Domanda:
Perché gli aeroplani utilizzano un motore a reazione a flusso assiale invece di un motore a getto centrifugo più compatto?
Useruuu
2019-05-25 02:12:57 UTC
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I motori a reazione a flusso assiale occupano molto spazio. I motori a reazione centrifuga creano alta pressione. Puoi creare una pompa d'aria centrifuga che spinge tanta aria quanto un motore a getto assiale. I motori ad aria centrifuga raggiungono velocità più elevate dalla mia ricerca. Quali sono i principali svantaggi dei motori ad aria centrifuga dai motori assiali standard.

Cinque risposte:
#1
+42
Therac
2019-05-25 13:24:38 UTC
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I compressori centrifughi producono solo un motore più compatto con una portata di massa ridotta, il che significa una spinta ridotta.

La quantità di spinta che un motore può produrre è proporzionale alla sua area di aspirazione moltiplicata per la velocità di scarico. Aumentare quest'ultimo è indesiderabile, poiché l'energia e quindi il consumo di carburante è proporzionale alla velocità al quadrato . Quindi i progettisti di motori mirano al flusso di massa per ottenere più spinta, non più velocità.

Poiché sono strutture 3D, in un design solido di base (che avresti trovato nei primi jet e nelle piccole turbine moderne), il volume di un compressore centrifugo cresce in proporzione cubica al suo diametro, mentre l'area frontale, che limita la sua portata massica e quindi la sua spinta, aumenta solo al quadrato del diametro. Questo crea una legge del cubo quadrato.

Le parti di grandi dimensioni della vita reale sono riempite con canali di illuminazione e raffreddamento, quindi la legge massa ad area è più complessa. Tuttavia, non è possibile eliminare completamente l'effetto volume. Il risultato finale è che la massa dei compressori centrifughi cresce notevolmente più velocemente del loro flusso di massa.

Ai massimi livelli di potenza, i compressori centrifughi diventano proibitivamente pesanti anche per le macchine motopropulsori fisse, dove la durata altrimenti prevale sul peso, quindi i motopropulsori con carico di base più grandi funzionano su tutti gli assi. Con i compressori assiali, il design piatto con un percorso del flusso d'aria corto consente alla massa di crescere solo in proporzione diretta al flusso di massa, e motori molto potenti possono essere costruiti entro dimensioni ragionevoli.

Non è pura legge del cubo quadrato in entrambi i casi, ma è qualcosa come k1 * massflow ^ [2.5, 2.8] per centrifugo contro k2 * massflow ^ [2.2, 2.4] per assiale, dove k2> k1, dando ai compressori centrifughi qualche vantaggio nelle piccole dimensioni. Le centrifughe sono anche molto più economiche da produrre (almeno quelle piccole).

Anche i motori ad alte prestazioni, come quelli degli aerei commerciali, devono contenere più spinta nella sezione trasversale più piccola possibile, mantenendo l'efficienza, in modo da ridurre la resistenza aerodinamica e adattarsi anche sotto le ali, consentendo getti più pesanti. I compressori assiali offrono molta più area di aspirazione per una data sezione trasversale, quindi più spinta.

I getti più piccoli, dove i requisiti di spinta sono ridotti e la sezione trasversale del motore è molto piccola rispetto alla fusoliera, possono permettersi il diametro extra di un compressore centrifugo o a flusso diagonale. Sì, è la stessa legge del cubo quadrato (anch'essa leggermente ridotta in pratica) che mantiene il rapporto tra sezione trasversale del motore e sezione trasversale totale in aumento con l'aumentare delle dimensioni dell'aereo . I compressori centrifughi piccoli sono più semplici, più facili da costruire e più robusti di quelli assiali di piccole dimensioni.

Quindi in ogni settore, man mano che la potenza cresce, c'è un punto di passaggio dal centrifugo all'assiale. Per gli aeromobili in cui la resistenza è fondamentale, è appena sopra i piccoli bizjet, le turbine di terra mobili e di elicotteri rimangono centrifughe o miste fino a pochi MW, e nelle decine di megawatt anche i propulsori fissi passano da assiali / centrifughi a tutti assiali.

I motori vicini a quel punto di incrocio combinano tipicamente stadi assiali e centrifughi. I compressori diagonali più recenti sono intermedi e abbastanza buoni, offrendo un compromesso ancora più personalizzato.

Grazie, una risposta molto esauriente ma facile da seguire.
"I compressori centrifughi sono più compatti solo con una portata di massa ridotta" no, sono più compatti con qualsiasi portata di massa. Gran parte dell'area frontale non può essere utilizzata per il flusso d'aria, è il problema nei motori più grandi.
@Koyovis Definisci "compatto" quindi. Gli ingressi devono essere dimensionati per il flusso d'aria richiesto, quindi, per i motori di aerei di linea larghi solo quanto i loro ingressi, un compressore più largo significherà un motore più largo e più pesante. I compressori centrifughi sono compatti nei motori più piccoli, ma il loro sovradimensionamento non lo sostiene: gli assiali sono più bravi a ingerire quanta più aria possibile in una data cilindrata.
"La massa necessaria di un compressore centrifugo cresce in proporzione cubica al suo diametro" Non necessariamente: la lunghezza di un motore potrebbe anche ridursi quando si aumenta il diametro. In questo caso il volume (e quindi il peso) crescerebbe meno del quadrato.
La massa del compressore centrifugo cresce in modo esponenziale rispetto alla massa dei tre stadi assiali? Il compressore centrifugo può essere svuotato, il materiale principale che sopporta le sollecitazioni è sulla punta della girante.
@Koyovis La questione della massa è davvero piuttosto complessa. Puoi scavare più materiale da una girante più grande, ma c'è più forza centripeta dalle punte pesanti. Nel complesso il risultato finale è che i compressori centrifughi più grandi sono molto più pesanti dei loro omologhi assiali, mentre per i compressori piccoli tutte e tre le soluzioni sono competitive in termini di massa.
"La questione di massa è davvero piuttosto complessa." Esattamente il mio punto, eppure lo presenti come una legge del cubo quadrato.
@Koyovis Beh, dire "è complesso" in gran parte equivale a "è magico", quindi ho optato per una semplificazione. Quella semplificazione è ancora valida in un caso ingenuo e, per gli scenari di vita reale, è correlata con essi. Modificherò per chiarirlo.
#2
+18
Koyovis
2019-05-25 07:03:26 UTC
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I motori a turbina assiale occupano molto spazio ... nel senso della lunghezza. I compressori centrifughi sono più corti e più larghi e sono molto spesso utilizzati nei motori turboelica e turboalbero, ad esempio il Rolls Royce Dart è un motore turboelica ad asse singolo. La foto mostra la compattezza del motore ... nel senso della lunghezza.

Wiki.

Puoi creare una pompa ad aria centrifuga che spinga tanta aria quanto un motore a getto assiale.

Sì, puoi. Avrà due problemi principali:

  1. Le perdite nei compressori centrifughi saranno maggiori rispetto a una configurazione assiale che raggiunge lo stesso rapporto di compressione.
  2. Parte dell'area frontale non può essere utilizzato per il flusso d'aria.

Quali sono i principali svantaggi dei motori ad aria centrifuga rispetto ai motori assiali standard.

Compressori centrifughi:

  • Sono leggermente meno efficienti dei compressori assiali (per un dato rapporto di compressione).
  • Espellere il flusso d'aria perpendicolare al flusso libero, in modo che se sono necessari più stadi il flusso d'aria deve essere guidato in un percorso piuttosto flessibile, con un ulteriore impatto negativo sull'efficienza.
  • Risultato in un motore con un'area frontale più ampia.

I vantaggi sono:

  • I compressori centrifughi raggiungono rapporti di compressione più elevati rispetto ai compressori assiali - per stadio. Rapporti di compressione di 4 - 6, mentre uno stadio assiale può fare solo 1,4 - 1,6.
  • Hanno una costruzione più robusta e spesso meno costosa.

Motori più grandi (portata massica elevata, rapporto di compressione elevato e area frontale minima) utilizzano quasi esclusivamente compressori assiali: le perdite interne sono minime. I compressori centrifughi vengono utilizzati per casi di progettazione in cui sono interessanti altri fattori oltre all'efficienza, come il costo e la limitazione della lunghezza per i turbomotori di elicotteri.

Un esempio di utilizzo di un compressore centrifugo in un motore turbofan è il Garrett AiResearch ATF3. Un motore a 3 alberi, con la ventola sull'albero 1, cinque stadi assiali sull'albero 2 e uno stadio centrifugo sull'albero 3.

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Fonte immagine

Il flusso di scarico caldo viene deviato nuovamente nel bypass della ventola, che lo raffredda e si traduce in una firma IR bassa. Questo motore è utilizzato nel Dassault Falcon. Si noti che non vi è alcuna difficoltà tecnica principale per scalare questo motore fino al livello A380, a parte la diminuzione dell'efficienza dovuta alle molteplici deflessioni nel flusso d'aria. L'area frontale più ampia non è un problema nella parte del compressore, e il rapporto di compressione totale aumenta molto utilizzando questo stadio finale.

Come nell'ATF3, i compressori centrifughi sono spesso abbinati a uno stadio assiale, che pre -voca il flusso d'aria nel compressore centrifugo e aumenta sia l'efficienza che il rapporto di compressione massimo per singolo stadio, rispetto a un singolo stadio piatto.

From an old uni book

#3
+3
J. Southworth
2019-05-25 16:17:30 UTC
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Mentre un compressore centrifugo può ottenere una compressione maggiore rispetto a uno stadio del compressore singolo in un motore a flusso assiale, il design del flusso assiale consente più stadi del compressore, ottenendo una compressione complessiva dell'aria più elevata e di conseguenza una maggiore efficienza . Tuttavia, i motori a getto centrifugo sono robusti e affidabili.

I compressori centrifughi possono anche essere multistadio.
#4
+1
Ronald MacArthur
2020-01-08 20:49:07 UTC
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I compressori centrifughi sono limitati dalle dimensioni e dall'angolo acuto del condotto del diffusore che deve raddrizzare il flusso d'aria che scorre verso l'esterno dal compressore della girante e reindirizzarlo alle camere di combustione. Ciò limita la quantità di aria che può fluire attraverso questo motore. I motori a flusso assiale hanno un design lineare e non hanno questa limitazione.

Puoi espandere la tua risposta in modo che sia chiaro che aggiungi qualcosa alle risposte esistenti
#5
  0
alephzero
2019-05-26 03:02:26 UTC
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Tutti i motori degli aeromobili con compressore centrifugo esistenti sono stati turbojet o turboelica.

A parte la loro bassa potenza rispetto ai moderni turbofan (la Rolls-Royce Dart menzionata in un'altra risposta ha prodotto circa 1 MW, rispetto a 50 MW per un moderno nucleo di un motore turbofan di grandi dimensioni), il diametro maggiore di un compressore centrifugo sarebbe rendono difficile progettare un turbofan efficiente, limitando l'area del condotto del ventilatore.

Aumentare il diametro esterno delle pale del ventilatore per allargare il condotto di bypass non è un'opzione pratica, poiché è limitato dall'altezza da terra del velivolo. Cercare di evitare questo problema con motori montati sulla coda di diametro molto grande creerebbe solo una serie diversa di problemi di progettazione.

Non tutto; il [Pratt & Whitney Canada PW600] (https://en.wikipedia.org/wiki/Pratt_&_Whitney_Canada_PW600) è un turboventola (anche se uno _tiny_) con un compressore a nucleo centrifugo.
L'RR Dart alimenta un'elica. Parliamo di un ventilatore di grande diametro ...


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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