Repülőgép gázturbinák Mert repülni márpedig kell!
Dr. Ailer Piroska 2011. március 22.
"Ha hajót akarsz építeni, ne azért hívd össze az embereket, hogy fát vágjanak, szerszámokat készítsenek, hanem ültesd el bennük a távoli végtelen iránti vágyakozást." (Antoine de Saint-Exupéry) 2
Történeti áttekintés – Arcképcsarnok
Ókor legendái
Euler
Navier és Stokes
Leonardo da Vinci
Zsukovszkij
Montgolfier fivérek - 1783
Lilienthal és kísérletei
3
Történeti áttekintés – Első motoros repülés
Wilbur Wright
Orville Wright
1903. december 17, Wright testvérek
4
Történeti áttekintés – Gázturbina szabadalma
1930, Anglia, Frank Whittle (1907-1996) szabadalom: gázturbinás repülőgép sugárhajtómű 5
Történeti áttekintés – Első gázturbinás repülés
1939. augusztus 27. Heinkel He 178 az első repülőgép, amely gázturbinás sugárhajtóművel szállt fel. Hajtóműve a He S-3 Hans von Ohain 1936-os szabadalma alapján készült.
6
Történeti áttekintés – Katonai alkalmazások
1941. május 15. a brit Gloster Meteor első felszállása
1944: a német Messerschmitt ME 262
7
Történeti áttekintés – Jendrassik György
A CS–1 légcsavaros gázturbina
Jendrassik György (Budapest, 1898. május 13. – London, 1954. február 8.): a dízelmotorok és gázturbinák fejlesztése terén ért el kimagasló eredményeket, 86 szabadalma van. 1940: 100 kW teljesítményű CS-1 légcsavaros gázturbina
A CS–1 a Budapesti Műszaki Múzeumban 8
A gázturbina működése
9
A gázturbina működése
10
Gázturbinák és dugattyús motorok összehasonlítása a. A gázturbina áramlástechnikai gép, a dugattyús motor térfogat kiszorítású gép. Lval b. Légviszony (λ): Lelm
Gázturbina: 2,5 – 3,5 Dugattyús motor: 0,9 – 1,4 (1,1 – 8)
c. T3 (maximális hőmérséklet):
Gázturbina: 1000 – 1400°C Dugattyús motor: 2000 – 2500°C
d. k (nyomásviszony):
Gázturbina: 5 – 40 Dugattyús motor: 30 – 60
e. Fajlagos teljesítmény:
Gázturbina: 200 – 300 kW/(kg/s) Dugattyús motor: 600 – 1600 kW/(kg/s)
f. Átáramló levegő mennyisége:
Gázturbina: 5 – 800 kg/s Dugattyús motor: < 1 kg/s
g. Fajlagos fogyasztás (hatásfok):
Gázturbina: kedvezőtlenebb Dugattyús motor: kedvezőbb 11
Gázturbinák előnyei a dugattyús motorokkal összevetve – nagy teljesítmény-tömeg arány (20 LE/kg) a dugattyús motorokhoz képest (1-2 LE/kg)
– a kis tömeg és a kompakt méretek megkönnyítik a telepítést és a beépítést
– kevésbé érzékeny a túlterhelésre – a kisebb méret és homlokfelület (kisebb ellenálláserő) – az egyirányú (forgó) mozgás miatt kisebb a rezgés, kisebbek a rezgésből származó szerkezeti zajok, jobb a komfortérzet – kevesebb mozgó alkatrészt tartalmaz, mint a dugattyús motor (kb. ötöde) – az egységnyi hasznos teljesítményre vonatkozó karbantartási költsége harmada, fele a dugattyús motorokénak
– nagy a megbízhatósága (> 99,5%) és a rendelkezésre állósága (97,5%) – kevésbé érzékeny a tüzelőanyag tulajdonságainak megváltozására (gázolaj, benzin, kerozin, stb.)
– léghűtésűek, nincs szükség folyadékhűtésre és rendszereire 12
Gázturbinák hátrányai a dugattyús motorokkal összevetve – költségesebb beruházás (pl. 20 - 30 MW teljesítmény-tartományban kb. 15 – 30 %-kal költségesebb, mint egy hasonló teljesítményű dízelmotor) – rosszabb a hatásfoka (a gázturbina a 20 - 30 MW teljesítmény tartományban kb. 20 %kal több tüzelőanyagot fogyaszt, mint a hasonló teljesítményű dízelmotor) – részterheléses üzemben tovább romlik a hatásfok – az alacsonyabb hatásfok magasabb fajlagos tüzelőanyag-fogyasztást eredményez
– hosszabb az indítási folyamata – kevésbé rugalmas a teljesítményigény változására
13
Gázturbinás hajtóművek Model no.
Thrust [N]
F100-PW229
128998 79178
58
F110-GEl00
127308 81536
60
TF30-P111
111650 64766
69
TF34-GE100
40323
TSFC [g/s/kN] 21 42
19 10,5
Airflow [kg/s]
OPR
D [mm]
L [mm]
Weight [kg]
TIT [C]
FPR
BR
Remark
112,49
23,0
1194
4851
1377
1482
3,8
0,4
F-15, F16
115,21
30,4
1181
4623
1767
2,98
0,80
F-16
117,94
21,8
1245
6139
1814
1124
2,43
0,73
F-111F
151,05
20,0
1270
2540
645
1223
1,5
6,42
A-10
Take-off
Cruise
Model no. and Manufacturer
Thrust [N]
BR
OPR
Airflow [kg/sec]
Alt [km]
Mach
Thrust [N]
TSFC [g/s/kN]
Aircraft application
CF6-80-C2 General Electric
233532
5,31
27,4
748
10,5
0,80
53379
16,3
767-200, -300, -200ER
JT9D-59A Pratt & Whitney
235756
4,90
24,5
743
10,5
0,85
53156
18,3
DC1O-40, A300B, 747-200
CFM56-3 CFM International
104533
5,00
22,6
297
10,5
0,85
21752
18,9
737-(300-500)
Olympus 593 Rolls Royce / SNECMA
169032
0
11,3
186
15,9
2,00
44616
33,7
Concorde 14
Centrifugál kompresszorok
Alkalmazási terület: – kisebb nyomásviszony és tömegáram, – robusztus szerkezet, – egyszerű tervezhetőség és gyárthatóság. 15
Axiál kompresszorok kialakítása
Alkalmazási terület: – nagy nyomásviszony és tömegáram, – bonyolultabb szerkezet, – instabilitás érzékenység.
16
Axiál kompresszorok karakterisztikája
17
Égésterek működése
18
Égésterek kialakítása
Csöves égéstér
Gyűrűs égéstér 19
Axiális turbinák kialakítása
20
Axiális turbinák – lapáthűtés
21
Utánégetőterek
22
Fúvócsövek
23
Gázturbina változatok – Sugárhajtóművek Egyforgórészes axiálkompresszoros sugárhajtómű:
Kétforgórészes kis kétáramúsági fokú axiálkompresszoros sugárhajtómű:
Kétáramúsági fok:
m külső m belső
24
Gázturbina változatok – Sugárhajtóművek Kétforgórészes kis kétáramúsági fokú axiálkompresszoros sugárhajtómű:
25
Gázturbina változatok – Légcsavaros gázturbinák Egyoldali beömlésű kétfokozatú centrifugálkompresszoros légcsavaros gázturbina:
Kétforgórészes axiálkompresszoros légcsavaros gázturbina:
26
Gázturbina változatok – Légcsavaros gázturbinák Kétforgórészes axiálkompresszoros szabadturbinás légcsavaros gázturbina:
Propfan – légcsavaros gázturbina:
27
Gázturbina változatok – Propulziós hatásfok 100 légcsavar dugyattyús motorral
propulziós hatásfok [%]
90 80 70
légcsavaros gázturbinás sugárhajtómű
60 50
nagy kétáramúsági fokú (5) gázturbinás sugárhajtómű
40 30 20
egyáramú sugárhajtómű
10 0 0
0.5 1 repülési Mach szám [-]
1.5
Propulziós hatásfok összehasonlítása a Mach szám függvényében különböző hajtómű-konfigurációk esetén 11 km magasan 28
Gázturbina változatok – Tüzelőanyag-fogyasztás
29
Gázturbina változatok – Tüzelőanyag-fogyasztás
Fuel consumption
FUEL CONSUMPTION TREND
JT8D
PW4084
JT9D
Future Turbofan
PW4052
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Year 30
Gázturbina változatok – Turbina belépő hőmérséklet
31
Gázturbina változatok – Fogyasztás, hőmérséklet
32
A jövő Belső veszteségek csökkentése: – áramlási veszteségek csökkentése a kompresszorban és a turbinában: résméretek csökkentése, tömítettség biztosítása – égéstér optimalizálása: magasabb égési hatásfok, kisebb fojtás, emisszió csökkentése Tolóerő / teljesítmény növelése a turbina belépő hőmérséklet növelésével: turbina lapátanyagok fejlesztése és turbina hűtési rendszer fejlesztése Kisebb hatótávolságra turbólégcsavaros hajtóművek alkalmazása: magasabb hatásfok, kisebb tüzelőanyag-fogyasztás (4 liter / 100 km / fő)
Alternatív tüzelőanyagok: térfogatra és tömegre viszonyított magas fűtőérték, széles működési hőmérséklet-tartomány (-60 – -70ºC ) A gázturbina helyett repülési célokra alternatív működési mód egyelőre nem létezik!
33
És ahogyan mi látjuk őket…
34
Köszönöm a figyelmet!
35
