بازده موتور جت به عنوان تابعی از دمای ورودی توربین

[rohamavation]

من می دانم که بین دمای ورودی توربین و راندمان موتور رابطه وجود دارد. اما آیا کسی می‌تواند معادله یا بازدهی را تنها به عنوان تابعی از دمای ورودی توربین ارائه دهد؟
من به دنبال چیزی شبیه به این هستم: اگر دمای ورودی توربین 200K افزایش یابد، راندمان 10٪ افزایش می یابد
همچنین، اجازه دهید بگوییم که اگر جنرال الکتریک ماده‌ای را اختراع کند که اصلا ذوب نمی‌شود ، بالاترین دمایی که می‌توان با سوزاندن سوخت تولید کرد، با این فرض که هیچ چیز نمی‌تواند ذوب شود.
متأسفانه راندمان موتور جت پیچیده‌تر از عملکرد یک به یک بین دمای ورودی توربین استاتیک و راندمان است. بازده ترمودینامیکی یک موتور توربین به عنوان توان تولیدی مفید استخراج شده از انرژی شیمیایی اضافه شده توسط سوخت تعریف می شود.
ایستگاه 0 برای ورودی موتور است، اعداد ایستگاه دیگر عبارتند از:
ورودی کمپرسور
ورودی محفظه احتراق.
ورودی توربین.
خروجی توربین.
اگزوز موتور.
انرژی در
جریان گرمایی $\dot{Q}$ اضافه شده به موتور عبارت است از:
$\dot{Q} = \dot{m} \cdot c_{pg} \cdot (T_{3t} - T_{2t}) \tag{1}$
با m˙ = جریان جرم از طریق موتور، $c_{pg}$ = ثابت گاز، T3t = دمای کل در ورودی توربین. دمای کل دمایی است که وقتی یک جریان گاز به صورت همسانتروپ فشرده می شود، در نقطه ایستایی اندازه گیری می شود و به این صورت تعریف می شود.
$T_t = T + v^2/(2 * C_p) \tag{2}$
بنابراین انرژی IN تابعی است از:
دمای ورودی توربین استاتیک
جریان جرمی کل
سرعت جریان گاز در ورودی توربین
توان ارائه شده توسط ژنراتور گاز عبارت است از:$P_{gg} = \dot{}m \cdot c_{pg} \cdot T_{4t} \left[ 1 - {\left(\frac{p_0}{p_{4t}} \right)}^{\frac{\kappa_g - 1}{\kappa_g}} \right] \tag{3}$
با
$T_{4t}$ = دمای رکود در خروجی توربین.
p0 = فشار ساکن در ورودی موتور، تابعی از چگالی هوا و سرعت هوا است.
$P_{4t}$ = فشار رکود در خروجی توربین، که بستگی به مقدار انرژی که توربین از جریان گاز استخراج کرده است دارد.
بهره وری
اگر بتوانیم تنها T3t را تغییر دهیم و سایر متغیرها را ثابت نگه داریم، در واقع می‌توانیم به نوع تابع مورد نظر برسیم - اما نمی‌توانیم. افزایش T.I.T باعث ایجاد رانش بیشتر، شتاب دادن به هواپیما، افزایش فشار ورودی، افزایش فشار خروجی توربین و غیره می شود.
تعداد زیاد متغیرهای درگیر، استخراج عبارات جبری را برای خروجی و کارایی خاص چرخه های واقعی غیرممکن می کند..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا

[MRT]

مشکل در تولید تیغه توربین است . حداکثر دمای ریخته گری فعلا 1600 درجه است و بالای دمای 1200 آلیاژها بشدت اکساید میشوند. قطعات سرامیکی هم ترد و شکننده هستند. ولی در این مورد فلز تنگستن حرف اول را میزند و بعد آن مولیبدن نئوبیوم و تانتالیم و رنیوم.

[rohamavation]

در مرحله اول بگم تیغه های توربین از سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل سخت شده با بارش ساخته می شوند که استحکام بالایی خود را در دماهای بالا از گاما پرایم، Ni3Al رسوب می کند در داخل ماده.سوپرآلیاژهای آهن نیکل به دلیل خواص دمای بالا و انبساط حرارتی کم در موتورهای جت استفاده میشه. این سوپرآلیاژها که حاوی 15 تا 60 درصد آهن و 25 تا 45 درصد نیکل هستند، در تیغه‌ها، دیسک‌ها و محفظه‌های موتور که به خواص انبساط حرارتی کم نیاز دارند، استفاده می‌شوند.
همچنین برای پره های توربین موتور جت از سرامیک استفاده می کنیم
پوشش‌های سد حرارتی سرامیکی (TBC) روی پره‌های توربین جت اعمال می‌شوند تا از گازهای با دمای بالا که از محفظه احتراق خارج می‌شوند محافظت کنند و کارایی موتور را افزایش دهند.سرامیک‌ها و کامپوزیت‌های ماتریکس سرامیکی که می‌توانند تا دمای 1600 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، برای تولید اجزای توربین سبک‌وزن که به هوای خنک‌کننده کمتری نیاز دارند، مانند پره‌ها، تیغه‌ها، نازل‌ها و آسترهای احتراق و قطعاتی برای سیستم اگزوز که تضعیف صوتی را افزایش می‌دهند، استفاده می‌شوند. و عمری طولانی داشته باشیاشیاء پرنده با سرعت فوق العاده بالا شامل وسایل نقلیه مافوق صوت و مافوق صوت و همچنین راکت و موشک است. طراحی آیرودینامیکی آنها، که شامل وجود عناصر مکانیکی تیز است، مستلزم استفاده از موادی است که قادر به مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا هستند. در حال حاضر، این مواد با افزودن عوامل تقویت‌کننده مانند ذرات، و الیاف برای بهبود خواص شوک حرارتی و چقرمگی شکست تولید می‌شوند. سرامیک‌های با دمای فوق‌العاده بالا (UHTCs) که می‌توانند تا دمای 2200 درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، برای ساخت وسایل نقلیه مافوق صوت در حال توسعه هستند.
اونچه تو علم مواد و مقامت مصالح و اشنابیی موتور جت واصول جلوبرنده ها خوندم این هست
فن: آلومینیوم، تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ
کمپرسور: آلیاژهای نیکل، کبالت یا آهن. مواد افزودنی آلومینیوم و/یا تیتانیوم، کروم و همچنین عناصر خاکی کمیاب مانند ایتریم هستند.
محفظه احتراق: سوپرآلیاژهایی با فلزات نسوز مانند تنگستن، مولیبدن، نیوبیم، تانتالم. سرامیک و مخلوط سرامیک و فلز.
توربین: سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل، هوای بیرون از طریق کانال های داخل پره های توربین به گردش در می آید. برای پره های توربین با فشار پایین سوپرآلیاژی مبتنی بر آهن یا حتی فولاد ضد زنگ. فلزات مورد استفاده برای پره های توربین اغلب به صورت تک کریستال رشد می کنند.
نازل اگزوز: نیکل اینکونل و آلیاژهای فولاد ضد زنگ.
پوشش: مواد ماتریس آلومینیوم یا پلیمری.
توربین فشار بالا با محفظه احتراق بسیار داغ است (بیشتر از نازل اگزوز). می توانید این مقاله ویکی پدیا را بخوانید که فهرست کوتاهی از مواد مورد استفاده برای پره های توربین (با نام آلیاژها و تکنیک های خنک کننده) دارد.
فن در توربوفن های پرقدرت در هر ثانیه حدود یک تن هوای سرد را به موتور فشار می دهد. به همین دلیل است که دما و فشار می تواند پس از فشرده سازی و پس از احتراق بسیار زیاد باشد.
فن
این معمولاً خیلی گرم نمی شود (کمتر از 150 درجه سانتیگراد) بنابراین آلومینیوم، تیتانیوم یا فولاد ضد زنگ همگی برای پره های فن مناسب هستند. اکثر موتورها از تیتانیوم استفاده می کنند زیرا نسبت استحکام به وزن بالایی دارد، در برابر خوردگی و خستگی مقاوم است و می تواند در برابر ضربه پرنده مقاومت کند.
بخش کمپرسور
فشار هوا را می توان تا 30 برابر افزایش داد و دما بسته به تعداد مراحل در کمپرسور تا 1000 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. در اینجا مواد باید استحکام بالایی در دماهای بالا داشته باشند. باید در برابر خستگی، ترک خوردن و اکسیداسیون مقاومت کند. و همچنین باید در برابر "خزش" مقاومت کرد. خزش تمایل یک ماده به تغییر شکل آهسته در هنگام تنش در دمای بالا است. از آنجایی که هیچ فلزی تمام خواص مطلوب را ندارد، از آلیاژ (مخلوطی از فلزات) استفاده می شود. آلیاژهای با دمای بسیار بالا، سوپرآلیاژ نامیده می شوند و عموماً آلیاژهای مبتنی بر نیکل، کبالت یا آهن هستند. آلومینیوم و/یا تیتانیوم برای استحکام، و کروم و همچنین عناصر خاکی کمیاب مانند ایتریم برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی اضافه می‌شوند.
محفظه احتراق
دما می تواند از 1800 درجه سانتیگراد تجاوز کند و مجدداً از سوپرآلیاژها استفاده می شود، اما بدون تیتانیوم یا آلومینیوم برای استحکام زیرا هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد. در عوض، فلزات نسوز اغلب به سوپرآلیاژ اضافه می شوند. این فلزات دارای مقاومت غیرمعمول بالا در برابر گرما، خوردگی و سایش هستند مانند تنگستن، مولیبدن، نیوبیم، تانتالیم و رنیم. آنها در آلیاژها و نه به عنوان فلزات خالص استفاده می شوند، زیرا آنها در بین همه عناصر متراکم هستند، یک ویژگی منفی در مورد هواپیماهایی که باید وزن خود را به حداقل برسانند. سرامیک و مخلوط سرامیک و فلز نیز در اینجا به دلیل مقاومت بالا در برابر حرارت استفاده می شود. ما با سفال، کاشی، بوته و آجر نسوز به عنوان انواع سرامیک آشنا هستیم. آنها نقطه ذوب بسیار بالایی دارند و به سیستم های خنک کننده مانند سیستم های مورد نیاز برای جلوگیری از ذوب شدن فلزات نیاز ندارند، بنابراین قطعات موتور سبک تر و کمتر پیچیده تر می شوند. جنبه منفی این است که آنها در اثر استرس تمایل به شکستگی دارند، بنابراین مهندسان به دنبال ایجاد کامپوزیت های سرامیکی جدید هستند که مواد دیگری را برای بهبود خواص ترکیب می کنند.
توربین
اولین مجموعه از پره های توربین در بالاترین فشار، داغ ترین قسمت جریان گاز قرار دارند و عموماً از سوپرآلیاژ نیکل یا تیغه های سرامیکی ساخته شده اند. هوای گرم نشده بیرون از طریق کانال های داخل پره های توربین به گردش در می آید تا از ذوب شدن آنها در این محیط شدید جلوگیری کند. پایین تر از موتور، پره های توربین فشار پایین تر اغلب می نشینند. از آنجایی که گازها در این نقطه تا حدودی خنک شده اند، تیغه ها را می توان از سوپرآلیاژ پایه آهن یا حتی فولاد ضد زنگ ساخته شود. جالب است بدانید که برای استحکام، فلزات مورد استفاده برای پره های توربین اغلب به صورت تک کریستال رشد می کنند. نگاهی دقیق به بیشتر فلزات و آلیاژها نشان می‌دهد که آنها از کریستال‌ها (که "دانه" نیز نامیده می‌شوند) تشکیل شده‌اند، و مکان‌هایی که کریستال‌ها به هم می‌رسند مرز دانه نامیده می‌شوند. یک ماده در مرزهای دانه‌ها ضعیف‌تر از درون دانه‌ها است - به‌ویژه در دماهای بالا - بنابراین پره‌های توربین که از فلز ساخته شده‌اند به صورت یک دانه (بدون مرز) قوی‌تر هستند.
فن: آلیاژ تیتانیوم
کمپرسور کم فشار: آلیاژ تیتانیوم
کمپرسور فشار متوسط: آلیاژ تیتانیوم
کمپرسور فشار بالا: آلیاژ نیکل
محفظه احتراق: زیرکونیای نیمه تثبیت شده با ایتریا، با دمای ذوب بین 2700 تا 2850 درجه سانتی گراد
توربین HP: آلیاژ نیکل تک کریستال، پوشش داده شده در سرامیک
توربین LP: آلیاژ نیکل تک کریستال
اگزوز: آلیاژ نیکل تک کریستال..hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
پره های توربین به صورت تک کریستال رشد می کنند و در محیطی نصب می شوند که 400 درجه گرمتر از نقطه ذوب تیغه است. با هوای کمپرسور خنک می شود.