art yakıcı - Afterburner
Bir art yakıcı (veya İngiliz İngilizcesinde yeniden ısıtma ), bazı jet motorlarında , çoğunlukla askeri süpersonik uçaklarda kullanılan ek bir yanma bileşenidir . Amacı , genellikle süpersonik uçuş , kalkış ve savaş için itmeyi arttırmaktır . Enjekte ilave ard yakma yakıtı , bir içine yanma hücresinin (arkasında püskürtme borusunda , yani , "ardışık") türbin egzoz gazı "yeniden ısıtma". Afterburning, daha büyük bir motor kullanmaya alternatif olarak, beraberinde getirdiği ağırlık cezasıyla, ancak kullanımını kısa sürelerle sınırlayan çok yüksek yakıt tüketimi (düşük yakıt verimliliği ) pahasına itiş gücünü önemli ölçüde artırır . Bu hava taşıtı yeniden ısıtma uygulaması, elektrik jeneratörlerini çalıştıran ve yakıt tüketimini azaltan gaz türbinleri için geçerli olan yeniden ısıtmanın anlamı ve uygulamasıyla çelişmektedir .
Jet motorları, art yakma kullanıldığında ıslak , kullanılmadığında kuru olarak adlandırılır . Islak maksimum itme gücü üreten bir motor maksimum güçteyken, maksimum kuru itki üreten bir motor askeri güçtedir .
Prensip
Jet motoru itişi, içinden geçen havanın momentumunu arttırdığı için motorun itme ürettiği Newton'un reaksiyon ilkesinin bir uygulamasıdır . İtme iki şeye bağlıdır: egzoz gazının hızı ve gazın kütlesi. Bir jet motoru, gazı daha yüksek bir hıza hızlandırarak veya motordan daha büyük bir gaz kütlesi çıkararak daha fazla itme üretebilir. İkinci prensip etrafında temel bir turbojet motoru tasarlamak , daha yavaş ama daha fazla gaz oluşturan turbofan motorunu üretir . Turbofanlar yakıt açısından oldukça verimlidir ve uzun süreler boyunca yüksek itiş gücü sağlayabilir, ancak tasarımdaki ödünleşim, güç çıkışına göre daha büyüktür. Kısa süreler için daha kompakt bir motorla daha fazla güç üretmek, bir art yakıcı kullanılarak sağlanabilir. Art yakıcı, öncelikle egzoz gazını daha yüksek bir hıza hızlandırarak itme gücünü arttırır.
Aşağıdaki değerler, erken bir jet motoru olan Pratt & Whitney J57 için, pistte sabittir ve sıcaklık sınırlamaları dahilinde çalışan motora kıyasla, brülör yakıt akışı, gaz sıcaklığı ve itişin yüksek değerlerini gösterir. türbin.
Motordaki en yüksek sıcaklık (yaklaşık 3,700 °F (2,040 °C)) yakıtın (8,520 lb/h (3.860 kg/h)) motora giren havanın nispeten küçük bir bölümünde tamamen yandığı yakıcıda meydana gelir. Gaz sıcaklığını Türbin Giriş Sıcaklığı (TET) (1,570 °F (850 °C)) olarak adlandırılan ve türbine kabul edilebilir bir ömür veren bir değere düşürmek için yanma ürünlerinin kompresörden gelen hava ile seyreltilmesi gerekir. Yanma ürünlerinin sıcaklığını büyük miktarda düşürmek zorunda olmak, ne kadar itme üretilebileceğine (10.200 lb f (45.000 N)) ilişkin birincil sınırlamalardan biridir . Kompresör tarafından sağlanan tüm oksijenin yakılması, yoluna çıkan her şeyi yok edecek kadar yüksek sıcaklıklar (3,700 °F (2,040 °C)) oluşturur, ancak yanma ürünlerini kompresörden 600 °F'de (316 °C) gelen yanmamış hava ile karıştırarak ) önemli miktarda oksijen (yakıt/hava oranı 0,014, oksijensiz kalan değer 0,0687 ile karşılaştırıldığında) bir art yakıcıda büyük miktarlarda yakıt (25,000 lb/h (11,000 kg/h)) yakmak için hala mevcuttur. Gaz sıcaklığı türbinden geçerken 545 °C'ye düşer. Art brülör yakıcı gazı yeniden ısıtır, ancak TET'ten (1.570 °F (850 °C)) çok daha yüksek bir sıcaklığa (2.540 °F (1.390 °C)) ulaşır. Son yakıcıdaki sıcaklık artışının bir sonucu olarak, gaz, önce Rayleigh akışı olarak bilinen ısı ilavesiyle , daha sonra meme tarafından art yakıcı olmadan meydana gelenden daha yüksek bir çıkış hızına hızlandırılır . Kütle akışı da art yakıcı yakıtın eklenmesiyle biraz artar. Son yakma ile itme gücü 16.000 lb f (71.000 N)'dir.
Görünür egzoz, ortam basıncı ile egzoz basıncı arasındaki küçük farklılıklar nedeniyle oluşan şok dalgalarının neden olduğu şok elmasları gösterebilir . Bu etkileşim, egzoz jeti çapında kısa bir mesafede salınımlara neden olur ve basınç ve sıcaklığın en yüksek olduğu yerlerde görünür bantlaşmaya neden olur.
Bypass havasını ısıtarak itme artırma
İtki, çoğu sonradan yanan turbofanlarda olduğu gibi karışık soğuk ve sıcak akışlar yerine, bir turbofanın soğuk bypass havasında yakıt yakılarak arttırılabilir.
Erken bir güçlendirilmiş turbofan olan Pratt & Whitney TF30 , baypas akışında yedi eş merkezli püskürtme halkasının üçü ile baypas ve ana akışlar için ayrı yanma bölgeleri kullandı. Buna karşılık, sonradan yanan Rolls-Royce Spey , yakıt manifoldlarından önce yirmi kanallı bir karıştırıcı kullandı.
Plenum odası yakma (PCB), Hawker Siddeley P.1154 için vektörlü itme Bristol Siddeley BS100 motoru için geliştirildi . Soğuk baypas ve sıcak çekirdek hava akışları, Rolls-Royce Pegasus ile aynı şekilde ön ve arka olmak üzere iki çift meme arasında bölündü ve yalnızca ön memelere ek yakıt ve art yakma uygulandı. Hawker Siddeley Harrier'e benzer, ancak ondan daha büyük bir uçakta kalkış ve süpersonik performans için daha fazla itme gücü verirdi .
Kanal ısıtması, 1964 yılında ABD Süpersonik Taşıma Programı için JTF17 turbofan önerisi için Pratt & Whitney tarafından kullanıldı ve bir gösterici motor çalıştırıldı. Kanal ısıtıcısı dairesel bir yakıcı kullandı ve uçak ağırlığına bağlı olarak farklı miktarlarda artışla Mach 2.7'de kalkış, tırmanma ve seyir için kullanılacaktı.
Tasarım
Bir jet motoru art yakıcı, ekstra yakıt enjektörleri içeren genişletilmiş bir egzoz bölümüdür . Jet motoru akış yukarısında (yani türbinden önce) aldığı oksijenin çok azını kullanacağından, gaz akışı türbinleri terk ettikten sonra ek yakıt yakılabilir. Art brülör açıldığında yakıt püskürtülür ve ateşleyiciler ateşlenir. Ortaya çıkan yanma işlemi, brülör çıkış ( nozül girişi) sıcaklığını önemli ölçüde artırır ve bu da motor net itme kuvvetinde dik bir artışa neden olur. Art brülör çıkış durgunluk sıcaklığındaki artışa ek olarak, nozül kütle akışında da bir artış (yani, brülör giriş kütle akışı artı etkin brülör yakıt akışı), ancak art brülör çıkış durgunluk basıncında bir azalma (nedeniyle temel bir kayıp nedeniyle) vardır. ısıtma artı sürtünme ve türbülans kayıpları).
Son yakıcı çıkış hacmi akışında ortaya çıkan artış, sevk nozülünün boğaz alanının arttırılmasıyla karşılanır. Aksi takdirde, yukarı akıştaki turbo makine yeniden eşleşir (muhtemelen bir turbofan uygulamasında kompresör durmasına veya fan dalgalanmasına neden olur ). İlk tasarımlar, örneğin F7U Cutlass, F-94 Starfire ve F-89 Scorpion'da kullanılan Solar art yakıcılar, 2 konumlu göz kapağı memelerine sahipti. Modern tasarımlar, yalnızca VG nozullarını değil, ayrı püskürtme çubukları aracılığıyla çok sayıda büyütme aşamasını da içerir.
Birinci derecede, brüt itme oranı (son yanma/kuru), son yakıcı boyunca (yani çıkış/giriş) durgunluk sıcaklık oranının kökü ile doğru orantılıdır.
sınırlamalar
Yüksek yakıt tüketimleri nedeniyle, art yakıcılar yalnızca kısa süreli yüksek itme gereksinimleri için kullanılır. Bunlar, ağır veya kısa pist kalkışlarını, uçak gemilerinden ve hava muharebesi sırasında mancınık fırlatmalarına yardımcı olmayı içerir . Dikkate değer bir istisna, SR-71 Blackbird'de kullanılan ve art yakıcısını uzun süre kullanan ve her keşif görevinin bir parçası olarak uçuş sırasında yakıt ikmali yapılan Pratt & Whitney J58 motorudur .
Bir art yakıcı, aralıklı kullanımına uyacak şekilde sınırlı bir ömre sahiptir. J58, sürekli derecelendirme ile bir istisnaydı. Bu, gömlek ve alev tutucular üzerindeki termal bariyer kaplamaları ve gömlek ve memenin türbin egzoz gazı yerine kompresör tahliye havası ile soğutulmasıyla sağlandı.
Yeterlik
Jet motorları gibi ısı motorlarında, yanma mümkün olan en yüksek basınç ve sıcaklıkta gerçekleştiğinde ve ortam basıncına kadar genişlediğinde verimlilik en yüksektir (bkz. Carnot çevrimi ).
Egzoz gazı , önceki yanma nedeniyle zaten oksijeni azalttığından ve yakıt yüksek basınçlı bir hava sütununda yanmadığından, art yakıcı ana yakıcı ile karşılaştırıldığında genellikle verimsizdir. Art brülör verimliliği, genellikle olduğu gibi, artan irtifa ile giriş ve egzoz borusu basıncı azalırsa da önemli ölçüde düşer.
Bu sınırlama yalnızca turbojetler için geçerlidir. Askeri bir turbofan savaş motorunda, egzoza baypas havası eklenir, böylece çekirdek ve art yakıcı verimliliği artar. Turbojetlerde kazanç %50 ile sınırlıdır, turbofanlarda ise baypas oranına bağlıdır ve %70'e kadar çıkabilir.
Bununla birlikte, bir karşı örnek olarak, SR-71 , yüksek hızı ( mach 3.2) ve buna bağlı olarak koç alımı nedeniyle yüksek basıncı nedeniyle art yanma ("ıslak") modunda yüksek irtifada makul bir verimliliğe sahipti .
Döngü seçimine etkisi
Ard yakmanın motor çevrimi seçimi üzerinde önemli bir etkisi vardır .
Fan basınç oranını düşürmek, spesifik itmeyi azaltır (hem kuru hem de ıslak ard yakma), ancak art brülöre giren daha düşük bir sıcaklık ile sonuçlanır. Yakma sonrası çıkış sıcaklığı etkin bir şekilde sabitlendiğinden, ünite boyunca sıcaklık artışı artar ve art yakıcı yakıt akışını yükseltir. Toplam yakıt akışı, net itiş gücünden daha hızlı artma eğilimindedir ve bu da daha yüksek bir özgül yakıt tüketimi (SFC) ile sonuçlanır . Bununla birlikte, karşılık gelen kuru güç SFC'si iyileşir (yani daha düşük spesifik itme). Art yakıcı boyunca yüksek sıcaklık oranı, iyi bir itme artışı sağlar.
Uçak, art brülör yanarken yakıtının büyük bir yüzdesini yakarsa, yüksek özgül itiş gücüne sahip bir motor çevrimi seçmek için ödeme yapar (yani yüksek fan basınç oranı/düşük baypas oranı ). Ortaya çıkan motor, art yakma (yani Savaş/Kalkış) ile nispeten yakıt verimlidir, ancak kuru güçte susuzdur. Bununla birlikte, art yakıcı zor kullanılacaksa, düşük bir özgül itme (düşük fan basınç oranı/yüksek baypas oranı) çevrimi tercih edilecektir. Böyle bir motor iyi bir kuru SFC'ye sahiptir, ancak Savaş/Kalkışta zayıf bir son yanma SFC'sine sahiptir.
Çoğu zaman motor tasarımcısı bu iki uç nokta arasında bir uzlaşma ile karşı karşıya kalır.
Tarih
Caproni Campini CC2 motorjet İtalyan mühendis tarafından tasarlanan, Secondo Campini , bir afterburner kullanan ilk uçak oldu. Bir Caproni Campini CC2'nin art yakıcıları çalışırken ilk uçuşu 11 Nisan 1941'de gerçekleşti.
Erken İngiliz yeniden ısıtma çalışma üzerinde uçuş testleri dahil Rolls-Royce W2 / B23 bir de Gloster Meteor bir geç 1944 yılında I ve zemin testleri Güç Jetler W2 / 700 mid-1945 motoru. Bu motor, Miles M.52 süpersonik uçak projesi için tasarlandı.
Kavram üzerine erken ABD araştırması, NACA tarafından Cleveland, OH'de yapıldı ve Ocak 1947'de "Turbojet Motorlarının İtki Artırımının Teorik Araştırması" başlıklı makalenin yayınlanmasına yol açtı.
ABD'nin 1948'deki art yakıcılar üzerindeki çalışması, Pirate , Starfire ve Scorpion gibi erken dönem düz kanatlı jetlere kurulumlarla sonuçlandı .
Art yakıcılı 8.000 lbf (36 kN) itme gücüne sahip yeni Pratt & Whitney J48 turbojet, üretime girmek üzere olan Grumman süpürme kanatlı avcı F9F-6'ya güç sağlayacaktı . Art yakıcılara sahip diğer yeni Donanma savaşçıları arasında, iki adet 6.000 lbf (27 kN) itme Westinghouse J46 motoruyla çalışan Chance Vought F7U-3 Cutlass vardı .
1950'lerde, Orenda Iroquois ve İngiliz de Havilland Gyron ve Rolls-Royce Avon RB.146 varyantları gibi birkaç büyük yeniden ısıtılmış motor geliştirildi . Rolls-Royce Avon RB.146 powered varyantları İngiliz Electric Lightning , RAF hizmetinde ilk süpersonik uçağı. Bristol-Siddeley Rolls-Royce Olympus , TSR-2 için yeniden ısıtma ile donatıldı . Bu sistem, Bristol Siddeley ve Solar of San Diego tarafından ortaklaşa tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Concorde'un yeniden ısıtma sistemi Snecma tarafından geliştirildi .
Art yakıcılar genellikle yalnızca askeri uçaklarda kullanılır ve savaş uçaklarında standart ekipman olarak kabul edilir. Bunları kullanan bir avuç sivil uçak arasında bazı NASA araştırma uçakları, Tupolev Tu-144 , Concorde ve Ölçekli Kompozitlerin Beyaz Şövalyesi yer alıyor . Concorde süpersonik hızlarda uzun mesafeler uçtu. Sürekli yüksek hızlar, yeniden ısıtmanın yüksek yakıt tüketimi ve kalkışta ve yüksek sürtünmeli transonik uçuş rejiminde harcanan zamanı en aza indirmek için art yakıcılar kullandığı için imkansız olurdu . Art yakıcılar olmadan süpersonik uçuşa süper seyir denir .
Bir art yakıcı ile donatılmış bir turbojet motoruna "art yakıcı turbojet" denirken, benzer şekilde donatılmış bir turbofan motoruna bazen "artırılmış turbofan" denir.
Bir " boşaltma ve yakma ", yakıtın püskürtüldüğü ve ardından art yakıcı kullanılarak kasıtlı olarak ateşlendiği bir hava gösterisi görüntüleme özelliğidir. Yüksek hız ile birleşen muhteşem bir alev, bunu hava gösterileri için veya havai fişeklerin finali olarak popüler bir görüntü haline getiriyor . Yakıt boşaltma, öncelikle ağır, yüksek hızlı bir inişten kaçınmak için bir uçağın ağırlığını azaltmak için kullanılır. Akaryakıt boşaltmanın güvenlik veya acil durumlar dışında pratik bir kullanımı yoktur.