Questão:
Por que os motores de turbina demoram tanto para enrolar?
ptgflyer
2014-01-14 22:00:17 UTC
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Os motores de pistão atingem a rotação máxima em um ou dois segundos, mas as turbinas demoram muito mais. Por que isso?

Não está claro em sua pergunta o que você quer dizer exatamente. Você se refere ao tempo para dar partida em um motor ou para aumentar a rotação de um motor já em funcionamento (por exemplo, de marcha lenta para potência total)?
Trzy respostas:
#1
+41
Radu094
2014-01-15 02:50:22 UTC
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Não sou um engenheiro (o que pode ser mais adequado para responder a isso), então isso vem de coisas simplificadas que eles alimentam os pilotos:

Os motores a jato demoram muito mais para acumular (ou seja, aumentar RPM) do que motores a pistão, especialmente em baixa RPM por causa da razão de pressão / aumento do fluxo de ar necessário para evitar que o compressor pare / suba / exploda sempre que mudar as configurações de potência.

O ciclo do motor a jato (simplificado) contém um compressor que empurra o ar para uma câmara de combustão, onde ele queima, e então sopra a extremidade traseira girando uma turbina que move o compressor de onde começamos.

Se você "adicionar mais potência" (ou seja, colocar mais combustível), leva um tempo para que o combustível extra produza mais empuxo, o que por sua vez leva um certo tempo para acelerar a turbina, o que fará com que o compressor gire mais rápido, o que finalmente trará mais ar comprimido para a câmara de combustão para utilizar todo o combustível extra que você despejou na etapa 1.

Adicionar energia de repente aumentará a pressão na câmara de combustão, muito aquele ar que está "a montante" (ou seja, ainda no compressor) não quer avançar. A pressão extra na câmara de combustão não teve tempo suficiente para enrolar a turbina, então agora o compressor está sem potência para continuar "empurrando" o ar comprimido para a câmara de combustão. O ar começa a fluir para trás (ou seja, da câmara de combustão para o compressor), picos de motor, o inferno se solta.

Portanto, há um atraso (eletronicamente hoje em dia, os pilotos podem pisar nas alavancas de confiança tão rápido quanto quiser ) quando os motores estão em baixa rotação, o FADEC apenas adiciona um pouco de combustível extra, espera que o fluxo de ar se estabilize, adiciona um pouco mais e assim por diante.

Acho que o gráfico abaixo pode explicar isso. Cada vez que você altera o RPM, você aumentará a Razão de Pressão (ou seja, moverá para cima no gráfico), então você espera um pouco para que o Fluxo de Massa de Ar aumente (ou seja, mover para a direita). Se você aumentar muito a Razão de Pressão, sem o fluxo de massa que o acompanha (que demora um pouco por causa da inércia), você entrará na linha de surto.

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Uma coisa semelhante acontece na bobina para baixo, embora seja mais suave.

Compare isso com o motor de pistão, onde você coloca mais mistura de ar / gás no cilindro, faz um estrondo maior, acelera o pistão mais rápido e muito próximo ciclo do pistão, você pode teoricamente obter a potência máxima.

E os turboélices ocupam o meio-termo. A turbina está sempre em 100% RPM e a hélice muda o passo para mantê-lo em 100%, em resposta à entrada do acelerador. O passo da pá do prop muda muito rápido - menos massa para mover menos distância; o impulso vem imediatamente.
@radarbob: Não é tão simples, porque os turboélices têm uma hélice acoplada à turbina de baixa pressão e o compressor à turbina de alta pressão. Portanto, a turbina de alta pressão ainda precisa funcionar. Felizmente, embora as turbinas sejam independentes, manter a de baixa pressão em alta rpm por meio do passo da hélice altera as pressões de modo que a de alta pressão também mantenha alta rpm. E as turbinas de alta pressão geralmente sempre funcionam em rpm mais altas de qualquer maneira.
Deve-se notar que a potência de saída do motor a pistão também é limitada pelo RPM, porque um ciclo só pode aspirar tanto ar e, portanto, queimar muito combustível. Apenas a margem entre o acelerado para baixo e o acelerador totalmente aberto é muito maior.
@JanHudec, Posso ter subqualificado meu comentário; a mudança de inclinação da hélice e, portanto, o empuxo foram praticamente imediatos na aeronave que voei. A turbina funcionou a 100% e a hélice governou para manter 100% rpm. Se as partes do motor eram diferentes, isso certamente não era evidente em nenhum procedimento, limitação ou medidor.
@radarbob: A turbina deve significar o estágio de alta pressão. Suponho que a baixa resistência fornecida pela turbina de energia em alta rpm, mas a baixa potência pode manter a turbina de alta pressão funcionando a 100% ou quase isso.
@JanHudec, O único indicador de turbina era um medidor de temperatura de entrada da turbina - a temperatura entrando na seção da turbina imediatamente atrás das latas do queimador. O desempenho do motor girava em torno da hélice governando a 100% rpm. Toda vez que eu tocava nos aceleradores, pensava em prop, nunca em turbina.
#2
+3
Jim W
2017-04-22 00:03:03 UTC
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O cara do carro aqui.

Fundamentalmente, é devido aos motores de turbina que dependem da carga do compressor para empurrar o escapamento da câmara de combustão através das lâminas da turbina. O aumento da pressão na câmara de combustão muito rapidamente pode empurrar para trás o fluxo do lado do compressor, o que paralisa o motor e provavelmente pode danificar as lâminas do compressor.

Em um motor a pistão, a potência é produzida em (principalmente) cursos distintos. Aumentar rapidamente a pressão durante o curso de potência não empurrará para trás contra a carga de admissão, pois as válvulas de admissão para aquele cilindro serão fechadas naquele momento.

E se a carga de combustível / ar for ativada muito cedo em um ciclo de pistão, ela * pode * destruir o motor! (Veja "bater".)
#3
+1
Dan
2014-01-14 22:34:22 UTC
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O momento é dado por:

$$ \ mathrm {Momentum} = \ mathrm {Massa} \ times \ mathrm {Velocidade} $$

O trabalho realizado é dado por:

$$\mathrm{Work~done}=\mathrm{Force}\times\mathrm{Distance}$$

O trabalho realizado é medido em watts, definido como joules por segundo .

Sabendo disso, você pode ver como uma bateria se comportará com uma carga maior.

Um motor a jato tem uma massa maior e deve atingir uma velocidade maior. O trabalho feito para fazer isso também aumentará, com uma bateria mais potente fazendo mais rotações. O fato é que não é uma bateria proporcionalmente maior . Se você desse aos aviões a jato uma bateria realmente potente, o trabalho realizado seria enorme, e muita força seria aplicada em muito pouco tempo (alta potência), para que ele ligasse ao mesmo tempo que um hélice. No entanto, isso seria muito ineficiente em termos de energia (devido ao aquecimento), então funciona melhor usar uma bateria menor para inicializar por um longo período de tempo.

Dan, interpretei a pergunta de forma diferente. Não quanto tempo leva para ligar o motor parado, mas quanto tempo leva para um motor em marcha lenta para funcionar. Eu sei que os motores a jato da primeira geração tiveram tempos de carretel prolongados e os designs modernos acumulam muito mais rápido, mas não sei a física do porquê.
Ah, bem, a mesma coisa pode ser aplicada. A mudança no momento angular entre duas velocidades será muito, muito maior em um motor a jato, pelo mesmo motivo acima :)
Dan, acabei de encontrar isso no título de um artigo de um blog "JET POWER". "O empuxo do motor é APROXIMADAMENTE proporcional à rotação do motor elevada à potência de 3,5". Se estiver correto, significa que um motor a jato em marcha lenta tem muito pouco excesso de potência, caso a alavanca de empuxo seja totalmente avançada, até que o motor seja acionado. Junto com seus comentários corretos acima sobre a massa giratória e o momento angular serem maiores do que em um motor a pistão, está claro que demorará mais para o jato atingir a potência total.
Nem todos os motores a jato e nem todos os motores de turbina têm uma massa maior do que os motores a pistão.
Mesmo no start-up, esse não é o único nem mesmo o principal motivo. Em um motor a pistão, o próprio motor estará ajudando a girar no primeiro ciclo. Assim que o primeiro pistão disparar, o motor irá acelerar até a velocidade de marcha lenta muito, muito rapidamente. Na verdade, você realmente nem precisa de uma partida elétrica. Eles são mais um item de conveniência e os primeiros motores a pistão não os tinham. Você pode ligar um motor a pistão simplesmente ligando a alimentação e puxando a hélice. Assim que o primeiro pistão disparar, o motor levará o resto a partir daí.
Em um motor de turbina, as coisas são muito diferentes. Não é seguro começar a combustão até que os compressores já estejam operando a uma RPM relativamente alta, de modo que a combustão seja contida dentro da câmara de combustão. Um motor a jato não tem uma câmara de combustão selada como um motor a pistão. A combustão é contida pela alta pressão de ar produzida pelos compressores. Se a pressão do ar ainda não estivesse presente (o que não ocorre em um motor que não está girando), a combustão não seria contida e dispararia pela frente do motor. Desnecessário dizer que isso é ruim.
Edit: Na parte referente ao motor a pistão, eu realmente deveria ter dito: "Você pode dar partida em um motor a pistão simplesmente ligando a potência * e o combustível * e puxando a hélice." Obviamente, ele não liga se você não der combustível.
Ah, outra questão com relação aos motores de turbina: eles normalmente não usam motores de partida elétricos. Eles são iniciados com fluxos de ar de alta pressão externos (purgue o ar de um APU ou de um motor já em funcionamento ou de um carrinho de partida). Veja esta pergunta: [Como são iniciados os motores de turbina?] (Http: // aviation. stackexchange.com/questions/1959/how-are-turbine-engines-started?rq=1).
Embora esta pergunta / resposta seja antiga: o trabalho é medido em Joule (ou NewtonMeters ou WattSeconds). A potência é medida em Watts. Um humano pode puxar um peso de 100 kg por 100 m de distância em vários minutos, enquanto um carro pode fazer isso em alguns segundos. O trabalho é o mesmo, mas a potência define o tempo necessário.
Essa resposta não faz sentido algum. Ele tenta explicar o comportamento dos motores de turbina sem usar nenhuma propriedade real dos motores de turbina, portanto, não pode ser correto. E qual é a relação de uma bateria com motores de força, trabalho ou turbina?
O motor a jato tem ** massa menor ** do que o motor a pistão de mesma potência.


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