Dispozitivele de admisie ale sistemelor de propulsie

1.1. Cerinte. Rol functional

Deplasarea unui vehicul aerian in atmosfera presupune existenta la bordul acestuia a unui sistem de propulsie, sistem care are rolul de a evacua in sensul invers deplasarii o cantitate finita de substanta, marindu-i viteza, vehiculul fiind propulsai de catre forta de reactiune (exercitata de substanta accelerata asupra propulsorului). Asadar, pe langa instalatia de forta, adica motorul propriu-zis, este necesara existenta unui organ specializat, numit propulsor, care sa accelereze substanta (de obicei gazoasa) in sensul invers deplasarii si, bineinteles, existenta substantei de accelerat. Aceasta substanta este, in mod uzual, aerul, sau aerul in amestec cu gaze arse provenite din motor.

Daca sistemul de propulsie este cu reactie indirecta, se utilizeaza drept propulsor elicea sau ventilatorul, motorul fiind de tip turbo sau clasic, iar substanta acceleratii in sensul invers deplasarii este aerul; daca sistemul de propulsie este cu reactie directa propulsorul este integrat motorului, fiind tocmai ajutajul de reactie, iar substanta accele­rata este, in consecinta, amestecul de gaze de ardere evacuat de motor, deci tocmai fluidul de lucru al motorului.

Daca la inceputurile aviatiei sistemele de propulsie erau exclusiv de tip clasic cu reactie indirecta (motor cu piston + elice), aparatele de zbor moderne, de mare viteza, sunt dotate cu sisteme de propulsie cu reactie directa (turboreactoare simplu sau dublu flux, statoreactoare, motoare racheta, motoare mixte sau combinate). Aceste tipuri de sisteme de propulsie moderne, de tractiuni ridicate, vehiculeaza debite insemnate de fluid de lucru, acesta strabatand intregul motor, fiind sau nu divizate in interior pe fluxuri si apoi evacuate prin ajutajul reactiv.

Aerul patrunde in interiorul sistemului de propulsie prin intermediul unui organ specializat, numit generic dispozitiv de admisie si al carui rol fundamental este sa asigure debitul si parametrii termodinamici pentru fluidul de lucru in limitele prescrise, la orice regim de zbor ale avionului (altitudine H si viteza V) si la orice regim de functionare a motorului (turatie n).

Dispozitivele de admisie ale sistemelor de propulsie sunt cu atat mai importante pentru intregul ansamblu din care fac parte cu cat viteza de zbor la care functioneaza este mai mare si cu cat debitul de fluid vehiculat este mai mult utilizat in obtinerea tractiunii. Astfel, daca pentru sistemele de propulsie destinate zborului cu viteze nici (turbopropulsoare, motopropulsoare) dispozitivele de admisie nu constituie o preocupa­re deosebita din punct de vedere al proiectarii si realizarii, pentru sistemele de propulsie de viteza mare (turboreactoare, turboreactoare cu postcombustie, statoreactoare), dispozitivul de admisie reprezinta un organ complex, avand o aerodinamica deosebita si necesitand, in unele cazuri, o instalatie aferenta de automatizare, care sa-i asigure functionarea in concordanta cu restul sistemului de propulsie.

Conditiile pe care dispozitivul de admisie trebuie sa le indeplineasca in functionare sunt:

- sa livreze compresorului debitul de aer necesar functionarii stabile la orice regim, indiferent de regimul de zbor. Totodata curgerea fluidului de lucru sa fie cat mai uniforma, fara turbulente locale, vartejuri, pulsatii sau desprinderi, deci curgerea in dispozitivul de admisie sa fie caracterizata de uniformitatea campului de viteze si de presiuni (statice si totale), atat in timp, cat si in spatiu (pe directie radiala si unghiulara);

- sa asigure comprimarea dinamica a aerului, respectiv sa transforme, cu pierderi minime, energia cinetica a aerului in lucru mecanic de comprimare;

- sa asigure pierderea minima de presiune totala, pentru a reduce la mini­mum scaderea tractiunii datorate acestui fenomen;

- sa induca o rezistenta la inaintare cat mai redusa. Din acest motiv, este foarte important ca motorul (motoarele) sa fie, pe cat posibil, incadrat(e) in fuselaj, astfel incat amplasarea dispozitivului (dispozitivelor) de admisie sa se realizeze in botul fuselajului, sau lateral, in zona incastrarii aripii, caz in care dispozitivul de admisie poate fi considerat ca facand parte din avion, fiind studiat ca atare in ansamblul avionului. Daca amplasarea motoarelor se face in gondole montate pe aripi sau pe fuselaj, este necesar sa se analizeze separat influenta dispozitivului de admisie asupra rezistentei la inaintare a gondolei, apoi a intregului ansamblu.

- sa asigure, in masura posibilitatilor, protectia impotriva aspirarii de corpuri straine in motor.

Din cele prezentate rezulta ca, un dispozitiv de admisie nu poate functiona optim la toate regimurile, fiind necesar un studiu in urma caruia se va stabili solutia constructiva optima pentru cel mai utilizat regim de zbor al avionului si de functionare a motorului; acest lucru este perfect realizabil pentru aeronavele subsonice de transport, unde variatiile de regim sunt relativ reduse, dar reprezinta o decizie dificila in cazul aeronavelor militare, unde variatiile de viteza, altitudine si de regim al motorului sunt extrem de frecvente, in cazul evolutiilor de lupta.

Desi la intrarea dispozitivului de admisie viteza aerului poate avea valori mari, supersonice, la iesirea din dispozitiv viteza trebuie sa fie, de obicei, subsonica, din considerente legate de functionarea compresorului motorului. Practic, in afara statoreactoarelor cu combustie in regim supersonic, la toate celelalte sisteme de propulsie dispozitivul de admisie are rolul de a 'pregati' campul de viteze la valori subsonice pentru intrarea in compresor, chiar daca acesta are prima sau primele trepte de tip supersonic. Valoarea vitezei aerului la finalul evolutiei in dispozitivul de admisie este cuprinsa in intervalul (100220) m/s, valorile mici caracterizand motoarele echipate cu compresoare centrifuge, valorile mari pe cele echipate cu compresoare axiale sau statoreactoarele. Uniformizarea campului de viteze pe directie radiala se realizeaza in portiunea finala a dispozitivului de admisie, aceasta fiind construita sub forma unui confuzor, solutie care, in unele cazuri, mareste lungimea dispozitivului si reaccelereaza curgerea.

Evolutia fluidului de lucru (aerul) in dispozitivul de admisie se realizeaza practic, fara schimb de caldura sau lucru mecanic, deci fara variatia entalpiei totale, in cursul evolutiei se modifica insa ceilalti parametri (viteza, presiunea, entropia) in sensul ca aerul isi va micsora viteza si isi va creste presiunea (fenomen numit comprimare dinamica), iar entropia va creste de asemenea, datorita frecari­lor in stratul limita, intr-o diagrama entropica (avand entropia in abscisa si entalpia in ordonata) evolutia aerului in dispozitivul de admisie are aspectul unei adiabatice ireversibile, cu crestere de entropie, deci o curba directionata spre dreapta (fig.1.1).

fig. 1.1

Daca se considera ca dispozitivele de admisie functioneaza pe un avion in zbor la altitudinea H, cu viteza V, starea aerului care va fi absorbit in dispozitiv este, de fapt, starea aerului de la altitudinea H in zona neperturbata, stare evidentiata in mod conventional de atmosfera standard, intrucat aerul patrunde in dispozitiv cu viteza V (egala cu viteza de zbor a avionului), in sectiunea de intrare starea aerului va fi caracterizata de o energie (entalpie) mai mare,

cu atat mai mare cu cat viteza V este mai mare si deci, energia cinetica este mai mare. Daca evolutia s-ar face in conditii ideale (absenta statului limita si a frecarilor in canalizatii) starea l*, finalul evolutiei in dispozitivul de admisie, ar fi pe verticala punctului H si ar coincide cu H*.

Cresterea de presiune prin comprimare dinamica ar fi:

unde M h = numarul Mach de zbor (Mh = V/a_H, a_H = viteza sunetului la altitudinea H), iar(M_H) = functia termodinamica a presiunii.

In realitate, insa, datorita frecarii si degajarii de caldura in stratul limita, entropia fluidului de lucru creste, desi curgerea este adiabatica. Finalul evolutiei este starea l*, la acelasi nivel energetic (i* =i_H^*), dar situat la dreapta punctului H* si la o presiune mai mica (p₁^* <p_H*).

Pierderea de presiune in cursul evolutiei poate fi ilustrata de raportul:

unde - coeficient de pierderi de presiune totala (coeficient de micsorare a presiunii totale) sau coeficient de perfectiune a dispozitivului de admisie. Comprimarea dinamica a aerului este, in realitate:

deci mai mica decat in cazul ideal , fiind, asadar, afectata de pierderea de presiune totala.

Cu cat viteza de zbor a aparatului este mai mare, cu atat mai importanta este comprimarea dinamica, deci in cazul aeronavelor supersonice dispozitivele de admisie au un rol deosebit de important. Totodata, cu cat stratul limita este mai extins, cu atat mai mare va fi cresterea de entropie, cu atat mai scazuta va fi presiunea p₁^* si cu atat mai mic va fi coeficientul de pierdere de presiune totala.

Gradul de perfectiune al dispozitivului, asimilat randamentului unei instalatii, se exprima ca raportul intre variatia energiei aerului intre starile de presiune p₁^* si p_H, masurata pe o evolutie izentropica si variatia ideala de energie:

Dispozitivul de admisie induce o rezistenta la inaintare suplimentara fata de celelalte elemente ale aeronavei, forta de rezistenta avand doua componente: una rezultata din interactiunea curgerii exterioare cu dispozitivul de admisie, cealalta rezultata din insumarea fortelor de interactiune aerodinamica din zona bordului de atac al prizei de aer. Global, rezistenta la inaintare indusa de catre dispozitivul de admisie poate fi apreciata printr-un coeficient similar coeficientilor aerodinamici:

unde: X = forta totala de rezistenta la inaintare, rezultata din insumarea celor doua componente;

V = viteza de zbor (viteza relativa aer-dispozitiv de admisie);

A_1' = aria sectiunii de intrare in dispozitivul de admisie;

= densitatea aerului la altitudinea de zbor.

Ca orice instalatie ale carei performante depinde de mai multi parametri, unii dintre ei avand influente contradictorii, dispozitivul de admisie nu poate functiona m conditii optime la toate regimurile de zbor sau la toate regimurile de functionare a motorului pe care il deserveste. Din acest motiv, dispozitivul este conceput astfel incat sa satisfaca cerintele sistemului de propulsie in conditiile de functionare si de zbor cele mai frecvente in exploatare sau cele mai severe, urmand ca adaptarea la celelalte regimuri de functionare si de zbor sa se realizeze intrinsec, sau cu ajutorul unor metode specifice (instalatie de automatizare aferenta), astfel incat variatia performantelor (debitul vehiculat, pierderea de presiune totala, rezistenta la inaintare indusa) sa se situeze in limite acceptabile, in acest sens, se pot defini coeficientul de debit C_D, respectiv coeficientul de presiune Cp ca fiind raportul dintre marimile corespunzatoare regimului curent si cele corespunzatoare regimului de calcul:

unde:

M_a = debitul de aer vehiculat de dispozitivul de admisie,

- = coeficientul de pierdere de presiune totala (de perfectiune),

- (M_a )_n, sunt marimile masurate in conditiile regimului de calcul (nominal).

1.2 Clasificare

Dupa viteza de zbor a avionului (viteza de patrundere a aerului in dispozitiv), dispozitivele de admisie se clasifica in:

a)   Dispozitive de admisie subsonice - organe fixe, simple din punct de vedere constructiv, al caror principal rol este de a furniza motorului fluidul de lucru necesar functionarii, in conditii de pierderi minime de presiune, de uniformitate a campurilor de viteze si de presiuni la intrarea in compresor, toate acestea in vederea asigurarii functionarii stabile a acestuia si a intregului motor, intrucat viteza aerului este mica, rolul dispozitivului in compri­marea dinamica este redusa.

Din punct de vedere al formei sectiunii transversale, pot fi: circulare, eliptice, ovale, semicirculare, semiovale, rectangu­lare. In unele cazuri, dispozitivele de admisie subsonice pot fi prevazute cu corp central (uzual un paraboloid de rotatie), de cele mai multe ori acesta fiind integrat motorului constituind 'coiful' primei trepte de compresor.

Canalizatia interioara a dispozitivelor poate fi de tip confuzor (figura l. a) sau difuzor - confuzor (figura 1.2.b).

fig. 1.2.a  fig. 1.2.b

Profilarea sectiunii unui astfel de dispozitiv de admisie este relativ simpla, realizandu-se cu ajutorul unor arce de elipsa sau de parabola, in special pentru viteze mici de zbor. Pentru viteze mari de zbor pot fi utilizate metode exacte, bazate pe studii de aerodinamica, asa cum sunt metoda surselor si puturilor inelare, sau metoda transformarilor conforme (in special pentru dispozitivele plane).

b) Dispozitive de admisie supersonice - organe complexe, avand solutii constructive radical diferite de cele subsonice, canalizatiile acestora fiind cu geometrie fixa sau geometrie variabila, aceasta din urma situatie impunand prezenta unor instalatii de reglare automata (pentru corpurile centrale sau voleti), in vederea adaptarii la conditiile de zbor si la regimul de functionare al motorului, intrucat viteza relativa aer - dispozitiv este foarte mare, comprimarea dinamica este insemnata, cu atat mai mult cu cat valoarea numarului Mach de zbor este mai mare, fapt care necesita organizarea judicioasa a curgerii in dispozitiv si masuri adiacente de control al pozitiei undelor de soc a stratului limita etc. Ca si in cazul dispozitivelor de admisie subsonice, se urmareste asigurarea debitului de aer necesar motorului, uniformitatea distributiei de viteze si presiuni la intrarea in compresor, la orice regim de zbor si la orice regim de functionare a motorului, precum si reducerea pierderilor de presiune totala (maximiza­rea coeficientului

Pe baza datelor statistice se pot estima pierderile de presiune totala cu relatia:

unde M_H numarul Mach de zbor la altitudinea H, relatia fiind relativ precisa intr-un ecart de viteze de zbor l < M_H <=5.

1.3 Dispozitive de admisie supersonice

Dupa cum s-a mentionat deja, dispozitivele de admisie supersonice sunt destinate sa echipeze aeronave a caror viteza de zbor depaseste viteza sunetului, in functie de pozitionarea pe avion a dispozitivului ( dispozitivelor ) de admisie, viteza de intrare a aerului in dispozitiv poate fi egala, mai mica, sau mult mai mica decat viteza de zbor a avionului; din acest motiv, ca si din altele, exista o mare varietate de solutii constructive de dispozitive de admisie supersonice.

Intrucat una din principalele sarcini ale acestui tip de dispozitiv este comprimarea dinamica a aerului, adica transformarea energiei sale cinetice in energie potentiala prin marirea presiunii, procesele aerodinamice care se desfasoara in interiorul dispozitivului prezinta un grad sporit de complexitate. Procesele care au loc in dispozitivele de admisie exercita o puternica influenta asupra tractiunii, economicitatii si functionarii stabile a sistemelor de propulsie din care acestea fac parte, de siguranta in functiona^-e a dispozitivului de admisie depinzand atat eficacitatea cat si fiabilitatea, in ansamblu, a intregului sistem de propulsie.

Complexitatea constructiv - functionala a dispozitivului de admisie supersonic creste, pe masura cresterii vitezei relative a aerului fata de dispozitiv. Oricare ar fi solutia constructiva, in mod obligatoriu dispozitivul trebuie sa fie constituit din:

- priza de admisie, care reprezinta subansamblul (organul) care delimiteaza sectiunea de intrare a aerului in interiorul dispozitivului;

- canalizatia de legatura, care reprezinta totalitatea canalelor, de diverse forme si dimensiuni, realizate cu scopul conducerii aerului aspirat in zona utila (in fata compresorului - pentru motoarele cu grup turbocompresor, sau in camera de combustie - pentru sisteme de propulsie tip statoreactor).

Alaturi de aceste doua elemente mai pot fi prezente:

- corpul central (corpul de amorsare al trenului de unde de soc);

- voleti de prelevare a aerului din exterior sau din canalizatia de legatura;

- orificii de absorbtie a stratului limita, elemente de turbionare a curgeri z Dna stratului limita, instalatii speciale de suflare a stratului limita;

- instalatii automate de pozitionare a corpului central si/sau de deschidere/inchi­dere a voletilor.

La ora actuala exista o gama foarte larga de variante constructiv-functionale de dispozitive de admisie supersonice.

In functie de particularitatile constructive si de functionare se poate realiza urmatoarea clasificare a acestor dispozitive:

a) dupa pozitionarea pe avion:

- dispozitive de admisie frontale (dispuse in partea din fata a fuselajului sau a gondolei motorului);

- dispozitive de admisie laterale, dispuse pe fuselaj, sub aripa, sau la incas­trarea aripa fuselaj;

b) dupa forma geometrica:

- dispozitive de admisie plane;

- dispozitive de admisie axial-simetrice;

c) dupa modul de franare al aerului:

- dispozitive de tip Pitot (cu franare directa);

- dispozitive de admisie cu comprimare exterioara;

- dispozitive de admisie cu comprimare interioara;

- dispozitive de admisie cu comprimare mixta.

Aceste diverse variante au fost impuse de ecartul mare de viteze de zbor si de solutiile constructive ale diverselor tipuri de aparate de zbor, in functie de destinatia lor. Astfel, pentru viteze de zbor transonice si supersonice mici (M< 1,2) se utilizeaza dispozitive de admisie dispuse lateral sau sub aripi, deci in zone de viteza mica, de aceea sunt utilizate dispozitive de admisie subsonice, dar cu borduri de atac subtiate. Pentru viteze pana la M = 1,7 se utilizeaza dispozitize de admisie cu franare directa (cu unda de soc normala) tip Pitot, de lungime mica in raport cu dimensiunea transversala si cu borduri de atac subtiri. Peste valori M =1,7 pana aproape de M = 3,5 dispozitivele de admisie folosite sunt cele cu comprimare exterioara sau comprimare mixta, prevazute cu corpuri centrale special profilate, cu geometrie fixa sau variabila, pentru a amorsa trenul de unde de soc sau de presiune. Pentru numere Mach mari, M> 3,5, solutiile constructive sunt foarte diverse, de la dispozitive cu comprimare exterioare cu geometrie fixa, pana la dispozitive cu compri­mare interioara in canale profilate.

Aeronavele supersonice actuale sunt mono sau bimotoare. In cazul echiparii cu doua motoare, in mod obligatoriu, fiecare motor va avea propriul sau dispozitiv de admisie si propria canalizatie aferenta; in aceste situatii, daca motoarele sunt dispuse in fuselaj, se utilizeaza dispozitive de admisie laterale. Aceeasi solutie, cu doua dispozitive laterale, poate fi adoptata si in cazul echiparii cu un singur motor (dispus in fuselaj), dar canalizatiile aferente celor doua dispozitive conflueaza intr-un confuzor comun, care va insuma cele doua debite si va uniformiza curgerea inaintea patrunderii in compresor.

Dispunerea laterala a prizelor de aer confera avantajul reducerii vi­tezei de intrare a aerului sub valoarea vitezei de zbor, deoarece aerul deja a suferit o franare prin unda de soc conica, amorsata de botul ascutit al avionului (fig. 1.3).

fig. 1.3

Dispozitivele de admisie frontale se folosesc ceva mai rar, in cazul avioanelor cu un singur motor montat in fuselaj (fig. 1.4.a) sau in cazul motoarelor montate in gondole, pe aripi sau pe fuselaj (fig. l .4.b).

fig. 1.4.