Domanda:
Perché i motori a turbina impiegano così tanto tempo per avviarsi?
ptgflyer
2014-01-14 22:00:17 UTC
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I motori a pistoni raggiungono il regime massimo in uno o due secondi, ma le turbine impiegano molto più tempo. Perché?

Non è chiaro dalla tua domanda cosa intendi esattamente. Intendi il tempo per avviare un motore o per aumentare il numero di giri di un motore già in funzione (ad es. Dal minimo alla massima potenza)?
Tre risposte:
#1
+41
Radu094
2014-01-15 02:50:22 UTC
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Non sono un ingegnere (il che potrebbe essere più adatto a rispondere a questa domanda), quindi si tratta di cose semplificate che alimentano i piloti:

I motori a reazione impiegano molto più tempo per essere avviati (cioè aumentare gli RPM) rispetto motori a pistoni, soprattutto a bassi regimi a causa del rapporto di pressione / maggiore flusso d'aria necessario per evitare che il compressore si spenga / si sbalzi / esploda ogni volta che si cambiano le impostazioni di potenza.

Il ciclo del motore a reazione (semplificato) contiene un compressore che spinge l'aria in una camera di combustione, dove brucia, e poi fa esplodere l'estremità posteriore ruotando una turbina che sposta il compressore da dove siamo partiti.

Se "aggiungi più potenza" (cioè metti più carburante), ci vuole un po 'prima che quel carburante in più produca più spinta, che a sua volta impiega un po' per accelerare la turbina, il che farà sì che il compressore gira più velocemente, il che porterà finalmente più aria compressa nella camera di combustione per utilizzare tutto quel carburante in più versato al passaggio 1.

Aggiungere potenza all'improvviso aumenterà la pressione nella camera di combustione, quindi molta quell'aria che è "a monte" (cioè ancora nel compressore) non vuole avanzare. La pressione extra nella camera di combustione non ha avuto abbastanza tempo per avviare la turbina, quindi ora il compressore è sottodimensionato per continuare a "spingere" aria compressa nella camera di combustione. L'aria inizia a fluire all'indietro (cioè dalla camera di combustione al compressore), il motore si gonfia, si scatena l'inferno.

Quindi c'è un ritardo (elettronicamente in questi giorni, i piloti possono azionare le leve di fiducia alla velocità che vogliono ) quando i motori sono a bassi regimi, il FADEC aggiunge solo un po 'di carburante extra, attende che il flusso d'aria si stabilizzi, quindi aggiunge un po' di più e così via.

Penso che il grafico sotto potrebbe spiegare questo. Ogni volta che modifichi l'RPM, aumenterai il rapporto di pressione (cioè sposta il grafico verso l'alto), quindi attendi un po 'che il flusso di massa d'aria aumenti (cioè ti sposti a destra). Se aumenti troppo il rapporto di pressione, senza il flusso di massa associato (che richiede un po 'di tempo a causa dell'inerzia) entrerai nella linea di picco.

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Una cosa simile accade con la bobina abbassata, anche se più delicata.

Confronta questo con il motore a pistoni dove metti più miscela aria / gas nel cilindro, fa un botto più grande, accelera il pistone più velocemente e molto al successivo ciclo del pistone puoi teoricamente ottenere la massima potenza.

E i turboeliche prendono la via di mezzo. La turbina è sempre al 100% del regime e l'elica cambia il passo per mantenerlo al 100%, in risposta all'input dell'acceleratore. Il passo della pala dell'elica cambia molto velocemente - meno massa per spostare meno distanza; la spinta si attiva immediatamente.
@radarbob: Non è così semplice, perché i turboelica hanno un'elica collegata alla turbina a bassa pressione e il compressore alla turbina ad alta pressione. Quindi la turbina ad alta pressione deve ancora avviarsi. Fortunatamente mentre le turbine sono indipendenti, mantenendo quella a bassa pressione ad alto numero di giri tramite il passo dell'elica si modificano le pressioni in modo che anche quella ad alta pressione mantenga alti giri. E le turbine ad alta pressione generalmente funzionano sempre a regimi più elevati comunque.
Va notato che la potenza di uscita del motore a pistoni è limitata anche dal numero di giri, perché un ciclo può aspirare solo tanta aria e quindi bruciare così tanto carburante. Solo il margine tra il throttle e il throttle completamente aperto è molto più grande.
@JanHudec, Potrei aver sottoqualificato il mio commento; Il cambio di passo dell'elica, e quindi la spinta, è stato praticamente immediato nell'aereo che volavo. La turbina girava al 100% e l'elica regolata per mantenere il 100% dei giri / min. Se parti del motore fossero diverse, certamente non era evidente in nessuna procedura, limitazione o misura.
@radarbob: La turbina dovrebbe significare lo stadio di alta pressione. Suppongo che la bassa resistenza fornita dalla turbina di potenza ad alti regimi, ma la bassa potenza possa mantenere la turbina ad alta pressione in funzione al 100% o quasi.
@JanHudec, L'unico indicatore della turbina era un indicatore della temperatura di ingresso della turbina - temperatura che entrava nella sezione della turbina immediatamente a poppavia dei bruciatori. Le prestazioni del motore riguardavano l'elica che governava al 100% dei giri / min. Ogni volta che toccavo le manette pensavo che fosse un'elica, mai una turbina.
#2
+3
Jim W
2017-04-22 00:03:03 UTC
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Ragazzo in macchina qui.

Fondamentalmente, è dovuto ai motori a turbina che fanno affidamento sulla carica del compressore per spingere lo scarico dalla camera di combustione attraverso le pale della turbina. L'aumento della pressione nella camera di combustione troppo rapidamente può spingere indietro contro il flusso dal lato del compressore, il che arresta il motore e probabilmente può danneggiare le pale del compressore.

Su un motore a pistoni, la potenza viene erogata in (per lo più) colpi distinti. L'aumento rapido della pressione durante la corsa di alimentazione non spingerà indietro contro la carica di aspirazione poiché le valvole di aspirazione per quel cilindro saranno chiuse in quel momento.

E se la carica di carburante / aria si accende troppo presto in un ciclo del pistone, * può * distruggere il motore! (Vedi "bussare".)
#3
+1
Dan
2014-01-14 22:34:22 UTC
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Il momento è dato da:

$$ \ mathrm {Momentum} = \ mathrm {Mass} \ times \ mathrm {Velocity} $$

Il lavoro svolto è dato da:

$$\mathrm{Work~done}=\mathrm{Force}\times\mathrm{Distance}$$

Il lavoro svolto viene misurato in watt, definiti come joule al secondo .

Sapendo questo, puoi vedere come si comporterà una batteria con un carico maggiore.

Un motore a reazione ha una massa maggiore e deve raggiungere una velocità maggiore. Anche il lavoro svolto per farlo aumenterà, con una batteria più potente che farà più rotazioni. Il fatto è che non è una batteria proporzionalmente più grande . Se si fornisse agli aerei a reazione una batteria davvero potente, il lavoro svolto sarebbe enorme e verrebbe applicata molta forza in pochissimo tempo (alto wattaggio), in modo che si avvierebbe contemporaneamente a un'elica. Tuttavia, questo sarebbe molto inefficiente dal punto di vista energetico (a causa del riscaldamento), quindi è meglio utilizzare una batteria più piccola per l'avvio per un periodo di tempo più lungo.

Dan, ho interpretato la domanda in modo diverso. Non quanto tempo ci vuole per avviare il motore da fermo, ma quanto tempo impiega un motore al minimo per avviarsi. So che i motori a reazione di prima generazione avevano tempi di riavvolgimento prolungati e i progetti moderni si avviano molto più rapidamente, ma non conosco la fisica del perché.
Ah, beh, si può applicare la stessa cosa. La variazione del momento angolare tra due velocità sarà molto, molto maggiore su un motore a reazione, per lo stesso motivo di cui sopra :)
Dan, ho appena trovato questo dal titolo di un articolo in un blog "JET POWER". "La spinta del motore è APPROSSIMATIVAMENTE proporzionale alla velocità del motore aumentata alla potenza di 3,5". Se è corretto, significa che un motore a reazione al minimo ha pochissima potenza in eccesso se la leva di spinta viene avanzata completamente, fino a quando il motore non si avvia. Accoppiato con i tuoi commenti corretti sopra sulla massa rotante e il momento angolare più grandi rispetto a un motore a pistoni, è chiaro che ci vorrà più tempo affinché il getto raggiunga la piena potenza.
Non tutti i motori a reazione e non tutti i motori a turbina hanno una massa maggiore dei motori a pistoni.
Anche in fase di avviamento, questo non è l'unico e nemmeno il motivo principale. In un motore a pistoni, il motore stesso aiuterà a girare se stesso entro il primo ciclo. Quando il primo pistone si accende, il motore accelera molto, molto rapidamente fino al regime minimo. In effetti, non hai davvero nemmeno bisogno di un avviamento elettrico. Sono più un oggetto di convenienza e i primi motori a pistoni non li avevano. È possibile avviare un motore a pistoni semplicemente accendendo l'alimentazione e tirando l'elica. Una volta che il primo pistone si accende, il motore prenderà il resto da lì.
In un motore a turbina, le cose sono molto diverse. Non è sicuro iniziare la combustione fino a quando i compressori non stanno già funzionando a un numero di giri relativamente alto, in modo tale che la combustione sia contenuta all'interno della camera di combustione. Un motore a reazione non ha una camera di combustione sigillata come un motore a pistoni. La combustione è contenuta dall'elevata pressione dell'aria prodotta dai compressori. Se quella pressione dell'aria non è ancora presente (cosa che non è in un motore che non gira), la combustione non sarebbe contenuta e si spegnerebbe direttamente dalla parte anteriore del motore. Inutile dire che è un male.
Modifica: nella parte riguardante il motore a pistoni, avrei dovuto davvero dire: "Puoi avviare un motore a pistoni semplicemente accendendo la potenza * e il carburante * e tirando l'elica". Ovviamente non si avvia se non gli dai carburante.
Oh, un altro problema riguardante i motori a turbina: in genere non usano affatto gli avviatori elettrici. Vengono avviati con flussi d'aria esterni ad alta pressione (spurgare aria da un'APU o da un motore già in funzione o da un carrello di avviamento.) Vedi questa domanda: [Come vengono avviati i motori a turbina?] (Http: // aviation. stackexchange.com/questions/1959/how-are-turbine-engines-started?rq=1).
Anche se questa domanda / risposta è vecchia: il lavoro è misurato in Joule (o NewtonMetri o WattSecondi). La potenza è misurata in Watt. Un essere umano può caricare un peso di 100 kg su una distanza di 100 m in diversi minuti, mentre un'auto può farlo in pochi secondi. Il lavoro è lo stesso, ma la potenza definisce il tempo necessario.
Questa risposta non ha alcun senso. Tenta di spiegare il comportamento dei motori a turbina senza utilizzare alcuna proprietà reale dei motori a turbina, quindi non può essere corretto. E qual è il rapporto di una batteria con forza, lavoro o motori a turbina?
Il motore a reazione ha ** massa inferiore ** rispetto a un motore a pistoni della stessa potenza.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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