Μέσω της μετάκαυσης, του λεγόμενου δηλαδή afterburning, επιτυγχάνεται αύξηση της ταχύτητας του αεροσκάφους με άμεση συνέπεια την αύξηση της προωστικής δύναμης (ώσης), σε ποσοστό που
κυμαίνεται από 40 έως 70% ανάλογα με τον κινητήρα, σε σχέση με την ξηρά ώση. Χρησιμοποιείται κυρίως στα μαχητικά - υπερηχητικά αεροσκάφη. Με µετακαυστήρες ήταν εφοδιασµένοι και οι κινητήρες των πολιτικών αεροσκαφών Concorde και Tu-144. Πλέον, οι περιορισµοί θορύβου κάνουν απαγορευτική τη χρήση µετάκαυσης σε πολιτικά και εµπορικά αεροσκάφη. Ήταν αναμενόμενη η υπεροχή του μετακαυστήρα έναντι της χρήσης μεγαλύτερου κινητήρα, αφού θα επιβάρυνε το αεροσκάφος µε µεγαλύτερη µετωπική επιφάνεια,
επιπρόσθετο βάρος και µεγαλύτερη ειδική κατανάλωση καυσίµου.
Χρησιμοποιείται κυρίως κατά την φάση της απογείωσης για την επίτευξη μέγιστης ταχύτητας και για την ταχεία ανάκτηση κινητικής ενέργειας μετά από ενεργοβόρους ελιγμούς.
Πώς λειτουργεί;
Η επιπλέον ώθηση δημιουργείται από την έγχυση επιπλέον καυσίμου στην απόληξη του κινητήρα, με αποτέλεσμα την ανάφλεξή του και τη περαιτέρω θέρμανση των αερίων.
Πού μειονεκτεί ;
Η χρήση μετάκαυσης αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου έως και τρεις φορές, κάτι που σημαίνει ότι η χρήση της περιορίζεται σε ελάχιστα λεπτά κατά την διάρκεια μίας αποστολής. Με δεδομένο ότι η τριπλάσια κατανάλωση οδηγεί σε αύξηση μόλις 40% έως 70% της τελικής ταχύτητας, γίνεται φανερό ότι η απόδοση της μετάκαυσης είναι εξαιρετικά μειωμένη !
Σε ποιά 'αρχή' στηρίζεται ;
Η ώθηση των κινητήρων και κατ΄ επέκταση η χρήση της μετάκαυσης, στηρίζεται στη γενική αρχή του ρυθμού ροής μάζας. Η ώση εξαρτάται από δύο πράγματα: α) απο τη ταχύτητα των καυσαερίων και β) απο τη μάζα του εν λόγω αερίου. Έτσι, για να αυξήσουμε την ώση ενός αεροπορικού τζέτ κινητήρα, είτε θα αυξήσουμε την επιτάχυνση του αερίου μέσω υψηλότερης ταχύτητας είτε θα αυξήσουμε τη μάζα των αερίων στην έξοδο του κινητήρα.
- Ένας turbofan κινητήρας, μπορεί να παρέχει εξαιρετικά υψηλή απόδοση καυσίμου με υψηλή παραγωγή ώσης για μεγάλο χρονικό διάστημα αλλά απαιτείται μεγάλο μέγεθος/όγκος του κινητήρα σε σχέση με την ισχύ που βγάζει στην έξοδο. Γενικά ο turbofan κινητήρας, παράγει μικρής ταχύτητας αέρια στην έξοδο αλλά μεγάλης μάζας/ποσότητας.
Γενική λειτουργία
Η θερμοκρασία του αερίου στον κινητήρα είναι υψηλότερη λίγο πριν από το στρόβιλο και η ικανότητα της τουρμπίνας να αντέχει σε αυτές τις θερμοκρασίες είναι ένας απο τους πρωτογενείς περιορισμούς επί της συνολικής ξηρής ώσης του κινητήρα. Αυτή η θερμοκρασία είναι γνωστή ως η θερμοκρασία εισόδου στο στρόβιλο (ΤΕΤ) και αποτελεί μία από τις κρίσιμες παραμέτρους λειτουργίας του κινητήρα.
Επειδή ο ρυθμός καύσης είναι αρκετά υψηλός για να καταναλώσει όλη την εισερχόμενη ποσότητα οξυγόνου, είναι σε θέση να δημιουργήσει υψηλές θερμοκρασίες στην εισαγωγή του στροβίλου (ιδίως τις πρώτες σειρές των πτερυγίων) με αποτέλεσμα να τον υπερθερμάνει.
Για να αποφύγουμε λοιπόν την υπερθέρμανση, η ροή του καυσίμου πρέπει να περιοριστεί σε τέτοιο βαθμό ώστε το καύσιμο, αντί του οξυγόνου, να γίνει ο περιοριστικός παράγοντας της αντίδρασης, αφήνοντας έτσι κάποια ποσότητα οξυγόνου να ρέει και μετά το πέρας του στροβίλου. Μετά το πέρασμα του στροβίλου, το αέριο διαστέλλεται υπό σταθερή (σχεδόν) εντροπία, χάνοντας έτσι θερμοκρασία. Έτσι, ο μετακαυστήρας εγχύει καύσιμο και αναθερμαίνει το αέριο. Σε συνδυασμό λοιπόν με την πρόσθετη θερμότητα, η πίεση ανεβαίνει και το αέριο εκτοξεύεται μέσα από το ακροφύσιο με υψηλότερη ταχύτητα. Η ροή μάζας επίσης αυξάνεται ελαφρώ εξαιτίας της προσθήκης καυσίμου.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα της χρήσης μετάκαυσης, είναι η φλόγα στο πίσω μέρος/έξοδο του κινητήρα.
Καθώς περισσότερο καύσιµο καίγεται στο µετακαυστήρα, τα καυσαέρια αποκτούν µεγαλύτερη ενέργεια και εκτονώνονται σε µεγαλύτερο βαθµό, οπότε επιτυγχάνεται µεγαλύτερη παραγόµενη ώση. Το µέγεθος της ώσης αυτής εξαρτάται από την ποσότητα του καυσίµου που εγχύεται στο µετακαυστήρα και τις θερµοκρασίες καυσαερίων που επιτυγχάνονται. Βέβαια, αυτές δεν πρέπει να υπερβαίνουν τη θερµοκρασία αντοχής των υλικών κατασκευής της εξαγωγής του κινητήρα. Στον αντίποδα της αύξησης της παραγόµενης ώσης µε τη χρήση µετάκαυσης, βρίσκεται η αύξηση στην ειδική κατανάλωση καυσίµου του κινητήρα. Τονίζεται ότι η το καύσιµο καίγεται κατά τη διάρκεια της µετάκαυσης µε µικρό βαθµό απόδοσης, λόγω των συνθηκών µεγάλης ταχύτητας και µικρής πίεσης του, στις οποίες πραγµατοποιείται η καύση.
Επίσης, η χρήση της µετάκαυσης συµβάλλει στη µείωση του χρόνου και της απόστασης απογείωσης και ανόδου του αεροσκάφους, όπως καταγράφεται παραστατικά στο Σχήµα 2.121. Με αυτά τα δεδοµένα, η αύξηση στην κατανάλωση καυσίµου που παρατηρείται, και είναι περίπου τρεις έως τέσσερις φορές µεγαλύτερη από την κανονική, δε θεωρείται απαγορευτική για τη χρήση της µετάκαυσης.
Με λίγα λόγια λοιπόν: Ο µετακαυστήρας τοποθετείται στο χώρο µεταξύ του στροβίλου και του ακροφυσίου εξαγωγής. Εκµεταλλεύεται το γεγονός ότι τα καυσαέρια, µετά την εκτόνωσή τους στο στρόβιλο, περιέχουν ακόµη αρκετή ποσότητα οξυγόνου (θυµηθείτε ότι µόνο ένα ποσοστό 25% περίπου από το εισερχόµενο ρεύµα αέρα στον κινητήρα χρησιµοποιείται κατά τη διεργασία της καύσης, το υπόλοιπο 75% χρησιµοποιείται για λόγους ψύξης). Με τη παροχή καυσίµου στο µετακαυστήρα, γίνεται ανάµειξή του µε την υπολειπόµενη ποσότητα αέρα και πραγµατοποιείται καύση, η µετάκαυση. Με τον τρόπο αυτόν, τα παραγόµενα καυσαέρια αποκτούν περισσότερη ενέργεια η οποία θα αξιοποιηθεί κατά την εκτόνωσή τους στο ακροφύσιο εξαγωγής. Το αποτέλεσµα είναι η αύξηση της ταχύτητας εξαγωγής των καυσαεριών και, συνακόλουθα, της παραγόµενης ώσης από τον κινητήρα. Κατά το χρονικό διάστηµα της λειτουργίας του µετακαυστήρα, η φλόγα από την καύση είναι ορατή στην εξαγωγή του κινητήρα. Τα επίπεδα του θορύβου ξεπερνούν κατά πολύ τις ήδη αυξηµένες τιµές που λαµβάνουν κατά τη λειτουργία χωρίς µετάκαυση.
Θεωρητικά, ο µετακαυστήρας είναι ένας αθόδυλος κινητήρας προσαρµοσµένος στην εξαγωγή ενός αεριοστρόβιλου (στροβιλοαντιδραστήρα ή στροβιλοανεµιστήρα). Το ρεύµα αέρα υψηλής ταχύτητας που απαιτείται αρχικά για την εκκίνηση και λειτουργία του αθόδυλου κινητήρα παρέχεται από τα καυσαέρια του αεριοστρόβιλου. Ο µετακαυστήρας προκαλεί ιδιαίτερη εντύπωση λόγω της απλότητας στην κατασκευή του. Ουσιαστικά, αποτελεί έναν αγωγό τοποθετηµένο µετά το στρόβιλο, το εµπρόσθιο µέρος του οποίου έχει τη µορφή διαχύτη (ώστε να µειώνεται η ταχύτητα της ροής των καυσαερίων και να επιτυγχάνεται ανάφλεξη).
Τα µέρη που τον αποτελούν είναι:
α) ο αγωγός εξαγωγής (flame duct) ο οποίος περιέχει το φλογοθάλαµο (flame tube)
β) το σύστηµα έγχυσης του καυσίµου
γ) ο σταθεροποιητής της φλόγας (flame holder) και
δ) το µεταβλητής γεωµετρίας ακροφύσιο εξαγωγής
Στο Σχήµα 2.112 φαίνεται ένας τυπικός µετακαυστήρας που χρησιµοποιείται στους αεριοστρόβλους κινητήρες της Rolls-Royce ενώ στο Σχήµα 2.113 φαίνεται η συνδεσµολογία των µερών που αποτελούν τον µετακαυστήρα του στροβιλοαντιδραστήρα J-79 της General Electric.
Όταν ο µετακαυστήρας δε βρίσκεται σε λειτουργία, το ακροφύσιο εξαγωγής λειτουργεί µε τη µικρότερη δυνατή γεωµετρία εξόδου και ο µετακαυστήρας λειτουργεί σαν αγωγός εξαγωγής. Η γεωµετρία εξόδου µεταβάλλεται µε τη λειτουργία θυρίδων ελέγχου (interlocking flaps) και ειδικού συστήµατος ελέγχου, το οποίο θα εξετάσουµε παρακάτω. Η σχεδίαση του µετακαυστήρα πρέπει να είναι τέτοια ώστε αυτός να µην διαταράσσει τις πιέσεις λειτουργίας του κινητήρα. Ο κινητήρας πρέπει να «αγνοεί» την ύπαρξη του µετακαυστήρα, ακόµη και όταν ο τελευταίος βρίσκεται σε λειτουργία. Βέβαια, παρόλες τις προσπάθειες βέλτιστου σχεδιασµού, αυτό δεν είναι εφικτό. Η ύπαρξη µετακαυστήρα επιβάλλει την αύξηση της διατοµής του αγωγού εξαγωγής του κινητήρα, λόγω της αυξηµένης θερµοκρασίας των καυσαερίων. Ακόµη, τα εµπόδια που παρεµβάλλονται στη ροή των καυσαερίων µέσα στο µετακαυστήρα προκαλούν µείωση στην παραγόµενη ώση του κινητήρα, όταν το σύστηµα µετάκαυσης δε λειτουργεί. Τέλος, το βάρος του κινητήρα που φέρει σύστηµα µετάκαυσης είναι αυξηµένο λόγω του βαρύτερου αγωγού εξαγωγής και των εξαρτηµάτων του µετακαυστήρα. Ο αγωγός εξαγωγής κατασκευάζεται από κράµατα χάλυβα µε µεγάλη αντοχή στις υψηλές θερµοκρασίες ενώ απαιτεί και καλύτερη ηχοµόνωση από τους κοινούς αγωγούς εξαγωγής. Σε κάποιες περιπτώσεις, ο αγωγός αποτελείται από διπλό τοίχωµα και στο δακτύλιο που σχηµατίζεται ανάµεσα στα δύο κελύφη κυκλοφορεί αέρας για την καλύτερη ψύξη του φλογοθαλάµου. Αυτός φέρει ειδικές οπές για την καλύτερη κυκλοφορία του αέρα ψύξης. Για την αποφυγή της οξείδωσής του από τα διαβρωτικά καυσαέρια, ο φλογοθάλαµος επικαλύπτεται µε ειδικό κεραµικό επίστρωµα. Η εισαγωγή των καυσαερίων από την τελευταία βαθµίδα του στροβίλου στο µετακαυστήρα γίνεται µε ταχύτητες της τάξης των 250 έως 400 m/sec. Η κλίµακα ταχυτήτων αυτή είναι απαγορευτική για την καύση. Για το λόγο αυτόν, το εµπρόσθιο τµήµα του µετακαυστήρα έχει τη διατοµή διαχύτη. Έτσι, επιτυγχάνεται η µείωση της ταχύτητας των καυσαερίων και η αύξηση της πίεσής τους. Όµως, ακόµη και σε αυτές τις συνθήκες, η ταχύτητα διάδοσης της φλόγας είναι µικρότερη από την ταχύτητα των καυσαερίων. Η διορθωτική κίνηση είναι η εγκατάσταση του σταθεροποιητή της φλόγας αµέσως µετά τους εγχυτήρες καυσίµου. Σκοπός του σταθεροποιητή είναι η δηµιουργία στροβιλισµού της ροής µε επακόλουθη µείωση της ταχύτητάς της και επίτευξη σταθερής φλόγας. Ο σταθεροποιήτης της φλόγας έχει διατοµή κυκλική, «V». Συνήθως, αποτελείται από τρεις οµόκεντρους δακτυλίους.
Το σύστηµα έγχυσης του καυσίµου είναι ξεχωριστό από αυτό του κινητήρα. Χρησιµοποιείται ξεχωριστή αντλία καυσίµου, η οποία παροχετεύει καύσιµο σε µία σειρά εγχυτήρων. Αυτοί τοποθετούνται οµοιόµορφα στην περιφέρεια του αγωγού εξαγωγής ώστε να επιτυγχάνεται οµοιόµορφη έγχυση καυσίµου. Στους κινητήρες µε λόγο παράκαµψης η έγχυση του καυσίµου γίνεται µετά τη µείξη των δύο ρευµάτων. Υπάρχει, όµως, και η περίπτωση της ξεχωριστής έγχυσης καυσίµου στις δύο ροές και η µείξη των δύο ρευµάτων πριν από το
ακροφύσιο εξαγωγής.
Στο Σχήµα 2.115 φαίνεται το σύστηµα έγχυσης καυσίµου µετακαυστήρα του κινητήρα J-79 της General Electric.
Θα µπορούσε κάποιος να αναµένει ότι λόγω της µεγάλης θερµοκρασίας µε την οποία τα καυσέρια εισέρχονται στο µετακαυστήρα, η ανάφλεξη του µείγµατος που σχηµατίζουν µε το καύσιµο επιτυγχάνεται µόνη της. Αυτή η κατάσταση εξαρτάται από το ύψος και την ταχύτητα της πτήσης. Για το λόγο αυτό, χρησιµοποιείται ανεξάρτητη πηγή έναυσης η οποία µπορεί να προέρχεται από σύστηµα έναυσης διαφόρων ειδών. Αρχικά, χρησιµοποιήθηκε η έγχυση καυσίµου στο θάλαµο καύσης, πριν το στρόβιλο. Επιτυγχάνεται µία θερµή φλόγα (hot spot ignition), η οποία διαπερνά το στρόβιλο και δηµιουργούνται οι κατάλληλες συνθήκες για την έναυση στο µετακαυστήρα. Το µειονέκτηµα της µεθόδου ήταν η θερµοκρασιακή καταπόνηση των βαθµίδων του στροβίλου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε η µέθοδος της καταλυτικής ανάφλεξης. Τα καυσαέρια και το καύσιµο αναµειγνύονται και οδηγούνται πάνω σε µεταλλικό στοιχείο (πλατίνα), όπου και πραγµατοποιείται η έναυση. Τέλος, η πιο συνηθισµένη µέθοδος είναι αυτή της χρήσης ενός συστήµατος παροχής σπινθήρων (torch igniter). Αυτό τοποθετείται δίπλα σε έναν εγχυτήρα καυσίµου και λειτουργεί, παρέχοντας σπινθήρα, καθόλη τη διάρκεια της λειτουργίας του µετακαυστήρα (Σχήµα 2.116). Έτσι, εξασφαλίζεται η έναυση του µετακαυστήρα, ανεξάρτητα από το ύψος και την ταχύτητα της πτήσης.
Το ακροφύσιο εξαγωγής αποτελεί ξεχωριστό τµήµα που προσαρµόζεται στον αγωγό εξαγωγής. Καθώς αυξάνεται η ενέργεια των καυσαερίων κατά τη διάρκεια της µετάκαυσης, το ακροφύσιο εξαγωγής πρέπει να είναι σε θέση να αυξήσει την επιφάνεια στην έξοδό του. Τα καυσαέρια µε τον τρόπο αυτόν θα εκτονωθούν κανονικά. Από την άλλη πλευρά, η επιφάνεια εξόδου του ακροφυσίου θα πρέπει να επανέλθει στη µικρότερη τιµή της όταν ο µετακαυστήρας σταµατήσει να λειτουργεί.
Η παραπάνω διαδικασία επιτυγχάνεται µε τη χρήση:
• ακροφυσίου δύο θέσεων (ανοικτό – κλειστό, eyelid-type), Σχήµα 2.117(α). Το ακροφύσιο φέρει δύο ξεχωριστούς δακτυλίους θέσης, που εξασφαλίζουν την ανοικτή ή κλειστή θέση του ακροφυσίου.
• ακροφυσίου µε πτερύγια µεταβλητής θέσης (interlocking flaps), Σχήµα 2.117(β). Τα αρθρωτά πτερύγια αυτά κινούνται µ ε λάδι λίπανσης, καύσιµο, αέρα ή ηλεκτρικό ρεύµα και δίνουν στο ακροφύσιο εξαγωγής διατοµή ανάλογη µε την επιλογή του χειριστή του αεροσκάφους.
Για την κανονική λειτουργία του συστήµατος µετάκαυσης εγκαθίσταται σύστηµα ελέγχου της διατοµής του ακροφυσίου εξαγωγής.
Αυτό περιλαµβάνει:
• τις θυρίδες,
• µία αντλία για την παροχή της πίεσης του µέσου που κινεί τις θυρίδες, και
• ένα ρυθµιστή του λόγου της πίεσης του αέρα µετά το συµπιεστή προς την πίεση των καυσαερίων µετά το στρόβιλο, Ρ3/Ρ6.
Μετά την επιλογή της λειτουργίας της µετάκαυσης από το χειριστή, ο ρυθµιστής καυσίµου µετάκαυσης αυξάνει την παροχή της αντίστοιχης αντλίας. Το σύστηµα ελέγχου καυσίµου µετάκαυσης συνεργάζεται µ ε το σύστηµα ελέγχου της διατοµής του ακροφυσίου. Η ανάφλεξη του µείγµατος καυσίµου µετάκαυσης και καυσαερίων δηµιουργεί αύξηση στην πίεση του αγωγού εξαγωγής Ρ6 (Σχήµα 2.118). Τότε, ο λόγος των πιέσεων Ρ3/Ρ6 µεταβάλλεται. Ο ρυθµιστής του λόγου πιέσεων αυξάνει την παροχή της αντλίας που ελέγχει την κίνηση των θυρίδων, αυτές ανοίγουν και τα καυσαέρια εκτονώνονται. Έτσι, µειώνεται η πίεση στον αγωγό εξαγωγής και αποκαθίσταται και η τιµή του λόγου Ρ3/Ρ6.
Με τον τρόπο αυτόν, η λειτουργία του υπόλοιπου κινητήρα δεν επηρεάζεται από την µετάκαυση !
Βιβλιογραφία: 1) "Κινητήρες Αεροσκαφών Ι" , ΤΕΧΝΙΚΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΑ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΗΡΙΑ Β΄ Τάξη 1ου Κύκλου , Ειδικότητα Μηχανοσυνθετών Αεροσκαφών , Ευάγγελος Καρέλας, Ιωάννης Τριαντάφυλλος, Γρηγόριος Φρέσκος , Ο.Ε.∆.Β. ΑΘΗΝΑ 2004
2) https://en.wikipedia.org/wiki/Afterburner
3) http://www.ellinikos-stratos.com/aeroporia/erwtiseis_1.asp
4) www.grc.nasa.gov
5) www.pinterest.com
Χρησιμοποιείται κυρίως κατά την φάση της απογείωσης για την επίτευξη μέγιστης ταχύτητας και για την ταχεία ανάκτηση κινητικής ενέργειας μετά από ενεργοβόρους ελιγμούς.
Πώς λειτουργεί;
Η επιπλέον ώθηση δημιουργείται από την έγχυση επιπλέον καυσίμου στην απόληξη του κινητήρα, με αποτέλεσμα την ανάφλεξή του και τη περαιτέρω θέρμανση των αερίων.
Πού μειονεκτεί ;
Η χρήση μετάκαυσης αυξάνει την κατανάλωση καυσίμου έως και τρεις φορές, κάτι που σημαίνει ότι η χρήση της περιορίζεται σε ελάχιστα λεπτά κατά την διάρκεια μίας αποστολής. Με δεδομένο ότι η τριπλάσια κατανάλωση οδηγεί σε αύξηση μόλις 40% έως 70% της τελικής ταχύτητας, γίνεται φανερό ότι η απόδοση της μετάκαυσης είναι εξαιρετικά μειωμένη !
Σε ποιά 'αρχή' στηρίζεται ;
Η ώθηση των κινητήρων και κατ΄ επέκταση η χρήση της μετάκαυσης, στηρίζεται στη γενική αρχή του ρυθμού ροής μάζας. Η ώση εξαρτάται από δύο πράγματα: α) απο τη ταχύτητα των καυσαερίων και β) απο τη μάζα του εν λόγω αερίου. Έτσι, για να αυξήσουμε την ώση ενός αεροπορικού τζέτ κινητήρα, είτε θα αυξήσουμε την επιτάχυνση του αερίου μέσω υψηλότερης ταχύτητας είτε θα αυξήσουμε τη μάζα των αερίων στην έξοδο του κινητήρα.
- Ένας turbofan κινητήρας, μπορεί να παρέχει εξαιρετικά υψηλή απόδοση καυσίμου με υψηλή παραγωγή ώσης για μεγάλο χρονικό διάστημα αλλά απαιτείται μεγάλο μέγεθος/όγκος του κινητήρα σε σχέση με την ισχύ που βγάζει στην έξοδο. Γενικά ο turbofan κινητήρας, παράγει μικρής ταχύτητας αέρια στην έξοδο αλλά μεγάλης μάζας/ποσότητας.
Γενική λειτουργία
Η θερμοκρασία του αερίου στον κινητήρα είναι υψηλότερη λίγο πριν από το στρόβιλο και η ικανότητα της τουρμπίνας να αντέχει σε αυτές τις θερμοκρασίες είναι ένας απο τους πρωτογενείς περιορισμούς επί της συνολικής ξηρής ώσης του κινητήρα. Αυτή η θερμοκρασία είναι γνωστή ως η θερμοκρασία εισόδου στο στρόβιλο (ΤΕΤ) και αποτελεί μία από τις κρίσιμες παραμέτρους λειτουργίας του κινητήρα.
Επειδή ο ρυθμός καύσης είναι αρκετά υψηλός για να καταναλώσει όλη την εισερχόμενη ποσότητα οξυγόνου, είναι σε θέση να δημιουργήσει υψηλές θερμοκρασίες στην εισαγωγή του στροβίλου (ιδίως τις πρώτες σειρές των πτερυγίων) με αποτέλεσμα να τον υπερθερμάνει.
Για να αποφύγουμε λοιπόν την υπερθέρμανση, η ροή του καυσίμου πρέπει να περιοριστεί σε τέτοιο βαθμό ώστε το καύσιμο, αντί του οξυγόνου, να γίνει ο περιοριστικός παράγοντας της αντίδρασης, αφήνοντας έτσι κάποια ποσότητα οξυγόνου να ρέει και μετά το πέρας του στροβίλου. Μετά το πέρασμα του στροβίλου, το αέριο διαστέλλεται υπό σταθερή (σχεδόν) εντροπία, χάνοντας έτσι θερμοκρασία. Έτσι, ο μετακαυστήρας εγχύει καύσιμο και αναθερμαίνει το αέριο. Σε συνδυασμό λοιπόν με την πρόσθετη θερμότητα, η πίεση ανεβαίνει και το αέριο εκτοξεύεται μέσα από το ακροφύσιο με υψηλότερη ταχύτητα. Η ροή μάζας επίσης αυξάνεται ελαφρώ εξαιτίας της προσθήκης καυσίμου.
Χαρακτηριστικό γνώρισμα της χρήσης μετάκαυσης, είναι η φλόγα στο πίσω μέρος/έξοδο του κινητήρα.
Καθώς περισσότερο καύσιµο καίγεται στο µετακαυστήρα, τα καυσαέρια αποκτούν µεγαλύτερη ενέργεια και εκτονώνονται σε µεγαλύτερο βαθµό, οπότε επιτυγχάνεται µεγαλύτερη παραγόµενη ώση. Το µέγεθος της ώσης αυτής εξαρτάται από την ποσότητα του καυσίµου που εγχύεται στο µετακαυστήρα και τις θερµοκρασίες καυσαερίων που επιτυγχάνονται. Βέβαια, αυτές δεν πρέπει να υπερβαίνουν τη θερµοκρασία αντοχής των υλικών κατασκευής της εξαγωγής του κινητήρα. Στον αντίποδα της αύξησης της παραγόµενης ώσης µε τη χρήση µετάκαυσης, βρίσκεται η αύξηση στην ειδική κατανάλωση καυσίµου του κινητήρα. Τονίζεται ότι η το καύσιµο καίγεται κατά τη διάρκεια της µετάκαυσης µε µικρό βαθµό απόδοσης, λόγω των συνθηκών µεγάλης ταχύτητας και µικρής πίεσης του, στις οποίες πραγµατοποιείται η καύση.
Επίσης, η χρήση της µετάκαυσης συµβάλλει στη µείωση του χρόνου και της απόστασης απογείωσης και ανόδου του αεροσκάφους, όπως καταγράφεται παραστατικά στο Σχήµα 2.121. Με αυτά τα δεδοµένα, η αύξηση στην κατανάλωση καυσίµου που παρατηρείται, και είναι περίπου τρεις έως τέσσερις φορές µεγαλύτερη από την κανονική, δε θεωρείται απαγορευτική για τη χρήση της µετάκαυσης.
Με λίγα λόγια λοιπόν: Ο µετακαυστήρας τοποθετείται στο χώρο µεταξύ του στροβίλου και του ακροφυσίου εξαγωγής. Εκµεταλλεύεται το γεγονός ότι τα καυσαέρια, µετά την εκτόνωσή τους στο στρόβιλο, περιέχουν ακόµη αρκετή ποσότητα οξυγόνου (θυµηθείτε ότι µόνο ένα ποσοστό 25% περίπου από το εισερχόµενο ρεύµα αέρα στον κινητήρα χρησιµοποιείται κατά τη διεργασία της καύσης, το υπόλοιπο 75% χρησιµοποιείται για λόγους ψύξης). Με τη παροχή καυσίµου στο µετακαυστήρα, γίνεται ανάµειξή του µε την υπολειπόµενη ποσότητα αέρα και πραγµατοποιείται καύση, η µετάκαυση. Με τον τρόπο αυτόν, τα παραγόµενα καυσαέρια αποκτούν περισσότερη ενέργεια η οποία θα αξιοποιηθεί κατά την εκτόνωσή τους στο ακροφύσιο εξαγωγής. Το αποτέλεσµα είναι η αύξηση της ταχύτητας εξαγωγής των καυσαεριών και, συνακόλουθα, της παραγόµενης ώσης από τον κινητήρα. Κατά το χρονικό διάστηµα της λειτουργίας του µετακαυστήρα, η φλόγα από την καύση είναι ορατή στην εξαγωγή του κινητήρα. Τα επίπεδα του θορύβου ξεπερνούν κατά πολύ τις ήδη αυξηµένες τιµές που λαµβάνουν κατά τη λειτουργία χωρίς µετάκαυση.
Τα µέρη που τον αποτελούν είναι:
α) ο αγωγός εξαγωγής (flame duct) ο οποίος περιέχει το φλογοθάλαµο (flame tube)
β) το σύστηµα έγχυσης του καυσίµου
γ) ο σταθεροποιητής της φλόγας (flame holder) και
δ) το µεταβλητής γεωµετρίας ακροφύσιο εξαγωγής
Στο Σχήµα 2.112 φαίνεται ένας τυπικός µετακαυστήρας που χρησιµοποιείται στους αεριοστρόβλους κινητήρες της Rolls-Royce ενώ στο Σχήµα 2.113 φαίνεται η συνδεσµολογία των µερών που αποτελούν τον µετακαυστήρα του στροβιλοαντιδραστήρα J-79 της General Electric.
ακροφύσιο εξαγωγής.
Στο Σχήµα 2.115 φαίνεται το σύστηµα έγχυσης καυσίµου µετακαυστήρα του κινητήρα J-79 της General Electric.
Η παραπάνω διαδικασία επιτυγχάνεται µε τη χρήση:
• ακροφυσίου δύο θέσεων (ανοικτό – κλειστό, eyelid-type), Σχήµα 2.117(α). Το ακροφύσιο φέρει δύο ξεχωριστούς δακτυλίους θέσης, που εξασφαλίζουν την ανοικτή ή κλειστή θέση του ακροφυσίου.
• ακροφυσίου µε πτερύγια µεταβλητής θέσης (interlocking flaps), Σχήµα 2.117(β). Τα αρθρωτά πτερύγια αυτά κινούνται µ ε λάδι λίπανσης, καύσιµο, αέρα ή ηλεκτρικό ρεύµα και δίνουν στο ακροφύσιο εξαγωγής διατοµή ανάλογη µε την επιλογή του χειριστή του αεροσκάφους.
Αυτό περιλαµβάνει:
• τις θυρίδες,
• µία αντλία για την παροχή της πίεσης του µέσου που κινεί τις θυρίδες, και
• ένα ρυθµιστή του λόγου της πίεσης του αέρα µετά το συµπιεστή προς την πίεση των καυσαερίων µετά το στρόβιλο, Ρ3/Ρ6.
Μετά την επιλογή της λειτουργίας της µετάκαυσης από το χειριστή, ο ρυθµιστής καυσίµου µετάκαυσης αυξάνει την παροχή της αντίστοιχης αντλίας. Το σύστηµα ελέγχου καυσίµου µετάκαυσης συνεργάζεται µ ε το σύστηµα ελέγχου της διατοµής του ακροφυσίου. Η ανάφλεξη του µείγµατος καυσίµου µετάκαυσης και καυσαερίων δηµιουργεί αύξηση στην πίεση του αγωγού εξαγωγής Ρ6 (Σχήµα 2.118). Τότε, ο λόγος των πιέσεων Ρ3/Ρ6 µεταβάλλεται. Ο ρυθµιστής του λόγου πιέσεων αυξάνει την παροχή της αντλίας που ελέγχει την κίνηση των θυρίδων, αυτές ανοίγουν και τα καυσαέρια εκτονώνονται. Έτσι, µειώνεται η πίεση στον αγωγό εξαγωγής και αποκαθίσταται και η τιµή του λόγου Ρ3/Ρ6.
Με τον τρόπο αυτόν, η λειτουργία του υπόλοιπου κινητήρα δεν επηρεάζεται από την µετάκαυση !
~ Θέλω να ευχαριστήσω τους συγγραφείς του βιβλίου: "Κινητήρες Αεροσκαφών Ι" , Ευάγγελος Καρέλας, Ιωάννης Τριαντάφυλλος, Γρηγόριος Φρέσκος για τη τόσο λεπτομερή και πλήρη δουλειά που έκαναν πάνω στο θέμα της 'μετάκαυσης', μιας και αποτέλεσε μια σημαντική πηγή για εμένα και επίσης είναι και ίσως και η μόνη ελληνική βιβλιογραφία, τόσο πλήρης και ακριβής, όχι μόνο για το θέμα της μετάκαυσης αλλά γενικότερα για οτι σχετίζεται με τους κινητήρες των αεροσκαφών !!! ~
Βιβλιογραφία: 1) "Κινητήρες Αεροσκαφών Ι" , ΤΕΧΝΙΚΑ ΕΠΑΓΓΕΛΜΑΤΙΚΑ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΗΡΙΑ Β΄ Τάξη 1ου Κύκλου , Ειδικότητα Μηχανοσυνθετών Αεροσκαφών , Ευάγγελος Καρέλας, Ιωάννης Τριαντάφυλλος, Γρηγόριος Φρέσκος , Ο.Ε.∆.Β. ΑΘΗΝΑ 2004
2) https://en.wikipedia.org/wiki/Afterburner
3) http://www.ellinikos-stratos.com/aeroporia/erwtiseis_1.asp
4) www.grc.nasa.gov
5) www.pinterest.com
Όταν μαθεις και τους βαθμούς θερμοκρασίας καυσαερίων πριν και μετα στα κινητα πτερυγια της τουρμπίνας,ποσο περιπου κυμαίνονται,γραψε άλλο βιβλιο…!!!!!
ΑπάντησηΔιαγραφή