Power JET- turbinowy silnik odrzutowy

Abstract

Projekt zakłada budowę turbinowego silnika odrzutowego oraz jego makiety ukazującej wszelkie podzespoły, które są ukryte w działającym obiekcie ze względów konstrukcyjnych oraz bezpieczeństwa. Projekt będzie bazował na danych, ze specjalistycznej literatury z dziedzin lotnictwa oraz termodynamiki, wiedzy i doświadczenia ludzi związanych z lotnictwem oraz z podobnych projektów budowanych na całym świecie. Konstruowany silnik będzie dokładnie przedstawiał zasadę działania prawdziwych silników turboodrzutowych stosowanych w lotnictwie do napędzania samolotów oraz śmigłowców, zarówno pasażerskich, transportowych jak i wojskowych. Projekt zakłada wykorzystanie powszechnie dostępnych turbosprężarek współpracujących z silnikami tłokowymi. Do napędu posłuży propan butan będący łatwo dostępnym oraz tanim, w porównaniu do stosowanych w lotnictwie, paliwem nie wpływającym na zmianę zasady działania silnika. Koszt budowy będzie nieporównywalnie mniejszy od kosztów budowy prawdziwego silnika lotniczego oraz budowy silnika wykorzystującego sprężarkę osiową, gdyż części do takich konstrukcji nie są tak powszechnie dostępne i większość podzespołów trzeba wykonywać od podstaw. Konstrukcja ma posłużyć jako pomoc dydaktyczna do laboratoriów z dziedziny lotnictwa. Projekt będzie realizowany w Akademickim Klubie Lotniczym.
Autor: Grzegorz Mech

1. PROJEKT

1.1. PRZYCZYNY POWSTANIA

Wyszedłem z inicjatywą budowy turbinowego silnika odrzutowego ponieważ wielu ludzi nie wie na jakiej zasadzie działa taki silnik. Głównym celem mojego projektu jest budowa turbinowego silnika odrzutowego, oraz jego makiety do celów dydaktycznych na laboratoriach z dziedziny lotnictwa jak i spalania, tym samym chcę dać możliwość każdemu zainteresowanemu dokładne poznanie budowy i działania tego typu napędu.

1.2. PODSTAWY

Projekt opiera się na pierwszym silniku odrzutowym zbudowanym przez Whittle’a (rys.1.). Wykorzystywał on zapomnianą dziś w lotnictwie konstrukcje na bazie sprężarki odśrodkowej. Dzisiejsze silniki turboodrzutowe ze sprężarką osiową mają większą sprawność, osiągają lepsze parametry pracy oraz co najważniejsze posiadają znacznie większy ciąg od silników o sprężarce odśrodkowej, lecz najważniejszą rzeczą jest to, że oba typy silników działają na tej samej zasadzie. Polega ona na sprężaniu przez sprężarkę powietrza wchodzącego do silnika, następnie sprężone powietrze wpada do komory spalania, w której pod wpływem spalania paliwa powietrze powiększa swoją objętość i wzrasta jego temperatura powodując przyśpieszenie gazów wylatujących z komory spalania. Za wylotem komory spalania wydostające się gazy trafiają na łopatki turbiny gazowej wprawiając ją w ruch obrotowy, który to ruch poprzez zamontowany osiowo wał przekazywany jest na sprężarkę wprawiając ją w ruch. Ciąg silnik uzyskuje dzięki gazom, które po przejściu przez turbinę wydostają się przez specjalnie ukształtowaną dyszę wylotową.


Rys. 1. Silnik konstrukcji Whittle’a.


Budowany silnik będzie się składał z łatwo dostępnych materiałów i części nie wymagających do ich wykonania specjalistycznego sprzętu. Podstawowym elementem konstrukcji będzie użycie turbosprężarki współpracującej z tłokowym silnikiem. Posiada ona sprężarkę odśrodkową oraz połączoną z nią za pomocą wału turbiną gazową. Dużym problemem jest dobór odpowiedniej turbosprężarki. Wiąże się to z wyliczeniem bądź doborem szeregu parametrów, które mają wpływ na właściwe działanie zespołu przy zadanych wymaganiach pracy całego układu. Następnym ważnym elementem jest zaprojektowanie i wykonanie komory spalania (rys.2.) Jest to czasochłonne zajęcie ponieważ należy podczas projektowania wyliczyć wiele parametrów, które uwarunkowane są głównie wcześniej dobraną turbosprężarką, rodzajem paliwa jakim silnik będzie zasilany oraz wytrzymałością termiczną części zarówno komory spalania jak i korpusu i łopatek turbiny. Zakładam wykonanie komory spalania składającej się z dwóch podstawowych części, z rury żarowej zwanej również rurą ogniową oraz płaszcza zewnętrznego. W rurze żarowej następuje zawirowanie powietrza przez urządzenie zawirowujące, mające na celu zmniejszenie prędkości i ustabilizowanie wpływającego do środka rury powietrza, tu również następuje wymieszanie paliwa z powietrzem tworząc tym samym mieszankę palną po czym przyłożenie źródła ciepła w postaci płomienia, gorącego ciała bądź wyładowania elektrycznego powoduje zapłon i spalanie. Następnym zadaniem rury żarowej jest, poprzez specjale rozmieszczenie na jej powierzchni otworów oraz szczelin, doprowadzenie do jej wnętrza odpowiedniej ilości powietrza potrzebnego zarówno do jej chłodzenia, przez omywanie strugami powietrza, jaki i do zasilania reakcji w tlen aby zachodziło jak najlepsze spalanie paliwa. Poruszając się zgodnie z ruchem strugi powietrza wpadającego do komory spalania, otwory i szczeliny na rurze żarowej muszą się zwiększać, co spowodowane jest większym zapotrzebowaniem w tlen w dalszych fazach spalania. Reszta powietrza, która nie trafi do środka rury żarowej omywa ją z zewnątrz, tym samym dodatkowo ją chłodząc oraz tworząc dobrą izolację dla ciepła, przekazywanego do płaszcza komory spalania zmniejszając również jego temperaturę, co jest ważne ze również ze względów bezpieczeństwa.



Podstawowym parametrem ograniczającym możliwości tego rodzaju konstrukcji jest temperatura. Łopatki turbosprężarki mogą pracować tylko do temperatury nie przekraczającej 700oC lub przez krótki czas w temperaturze dochodzącej do 750oC, gdyż powyżej tej temperatury materiał z którego są wykonane traci swoje właściwości wytrzymałościowe, i może spowodować uszkodzenie całego układu.



Oprócz dwóch wyżej wymienionych elementów jest wiele układów niezbędnych do prawidłowej pracy konstruowanego silnika. Jednym z takich układów jest układ smarowania łożysk ślizgowych turbosprężarki. Jest on niezbędny gdyż brak smarowania spowodował by natychmiastowe zatarcie elementu doprowadzając do zatrzymania i uszkodzenia silnika. Układ olejowy ma również za zadanie chłodzenie wału turbosprężarki nagrzewającego się od łopatek turbiny do niego zamocowanych. Takie chodzenie ma na celu nie dopuszczenie zbyt wysokiej temperatury do łopatek sprężarki wykonanych z lżejszego i o wiele mniej odpornego materiału niż łopatki turbiny. Układ musi posiadać pompę oleju niezbędną do wymuszenia prawidłowego przepływu oleju, oraz do uzyskania i utrzymania odpowiedniego ciśnienia co wiąże się również z monitowaniem wielkości ciśnienia. Ważne jest również zastosowanie chłodnicy oleju posiadającej dodatkowy układ, wspomagający przepływ przez nią strug powietrza, w postaci wentylatorów. Innymi ważnymi elementami silnika są przykładowo układ zapłonowy, układ paliwowy, rama mocująca czy też mierniki temperatury, ciśnienia oleju i prędkości obrotowej. Mierniki temperatury są niezbędne do kontrolowania temperatury na wylocie ze sprężarki, w komorze spalania, na turbinie, mierzenie temperatury otoczenia i oleju. Miernik prędkości obrotowej pozwala na niedopuszczenia do przekroczenia wartości obrotów na jakich może pracować turbosprężarka bez jej uszkodzenia. Ogół mierników może również posłużyć przy wykonywaniu badań na silniku podczas ćwiczeń laboratoryjnych.