M15 Gas turbine engines - handskrivna frågor

M15 2025, granskat 124-227

Vilka 5 typer av reaktionsmotorer finns?

• Raket

• Ramjet

• Pulsjet

• Scramjet

• Gasturbin

Vad säger Newtons tredje lag?

Varje kraft har en lika stor motkraft i motsatt riktning,

Vad skiljer raketmotorn från övriga reaktionsmotorer?

Den är inte beroende av luft då den medför eget syre.

Vilka är namnen på de olika Mach-talen?

• Subsonisk (< Mach 1)

• Transsonisk (~ Mach 1)

• Supersonisk (Mach 1-5)

• Hypersonisk (Mach > 5)

Vad har ljudet för hastighet vid havsnivå respektive 10000 meters höjd enligt ISA?

• havsnivå: 1225 km/h, 340 m/s

• 10000 m: 1078 km/h, 299 m/s

Ramjet är den enklaste reaktionsmotorn som använder atmosfärsluft. I vilka fartområden fungerar den?

• Kan inte startas utan hög fart framåt

• Hög bränsleförbrukning under Mach 2

• Effektiv vid Mach 3

• Fungerar upp till Mach 5

I vilka system används Ramjetmotorn?

Huvudsakligen i robotar men även i SR-71’an

I vilka system används Pulsejetmotorn?

Ingen kommersiell användning sedan tyskarnas V1 bomber under WW2. Tack vare sin enkla konstruktion vanlig i hobbyprojekt.

I vilka system används Scramjetmotorn?

Scramjet finns bara som experimentmotor.

Hur skiljer sig Scramjet from Ramjet?

Insugsluften bromsas inte ned till subsonisk fart utan man bibehåller supersonisk fart genom hela motorn. Högsta uppnådda fart för närvarande Mach 10. Teoretisk maxfart Mach 15.

Förklara begreppen Aktion och Reaktion

När gaserna släpps ut bakåt är det en aktion som enligt Newtons 3:e lag skapar en lika stor reaktion i motsatt riktning.

(tänk släppa ballong)

Alla gasturbiner (turbojetmotorer) består av tre huvuddelar, vilka?

1. Kompressor

2. Brännkammare

3. Turbin

Nämn fyra typer av gasturbinsmotorer

• Turbojet (dragkraft / thrust)

• Turbofläkt (dragkraft / thrust)

• Turboaxel (shaft horsepower)

• Turboprop (shaft horsepower)

Vad är normal effektfördelning mellan propelleraxel och jetstråle i en turbopropmotor?

Jetstrålen 10-25%

Resten på propelleraxeln

Vad är en turboshaft-motor avsedd för?

Är till för att driva allt på axel annat än en propeller eller fläkt. T ex fartyg, helikoptrar, pumpar, stridsvagnar och generatorer.

Beskriv en turbofläktmotor (dubbelströmsmotor / front fan engine)

En kombo av turboprop och turbojet. Propellerns effektivitet vid takeoff och turbojets fördelar vid högre hastigheter. God bränsleekonomi och förhållandevis tyst.

Vilka är Newtons tre lagar?

1. Tröghetslagen

2. Accelerationslagen F=ma

3. Lagen om kraft och motkraft

Om man tänker på Newtons tre rörelselagar (massa acceleration osv), hur skiljer sig en propeller från en turbojet.

Propeller: Stor luftmassa, liten acceleration (e.g. 450 kg till 60 m/s: 450×60=27000N)

Turbojet: Liten luftmassa, stor acceleration (e.g. 50 kg till 540 m/s: 50×540=27000N

Inom statistisk mekanik kan entropi ses som ett mått på sannolikhet. Men inom termodynamik snarare ett mått på … vadå?

Hur stor del av värmeenergin i ett system som inte kan omvandlas till arbete. Mer spillvärme → högre entropi.

Hög entropi - hög oordning

Låg entropi - mer ordning (ofta utgångsläge)

Hur förändras temperaturen i atmosfären?

• 15 °C vid havsnivå

• -1,98 °C/1000 fot

• -6,5 °C/km

• Vid 11 km höjd är temperaturen -56,5 °C.

Vad är Hot High Humid för minnesregel?

Värme, hög höjd och hög luftfuktighet sänker prestanda på förbränningsmotorer.

Vad är skillnaden på Gross thrust och Net thrust?

Gross thrust: stillastående maskin, det absolut största värdet motorn kan få.

Net thrust: (motorns effekt) reduceras med flygplanets hastighet.

Beskriv RAM effekt

Nettodragkraft = bruttodragkraft - insugningsmoment.

• Fart under Mach 0,1 är luftturbinen typ som en sugmotor

• Vid Mach 0,1 - 0,2 är laddtrycket (ram-effekten) nära noll

• Vid högre farter pressas luft in i turbinen (luffarturbo)

Increasing aircraft speed causes two opposing effects. The second is the RAM effect.

• a decrease in thrust due to the reduction in air mass acceleration; and

• an increase in thrust due to the ram effect

Vad är choked nozzle thrust (pressure thrust)?

If the jet nozzle is choked, it can be stated that there are two types of energy in the tailpipe:

• the energy of flow (rearward) and

• energy from internal pressure (in all directions).

Hur räknar man fram Power?

Power= Force x distance / tid

Force = m(V2-V1)

Hur mäter man bränsleförbrukning för flyg?

TSFC - Thrust specific fuel consumption.

TSFC = bränslevikt / dragkraft

Massan av bränsle [kg] som förbränns på 1 timme dividerat med motorns dragkraft

Vad står TIT för?

Turbine inlet temperature

Vad är en snubber?

CCC?

Compressor Clearance Control

BPR = bypass airflow / core airflow. Tex 4:1, vilka gränser finns?

< 1:1 = low bypass ratio

1:1 till 4:1 = medium

> 4:1 = high bypass

> 9:1 = ultrahigh bypass

Fördelar med hög BPR?

low noise

better TSFC

Nackdelar med hög BPR?

sämre markfrigång, FOD risk

högre vikt

svårt med optimalt varvtal för både fläkt och jet

Vad är EPR?

Engine Pressure Ratio - ett mått på dragkraft.

Thrust augumentation system

EBK, water injection

Vad är en adiabatisk process?

En process utan värmeöverföring in eller ut ur ett system.

Adiabatisk = avsaknad av värmeöverföring

(endast tryck volym och temp ändras)

Vad menas med Brayton cykeln?

Förbränningstegen (takterna) i en gasturbin. Samma  steg som i Otto-motorn men i en gasturbin sker alla steg samtidigt på olika ställen.

1. intag (otto - suction)

2. kompression (otto - compression)

3. expansion & kraft (otto - power)

4. avgaser (otto - exhaust)

Vilka gaser består atmosfären av?

• 78% Nitrogen (kväve)

• 21% Oxygen (syre)

• 0,95% Argon

• 0,05% Koldioxid

Hur förändras trycket i atmosfären?

• 1013,25 hPa (14,7 psi) vid havsnivå

• -1 hPa for every 30 ft up to 36,000 ft

Hur många Watt går det på en hästkraft?

735,5 Watt = 1 hk (1 kW = 1,36 hk)

745,7 Watt = 1 hp (imperial)

Termodynamikens lagar

1 - Energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas till olika former.

2 - Entropi tenderar att öka över tid

3 - Entropi vid minimum vid absoluta nollpunkten

0 - Nollte lagen om jämvikt - om två system är i termodynamisk jämvikt med ett tredje system är de också i jämvikt med varandra.

Förklara uttrycken

• Isobar process

• Isotermisk process

• Isokor process

• Isobarisk - konstant tryck

• Isotermisk - konstant temperatur

• Isochorisk - konstant volym

Vad säger Avogadros lag?

Avogadros lag, vid samma temperatur- och tryckförhållanden innehåller lika stora volymer av olika gaser lika många molekyler.

Tillämpning: blåsa upp ballong (volymen direkt proportionell mot antal molekyler)

Vad säger Boyles lag? (provfråga)

Trycket är omvänt proportionellt mot volymen.

Om trycket ökar så minskar volymen och tvärtom.

PV=konstant

Vad säger Charles lag?

Volymen av en gas är direkt proportionell mot dess temperatur.

Om temperaturen ökar så ökar volymen.

Vilka lagar ingår i “the combined gas law”?

• Charles’s law

• Boyle’s law

Vad är tryckökningen per steg i en axialkompressor (tumregel).

1,25

Variable nozzle

Viktigt om man har EBK - för om nozzlen är för liten (måste vara divergent för överljudsfart på avgaserna) så går tryckbubblan framåt och förstör turbin etc.

Varför har kompressorn bleed air?

Det blir ett överskott efter kompressorn, det tappar man av och använder till annat.

Också - när man sänker varvtalet på en gasturbin fungerar bleed air som en dump-ventil; man släpper ut luften för att kompressorn ska kunna snurra vidare.

Vad är tryckökningen per steg i en radialkompressor?

Hur många steg kan man max ha?

4-6x ggr

max 2 steg

Ursprunglig definition av 1 hk (736 W)

Lyfta 75 kg 1 meter på 1 sekund

ISA värden vid havsnivå för

• temperatur

• tryck

• ljudhastighet

• densitet

• 15 °C

• 1013,25 millibar

• 1225 km/h 340 m/s

• 1,225 kg/kubikmeter

Vad händer med lufttryck och temperatur i en konvergent kanal?

Vad händer med lufttryck och temperatur vid subsoniskt luftflöde genom en divergent kanal ?

Ideala gaslagen; PV/T=konstant

När P och V (täljaren) ökar måste även T (nämnaren) öka för att resultatet ska vara konstant

Förklara begreppet “choked nozzle“

I ett konvergent munstycke går det inte att accelerera luft över Mach 1. Man säger att munstycket är kvävt.

(vidare acceleration sker i divergent munstycke)

Vilken form har inloppet till en fläktmotor (med high BPR) av pitottyp?

divergent, eftersom det är en motor för underljudsfart ska kanalen vara divergent för att sänka luftströmmens hastighet.

Räknas luftinloppet som del av motorn eller del av flygplanet?

Del av flygplanet

Luftinttagets 3 uppgifter

1. Återvinna totaltrycket i den fria luftströmmen

2. Leverera virvelfri luft till kompressorn

3. utgöra så lite luftmotstånd som möjligt

Vad skapar tryckförluster i luftintag?

• Friktion (mot kanalväggar)

• Turbulenser

• Match-talsrelaterade stötvågor

Vilka utmaningar ska luftintag kunna klara?

• Fartändringar

• attitydförändringar, manövrering, girar …

• väder, regn, hagel

• sidvind

Vilken hastighet ska luften ha in i diffusorn efter kompressorn?

Mach 0,4 - 0,7

Rangordna luftintagen efter effektivitet:

• pitot

• vingrot

• sida

• turboprop ringformad

1. pitot 96-99%

2. vingrot 87-95%

3. sida 80-89%

4. turboprop ringformad 74-82%

När är dragkraften som störst?

När planet står stilla

Vad är bäst? Långa kroppsmonterade luftintag eller korta direkt på motorn?

Direkt på motorn ger bättre rameffekt och mindre risk för obalans i ramtryck.

När används bellmouth-intag med rundade kanter?

Där man inte kan få någon ram-effekt är det inte ändamålsenligt med divergenta luftintag. På t ex helikoptrar används istället bellmouth intag med rundade kanter för att minimera strömningsförluster.

Namnge tre olika typer av luftintag för turbo-prop

• Ducted spinner inlet

• Conical spinner inlet

• underscoop inlet

Vad är en vortex tube separator?

luftintag för dammiga miljöer, grus och damm centrifugeras bort från luften

Vad är skillnden mellan anti-icing och de-icing?

Förebygga uppkomst versus ta bort uppkommen isbildning

Från vilken temperatur är det risk för frost/isbildning?

Vid temperaturer under 10 grader C

När är risken för isbildning i luftintag störst?

Vid höga varvtal på låg höjd eller på marken.

Vilka turbofläktmotorer har avisning av noskonen?

Low bypass rate. För motorer med HBR så räknar man med att is slungas ut av centrifugalkraften och missar turbojet inttaget.

Vad är kompressorns uppgift i en gasturbin?

Att leverera rätt luftmängd med rätt tryck och hastighet till bränsleförbränningen för att maximera enerigutvinningen.

Vilken kompressor är enklast/billigast och vad har den för förddelar och nackdelar?

Radialkompressor, fördelar:

• inte lika känslig för FOD

• ingen stall-tendens

• kort

Nackdelar:

• storlek begränsas av ljudhastigheten på skivan

• max kompr 7-8:1 per steg och max 2 steg.

• stor frontarea

Beskriv hur radialkompressorn fungerar

• Luft in vid rotorns centrum, slungas ut av centrilfugalkraften

• rotorns kanaler divergenta

• statorns kanaler divergenta

• förgreningsrör (manifold) divergenta

• Ideala gaslagen; PV/T=konstant

  När P och V (täljaren) ökar måste även T (nämnaren) öka för att resultatet ska vara konstant. P (trycket) ökas av centrifugalkraften, V (volym) ökas för att kanaler är divergenta, därför stiger även T (temperaturen).

Vad händer med strömmande luft när de passerar genom divergenta kanaler?

Statiskt tryck och temperatur ökar, luftströmmens hastighet minskar. Hastighet och tryck enligt Bernoullis princip. Temperatur enligt den ideala gaslagen PV/T=konstant.

• När P och V (täljaren) ökar måste även T (nämnaren) öka för att resultatet ska vara konstant. P (trycket) ökas av centrifugalkraften, V (volym) ökas för att kanalen är divergent, därför stiger även T (temperaturen).

Beskriv axialkompressorns uppbyggnad

• Blad utformade som aerodynamiska vingar

• Byggs i flera steg, tryckökning 1.25 x per steg

• Varje steg består av rotor och stator som bildar en divergent kanal

• Liten frontarea och bränsleförbrukning i förhållande till luftfödet

• Komplicerad, dyr och känslig för FOD

• Ideala gaslagen; PV/T=konstant

  När P och V (täljaren) ökar måste även T (nämnaren) öka för att resultatet ska vara konstant. P (tryck) och V (volym) ökas av vingformade blad och divergenta statorkanaler, därför stiger även T (temperaturen).

Vad avser termen “designpunkt“

Den flyghöjd (lufttäthet) och fart som motorn kommer att arbeta mest tid.

Hur är en axialkompressor utformad för att uppnå en jämn lufthastighet genom kompressorn?

Med en konvergent luftkanal mellan höljet och rotorringarna?

Vad begränsar en axialkompressors varvtal?

Spetshastigheten på rotorbladen. Max 0,85 Mach för att undvika stötvågor.

Hur många spolar/kompressorer behöver man minst ha i en bypass-motor

Minst två men gärna 3. Då kan man enkelt kan låta fläkt/LPC hantera ett större luftflöde än HPC eftersom de kan snurra olika fort och oberoende av varandra.

Hur ser fördelningen av luft ut i en triple spool turbofläktmotor?

• Efter fläkten går 5 delar till bypasskanalen (sekundärflöde) och endast 1 del in i nästa kompressor (primärt luftflöde).

• Efter kompressorn har ytterligare 10-15% av det primära luftflödet lämnat i form av bleed air

• Vid inloppet till brännkammaren går endast 20-30% av återstående luft till förbränning i brännkammaren, resten går till kylning och till att centrera lågan.

Har drumtype eller disktype högst verkningsgrad?

Drumtype, eftersom denna styvare konstruktion tillåter mindre tipclearance vilket ger mindre spetsvirvlar.

Den mest uppenbara fördelen med att ha flera spolar?

Att spolarna kan snurra med olika hastighet och vara helt oberoende av varandra.

Tre olika rotorbladsinfästningar?

• retaining pin (sprint)

• fir tree (grantopp)

• dovetail (laxstjärt)

Hur många “g“ kan ett kompressorblad uppnå?

7400

Nackdelar med midspan shrouds (snubbers)?

ökad vikt,

stör luftflödet

ökar buller

Hur kommer man runt behovet av snubbers i nyare motorer?

Lättare vingblad, mindre vikt och ökad styvhet med hjälp av honeycomb eller på andra sätt ihåliga konstruktioner.

Varför torderar man kompressorns vingblad?

För att få rätt anfallsvinkel längs hela bladets längd trots att luften flödeshastighet varierar längs bladets längd.

Vad bromsar ner lufthastigehten i en axialkompressor?

Divergenta kanaler samt riktningsförändringarna mellan statorblad och rotorblad

Vad händer med kompressorns utloppstryck när inloppstrycket går upp?

Utloppstrycket går också upp

Vad händer med kompressorns kapacitet när inloppstemperaturen går ner?

Kompressorns kapacitet att komprimera luften ökar.

Vad händer med kompressorns kapacitet när varvtalet ökar?

Kompressorns kapacitet att komprimera luften ökar med kvadraten på varvtalet.

Vad händer med kompressorns benägenhet att råka ut för stall eller surge på hög höjd?

Känsligheten för stall ökar på hög höjd där luftens densitet är låg.

Indikationer på kompressorstall

• Snabba förändringar på varvtal (likt kaviaterande båtmotor), EGT eller EPR

• Dålig gasrespons

• Vid markkörning: onormala ljud

Orsaker till kompressorstall

• sidvindar

• turbulent luft

• plötsliga manövrar

• isbildning vid luftintag

• motorfel

Vad kan kompressorstall ge upphov till?

Kompressorstall kan få motorn att pumpa (surge). Trycket i brännkammaren blir större än kompressorns tryck. Detta ger smällar och vibrationer och lågor kan bli synliga vid kompressorns inlopp.

Vilka konstruktioner används för att förhindra stall och pumpning?

• multi spool compressors

• VIGV (variable inlet guide vanes)

• VSV (variable stator vanes)

• VBV (variable bleed valves)

• CBV (compressor bleed valves)

Bleed air tappas vanligtvis av på mer än ett ställe och finns således att tillgå med olika temperaturer. Vad kan bleed air används till?

• Undvika kompressorstall och surge

• driva startmotor

• driva hydraulpumpar

• luftkonditionering

• anti-ice

• motorkylning

• kontrollera flammans position och aktiv clearance control mellan turbinens rotorblad och hölje

Vad är FADEC?

Datorstyrd (ECU) luftflödesreglering genom motorn.

Hur tillför bränslet energi i gasturbinen?

När bränslet förbränns bildas (av-) gaser som tar mycket större volym än vad luft+bränsle gjorde. Eftersom volymen på brännkammaren är konstant måste gaserna accelerera vidare ut därifrån.

Nämn fyra typer av brännkammare

• multiple can (8-10)

• can-annular (9+, gemensamt ytterhölje)

• annular

• annular-reverse flow