Domanda:
Perché un motore a reazione che funziona a temperature superiori a 2000 ° C brucia quando si blocca?
Regmi
2019-03-13 03:34:07 UTC
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I motori delle compagnie aeree sono progettati per funzionare a temperature molto elevate. Tuttavia, quando un aereo precipita, vengono bruciati (vedi sotto). C'è qualcosa nel loro progetto?

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( bostonherald.com)

Il motore nella fotografia non è fuso.
@MichaelHall: Questo è su di me, l'ho risolto. OP originariamente scriveva bruciato. Sebbene a giudicare dalla sezione LP, * si * sciolse.
Devo sfidare la premessa. Dalla foto, sembra che l'alloggiamento esterno del motore sia bruciato e / o fuso. Le parti interne sembrano aver subito danni da impatto. L'alloggiamento esterno non subisce temperature elevate. Lo stesso motivo per cui la temperatura di combustione del motore della tua auto può raggiungere i 2000 ° C o giù di lì, ma i componenti in plastica che si trovano nelle vicinanze non si sciolgono.
correlato: https://aviation.stackexchange.com/a/16842/1467
Penso che l'unica cosa che possiamo dire sull'alloggiamento esterno sia che manca dall'immagine. Oltre a sciogliersi o bruciarsi, potrebbe essersi spezzato all'impatto e dei pezzi si staccarono mentre il nucleo scivolava sul terreno. Difficile supporre cosa sia successo da una singola foto.
Tre risposte:
#1
+46
Zach Lipton
2019-03-13 03:49:50 UTC
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Come funziona il motore a reazione:

All'interno del tipico motore a reazione commerciale, il carburante brucia nella camera di combustione fino a 2000 gradi Celsius. La temperatura alla quale i metalli in questa parte del motore iniziano a fondere è di 1300 gradi Celsius, quindi è necessario utilizzare tecniche di raffreddamento avanzate.

Puoi leggere ulteriori informazioni su alcuni di questi meccanismi di raffreddamento in Come vengono gestite le differenze di temperatura in un motore a reazione?

Vedi anche Come si ferma la fusione di un motore a reazione?:

Neil - Il normale punto di fusione delle leghe di pale di nichel che usiamo nella turbina è tipicamente di circa 12-1400 gradi. Ma quello che fai, e questa è la parte intelligente, è davvero raffreddare queste lame. Hai passaggi di raffreddamento interni, che hanno effettivamente l'aria che scorre ed è di circa 7-800 gradi. E quest'aria di raffreddamento esce quindi da piccoli fori minuscoli che sono stati praticati sulla superficie della pala e quest'aria forma quindi una sorta di pellicola sulla superficie della pala, e questa tecnologia è tipicamente chiamata "raffreddamento della pellicola".

Che cosa fai anche tu: rivesti queste lame e in genere usi qualcosa chiamato rivestimento barriera termica. Il rivestimento barriera termica, effettivamente, è ceramico, tipicamente di circa un quarto di millimetro di spessore, ma hanno una conducibilità termica molto, molto bassa. Quindi, effettivamente, anche se il flusso di gas è a una temperatura dell'aria molto più alta, il metallo effettivo che esiste sotto il rivestimento della barriera termica è molto più freddo e si ottiene un grado termico dell'ordine di circa 100 gradi C tra il caldo e il freddo superficie. Quindi, tutto questo messo insieme: l'intera tecnologia di raffreddamento aiuta efficacemente a mantenere la lama al di sotto della sua temperatura di fusione.

Il motore è progettato per gestire il calore intenso in modo controllato, limitandolo a determinati componenti, iniettando aria fresca intorno alle parti calde e scegliendo materiali diversi per le diverse parti del motore. Se il motore è gravemente danneggiato, cosparso di carburante per aviogetti e incendiato, nessuno di questi meccanismi funziona; l'intero motore (o quanto ne resta), a differenza delle sole porzioni destinate a gestire il calore, sarà caldo e nessuno dei meccanismi di raffreddamento funzionerà.

Quelle lame sono piccole meraviglie dell'ingegneria. Qualcosa che puoi tenere in una mano ma costa circa 5000 dollari (e ce ne sono molti in una turbina)
Solo per interesse, @mbrig, è effettivamente giusto tenerlo in mano (e quindi usarlo in sicurezza)? So che la sua robustezza indicherebbe un modo, ma il modo in cui è stato micro-ottimizzato per un ambiente diverso potrebbe indicare il contrario. So, ad esempio, che le lampadine a busta di quarzo non amano l'olio per la pelle: non lo dico in particolare, ma questo genere di cose.
@Dannie Sfortunatamente non lo saprei, quello che ho avuto in mano proveniva da un generatore areo-derivativo che era stato ricostruito e non sarebbe tornato in uso in entrambi i casi.
@Dannie Sì, le pale della turbina possono essere maneggiate a mani nude e utilizzate. I metalli sono superleghe a base di nichel e talvolta hanno un rivestimento ceramico a barriera termica e sono molto stabili dal punto di vista ambientale. Quando assemblano un motore, usano effettivamente la cera d'api per tenere le guarnizioni in posizione e si brucia solo una volta che il motore è avviato.
Vorrei aggiungere che, sebbene le superleghe possano arrivare a ~ 1400 ° C prima di sciogliersi, si ossidano ("bruciano") a temperature inferiori. L'immagine a me sembra per lo più come un danno da impatto con un po 'di ossidazione. Parte del motivo per cui mi sembra un danno da impatto è che i materiali con punti di fusione / ossidazione bassi sono ancora lì, ma i materiali con punti di fusione molto alti non lo sono.
Quindi mi stai dicendo che un motore a reazione funziona effettivamente _ al di sopra_ del punto di fusione delle pale della turbina? E che siano mantenute solide da una sofisticata aerodinamica? E se fallisce, l'intero motore si trasformerà presumibilmente in una macchia di lava? Vorrei non averlo letto ora ...
@OSUZorba è ancora più intelligente di così. La superficie non è la stessa della massa, ma un sottile strato di [nickel aluminide] (https://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_aluminide) (alcune lame comunque) con un'elevata conduttività termica e un alto punto di fusione ( ~ 1600-1900C). Questo reagisce in servizio per formare Al2O3 (zaffiro), MP ~ 2000C, ma se le lame vengono revisionate lo zaffiro deve essere rimosso prima di ricoprire. [Paper] (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/25/3/035902/meta) da alcuni miei ex colleghi. Ho maneggiato le lame in questione, che credo fossero militari.
@OscarBravo Sì, l'aria del percorso del gas può essere quasi 2000F al di sopra della capacità dei materiali con cui interagisce. Il raffreddamento non è realmente aerodinamico, ma un sistema che utilizza l'aria spurgata dal compressore per raffreddare attivamente i materiali. Mentre la progettazione del raffreddamento è molto complessa, l'operazione è molto semplice. Ci sono solo una serie di orifizi e fori di misurazione che consentono il passaggio di una quantità specifica di aria in ogni punto. Non ci sono valvole o altre parti mobili che si guastano. Ovviamente ci sono stati dei guasti ma generalmente i profili alari si ossidano prima di sciogliersi.
@ChrisH Sì, è corretto. Ogni profilo alare HPT su cui ho lavorato aveva un rivestimento superficiale, anche se non aveva TBC, sebbene non quello specifico che hai menzionato. Era usato per la protezione ambientale, ma era troppo sottile per aiutare davvero a raffreddare il materiale di base.
#2
+19
Dave
2019-03-13 03:42:00 UTC
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risposta di Pietro a un'altra domanda ha una bella tabella che le temperature del motore a propulsione interna spettacoli:

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Puoi vedere che le temperature sono più alte di un fattore abbastanza grande nella camera di combustione. Ciò significa che solo la camera di combustione deve essere in grado di resistere a quelle temperature. Per risparmiare peso e spesso utilizzare materiali meno costosi e meno esotici, il resto del motore può essere realizzato con materiali che non devono resistere a temperature così elevate. Pertanto, in un incidente in cui il carburante per aerei può essere disperso in modo incontrollato e bruciare con tutto l'ossigeno che può ottenere, è facile bruciare parti del motore e qualsiasi altra cosa intorno.

In parte è anche una questione di tempo. La capacità di resistere al calore varia nel tempo. In un incidente di un aereo alimentato piuttosto che possono bruciare incontrollata per un lungo periodo si rischia di trovare le parti bruciate come questo. Considerando che un aereo che esegue i suoi carri armati prova e si schianta in un campo potrebbe non vedere gli stessi segni di fuoco. Tuttavia, se il piano di colpisce il terreno con forza sufficiente il calore generato dall'impatto può anche portare a marcature come questo.

#3
  0
Carlo Felicione
2019-03-13 17:15:14 UTC
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Innanzitutto, il motore gira intorno a 2000 ° F (NON 2000 ° C / 3632 ° F) solo in alcuni punti al suo interno. La Turbine Inlet Temperature (TIT) può essere così alta ma si raffredda rapidamente quando i gas di scarico vengono espansi rapidamente attraverso le turbine ad alta e bassa pressione per uscire a circa 1000 ° F dal tubo del getto (l'entalpia viene convertita in lavoro meccanico qui). La maggior parte delle sezioni del motore non sono progettate per una temperatura così alta e potrebbero ossidarsi o deformarsi nell'incendio post-crash.

AGGIORNAMENTO: Anche se non ho valori definitivi per il TIT massimo di un CFM- Motore LEAP, una buona stima sarebbe intorno ai 1500 ° - 1600 ° C (2732 ° - 2912 ° F) in quanto ciò rappresenta lo stato dell'arte per le turbine a gas al di fuori di alcune applicazioni militari. Questa fonte cita che il Pratt & Whitney F-135 può funzionare a TIT di 2000 ° C grazie all'uso di un rivestimento ceramico brevettato su superleghe monocristalline di nichel cobalto per la sezione calda. Non è chiaro se si tratti di un'impostazione della potenza del motore sostenuta o semplicemente di una temperatura massima di esercizio prima della distruzione. Questo NON è rappresentativo di una tipica turbina a gas per aviazione, che funziona molto più fresco. Resterei fermo sulla mia cifra originale di 1000-1200 ° C TIT per le turbine a gas precedenti, ad esempio PT-6, J85, J79, ecc.

Nota: 2000 ° F è 1093 ° C
..... qual è il tuo punto?
@CarloFelicione probabilmente per informare le persone come me qual è l'equivalente di Celsius a 2000 ° F (visto che Celsius è qualcosa che fornisci per l'altro valore, e la maggior parte del mondo capisce su Fahrenheit)
Ciò non concorda con le temperature citate in altre risposte.
No non lo fa. Tf = 9/5 * Tc + 32
Questo * non * è in disaccordo con la risposta di Zach Lipton che cita una fonte che afferma "2000 Celcius" (e collega la fonte).
Hai una citazione per questa figura? Il collegamento di Stanford che Zach ha citato sopra afferma specificamente "fino a 2000 gradi Celsius", e il grafico pubblicato da Dave sembra raggiungere il picco a circa 1788 gradi Celsius (~ 3200 F).
La mia fonte, che usa un linguaggio vago "fino a", proviene da un corso sulla seconda guerra mondiale, quindi non lo considererei autorevole sui dettagli di ogni motore oggi. Ecco [un'altra fonte] (https://blog.klm.com/jet-engines-are-hot-in-at-least-4-ways/) che dice 1400 ° C ed ecco [un manuale FAA] (https: //www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/airplane_handbook/media/16_afh_ch14.pdf) che dice "circa 4.000º F" con una massa d'aria più fredda intorno. Dipende anche molto da dove misuri, poiché l'intero punto del sistema di raffreddamento è che le temperature più calde si trovano solo in un punto.
Le temperature di ingresso delle turbine sui motori moderni sono superiori a 2000 ° C, ben oltre 2000 ° F I materiali utilizzati nelle turbine moderne potrebbero sopravvivere senza raffreddamento a 2000 ° F, ma hanno tutti un raffreddamento molto costoso (in termini di progettazione ed efficienza del motore). Il LEAP utilizza temperature di combustione estremamente elevate, negli alti 3000sF. Le sartie sono CMC e devono ancora essere raffreddate.
Voglio anche affermare che ogni moderno motore a reazione almeno dalla fine degli anni '60 ha utilizzato superleghe di nichel cobalto monocristallino per la sezione calda e la maggior parte utilizza rivestimenti TBC. Il LEAP utilizza anche CMC che hanno intervalli di temperatura molto più elevati rispetto alle superleghe di nichel. L'F-135 non è il motore più caldo in circolazione.
Prove a sostegno di questo?
@CarloFelicione Considerando che il limite massimo della temperatura di scarico della turbina per il Leap-X è 1900F, che è dopo che l'HPT si espande e raffredda il gas, penso che sia un'indicazione abbastanza buona che i tuoi numeri sono fuori. Digita Cert qui: http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgMakeModel.nsf/0/ae71cf81844093f98625836600766d81/$FILE/E00088EN_Rev_4.pdf Ho anche sei brevetti su progetti di raffreddamento su T4, ma non riesco a trovare rapidamente dati pubblici temperature.
Sì, ho letto il tipo di certificato. Questo è piuttosto alto, anche se se ricordo che il funzionamento continuo massimo EGT è un più freddo 1700 ° F o giù di lì. Se stanno ottenendo questi tipi di CET / TIT, è sorprendente dato che lo stato dell'arte attuale è di circa 1700 ° C.


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 4.0 con cui è distribuito.
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