Turbojet

Turbojet adalah jenis tertua dari tujuan umum mesin jet airbreathing . Dua insinyur, Frank Whittle di Inggris dan Hans von Ohain di Jerman , mengembangkan konsep secara mandiri ke dalam me sin praktis selama akhir 1930-an. Turbojet terdiri dari saluran udara masuk, kompresor udara, ruang bakar, turbin gas (yang menggerakkan kompresor udara) dan nozel. Udara dikompresi ke ruang, dipanaskan dan dikembangkan oleh pembakaran bahan bakar dan kemudian dibiarkan untuk membuka melalui turbin ke nosel mana dipercepat untuk kecepatan tinggi untuk memberikan propulsi.
Turbojet cukup efisien jika terbang di bawah sekitar Mach 2. dan sangat berisik . Sebagian besar pesawat modern menggunakan turbofan bukan karena alasan ekonomi. Turbojet masih sangat umum dalam jarak menengah rudal jelajah , karena knalpot tinggi kecepatan mereka, daerah frontal rendah dan relatif sederhana.

Sejarah
Albert Fonó 's paten Jerman untuk Mesin jet (Januari 1928). Ilustrasi ketiga adalah sebuah turbojet
Heinkel Dia 178 , pesawat pertama dunia untuk terbang murni daya turbojet, menggunakan HES 3 mesin
Paten pertama untuk menggunakan turbin gas untuk listrik pesawat ini diajukan pada tahun 1921 oleh Prancis Maxime Guillaume . [2] mesin Nya adalah untuk menjadi aliran turbojet aksial, tapi tidak pernah dibangun, karena akan diperlukan kemajuan besar atas negara dari seni dalam kompresor.
kompresor aksial praktis ini dimungkinkan oleh ide-ide dari AAGriffith dalam makalah pada tahun 1926 ("Sebuah Teori Aerodinamika dari Turbine Design").
Pada tanggal 27 Agustus 1939 Heinkel Dia 178 menjadi pesawat pertama di dunia yang terbang di bawah kekuasaan turbojet dengan uji-pilot Erich Warsitz di kontrol, [3] sehingga menjadi pesawat jet praktis pertama. Dua yang pertama operasional pesawat turbojet, yang Messerschmitt Me 262 dan kemudian Meteor Gloster memasuki layanan menjelang akhir Perang Dunia II pada tahun 1944.
Sebuah mesin turbojet digunakan terutama untuk menggerakkan pesawat , tetapi telah digunakan untuk kendaraan lain, seperti mobil. Udara ditarik ke dalam kompresor berputar melalui intake dan dikompresi dengan tekanan yang lebih tinggi sebelum masuk ruang pembakaran. Bahan Bakar dicampur dengan udara tekan dan dinyalakan oleh api dalam pusaran dari pemegang api . Ini pembakaran proses secara signifikan meningkatkan temperatur gas. produk pembakaran Hot meninggalkan pembakarnya memperluas melalui turbin mana daya diekstrak untuk menggerakkan kompresor. Meskipun proses ini mengurangi ekspansi keluar turbin gas suhu dan tekanan, baik parameter biasanya masih jauh di atas kondisi kamar. Aliran gas keluar dari turbin mengembang untuk tekanan ambien melalui nozel mendorong, menghasilkan jet kecepatan tinggi di membanggakan knalpot. Jika momentum aliran gas buang melebihi momentum dari aliran asupan, dorongan positif, sehingga, ada maju bersih dorong pada badan pesawat itu.
Mesin jet generasi awal adalah murni turbojet, dirancang awalnya untuk menggunakan kompresor sentrifugal (seperti dalam HES Heinkel 3 ), dan sangat lama kemudian mulai menggunakan kompresor aksial (seperti dalam Junkers Jumo 004 ) untuk diameter yang lebih kecil untuk perumahan mesin secara keseluruhan . Mereka digunakan karena mereka mampu mencapai ketinggian yang sangat tinggi dan kecepatan, jauh lebih tinggi dari baling-baling mesin, karena rasio kompresi yang lebih baik dan karena knalpot tinggi kecepatan mereka. Namun, mereka tidak terlalu bahan bakar efisien. mesin jet modern terutama turbofan , di mana proporsi dari udara yang masuk intake bypasses pembakarnya; proporsi ini tergantung pada mesin rasio bypass . Hal ini membuat turbofan jauh lebih efisien daripada turbojet pada subsonik tinggi / kecepatan supersonik transonik dan rendah.
Salah satu yang baru-baru ini menggunakan sebagian besar mesin turbojet adalah Olympus 593 pada Concorde . Concorde digunakan mesin turbojet karena ternyata salib kecil-bagian dan kecepatan tinggi knalpot ideal untuk operasi pada Mach 2. engine Concorde dibakar lebih sedikit bahan bakar untuk menghasilkan dorong diberikan mil di Mach 2,0 dari turbofan high-bypass modern seperti General Electric CF6 dengan kecepatan Mach 0,86 yang optimal. badan pesawat Concorde, bagaimanapun, adalah jauh lebih efisien dibandingkan dengan setiap pesawat subsonik.
mesin turbojet memiliki dampak signifikan pada penerbangan komersial . Selain menjadi lebih cepat dari mesin piston , turbojet mempunyai reliabilitas yang lebih besar, dengan beberapa model menunjukkan rating reliabilitas pengiriman lebih dari 99,9%. Pra-jet pesawat komersial dirancang dengan sebanyak 4 mesin sebagian karena kekhawatiran atas kegagalan dalam penerbangan. jalur penerbangan luar negeri yang diplot untuk menjaga pesawat dalam waktu satu jam lapangan pendaratan, memanjang penerbangan. 'Keandalan turbojet diperbolehkan untuk tiga dan desain mesin dua, dan penerbangan langsung jarak jauh-lebih. [4]
Meskipun ramjet mesin lebih sederhana dalam desain karena mereka hampir tidak memiliki bagian yang bergerak, mereka tidak mampu beroperasi pada kecepatan terbang rendah.
Awal desain
Cutaway dari sistem start udara dari General Electric J79 turbojet. Turbin kecil dan epicyclic gearing jelas terlihat
Awal mesin Jerman memiliki masalah serius mengontrol temperatur masuk turbin. Kurangnya paduan yang cocok karena kekurangan perang berarti bilah rotor dan stator turbin kadang-kadang akan hancur pada operasi pertama dan tidak pernah berlangsung lama. mesin awal mereka rata-rata 10-25 jam operasi sebelum gagal, sering kali dengan potongan logam terbang keluar dari belakang mesin ketika turbin terlalu panas. Inggris mesin cenderung tarif yang lebih baik, berjalan selama 150 jam antara overhaul. Beberapa pejuang asli masih ada dengan mesin asli mereka, tetapi banyak telah kembali bermesin dengan mesin yang lebih modern dengan efisiensi bahan bakar yang lebih besar dan lebih lama TBO (seperti reproduksi Me-262 didukung oleh General Electric J85s ).
J85-GE-17A turbojet mesin dari General Electric (1970)
Para Amerika Serikat memiliki bahan terbaik karena ketergantungan mereka pada turbo / supercharging di pembom ketinggian tinggi Perang Dunia II . Untuk sementara waktu beberapa mesin jet AS termasuk kemampuan untuk menyuntikkan air ke dalam mesin untuk mendinginkan aliran dikompresi sebelum terbakar, biasanya selama lepas landas. Air akan cenderung mencegah pembakaran yang sempurna dan sebagai akibat mesin pendingin berlari lagi, tapi pesawat akan lepas landas meninggalkan segumpal asap besar.
Saat ini masalah ini jauh lebih baik ditangani, tapi suhu masih batas airspeeds turbojet dalam penerbangan supersonik. Pada kecepatan yang sangat tertinggi, kompresi udara masuk meningkatkan suhu di seluruh mesin ke titik bahwa pisau turbin akan meleleh, memaksa pengurangan aliran bahan bakar untuk suhu yang lebih rendah, tetapi memberikan dorongan berkurang dan sehingga membatasi kecepatan tertinggi. Ramjets dan scramjets tidak memiliki bilah turbin, sehingga mereka mampu terbang lebih cepat, dan mesin roket masih berjalan bahkan lebih panas.
Pada kecepatan rendah, bahan yang lebih baik telah meningkatkan suhu kritis, dan kontrol bahan bakar otomatis manajemen telah membuat hampir tidak mungkin untuk panas mesin.

Turbojet animasi
Skema diagram yang menunjukkan pengoperasian mesin turbojet aliran sentrifugal. kompresor yang digerakkan melalui tahap turbin dan melempar keluar udara, persyaratan untuk diarahkan sejajar dengan sumbu dorong
Skema diagram yang menunjukkan pengoperasian mesin turbojet aliran aksial. Di sini, kompresor lagi didorong oleh turbin, tetapi aliran udara tetap sejajar dengan sumbu dorong
asupan udara
Sebelumnya kompresor merupakan pengambilan udara (atau masukan). Hal ini dirancang untuk menjadi seefisien mungkin di memulihkan tekanan ram tabung mendekati aliran udara intake. Udara meninggalkan konsumsi kemudian masuk kompresor. The stators (bilah stasioner) memandu aliran udara gas terkompresi.
Kompresor
kompresor yang digerakkan oleh turbin. Kompresor berputar pada kecepatan yang sangat tinggi, menambahkan energi untuk aliran udara dan pada saat yang sama menekan (kompresi) ke dalam ruang yang lebih kecil. Mengompresi udara meningkat yang tekanan dan suhu .
Dalam pesawat turbojet-powered paling, berdarah udara diekstrak dari bagian kompresor pada berbagai tahap untuk melakukan berbagai pekerjaan termasuk AC / bertekanan, mesin anti-icing inlet dan pendinginan turbin. Pendarahan dari udara mengurangi efisiensi keseluruhan mesin, tapi kegunaan dari udara terkompresi melebihi kerugian dalam efisiensi.
Beberapa jenis kompresor yang digunakan dalam turbojet dan turbin gas pada umumnya: aksial, sentrifugal, aksial-sentrifugal, double-sentrifugal, dll
Awal kompresor turbojet memiliki rasio tekanan keseluruhan sebagai 5:1 rendah (seperti yang dilakukan banyak sederhana unit daya tambahan dan turbojet propulsi kecil hari ini). perbaikan aerodinamis, ditambah membelah sistem kompresi menjadi dua unit yang terpisah dan / atau menggabungkan geometri variabel kompresor, memungkinkan kemudian turbojet memiliki rasio tekanan keseluruhan 15:01 atau lebih. Sebagai perbandingan, modern sipil turbofan engine memiliki rasio tekanan keseluruhan 44:1 atau lebih.
Setelah meninggalkan bagian kompresor, udara terkompresi memasuki ruang pembakaran.
ruang Pembakaran
Proses pembakaran di ruang bakar secara signifikan berbeda dari yang di mesin piston . Dalam sebuah mesin piston pembakaran gas terbatas pada volume kecil dan, sebagai membakar bahan bakar, tekanan meningkat secara dramatis. Dalam sebuah turbojet dan bahan bakar campuran udara lewat bebas melalui ruang pembakaran . Seperti campuran luka bakar suhu meningkat secara dramatis, tetapi tekanan sebenarnya berkurang beberapa persen.
Campuran bahan bakar-udara harus dibawa hampir berhenti sehingga api yang stabil dapat dipertahankan. Hal ini terjadi hanya setelah dimulainya ruang pembakaran. Yang belakang bagian dari api depan diperbolehkan untuk kemajuan kebelakang. Hal ini menjamin bahwa semua bahan bakar dibakar, seperti api menjadi panas ketika membungkuk keluar, dan karena bentuk ruang bakar aliran dipercepat rearwards. Beberapa pressure drop diperlukan, karena merupakan alasan mengapa gas memperluas perjalanan keluar bagian belakang mesin daripada keluar depan. Kurang dari 25% dari udara terlibat dalam pembakaran, dalam beberapa mesin sesedikit 12%, sisanya bertindak sebagai reservoir untuk menyerap efek pemanasan dari pembakaran bahan bakar.
Perbedaan lain antara mesin piston dan mesin jet adalah bahwa suhu nyala api puncak dalam mesin piston berpengalaman hanya sebentar dalam porsi kecil dari siklus penuh. The ruang bakar di mesin jet terkena api puncak suhu terus menerus dan beroperasi pada tekanan yang cukup tinggi bahwa stoikiometri -rasio udara bahan bakar akan meleleh dapat dan segalanya hilir. Sebaliknya, mesin jet menjalankan campuran yang sangat ramping, sehingga tidak berlemak yang tidak akan biasanya mendukung pembakaran. Sebuah inti pusat dari aliran (aliran udara primer) dicampur dengan bahan bakar yang cukup untuk membakar mudah. Kaleng secara hati-hati berbentuk untuk menjaga lapisan udara tidak terbakar segar antara permukaan logam dan inti pusat. Ini udara tidak terbakar (aliran udara sekunder) campuran ke dalam gas dibakar untuk membawa suhu ke sesuatu turbin dapat mentolerir.
Turbin
Hot gas meninggalkan ruang bakar yang diperbolehkan untuk memperluas melalui turbin. Turbin biasanya terbuat dari logam temperatur tinggi seperti Inconel untuk menahan suhu tinggi, dan sering ada built-in pendinginan saluran.
Pada tahap pertama turbin secara umum merupakan turbin impuls (mirip dengan roda pelton ) dan berputar karena dampak dari aliran gas panas. Kemudian tahap adalah saluran konvergen yang mempercepat gas ke belakang dan mendapatkan energi dari proses tersebut. Tekanan tetes, dan energi ditransfer ke poros. Turbin energi rotasi digunakan terutama untuk menggerakkan kompresor. Beberapa daya poros diekstrak untuk mendorong aksesoris, seperti bahan bakar, minyak, dan pompa hidrolik. Karena suhu yang lebih tinggi masuk secara signifikan, rasio tekanan turbin jauh lebih rendah dibandingkan dengan kompresor. Dalam turbojet hampir dua-pertiga dari semua kekuatan yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar digunakan oleh kompresor untuk menekan udara untuk mesin. [ rujukan? ]
Nozzle
Setelah turbin, gas-gas yang diizinkan untuk memperluas melalui nozzle pembuangan terhadap tekanan atmosfer, menghasilkan jet kecepatan tinggi di membanggakan knalpot. Dalam nosel konvergen, penampang yang menyempit semakin ke tenggorokan seorang. Tekanan nosel rasio pada turbojet biasanya cukup tinggi untuk memperluas gas untuk mencapai Mach 1,0 dan tersedak tenggorokan. Biasanya, aliran akan supersonik di dalam gas plume luar mesin.
Jika, bagaimanapun, konvergen-divergen Laval Nozel de dipasang, bagian (peningkatan luas areal aliran) yang berbeda memungkinkan gas untuk mencapai kecepatan supersonik di dalam nozzle itu sendiri. Ini sedikit lebih efisien di dorong daripada menggunakan nosel konvergen. Ada, bagaimanapun, beban tambahan dan kompleksitas sejak nosel-con di harus sepenuhnya variabel untuk mengatasi pelambatan mesin.
Afterburner
Sebuah afterburner atau "jetpipe memanaskan" adalah sebuah alat ditambahkan ke belakang mesin jet. Menyediakan sarana penyemprotan bahan bakar langsung ke dalam panas knalpot, di mana ia membakar dan meningkatkan daya dorong yang tersedia secara signifikan; kelemahan yang sangat tinggi tingkat konsumsi bahan bakar. Afterburner digunakan hampir secara eksklusif pada supersonik pesawat - sebagian besar adalah pesawat militer. Kedua mengangkut sipil supersonik, Concorde dan TU-144 , juga dimanfaatkan afterburner tetapi kedua kini telah pensiun dari pelayanan. Scaled Composites White Knight , pesawat pembawa untuk percobaan SpaceShipOne suborbital pesawat ruang angkasa, juga memanfaatkan sebuah afterburner.
Thrust reverser
Sebuah reverser dorong adalah, pada dasarnya, sepasang pintu clamshell dipasang di bagian belakang mesin yang, ketika digunakan, mengalihkan dorong normal aliran mesin jet untuk membantu memperlambat pesawat saat pendaratan. Mereka sering digunakan bersama dengan spoiler . Penyebaran disengaja sebuah reverser dorong selama penerbangan adalah peristiwa berbahaya yang dapat menyebabkan hilangnya kontrol dan penghancuran pesawat (lihat LaudaAir Penerbangan 004 ). reversers Thrust lebih mudah daripada parasut parasut pesawat , meskipun secara mekanis lebih kompleks dan mahal.
dorong Bersih
Jaring dorong dari turbojet adalah diberikan oleh.
dimana:
adalah laju aliran udara melalui mesin
adalah tingkat aliran bahan bakar masuk engine
adalah kecepatan jet (pembuangan membanggakan) dan diasumsikan kurang dari kecepatan sonic
adalah benar kecepatan udara pesawat
merupakan dorongan nosel kotor
merupakan drag domba jantan asupan
Jika kecepatan jet sama dengan kecepatan sonic nozel dikatakan tersedak . Jika nozel tercekat tekanan pada pesawat keluar nozzle lebih besar dari tekanan atmosfer, dan persyaratan tambahan harus ditambahkan ke persamaan di atas ke account untuk menguatkan tekanan. Laju aliran bahan bakar masuk engine sangat kecil dibandingkan dengan laju aliran udara. Jika kontribusi bahan bakar ke nosel kotor dorong diabaikan, dorong bersih adalah:
Kecepatan jet harus melebihi kecepatan udara sejati pesawat jika ada menjadi condong ke depan bersih badan pesawat tersebut. Kecepatan dapat dihitung termodinamika berdasarkan ekspansi adiabatik .
Sebuah mesin turbojet sederhana akan menghasilkan daya dorong sekitar: 2,5 £ gaya per tenaga kuda (15 mN / W).
Siklus perbaikan
Termodinamika mesin-bernapas jet udara khas dimodelkan sekitar oleh Siklus Brayton .
Meningkatkan rasio tekanan keseluruhan dari sistem kompresi meningkatkan suhu ruang bakar entri. Oleh karena itu, pada aliran bahan bakar dan aliran udara tetap, terjadi peningkatan suhu masukan turbin. Meskipun kenaikan suhu yang lebih tinggi di sistem kompresi, menunjukkan penurunan suhu yang lebih besar atas sistem turbin, temperatur nozzle tidak terpengaruh, karena jumlah yang sama panas yang ditambahkan ke sistem. Ada, bagaimanapun, suatu peningkatan tekanan nozzle, karena rasio tekanan secara keseluruhan meningkat lebih cepat dari rasio ekspansi turbin. Akibatnya, meningkat dorong bersih, sementara konsumsi bahan bakar spesifik (aliran bahan bakar / net thrust) menurun.
Dengan demikian turbojet bisa dibuat bahan bakar lebih efisien dengan meningkatkan rasio tekanan dan temperatur secara keseluruhan masuk turbin dalam persatuan. Namun, bahan turbin yang lebih baik dan / atau baling-baling ditingkatkan / pendinginan pisaunya sangat diperlukan untuk mengatasi peningkatan suhu di kedua masuk turbin dan suhu kompresor pengiriman. Meningkatkan terakhir membutuhkan bahan kompresor lebih baik.
Meminimalkan kerugian panas dan mengoptimalkan rasio suhu masuk akan meningkatkan kerja berguna sistem dan efisiensi termal dari mesin turbo jet.
kendaraan Terkemuka menggunakan turbojet
Diposkan oleh di
Label:

No comments:

Post a Comment

Subscribe to: Post Comments (Atom)