Τεχνικό άρθρο

Στη σειρά των άρθρων μας “Το τεχνικό άρθρο του μήνα” δεν παρουσιάζουμε πάντα τεχνικά θέματα – με την αυστηρή έννοια του όρου- αλλά και άλλα -γενικότερου ενδιαφέροντος- θέματα, όπως άλλους τομείς του αερομοντελισμού, πέραν των R/C (τηλεκατευθυνομένων), τρόπους και κανόνες διεξαγωγής αγώνων κλπ.  

 

Μοντελιστικές τουρμπίνες

Το (μακρυνό) όνειρο κάθε αερομοντελιστή!

 

Μέρος 1ο

 

  Λίγα λόγια για την ιστορία: 

Την δεκαετία του 1930 ένας Γερμανός φυσικός, ο Hans Joachim Pabst και ο Άγγλος πιλότος της Βρεττανικής Βασιλικής Αεροπορίας (RAF), δουλεύοντας ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, ανέπτυξαν το 1ο σύστημα ώθησης μέσω αερίων εκβαλλομένων από ακροφύσια, δηλαδή την 1η μηχανή JET.  Στις 27 Αυγούστου 1939 ο πιλότος Erich Warsitz πέταξε με το Heinkel He-178, που είχε τον 1o κινητήρα jet, τον He-S3 B. Το 1939, η Αγγλική εταιρεία Power Jets Ltd, πήρε την εντολή από την κυβέρνηση να αναπτύξει μια πτητική μηχανή JET και έτσι στις 15 Μαίου 1941 πέταξε το 1ο αεροπλάνο – το Gloster E28/39 – με τουρμπίνα τύπου W1.

 Για πολύ καιρό δεν ήταν δυνατή η κατασκευή τουρμπίνας σε “μοντελιστικό” μέγεθος. Αντίθετα απ ότι θα πίστευε κανείς, δεν είναι δυνατή η κατασκευή μοντελιστικής τουρμπίνας σμικρύνοντας υπό κλίμακα μια πραγματική. Αντίθετα με τις μοντέρνες πραγματικές τουρμπίνες ¨fan-jet” όπου μάλλον δύσκολα μπορεί κανείς να δει την βασική αρχή λειτουργίας των τουρμπίνων, η μοντελιστική τουρμπίνα βασίζεται στην θεμελιώδη αρχή λειτουργίας της “ανοιχτής τουρμπίνας”. Στο παρελθόν είχαν γίνει κάποιες προσπάθειες κατασκευής τουρμπίνων σε μοντελιστική κλίμακα, χωρίς όμως ικανοποιητικά αποτελέσματα..

 Ο πρώτος που πέταξε αερομοντέλο με μοντελιστική τουρμπίνα, ήταν ο Άγγλος Gerry Jackman, στις 20 Μαρτίου 1983.  Επίσης το 1985 ο Γάλλος Michel Serrier έφτιαξε μια μοντελιστική τουρμπίνα, χρησιμοποιώντας τον δρομέα ενός τουρμποσυμπιεστή αυτοκινήτου. Η κατασκευή του κατόπιν βελτιώθηκε και το 1991 η Γαλλική εταιρεία JPX παρουσίασε την 1η μοντελιστική –εμπορικά διαθέσιμη- τουρμπίνα.

Ένας βασικός όρος της ορολογίας των τουρμπίνων είναι το "THRUST" (ΩΘΗΣΗ) της τουρμπίνας, δηλαδή η δύναμη με την οποία η τουρμπίνα σπρώχνει το μοντέλο. Στις τουρμπίνες δεν μιλάμε συνήθως για την ιπποδύναμη της μηχανής όπως συμβαίνει στις εμβολοφόρες μηχανές.

Για να δούμε πως δουλεύει μια μοντελιστική τουρμπίνα ας εξετάσουμε το πιο κάτω σχήμα, που έχουμε δανειστεί από την NASA και αφορά την λειτουργία μιας πραγματικής τουρμπίνας. Η αρχή της λειτουργίας είναι η ίδια, τις διαφορές στην υλοποίηση θα συζητήσουμε αργότερα.

 

  Στο σχήμα        μας το Νο 1         είναι ο        συμπιεστής,         το Νο 2 ο        καυστήρας, το        Νο3 η        τουρμπίνα        και το Νο 4 το        ακροφύσιο.

 

Ας δούμε τι κάνουν τα διάφορα μέρη με τη σειρά.

Κατ αρχήν ο συμπιεστής συμπιέζει τον αέρα για να τον φέρει στον θάλαμο καύσεως με μεγάλη πίεση, έτσι ώστε η καύση του καυσίμου να είναι αποδοτική. Εάν κάψουμε στον ατμοσφαιρικό αέρα λίγη βενζίνη ή μεθανόλη ή οινόπνευμα, θα πάρει βέβαια φωτιά και θα καεί, με μια ήπια και σιγανή φλόγα, αλλά αυτού του είδους η καύση δεν είναι αποδοτική για να μας παράγει χρήσιμο έργο, μας δίνει απλώς θερμότητα. Χρειάζεται περίσσεια οξυγόνου για να έχουμε αποδοτική καύση και αυτός είναι ο λόγος που πρέπει να συμπιέσουμε τον αέρα (και το οξυγόνο) πριν τον εισάγουμε στο θάλαμο καύσης. Άλλωστε το ίδιο πράγμα γίνεται και με τις γνωστές εμβολοφόρες μηχανές μας, όπου το πιστόνι συμπιέζει το μείγμα αέρα-καυσίμου.

Όπως βλέπετε στο σχήμα, ο συμπιεστής έχει πολλά πτερύγια, ο λόγος είναι ότι οι συμπιεστές των πραγματικών τουρμπίνων έχουν πολλές βαθμίδες, είναι πολυβάθμιοι, ώστε να επιτυγχάνεται μεγάλη συμπίεση του αέρα πριν μπει στο θάλαμο καύσεως. Βέβαια δεν είναι όλα αυτά τα πτερύγια κινητά, άλλα περιστρέφονται και άλλα είναι ακίνητα.

Να πούμε εδώ επίσης ότι στις  τουρμπίνες υπάρχουν δυο ειδών συμπιεστές: Οι αξονικοί και οι φυγοκεντρικοί. Μπορούμε να φανταστούμε την λειτουργία των αξονικών παρόμοια με ενός DUCTED FAN, όπου ο αέρας επιταχύνεται αξονικά. Αντίθετα στους φυγοκεντρικούς ο αέρας επιταχύνεται και στέλνεται προς την περιφέρεια του συμπιεστού.

Οι πραγματικές τουρμπίνες χρησιμοποιούν συνήθως αξονικούς συμπιεστές (είναι και αυτός που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα της NASA) επειδή εκεί είναι εύκολη η υλοποίηση πολλών διαδοχικών βαθμίδων συμπιέσεως, αφού εκεί χρειαζόμαστε μεγαλύτερη συμπίεση.

Αντίθετα οι συμπιεστές των μοντελιστικών τουρμπίνων είναι αποκλειστικά (μέχρι τώρα) φυγοκεντρικοί και μονοβάθμιοι, καθώς οι μοντελιστικές τουρμπίνες δουλεύουν αποδοτικά και με χαμηλότερους λόγους συμπίεσης. Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής αναρροφά τον αέρα από το κέντρο και τον εκτοξεύει προς την περιφέρεια του. Μονοβάθμιοι φυγοκεντρικοί συμπιεστές είναι επίσης και οι συμπιεστές που χρησιμοποιούνται στα αυτοκίνητα, οι οποίοι μάλιστα έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετές φορές στην κατασκευή ερασιτεχνικών μοντελιστικών τουρμπίνων (ιδιοκατασκευών).

Το Νο 2 στο προηγούμενο σχήμα είναι ο θάλαμος καύσεως, που έχει δακτυλιοειδή μορφή. Εκεί εισάγεται ο συμπιεσμένος αέρας και το καύσιμο με πολύ λεπτό διαμερισμό και εξαερωμένο, ώστε να γίνει η κατά το δυνατόν καλύτερη καύση. Τα αέρια που παράγονται από την καύση εκτονώνονται βίαια προς την έξοδο της τουρμπίνας, δηλαδή προς την φτερωτή της τουρμπίνας Νο 3, το ακροφύσιο Νο 4 και τελικά την έξοδο.

Υπό την επήρεια των αερίων της καύσεως η φτερωτή της τουρμπίνας Νο 3 αναγκάζεται να περιστραφεί και να περιστρέψει έτσι τον συμπιεστή Νο 1 στην είσοδο, αφού τα δυο αυτά στοιχεία είναι σε κοινό άξονα.

 Μια ουσιώδης διαφορά από τις εμβολοφόρες μηχανές, δίχρονες ή τετράχρονες, είναι ότι στην τουρμπίνα δεν έχουμε κύκλους λειτουργίας, (δυο ή τέσσερις) η καύση του καυσίμου και η λειτουργία γίνονται με ένασυνεχή και αδιάλειπτο τρόπο.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται μια μοντελιστική τουρμπίνα με τα διάφορα συστατικά της μέρη:

 

  Βλέπουμε με      τη σειρά τα      διάφορα μέρη      της      τουρμπίνας :       Νο.1 ο      συμπιεστής,  Νο.2 ο      εξατμιστής, Νο.3       ο θάλαμος      καύσεως, Νο.4 η      τουρμπίνα, Νο.5       το ακροφύσιο      εξόδου, Νο. 6 ο      άξονας, Νο.7 το      εξωτερικό      περίβλημα, Νο.8       τα (ειδικά)       ρουλεμάν.

 

Κάναμε πολλή κουβέντα για τον συμπιεστή και το λόγο συμπίεσης, πόσος είναι αυτός τελικά;

Χαμηλότερος, πολύ χαμηλότερος απ ότι σε μια κοινή εμβολοφόρο μηχανή, όπου  κυμαίνεται συνήθως στο 8:1 με 10:1. Στις τουρμπίνες ο λόγος συμπίεσης  είναι μόνο 1.5:1 με 2:1. Θυμίζουμε και πάλι ότι συμπιέζουμε (και στις δυο περιπτώσεις) τον αέρα για να δημιουργήσουμε ένα περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο και έτσι να είναι αποδοτική η καύση της καυσίμου ύλης.

 Ένα εξάρτημα που δεν συζητήσαμε μέχρι τώρα είναι ο diffuser. Είπαμε ότι ο συμπιεστής επιταχύνει τον εισερχόμενο αέρα, αλλά χρειάζεται να τον διοχετεύσει μέσα στον diffuser, όπου λόγω της υποχρεωτικήςμείωσης της ταχύτητας, επέρχεται η απαραίτητη αύξηση της πίεσης.

 

  Στο Νο.2         φαίνεται ο        φυγοκεντρικός        συμπιεστής        της        τουρμπίνας        που αναρροφά        τον αέρα από        το κέντρο και        τον        επιταχύνει        προς την        περιφέρεια.         Στο Νο.3 είναι ο         diffuser όπου        επιτυγχάνεται        η συμπίεση        του αέρα.        

Και στο Νο.1 είναι τα        σωληνάκια εισαγωγής καυσίμου (κηροζίνης)         και προπανίου για την εκκίνηση.

 

Ο συμπιεστής με τον diffuser που τον "περιβάλλει" όπως φαίνεται και στην προηγούμενη εικόνα, είναι τα στοιχεία που καθορίζουν την εξωτερική διάμετρο της τουρμπίνας. Επειδή είναι ένα αναπόσπαστο κομμάτι μεταξύ τους και επειδή ο συνδιασμός τους επιτυγχάνει την συμπίεση του αέρα, είναι καλύτερα να αναφερόμαστε στα επόμενα στα δυο αυτά στοιχεία μαζί σαν ο συμπιεστής της τουρμπίνας.

Στις εμβολοφόρες μηχανές τα αέρια της καύσης εκτονώνονται κινώντας το πιστόνι και αυτό με την σειρά του περιστρέφει τον στρόφαλο και τον στροφαλοφόρο άξονα στον οποίο είναι προσαρμοσμένη και περιστρέφεται η έλικα του αεροπλάνου (εξαίρεση αποτελεί η μηχανή περιστρεφόμενου κυλίνδρου, βλέπε παλαιότερο άρθρο μας!). Ωστόσο ένα σημαντικό έργο δαπανάται στην υπερνίκηση των διαφόρων τριβών της μηχανής, αλλά ΚΑΙ στην προσαγωγή φρέσκου μείγματος αέρα/καυσίμου στη μηχανή.

Παρόμοια είναι τα πράγματα και στις (μοντελιστικές) τουρμπίνες. Ένα ποσοστό του παραγόμενου έργου από την καύση δαπανάται για την υπερνίκηση των διαφόρων τριβών στη μηχανή και ένα σημαντικό ποσοστό για την περιστροφή του συμπιεστού. Στην οδό διαφυγής των αερίων στην έξοδο, τοποθετούμε μια φτερωτή -την τουρμπίνα- η οποία αναγκάζεται να περιστρέφεται και να περιστρέφει με την σειρά της τον συμπιεστή, αφού έχουν κοινό άξονα.

Εδώ πάλι μπορεί να υπάρξει μια σύγχιση αφού όλη η μηχανή jet αναφέρεται σαν τουρμπίνα και η φτερωτή που μόλις αναφέραμε, ονομάζεται και αυτή τουρμπίνα. Για να μην μπερδευόμαστε, θα αναφέρουμε όλη τη μηχανή σαν τουρμπίνα και την...τουρμπίνα, σαν "φτερωτή της τουρμπίνας"! 

 

 ( Συνεχίζεται)

 

Γ. Καρασούλας

Διάφορα άρθρα

ΤΑ ΝΕΑ ΜΑΣ

ΤΕΛΟΣ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑ-ΦΙΛΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥ! (02-08-2006) Ο Υπουργός επανέλαβε ότι 1.000 από τα 5.300 στρέμματα του πρώην αεροδρομίου Ελληνικού, θα δοθούν για ήπια οικιστική ανάπτυξη και επιχειρηματική δραστηριότητα (αποκλείοντας πάντως τα κέντρα διασκέδασης) και με τα χρήματα που θα προκύψουν από την πώληση, θα χρηματοδοτηθεί η κατασκευή και συντήρηση του πάρκου...

Ειδήσεις

Οι δραστηριότητες του Ομίλου Αερομοντελιστών Καβάλας!

 

      μας      ενημερώνει ο Πρόεδρος του ΟΑΚ κ.       Δημήτρης Κατσούλης

 

Αγαπητοί φίλοι

Πολλές οι συμμετοχές στην φιλική, αγωνιστική συνάντηση της GreekWings!

Από το SITE της GREEKWINGS πληροφορούμαστε ότι ήδη υπάρχουν 20 (!) συμμετοχές για τους προγραμματισμένους αγώνες ηλεκτρικών στις 17 Απρίλη, στο μοντελοδρόμιο του HOBBY-BOX !  Μεταξύ των συμμετεχόντων είδαμε και τον κ. Γιάννη Κωσταντακάτο, Αντιπρόεδρο της Ε.Α.Α. Οι αερομοντελιστές της Αναβύσσου που εξειδικεύονται στα ηλεκτρικά , θα πρέπει να τιμήσουν με την παρουσία τους την ωραία αυτή εκδήλωση.