Tα πουλιά πετούν σπρώχνοντας τον αέρα, o ανεμιστήρας μας δροσίζει σπρώχνοντας τον αέρα, στεγνώνουμε τα μαλλιά μας σπρώχνοντας τον αέρα.
Ο άνθρωπος έχει φτιάξει πολλά πράγματα που σπρώχνουν τον αέρα.
Mια από τις μεγαλύτερες μηχανές που σπρώχνουν τον αέρα είναι ο κινητήρας ενος αεροπλάνου. Και επειδή σπρώχνει ή ωθεί τον αέρα λέγεται κινητήρας αεριώθησης ή jet κινητήρας.
Έχετε ποτέ αναρωτηθεί πώς πετάνε τα αεροπλάνα;
Μία από τις απαντήσεις κρύβεται στους ισχυρούς jet κινητήρες που τα τροφοδοτούν!
Σε αυτό το άρθρο, που είναι το πρώτο μέρος της σειράς “Πώς πετάνε τα αεροπλάνα” θα κάνουμε μια βουτιά στον συναρπαστικό κόσμο των jet κινητήρων και θα αποκαλύψουμε πώς λειτουργεί η μηχανή, η οποία κάθε φορά που μπαίνουμε σε αεροπλάνο, κρατάει την ζωή μας, στα χέρια της ή και σε άλλα μέρη της.
ΙΣΤΟΡΙΑ
Ανατρέχοντας την ιστορία δε θα βρει κανείς ποιος ήταν εκείνος στον οποίο ανήκει το προνόμιο της ανακάλυψης της αρχής της αεριώθησης (jet propulsion). Ο Έλληνας επιστήμονας Ήρωνας, που έζησε στην Αλεξάνδρεια τον 1ο αιώνα μ.Χ., λαμβάνει πολλές φορές την τιμή να αναφέρεται ως εκείνος που πραγματοποίησε την πρώτη εφαρμογή της αεριώθησης.
Ο Ήρωνας επινόησε και κατασκεύασε μία μηχανή, γνωστή σήμερα ως μηχανή του Ήρωνα, η οποία θεωρείται πρόδρομος των αεριοστρόβιλων κινητήρων.
ΦΥΣΙΚΗ ΤΗΣ ΑΕΡΙΏΘΗΣΗΣ
Ο απλός κινητήρας αεριοστροβίλου παράγει ώθηση περίπου όπως ένα φουσκωμένο μπαλόνι.
Η ταχεία αποβολή αέρα από το λαιμό του μπαλονιού έχει ως αποτέλεσμα μια ίση και αντίθετη δύναμη αντίδρασης στην εσωτερική επιφάνεια του μπαλονιού. Αυτή η δύναμη ονομάζεται Ώση και προκαλεί την ώθηση του μπαλονιού προς τα εμπρός.
Θα μπορούσαμε να παρομοιάσουμε καλύτερα τον κινητήρα ενός αεροπλάνου με ένα φανταστικό μπαλόνι που με κάποιο τρόπο θα μπορούσε να παραμένει μόνιμα φουσκωμένο ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνει με φόρα τον αέρα από το στόμιο του, οπότε δεν ξεφουσκώνει.
Ο κινητήρας ρουφάει αέρα στο μπροστινό μέρος και έπειτα τον σπρώχνει προς τα έξω από το πίσω μέρος του με μεγάλη ταχύτητα.
Έτσι, οπως σε όλα τα συστήματα πρόωσης αεροσκαφών, ο κινητήρας τζετ δημιουργεί ώση προσδίδοντας επιταχυνση σε μια μάζα αέρα.
Έτσι, σύμφωνα με τον 2ο Νόμο του Νεύτωνα για να μεταβάλλει την ορμή μιας συγκεκριμένης μάζας αέρα πρέπει να την εξαναγκάσει να κινηθεί προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση δίνοντας της μια ώθηση, η οποία λόγω του 3ου Νόμου του Νεύτωνα , δράσης αντίδρασης, θα δημιουργησει μια ίση και αντίθετη ώθηση και έτσι ο κινητήρας παράγει μια προωθητική δύναμη προς την αντίθετη κατεύθυνση , την ώση (thrust).
Επειδή ο κινητήρας είναι μια ενιαία κατασκευή με το υπόλοιπο αεροπλάνο, όλο μαζί κινείται προς τα μπροστά.
Ως δράση θεωρούμε τη δύναμη που εξασκείται στην μάζα των καυσαερίων προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα του αεροσκάφους.
Ως αντίδραση λαμβάνεται η δύναμη της ώσης, προς το εμπρόσθιο τμήμα του κινητήρα και του αεροσκάφους.
Το μέγεθος της δύναμης αυτής εξαρτάται από την ποσότητα της μάζας αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα και το βαθμό της επιτάχυνσης που θα αποκτήσουν τα εξερχόμενα αέρια.
Φυσικά για να κινηθεί για παράδειγμα ένα μέσο επιβατικό αεροπλάνο μάζας 70 τόνων με μια μέση ταχύτητα απογείωσης 280 km/h, καταλαβαίνουμε ότι οι σύγχρονοι κινητήρες αεριοστροβίλων παράγουν τεράστιες ποσότητες ώσης επιταχύνοντας πολύ μεγάλες μάζες αέρα προς τα πίσω.
Για παράδειγμα, ένας κινητήρας Rolls Royce Trent στη μέγιστη ισχύ, μπορεί να εκτοξεύει προς τα πίσω με μεγάλη ταχύτητα 1000 κιλά αέρα κάθε δευτερόλεπτο!
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΜΕΡΗ ΤΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ
Ας δούμε πως περίπου λειτουργεί ο κινητήρας!
Μιας και υπάρχουν διάφορα είδη από jet κινητήρες, σε αυτό το άρθρο θα δούμε πώς λειτουργεί ο πιο κλασσικός σήμερα κινητήρας στα επιβατικά αεροπλάνα που ονομάζεται turbofan.
Ωραία, στο μπροστινό μέρος λοιπόν του κινητήρα υπάρχει ενας μεγάλος ανεμιστήρας όπου αναρροφοντας αέρα μέσα στον κινητήρα, ενα μέρος το οδηγεί μέσα στον πυρήνα του κινητήρα ενώ το υπόλοιπο παρακάμπτεται πλευρικά.
Έτσι, η ροή του αέρα εισαγωγής διασπάται σε δύο ρεύματα: το θερμό και το ψυχρό.
Το θερμό ρεύμα είναι αυτό που διέρχεται μέσα από τον πυρήνα τού κινητήρα ενώ το ψυχρό ρεύμα περνά περιφερειακά του σώματος του κινητήρα. Αυτό ονομάζεται ρεύμα παράκαμψης και κατά συνέπεια ο αέρας που δεν εισέρχεται στον πυρήνα ονομάζεται αέρας παράκαμψης.
-Ας ακολουθήσουμε αρχικά την πορεία του αέρα που περνάει μέσα από τον πυρήνα του κινητήρα και μετά θα επανέλθουμε για να δούμε τι κάνει ο αέρας παράκαμψης.
1. Ο αέρας μπαίνει σε έναν ή περισσότερους συμπιεστες. Αυτός είναι κάτι σαν να ενώνονται πολλοί ανεμιστήρες στη σειρά που διαθέτουν περιστρεφόμενα και σταθερά πτερύγια. Κάθε βαθμίδα του συμπιεστή γίνεται όλο και μικρότερη επειδή οι λεπίδες πιέζουν τον αέρα σε έναν πιο στενό χώρο συμπιέζοντας τον και κατά συνέπεια, θερμαίνοντας τον.
Μια από τις βασικές λειτουργίες που επιτελεί ο συμπιεστής λοιπόν, είναι να συμπιέζει τον εισερχόμενο αέρα ακομη και 40 φορές ώστε κατά την έξοδό του να έχει αποκτήσει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα, δημιουργώντας έτσι πυκνά κούτσουρα αέρα έτοιμα για κάυση.
Με τον τρόπο αυτόν, η παραγόμενη ώση στη συνέχεια θα είναι μεγαλύτερη.
2. Στη συνέχεια ο αέρας αναμειγνύεται με καύσιμο και αναφλέγεται καθώς περνά μέσα από τον θάλαμο ή τους θαλάμους κάυσης, απελευθερώνοντας έναν πίδακα καυσαερίου εξαιρετικά υψηλής ισχύος.
3. Ο εξερχόμενος από τον θάλαμο καύσης, καυτός και υψηλης ταχύτητας και πίεσης αέρας στη συνέχεια περιστρέφει μια σειρά από στρόβιλους, δηλαδή τουρμπίνες.
Ο πρωταρχικός σκοπός του στροβίλου (turbine) σε έναν αεριωθούμενο κινητήρα είναι να παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για την περιστροφή του συμπιεστή και του ανεμιστήρα.
Έτσι η κάθε τουρμπίνα είναι σαν ένας ανεμόμυλος με κινητά και σταθερά πτερύγια που απορροφά ενέργεια και γυρνάει περιστρέφοντας με την σειρά της τον κοινό άξονα με τον οποίο συνδέεται με τον ανεμιστήρα και τον συμπιεστή.
4. Τελος, το σύστημα εξαγωγής οδηγεί τα καυσαέρια στην ατμόσφαιρα. Για την παραγωγή ώσης ειναι απαραίτητη η αύξηση της ταχύτητας των καυσαερίων τα οποία εξωθούνται στην ατμόσφαιρα. Συνεπώς το σύστημα εξαγωγής έχει ως στόχο τη μεγιστοποίηση της κινητικής ενέργειας των καυσαερίων στην έξοδο.
Για αυτό τον λόγο χρησιμοποιούνται συνήθως συγκλίνοντα ακροφύσια εξαγωγής.
Μικραίνοντας σταδιακά την διατομή σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της μάζας, θα έχουμε αύξηση της ταχύτητας των εξερχομένων καυσαερίων για τον ίδιο λόγο που θα έχουμε αύξηση της ταχύτητας της ροής του νερού από ένα λάστιχο ποτίσματος αν κλείσουμε μερικώς το στόμιο με το δάχτυλο.
Οι κινητήρες ενός αεροπλάνου θεωρούνται σήμερα από τα πιο αξιόπιστα μηχανήματα που έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος. Είναι το σταυροδρόμι που η επιστήμη δίνει ραντεβού και συναντάει την μηχανική και την τεχνολογία. Τα αεροπλάνα με 2 κινητήρες είναι ωστόσο πιστοποιημένα ώστε να μπορούν να πετάξουμε σε όλες της φάσης της πτήσης ακόμη και στην απογείωση μόνο με ένα κινητήρα.
–> Αν θες να δεις τι γίνεται στην περίπτωση που χαλάσει ένας κινητήρας ή και οι δύο, δες το σχετικό άρθρο εδώ ή/και το παρακάτω βίντεο:
ΑΕΡΑΣ ΠΑΡΑΚΑΜΨΗΣ (BY PASS)
Σχετικά με το δεύτερο μέρος το αέρα που μπαίνει στον κινητήρα αλλά κινείται πλευρικά, παρακάμπτοντας τον πυρήνα.
Οι πρώτοι κινητήρες αεριωθουμένων ήταν κινητήρες χωρίς ανεμιστήρα, όπου όλος ο εισερχόμενος αέρας έρεε μέσω του πυρήνα.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι κινητήρες αεροσκαφών είναι κινητήρες όπου μόνο ένα κλάσμα αέρα εισέρχεται στον πυρήνα ενώ το υπόλοιπο ρεύμα περνά περιφερειακά του σώματος του κινητήρα.
Ο αέρας παράκαμψης συννεισφέρει περίπου στην παραγωγή του 80% της ώσης του κινητήρα ενω μόνο το υπόλοιπο 20% προέρχεται από τον πυρήνα.
Έτσι, Ο ανεμιστήρας επιταχύνει επίσης τον αέρα παράκαμψης προς το οπίσθιο τμήμα του κινητήρα, χωρίς αυτός να αναμειγνύεται με καύσιμο και να καίγεται.
Ο αέρας παράκαμψης αποκτάει μικρότερη επιτάχυνση σε σχέση με τον αέρα που περνάει μέσα από τον πυρήνα, ωστόσο συνεισφέρει σημαντικά στην ώση γιατι είναι πολύ περισσότερος αρα έχει μεγαλύτερη μάζα.
Έτσι τελικά, η συνολική ώση που παράγεται από τον κινητήρα είναι το άθροισμα της ώσης των καυσαερίων, μικρότερης μάζας και μεγάλης ταχύτητας και της ωσης που οφείλεται στην επιτάχυνση του αέρα παράκαμψης, μεγαλύτερης μάζας και μικρότερης ταχύτητας.
Ένα χαρακτηριστικό των σύγχρονων κινητήρων είναι το μέγεθος τους καθώς οι κινητήρες υψηλής παράκαμψης αέρα μπορεί να είναι πολύ μεγάλοι, με τεράστιους ανεμιστήρες σε σύγκριση με το μέγεθος του πυρήνα, αλλά λειτουργούν πιο αποδοτικά και πιο αθόρυβα.
ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΝΟΤΑΣ
- Ο ανεμιστήρας μέσω του τμήματος εισαγωγής ρουφάει αέρα και αυτός χωριζεται σε 2 επιμέρους ροές, μια πλευρική και μια που οδηγείται στον πυρήνα.
- Η ροή του πυρήνα οδηγείται αρχικά στον συμπιεστή. Εκεί συμπιέζεται και οδηγείται στο θάλαμο καύσης.
- Αναμιγνύεται με εγχυόμενο καύσιμο και επιτυγχάνεται καύση. Τα παραγόμενα θερμά καυσαέρια εκτονώνονται και οδηγούνται προς την εξάγωγή.
- Στη διαδρομή αυτήν προκαλούν την περιστροφή του στροβίλου ο οποίος συνδέεται με το συμπιεστή και τον ανεμιστήρα με κοινό άξονα.
- Στη συνέχεια, τα καυσαέρια συνεχίζουν την εκτόνωσή τους, περνώντας από το ακροφύσιο εξόδου, και συναντώντας την πλευρική ροη
- εξέρχονται από τον κινητήρα έχοντας πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από αυτήν της εισερχόμενης μάζας αέρα.
- Η διαφορά αυτή μεταξύ των δύο ταχυτήτων προκαλεί την παραγόμενη ώση
Ο αεριοστρόβιλος θεωρείται ως ο πιο αποτελεσματικός κινητήρας αεριώθησης που βρίσκεται σε χρήση στην εποχή μας. Χρησιμοποιείται σε αεροσκάφη επιβατικά, εμπορικά και στρατιωτικά.
Την επόμενη φορά που θα ανεβαίνεις αργά αργά τις σκάλες επιβίβασης στο αεροπλάνο και θα έχεις χρόνο να θαυμάσεις τον αριστερό κινητήρα, ελπίζω να σε έχω λίγο βοηθήσει να τον δεις με άλλο μάτι.
