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 Leonardo da Vinci Montgolfier fivérek - 1783 Euler Navier és Stokes Zsukovszkij 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. L val b. Légviszony (λ): L elm c. T 3 (maximális hőmérséklet): d. k (nyomásviszony): e. Fajlagos teljesítmény: Gázturbina: 2,5 3,5 Dugattyús motor: 0,9 1,4 (1,1 8) Gázturbina: 1000 1400 C Dugattyús motor: 2000 2500 C Gázturbina: 5 40 Dugattyús motor: 30 60 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. F100-PW- 229 F110-GEl00 TF30-P- 111 TF34-GE- 100 Thrust [N] 128998 79178 127308 81536 111650 64766 TSFC [g/s/kn] 58 21 60 42 69 19 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 40323 10,5 151,05 20,0 1270 2540 645 1223 1,5 6,42 A-10 Model no. and Manufacturer CF6-80-C2 General Electric JT9D-59A Pratt & Whitney CFM56-3 CFM International Olympus 593 Rolls Royce / SNECMA Thrust [N] BR Take-off OPR Airflow [kg/sec] Alt [km] Mach Cruise Thrust [N] TSFC [g/s/kn] Aircraft application 233532 5,31 27,4 748 10,5 0,80 53379 16,3 767-200, -300, -200ER 235756 4,90 24,5 743 10,5 0,85 53156 18,3 DC1O-40, A300B, 747-200 104533 5,00 22,6 297 10,5 0,85 21752 18,9 737-(300-500) 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 m külső 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 propulziós hatásfok [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 légcsavar dugyattyús motorral légcsavaros gázturbinás sugárhajtómű nagy kétáramúsági fokú (5) gázturbinás sugárhajtómű egyáramú sugárhajtómű 0 0 0.5 1 1.5 repülési Mach szám [-] Propulziós hatásfok összehasonlítása a Mach szám függvényében különböző hajtómű-konfigurációk esetén 11 km magasan 28
Gázturbina változatok Tüzelőanyag-fogyasztás 29
Fuel consumption Gázturbina változatok Tüzelőanyag-fogyasztás FUEL CONSUMPTION TREND JT8D JT9D PW4052 PW4084 Future Turbofan 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