα για καύση. Το αποτέλεσμα: οι στροβιλοανεμιστήρες παράγουν περισσότερη ώθηση ανά μονάδα καυσίμου, με τα μοντέλα υψηλής παράκαμψης (για αεροσκάφη) να είναι πολύ πιο αποδοτικά από οποιονδήποτε στροβιλοτζετ.
- Επίπεδα θορύβου: Οι turbojet παράγουν έντονο θόρυβο λόγω των καυσαερίων υψηλής-ταχύτητας. Οι στροβιλοανεμιστήρες είναι πολύ πιο αθόρυβοι επειδή ο αέρας παράκαμψης αναμιγνύεται με και επιβραδύνει την εξάτμιση του θερμού πυρήνα, μειώνοντας τις αναταράξεις και τον θόρυβο. Αυτό είναι κρίσιμο για τα εμπορικά αεροδρόμια, όπου οι περιορισμοί θορύβου καθιστούν τους turbofan τη μόνη βιώσιμη επιλογή.
- Ευελιξία στις εφαρμογές: Οι στροβιλοκινητήρες χρησιμοποιήθηκαν κάποτε σε πρώιμα μαχητικά αεροσκάφη λόγω της ικανότητάς τους να επιτυγχάνουν υψηλές ταχύτητες, αλλά τώρα αντικαθίστανται σε μεγάλο βαθμό από στροβιλοανεμιστήρες στα περισσότερα αεροσκάφη. Οι κινητήρες Turbofan χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στην πολιτική αεροπορία (όπως τα εμπορικά αεροσκάφη) όσο και στη στρατιωτική αεροπορία (όπως τα σύγχρονα μαχητικά αεροσκάφη και τα αεροπλάνα μεταφοράς).
- Λειτουργικό Κόστος: Χάρη στην καλύτερη απόδοση καυσίμου και τη χαμηλότερη φθορά (από τη μειωμένη πίεση στον πυρήνα), οι turbofan μείωσαν το λειτουργικό κόστος για τις αεροπορικές εταιρείες και τους στρατούς. Η υψηλή κατανάλωση καυσίμου και οι ανάγκες συντήρησης των Turbojet τα καθιστούν πολύ λιγότερο οικονομικά για τακτική χρήση.
Σύναψη
Οι κινητήρες Turbofan κυριαρχούν στην αεροπορία σήμερα επειδή είναι ισχυροί, αποδοτικοί και ευέλικτοι. Καταναλώνουν λιγότερα καύσιμα από τα turbojet, κάνουν λιγότερο θόρυβο και μπορούν να σχεδιαστούν τόσο για επιβατικά όσο και για στρατιωτικά αεροσκάφη. Αυτός ο συνδυασμός απόδοσης και απόδοσης κάνει τους turbofans την καλύτερη επιλογή για τα περισσότερα σύγχρονα αεροσκάφη και πιθανότατα θα παραμείνουν ο κύριος τύπος κινητήρα στον ουρανό για τα επόμενα χρόνια.
