2 Micro Turbomotoare Aceasta lucrare nu are caracter comercial, fiind gndit ca o monografie introductiv n problematica micro turbomotoarelor. Toate lucrrile citate reprezint punctul de vedere al autorilor, reflectnd experiena acestora n domeniile care i-au consacrat. This paper does not have any commercial value, it is developped as an introduction n the speciffics of micro turbine engines. All cited papers express the viewpoint of their respective authors, reflecting their expertise n their field of work. ISBN: 978-973-0-11580-2. 3 Micro Turbomotoare Particularitile micro turbomotoarelor Exceptnd evidentele diferene de gabarit, microturbomotoarele se difereniaz de turbomotoarele clasice, de dimensiuni mari, prin debite masice mici i putere mult redusa. Importante sunt i diferenele de turaie la care opereaz acestea, n cazul microturbomotoarelor atingndu-se frecvent turaii de peste 150 00 rmp, lagrele fiind de obicei te tip hidrodinamic sau aerodinamice. De asemenea, datorita puterii la arbore pot fi utilizate transmisii neconvenionale, cum ar fi transmisiile armonice, cu factor deosebit de mare de transmisie i randamente bune similare celor atinse de reductoarele planetare n doua trepte. Materialele utilizate la turbina aparin unei game mai variate, dintre care materiale ceramice i compozite (Williams) Debitele relativ mici de aer implica posibilitatea utilizrii unor compresoare centrifugale cu factori mari de compresie i intercoolere. Ciclul termodinamic poate fi influenat prin utilizarea de recuperatoare de cldura rotoare armonice i sisteme de intercooling. Nu n ultimul rnd, posibilitatea de dispunere a motoarelor este mult mai diversa, mergnd de la integrarea acestora n aripa pentru obinerea unui efect de portanta prin suflarea aerului pe extradosul flapsurilor pana la sisteme de admisie cu suciunea stratului limit. Domeniul de aplicabilitate pn recent s-a limitat la UAV-uri i avioane RC inta nsa, pe msura ce tehnologiile se ieftinesc, exista perspectiva realizrii de micromotoare cu factor mare de dubluflux i deci cu rapoarte traciune/greutate mult mbuntite i cu un consum specific comparabil cu cel al motoarelor care echipeaz aeronave de linie. Au existat i adaptri ale microturbomotoarelor pentru industria autocamioanelor i pentru propulsia blindatelor. 4 Micro Turbomotoare 5 Micro Turbomotoare Cuprins pagTitlu 7 Aplicarea micro turbomotoarelor pentru aviaia de transport 13 Microturboreactoare - Exemple 16 Configuraii atipice de micro Turbomotoare 17 Microturbomotor cu turbocompresor ceramic i controlul activ al jocului rotorului 20 Micro Turboventilator 21 Bibliografie 22 Operarea Microturbomotoarelor 39 Bibliografie 40 Compresorul centrifugal 45 Tipuri noi constructive de compresoare centrifugale 47 Varianta de calcul pentru compresorul centrifugal 52 Turbina radiala 56 Exemplu de calcul 50 Bibliografie 61 Calculul performantelor micro turbomotoarelor 64 Turbina radiala cu stator variabil 66 Lagre cu aer 6 Micro Turbomotoare 73 Lagre magnetice 78 Calculul lagrelor hidrodinamice 85 Bibliografie 86 Turbina din materiale compozite90 Bibliografie 91 Turbina din materiale ceramice94 Bibliografie 95 Alte aplicaii ale micro-turbomotoarelor 102Wave rotor 105Bibliografie 106Instalaii de cogenerare 107Bibliografie 108Ultra Micro Turbomotoare 110Micro-turbomotorul eolian 122 Eficienta propulsiva a unui eolian dublu flux amestecat 127 Micro Statoreactoare 128 Pulsoreactoarele cu valv 130Pulsoreactoare fr valv 136Reactorul de varf de pal 137Bibliografie 7 Micro Turbomotoare Aplicarea micro turbomotoarelor pentru aviaia de transport De la sfritul anilor 50, a existat ideea utilizrii grupurilor de turbomotoare n locul versiunilor bimotor pentru a obine fie efecte de sustentaie fie de a realiza o aerodinamica mai buna a celulei de aviaie.Recent, datorita progresului tehnologiei BWB (Blended Wing Body), dar i a tehnologiilor de fabricaie a micro turbomotoarelor, preocuparea de a folosi grupuri de m MTR-uri pentru propulsia distribuita a revenit n prim plan. Pentru a putea compara configuraiile convenionale cu cele poteniale cu turbomotoare de mici dimensiuni s-a ncercat gsirea de legi pentru scalarea componentelor astfel nct pierderile de randament, de exemplu, sa poat fi modelate matematic. Variaia randamentului compresorului Este cunoscut faptul ca numrul Reynolds afecteaz randamentul politropic al mainilor cu palete. Cu alte cuvinte, pentru un compresor de dimensiuni mai mici este de ateptat o scdere a randamentului.

,= 1

,0,4 ,=

,

,1,7 Unde F=fora propulsiv P=puteream*=debitul masic normalizat Cc=constant In cazul ventilatoarelor, pierderile sunt generate preponderent de unde de soc, acestea ne fiind influenate de schimbarea dimensiunilor. Numrul Reynolds este dependent de viteza paletei, indiferent de dimensiunea compresorului8 Micro Turbomotoare Pentru randamentul turbinei a fost gsita urmtoarea relaie:

,= 1

,0,2

,=

,

,1,7 Camerele de ardere, fiind proiectate prin natura lucrurilor pentru stabilitatea flcrii, nu sunt afectate de schimbrile de dimensiunie.In concluzie, singurii parametrii de interes sunt pierderile de randament pe compresor i pe turbin, odat cu scderea dimensiunii motorului. Oportunitile oferite de propulsia distribuit sunt diverse, dintre cele mai importante amintim: ameliorarea aerodinamicii celulei de aviaie i posibilitatea ingestiei aerului din siaj pentru compresor (ceea ce mbuntete simitor randamentul propulsiv al avionului ca ansamblu). Randamentele propulsiv i termic pot fi exprimate dup cum urmeaz:

=

0

0 Reprezentnd raportul dintre puterea propulsiva utila i diferena de putere datorata trecerii fluxului de aer prin motor.

=

0

Pentru ca definiiile s aib sens, este necesar msurarea vitezelor n cmpuri de presiune egal, cu alte cuvinte n amonte de admisie i mult n aval fa de dispozitivul de evacuare. n modelul folosit au fost ignorate efectele vscozitii, deoarece acestea nu influenau prea mult energia cinetica a fluxului de evacuare la distana respectiv. Folosindu-ne de un artificiu de proiectare, n cazul motoarelor de dimensiuni mici, putem plasa dispozitivul de admisie undeva n siajul unei alte componente aparinnd avionului, astfel, pierderile aerodinamice 9 Micro Turbomotoare totale vor fi reduse, forele de frecare fiind preluate i modelate ca pierderi de presiune pe dispozitivul de admisie. In acest caz aparte, putem reformula ecuaiile randamentelor de mai sus :

=

0

=

Unde

=

22

= Lucrarea DISTRIBUTED PROPULSION AND TURBOFAN SCALE EFFECTS (Anders Lundbladh) descrie un studiu asupra diverselor configuraii poli-motor att pentru un avion lung curier cu configuraie convenionala cat i pentru un avion lung curiercu configuraie aripa zburtoare. Parametrii presupui pentru avionul clasic: #pax 250 raza Breguet: 15000km Mach M=0,85 alt: 41000 ft 54% capacitate rezervoare pline bimotor 10 Micro Turbomotoare Parametrii presupui pentru aripa zburtoare: # pax : 60, raza : 15000km, M=0,85, fl: 37000ft fig.1 estimrile costurilor pentru avion convenionali pentru configuraia aripa zburtoare 11 Micro Turbomotoare Un studiu de fezabilitate ntreprins de NASA n 2003 (NASA/TM.2003-212696) discuta avantajele, dezavantajele i perspectivele de dezvoltare ale unui avion aripa zburtoare cu propulsie distribuita integrata n aripa dintre care amintim: -construirea unei aripi cu supercirculatie -utilizarea de volei fluizi sau de flapsuri cu supercirculatie -eliminarea tuturor suprafeelor de control aerodinamice prin folosirea traciunii vectorizate i asimetrice Dintre dezavantaje, cele mai importante ar fi creterea nivelului de zgomot din structura i pericolul distrugerii palelor de ventilator n interiorul structurii aripii- ceea ce este mai grav n acest caz dect la avioanele convenionale. Ca varianta de propulsie distribuita este oferita i schema funcionala a unui turboventilator cu ventilator transversal fig.2 Sunt analizate trei configuraii de motorizare a aeronavei: GE 902 motoaremasa16700 lbtraciune 90000lbf CF 34142400 lb12700 lbf Williams FJ22 26480 lb700 lbf flaps vectorizat flaps cu efect coanda MTR MTR fuselaj ventilatorare transversale conectate prin cuplaje flexibile 12 Micro Turbomotoare De remarcat raportul traciune/greutate care la FJ22 este de 8,75 fa de 5,38 la GE90 i 5,25 la CF 34. Desigur, FJ 22 este un motor cu factor mai mic de dubluflux: 4:1 fa de CF 34 5:1 i GE 90 9:1. fig.3 De remarcat este faptul ca pentru configuraia cu ventilator transversal poate fi folosit un microturbomotor dispus de-a lungul axei acestuia pentru a evita dificultile date de cuplaje sau turbine decalate fa de axa motorului. fig.4 prima descriere a unui avion cu super circulaie i propulsie distribuita-US2946540 H. Coand. 13 Micro Turbomotoare Bibliografie: [1] US2946540 [2] Embedded Wing Propulsion Conceptual Study Hyun D. Kim and John D. Saunders Glenn Research Center, Cleveland, Ohio [3] US2991961- Rogallo et al propulsie distribuita (1950)

[4] DISTRIBUTED PROPULSION AND TURBOFAN SCALE EFFECTS Anders Lundbladh Volvo Aviation 14 Micro Turbomotoare Microturboreactoare - Exemple Aceste motoare sunt singurele aeroreactoare care au curgere radiala att n compresor cat i n turbina. fig. 5 micro reactorul Sophia J850 fig. 6 micro turbopropulsor Wren compresor centrifugal camera de ardere inelara compresor centrifugal turbina axiala elice evacuareagazelor arse reductor deturatie turbina radiala 15 Micro Turbomotoare fig. 7 turbine technologies.ltd SR-30 turbina axiala de impuls camera de ardere in contracurent in contracurent conul ajutajului compresorulcentrifugal dispozitivul de admisie admisie 16 Micro Turbomotoare fig.8 micro reactorul Wren MW54 n seciune i vedere explodata 17 Micro Turbomotoare Configuraii atipice de micro Turbomotoare In brevetul din 2002, Platts (Universitatea din California) descrie un sistem turbocompresor al crui compresor are seciunile la ieirea din rotor profilate dup forma palelor de rotor de turbina.Astfel, acesta reuete sa realizeze un turbomotor deosebit de compact (dei cu arie frontala mare). fig.9 turbomotorul descris n brevetul US6430917 18 Micro Turbomotoare Microturbomotor cu turbocompresor ceramic i controlul activ al jocului rotorului Este cunoscut dependena randamentului compresoarelor de jocul dintre nveli i palete (n cazul compresoarelor cu curgere axial) i cel dintre rotor i difuzor (n cazul celor centrifugale). Avnd n vedere dimensiunile mici ale grupurilor turbocompresoare utilizate la microturbomotoare, este de ateptat un joc proporional mai mare n cazul acestora. Brevetul US6692222 ofer o soluie tehnica pentru creterea randamentului compresorului prin controlul electronic al jocului dintre rotor i stator. fig. 11 sistemul turbogenerator electric i schema bloc de control activ al toleranei rotorului fig.10 19 Micro Turbomotoare fig. 12 schema bloc a operrii fig. 13 toleranele corelate cu turaia rotorului 20 Micro Turbomotoare fig. 14actuator electromagneticfig. 15 actuator piezoelectric fig. actuator pneumatic fig.sistem capacitiv pentru determinarea micrii arborelui 21 Micro Turbomotoare Micro Turboventilator fig. 18 US7055306 Microturbomotor cu recuperator de cldur fig. 19 US20040000148 22 Micro Turbomotoare fig. 20 US20040000148 Bibliografie [1]wren-turbines.com [2] US20040000148 [3] US7055306 [4] US6692222 [5] US6430917 23 Micro Turbomotoare Operarea Microturbomotoarelor V6.0 ECU Jetcat USA Checklist-ul la pornire: - Incrcarea bateriei pentru ECU (Electronic Control Unit) -Asigurarea unui extinctor -Verificarea conductelor de alimentare i a filtrelor pentru a nu avea obstrucii sau strangulaii -Asigurarea eliberrii ventilului rezervorului de combustibil -Asigurarea amestecului de 5% ulei kerosen -Umplerea rezervorului de combustibil rezervorul principal trebuie sa fie plin -Verificarea nchiderii valvei rezervorului de gaz pentru pornire naintea alimentarii acestuia -Pornirea instalaie de comanda -Pornirea instalaiei turbina de gaz Check-listul la oprire: -Se imobilizeaz vehiculul i se ntrerupe funcionarea ITG-ului - Dup ncheierea procesului de rcire, sistemul de comanda este nchis -Intr-o zona asigurata, se golete rezervorul de gaz pentru pornire. Sistemul de alimentare: Combustibilul poate fi Jet-A1, n amestec 5% cu ulei sintetic pentru turbine n conformitate cu standardul MS23699. La instalarea conductelor de alimentare cu niple, se nclzete tubulatura naintea conectrii. La conectarea cu tuburi metalice, se siguranteaza jonciunea printr-o sarma de sigurantare. Pentru nlturarea niplelor de pe tubulatura, tubulatura trebuie tiata. Pentru inserarea tubulaturii n sistemul de eliberare rapida Festo, se aplica presiune pana la inzavorarea tubului; pentru eliberare tragei apsnd inelul frontal. 24 Micro Turbomotoare fig. 21 Sistemul de alimentare al Jet Cat tubulatura are diametrul de 4 mm Utilizarea sistemului de pornire cu gaz: Gazul de pornire este un amestec propan/butan 60/40%, amestecul se face deoarece presiunea propanului cu puritate 100% este prea mare i ar conduce la ruperea tubulaturii. 25 Micro Turbomotoare fig.22 26 Micro Turbomotoare valva de kerosen (stnga) i cea de propan (dreapta) fig.23 27 Micro Turbomotoare Instalarea bujiei prin incandescen Bujia este instalata pe motor cu o aiba, se va evita asamblarea prea strnsa deoarece aceasta ar putea conduce la deteriorarea bucei, pe de alta parte asamblarea mai slaba este acceptabila deoarece nu exista vibraii care sa defileteze bujia. Construcia bujiei este modificata astfel nct dou elemente depesc partea inferioara a acesteia, operaiunea de ridicare a elementelor se face cu ajutorul unui ac. naintea instalrii se va verifica funcionarea la regim incandescent a bujiei la valoarea de 2,6-2,7 V. fig. 24 Procedura de pornire: - Dup completarea check-listului de pornire se trece la: -Se asigura ca nu exista reziduuri de combustibil n MTR -Electromotorul nvrte rotorul turbinei la 2500-3500 rpm -Bujia devine incandescenta i propanul este eliberat n camera de ardere - Turaia turbinei scade ca urmare a ntreruperii funcionarii electromotorului n perioada de aprindere, n cazul n care aprinderea nu se produce, ECU-ul va ncerca nc de dou ori n mod automat pornirea 28 Micro Turbomotoare motorului, daca intr-un interval de 30s nu se realizeaz, pornirea este ntrerupta automat. -In momentul aprinderii, LED-ul standby este aprins iar electromotorul este repornit pentru a creste rapid turaia la 5000 rpm, pompa de kerosen pornete iar ledul pump running se aprinde - Turaia turbinei creste progresiv pana la turaia de stabilitate. Cnd turaia turbinei depete turaia de relanti, electromotorul este decuplat iar ledul standby se stinge -Pe msura ce turaia creste ctre 55000, se va stabiliza pentru o perioada scurta nainte de a cobora din nou ctre turaia de relanti. Pentru ntreruperea funcionrii turbomotorului exist dou metode: 1.Manual off n care turbomotorul se oprete instantaneu Comandata fie prin poziionarea a trei ntreruptoare AUX pe off fie prin poziionarea manetei de gaze i trimerul pe poziia minima 2.Auto-off modul normal de oprire Turbina se stabilizeaz n jurul valorii de 55000 rpm pentru un interval de 6 secunde naintea stingerii. Aceasta turaie ofer posibilitatea operrii la viteza optima pentru a obine o rcire corecta a turbinei. Modul Auto-off poate fi decuplat n orice moment prin plasarea unui ntreruptor AUX pe start/standby naintea opririi totale a turbinei. 29 Micro Turbomotoare Probleme frecvent ntlnite: problemacauza Procesul de pornire este ratat-turbina este prea fierbinte/ procesul de rcire este incomplete -bateria descrcata sau greit conectata -bujia este defecta -cablul triconector pentru starter i bujie este deconectat ECU-ul nu urmrete instruciunile de la maneta de gaze -programul radiocomenzii este defect Apare aprinderea ns startul este ntrerupt -aer n conductele de alimentare -pompa de kerosen nu funcioneaz -rezervorul de propan este aproape gol Electromotorul alunec sau face zgomot -praf sau sedimente de ulei n inelul de etanare al compresorului EGT-ul d citiri false de temperatura sau rpm -antena transmitorului prea aproape de UAV 30 Micro Turbomotoare Jet Cat SPH5-turboshaft i turboprop fig. 25 versiunea turboprop a aceluiai MTR cu reductor planetar ventilator senzor de turatie reductorevacuareturbomotor31 Micro Turbomotoare fig.26 valva de propan conectori pentru Rx valva kerosen pompa de combustibil 32 Micro Turbomotoare fig.27 kerosen de la pompa de combustibil reductor/filtru conector lubrifiant pentru reductor senzor temperatura i rpm petru ECU ECU - bujie incandescenta i starter admisie propan admisie kerosen 33 Micro Turbomotoare fig.28 admisie kerosen lubrifiere pentru reductor conducta la cel putin 5cm fade motor/evacuare astfel incat sa nu atinga piesele fierbinti conector n T iesire aer comprimat utilizare tub teflon filtru conector Y combustibil de la pompa conducta de propan 34 Micro Turbomotoare fig. 29 montarea microturbomotorului n versiunea turboprop pe sasiu 35 Micro Turbomotoare Starterul motorului US6216440 fig. 30 vedere explodat n sectiune cu starterul MTR-ului SPH5 fig. 31 poziionarea starterului pe motor 36 Micro Turbomotoare Graupner G-booster Descrierea motorului: fig. 32 37 Micro Turbomotoare fig. 33 planul de instalare 38 Micro Turbomotoare fig.34zona de sigurana Wren 44 Turboprop Parametrii tehnici: Practical propeller RPM range -1200-9,000 (turbine speed 55,000 195,000rpm) Max power - 5.62KW (7.5hp) @ 6300rpm Max torque - 8.52Nm @ 6300 rpm Max thrust 167N (37-1/2lb) @ 7110rpm,MENZ-S 610x205mm (24x 8)] Diameter - 86mm (3-3/8) body, 110mm (4-21/64) firewall mounting. Length - 326mm (12-13/16) to prop driver, + propshaft length 40mm (1-9/16) Overall width over exhausts - 250mm (10) Bulkhead mounting to prop driver plate 160mm (6.3) Propshaft diameter - 8mm (5/16), thread - M8x1 Equivalent gasoline engine approx 75cc (4.6cu.in) EGT 450c (idle) to 510c (max power) Fuel consumption idle 29ml(1 fl oz)/min, 165ml (5.6fl oz)/min @ full power. Recommended fuel tank - 950-1500ml (32-50fl oz) Typical flight-time 8-12mins. 39 Micro Turbomotoare Elice potrivite: 2-blades - 430x305mm(17x 12) to 610x305mm(24x 12) 3-blades - 430x305(17x 12) to 560x305mm(22x 12) 4-blades - 430x305(17x 12) to 535x304mm(21x 12) fig. 35 gabaritul motorului 40 Micro Turbomotoare Bibliografie montare i instalare micromotoare [1] JetCat 6V Kerosene Start system [2] Graupner G-booster-manual de instalare [3] V6.0 ECU Jetcat USA-manual de instalare [4] Jet Cat SPH5-turboshaft manual de instalare [5] Jet Cat SPH5-turboprop-manual de instalare [6] Wren 44 Turboprop-manual de instalare [7] US6216440 41 Micro Turbomotoare Compresorul centrifugal Compresoarele de tip centrifugal sunt aproape omniprezente n micro turbomotoare, fiind cu mult mai convenabile, avnd n vedere dimensiunile motorului, deoarece ofer un raport mare de compresie intr-un spaiu relativ mic. Aceste avantaje sunt adesea ntlnite inclusiv la turbomotoare de dimensiuni mai mari cum ar fi PW100 care echipeaz ATR-ul sau PW207. Dei de multe ori microturbomotoarele sunt asociate grupurilor turbocompresoare folosite n industria auto, exista diferene majore intre modalitatea de preluare a aerului de la compresor, n special prin aceea ca, n multe turbosuflante auto nu exista stator, ceea ce la motoarele de aviaie ar conduce la pierderi semnificative de randament. Din acest punct de vedere, micro MTR-urile sunt mai degrab nrudite cu primele modele de motoare turboreactoare (Derwent, Nene, et c.) Pentru dimensionarea compresoarelor pot fi utilizate urmtoarele reguli generice : Puterea necesara compresorului:

= (

)1000 vitezele de turbionare sunt componentele vitezei absolute care sunt perpendiculare pe direciile axiala i radiala O alta expresie, mai generica ar fi:

=

(32) unde: 32 =

2

2 (3

21

1) 42 Micro Turbomotoare unde:

2 =

3 2

32 Modelarea palelor de rotor: Modelul clasic de rotor are palele drepte, pe direcii radiale nsa pentru obinerea unui randament superior acestea pot fi curbate n contra sensului de rotaie (backsweeping). fig. 36 triunghiurile de viteza cu i fr backsweeping Factorul de alunecare:

=

/

viteza absoluta viteza fade stator componenta vorticulara componenta vorticulara redusa de forma paletei viteza absoluta viteza relativafade stator pentrucompresoareradiale, raportuldintreviteza turbionalaiceaabsolutase numeste factor de alunecare 43 Micro Turbomotoare formula empirica Stanitz:

= 1 0,63 Curbarea palelor de rotor reduce n mod simitor numrul Mach la ieirea din acesta, prin urmare creste randamentul compresorului reducnd i pierderile de presiune din spaiul dintre stator i rotor. Ca neajuns, raportul de presiune pe treapta este mai mic dect la compresoarele cu pale radiale, comparnd rotoare cu diametre egale. Unghiul optim recomandat este n jurul valorii de 40 Randamentul politropic este recomandabil a fi corelat cu parametrul viteza specifica, definit :

= 0.1047 2 10131.2

2[

10,718 2(32)]0.75 unde : n este turaia n rpm fig.3744 Micro Turbomotoare Raportul de compresie:

= 1 + (2

2

)

2

1 pentru rotoare cu pale drepte:

=

pentru rotoare cu pale curbate

=

+2 + 42 unde: = 1 + (

/(

))2 =

+

= 21 + (

)2 + = 21 + (

)2 Efectul tolerantei (F_t) dintre rotor i stator asupra randamentului compresorului: = (0,48

+ 0,02)

45 Micro Turbomotoare Cavitaia Compresoarele centrifugale au o gama de funcionare mai mare dect cele axiale, fiind mai puin predispuse pompajului n special datorita faptului ca nu opereaz n multe trepte succesive. n cazul compresoarelor axiale, necorelarea turaiei cu debitul masic intre trepte este un factor care genereaz cavitaie. fig.38 Aspecte limitative: Raport de compresie maxim pe treapta: 9:1 Raport de compresie maxim pe doua trepte 15:1 (considernd ambele trepte antrenate de acelai arbore, este evident ca una dintre ele va fi operata la o turaie diferita de cea optima de funcionare) Debite masice pentru motoare de aviaie >1,5kg/s Pentru turbopropulsoare i turboshaft-uri, deoarece viteza vehiculului este mai mica, se pot utiliza compresoare centrifugale i pentru debite de pana la 10kg/s 46 Micro Turbomotoare Tipuri noi constructive de compresoare centrifugale fig.39 Rotor n tandem ref [4] i creterea randamentului fa de un rotor convenional centrifugal 0,50,550,60,650,70,750,80,850,90,9510,0006 0,00065 0,0007 0,00075qqeta - qN47 Micro Turbomotoare fig. 40 compresor semi-diagonal APU TS-21 fig. 41 compresor hibrid axial-radial conform US4428715 48 Micro Turbomotoare Variant de calcul pentru compresorul centrifugal Parametrii de intrare: Factorul de putere :P_f numrul de pale:n Turaia N raportul presiunilor totale: p03p01 diametrul la vrf al ochiului d_t[m] diametrul la baza al ochiuluid_r[m] debitul masic de aer [kg/s] temperatura totala la admisieT_01[K] randamentul izentropic

unghiul de curbura al statoruluiB[rad] Constante: k= exponentul adiabatic R=287 J/kmolK c_p=1,005 * 10^3 J/kgK (k-1)/k k/(k-1) Calculul diametrului rotorului echivalentul termic al lucrului mecanic necesar:

0301=

01

03

01

1

1 factorul de alunecare: = 1 0.63

49 Micro Turbomotoare viteza periferica necesara pentru creterea temperaturii frnate: =

(0301) diametrul =

Puterea necesara pentru antrenarea compresorului: =

(0301) Aria inelului de cerc constituit de ochiul rotorului:

1 =

2

2

4 Presupunem viteza de admisie:

1 Iterativ calculam:

1 = 01

122

1 =

01

01

1

1

1 =

1

1 viteza de admisie pentru verificare iterativa este:

1 =

1

1 50 Micro Turbomotoare Viteza periferica a rotorului la vrf este:

=

Viteza periferica a rotorului la baza este:

=

unghiul la vrf:

=

1

unghiul la baza

=

1

Se alege viteza radiala la vrf, 2 viteza tangeniala la vrf:

2 =

22= 22+ 22 de unde rezulta C_2, viteza absoluta la vrf Echivalentul termic al lucrului mecanic :

222

Presupunem ca jumtate din pierderile totale au loc n rotor:

= 1 0.5(1

):

02

01 = 1 +

0301

01

1

02= 03 51 Micro Turbomotoare temperatura statica la vrful rotorului

2 = 02

222

2/02=

2

02

1

2

01 =

2

02

02

01 Presiunea statica la vrful rotorului

2 =

2

01 01 densitatea statica la vrful rotorului

2 =

2 2 calculul ariei seciunii la vrf

2 =

2

2 adncimea canalului rotorului: =

2 viteza locala a sunetului

2 = 2 numrul Mach

2 = 2/2 52 Micro Turbomotoare Calculul vitezelor pentru stator curbat unghiul n radiani: B viteza radiala:

2 = 2 viteza tangeniala la vrf:

2 = 22 () viteza absoluta la vrf

2 = (22+22) 53 Micro Turbomotoare Turbina radial Turbinele cu curgere radiala ofer un grad mult mai mare de destindere pe treapta dect turbinele cu curgere axiala. Spre deosebire de cele axiale, gazele de ardere intra n rotorul turbinei dintr-o direcie radiala, schimbndu-i apoi direcia de curgere ctre una axiala, cednd lucru mecanic ctre arborele turbinei. fig. Puterea turbinei:

= (

)1000 54 Micro Turbomotoare Viteza specifica (mrime adimensionala)

= 0.1047 5 10131.2

5[

10,718 4(4 5)]0.75 fig. 43 randamentul izentropic al turbinei radiale n funcie de viteza specifica fig. 44 dependenta de viteza specifica a geometriei rotorului viteza specifica 0,25 viteza specifica 1,2 55 Micro Turbomotoare Reguli generice de dimensionare: Numrul Mach la admisie: Pentru a minimiza pierderile de presiune din amonte i pentru a ne asigura ca fluidul va fi accelerat pe toata suprafaa statorului, numrul Mach va trebui limitat la 0,2M Viteza de rotaie: Se va tine cont de viteza specifica pentru optimizare, dar i de turaia la care se dorete a fi utilizat lucrul mecanic provenit de la arborele turbinei (in cazul mono-rotor) Raportul de destindere, numrul de trepte: Raportul maxim de destindere este de 8:1 (pentru un randament rezonabil). De obicei nu se nseriaz doua trepte radiale din pricina complicaiilor conductelor inter-turbina, mult mai des ntlnita i mai practic- este configuraia cu turbogeneratorul cu turbina radiala i turbina libera axiala. Viteza diametrala i diametrul rotorului: Viteza diametrala se determina cu ecuaia:

2= 45

4

4(1 (4

5)1

) de unde rezulta diametrul final al rotorului 56 Micro Turbomotoare Inlimea statorului Pentru a evita pierderile excesive prin frecare, se recomanda raportul dintre nlimea statorului i diametrul rotorului s nu scad sub 0,04. Parametrul de lungime al rotorului:

=

(

+ )/2 fig. 46 57 Micro Turbomotoare Viteza periferic a rotorului Se recomand meninerea sub valoarea de 600m/s nsa, n cazul rotoarelor festonate se pot atinge viteze de pana la 800m/s fig.47 Rotor festonat US5061154 Allied Signal; palele sunt turnate cu structura de monocristal iar corpul rotorului este policristalin Numrul Mach la ieirea din rotor: recomandabil M0,3 fr a depi M0,55 Exemplu de calcul: date intrare: T intrare=1300k p intrare=450kPa debit masic=1,5 kg/s raport de destindere=1,7 condiiile la ieire sunt (presupunnd randamentul eta4~88%):

45 = 4 41 1

4

51

58 Micro Turbomotoare 1300

= 1300 0.88 1 11,713,5

= 1139

= 4501,7= 265 impunem turaia i determinam randamentul: fig.48 din graficul de mai sus reiese ca la turaie statica, randamentul maxim este la viteza specifica de 0,6 aplicam

= 0.1047 510131 .2

5[

10,7184(45)]0.75=> 59 Micro Turbomotoare 0,6 = 0,1047

1,5 1139 10131,2265000

1150 10,7181300 11390,88

0,75 N=41270 rpm Aadar din grafic, randamentul izentropic ar fi de 90,5% nsa recomandarea este de a scdea 2% din acetia pentru sigurana (deoarece calculul este doar unul preliminar) deci rezultatul ar fi 88,5 aceasta valorare va fi re-iterata pana la obinerea unei diferene de aproximare dorita geometria rotorului turbinei: consideram stator radial i fr rotaie la ieire

2= 45

4

4(1 (4

5)1

) U_vrf=431 m/s R_vrf=431/(41 270 * 2 * PI/60) 60 Micro Turbomotoare Geometria rotorului la ieire din graficul de jos determinam raportul dintre nlimea statorului i diametrul la intrare al rotorului n funcie de viteza specifica aleasa de 0,6 fig.49 astfel, R_vrf ieire=0,07m alegem #M=0,3M deci Q=19.3834 19,3834 = 1,5 1300 265 A=0,016 m2 0,016 = 0,072

2 R_bazaiesire=negativ aadar numrul mach ales este prea mic, reiteram cu M=0,4 61 Micro Turbomotoare ceea ce da: R_ieire=0,021 ceea ce nseamn un raport de diametre intrare-ieire de 0,3 din fig.1, unghiul statorului este de ~72, din fig.2, rezulta un raport de 0,9 pentru viteza specifica de 0,6 deci nlimea staotrului este de ~ 0,018 m Impunem raportul dintre diametrul rotorului i cel al spaiului liber de 1,10 (recomandat generic pentru evitarea interaciunii cu statorul) i cel al statorului de 1,45 (se determina ntre 1,35 i 1,45 itereativ) astfel avem: R_iesire stator=1.1*0.1=0.11m R_intrare stator=1.45*0.11=0,16m Bibliografie: [1] Gas Turbine Performance Second Edition Paul Fletcher Philip P. Walsh [Rolls Royce] [2] US5061154 [3] US20060039791 [4] First Stage of the Centrifugal Compressor Design with Tandem Rotor Blades Daniel Hanus, Tom ensk Jaromr Neveeal, Vojtch Hork [5] /www.technologie-entwicklung APU-TS21 62 Micro Turbomotoare Calculul performanelor micro turbomotoarelor date de intrare -raportul de compresie -temperatura de intrare n turbina -randamentul izentropic al compresorului

-randamentul izentropic al turbinei

-randamentul izentropic al admisiei

-randamentul izentropic al ajutajului de reacie

-randamentul transmisiei mecanice

-randamentul arderii

-factorul de pierdere de presiune n camera de ardere

-viteza aerian -presiunea atmosferic

-temperatura atmosferic

-necesarul de traciune F Valori calculate: Valorile frnate dup admisie

22

01 =

+

22

01=

(1 +

22

1 La ieirea din compresor

02=

02

01 01

0201= 01/

02

01

1

1 63 Micro Turbomotoare deoarece prin definiie avem:

=

/

0304=

0201

03 = 021

02

04= 031

0304

04= 03

04

03

1 raportul presiunilor la ieirea din ajutaj:

04

presiunea critica este:

4

=11 1

1 + 1

1 daca este ntrunita condiia de mai sus, avem:

5= 2 + 1 04

5= 04

1

04

64 Micro Turbomotoare

5 =

5 =

0.5=5 = 0.5

5

=1

5

5

= (5

) + (5/)(

) =

daca nu sunt satisfcute condiiile pentru ajutaj supersonic avem:

045 =

04

1

1

04

1

5 = 04045

5 =

5 =

5 5

5 = 2

045

0.5

5 = (5)^0.5

5

=1

5

5

= (5

) + (5/)(5

) =

65 Micro Turbomotoare Turbina radial cu stator variabil Turbinele radiale utilizate n instalaii de cogenerare i la turbocompresoarele pentru motoarele cu piston pot avea un stator variabil, pentru a le optimiza operarea n game variate de turaii. Exista diverse metode pentru a varia poziia statorului nsa, ca regula generala, acesta este alctuit dintr-o serie de palete montate prin intermediul unui mecanism biela-manivela pe un inel-unison care , fiind rotit prin intermediul unui piston, rotete paletele de stator. In practica se ntlnesc variante constructive cu acionare pneumatica sau electrica, avantajul acionarii electrice fiind viteza de reacie sporita. fig. 50 US2770943 Garret Corp. 66 Micro Turbomotoare fig. 51 Imagini din acelai brevet cu inelul unison, mecanismul de acionare i paletele pivotante 67 Micro Turbomotoare Lagre cu aer Avantajele utilizrii lagrelor cu aer au fost identificate nc din anii60 nsa punerea la punct a unui asemenea lagr pentru utilizarea la motoare turboreactoare de dimensiuni mari s-a dovedit destul de problematica.Punctele forte ale unui lagr cu aer sunt turaiile mari la care se preteaz, durabilitatea n condiii grele de mediu (fiind practic invulnerabile la particule de praf), uurin n exploatare deoarece nu necesita uleiuri i nu n ultimul rnd gama de temperaturi destul de larga n care poate opera. n plus, datorita construciei sale, n eventualitatea defectrii unui asemenea lagr, pagubele produse s-ar limita strict la suprafeele sale (i eventual ale arborelui). Lagrele cu aer folosesc o pelicula de gaz pentru a menine la distanta (fie i una foarte mica) alezajul de arbore. La prima generaie de asemenea lagre pierderile presiune cauzate de scurgerea aerului din interiorul lagrului erau compensate prin compresoare de aer. ncepnd cu cea de-a doua generaie nsa micarea de revoluie a arborelui este utilizata pentru a crea un efect de suciune asupra aerului, astfel compensnd complet pierderile de presiune. Pentru a spori eficienta lagrului, folia-arc are o forma de aa natura nct ngreuneaz trecerea gazului prevenind astfel o depresurizare rapida. fig.52 lagr cu gaz n seciune 68 Micro Turbomotoare Exista doua clase de lagre radiale cu gaz. Dintre cele doua, doar cel compus din doua folii a fost dezvoltat ulterior deoarece conceptul permitea o optimizare n mai multe direcii. fig.53 model abandonat de lagr cu gaz Folia-arc utilizata n lagrele cu gaz de prima generatei avea pliurile egal distanate. fig.54 69 Micro Turbomotoare Generaia a doua aduce o optimizare printr-un control mai bun al elasticitii foliei-arc. Aceasta elasticitate este controlata prin varierea parametrilor protuberantelor. fig.55 lagr cu gaz din generaia a doua fig.56 folie-arc cu protuberante de dimensiuni variate (generaia II) 70 Micro Turbomotoare Cea de-a treia generaie are o geometrie variata att de-a lungul circumferinei cat i pe direcie axiala fapt care-i confer o mai buna funcionare la o gama mai mare de turaii i sarcini. fig.57 folia-arc a unui lagr cu gaz de generaia a treia. 71 Micro Turbomotoare fig.58 lagr cu aer conform brevetului US7056025 fig.59 lagr cu aer conform brevetului US6024491 72 Micro Turbomotoare fig.60 lagre axiale cu aer fig.61 lagre axiale cu folie-arc dubla (optimizare) Deoarece prin natura lucrurilor piesele lagrului ntra n contact cu arborele n momentul pornirii/opririi muscarii de rotaie, este nevoie de acoperirea foliei superioare cu anumite straturi protectoare. 73 Micro Turbomotoare Straturi protectoare pentru folia superioar: BN/Pt, BN/PdBN/PtBN/SiO2, BN/ZrO2 BN/Ni-Cr,ZrO2/Ni-CrBN/NiCr2O3TiCA12O3TinTribaloy-400 Pentru arbore: NASA PS212KAMAN DESTiAlN/TiA1 fig.62 lagr axial cu aer WC-9CoCr2O3-4OCr n martie 2004 NASA Glenn Research Center a naintat un raport despre studiul folosirii de Cu-4Al pentru acoperirea cu un strat tribologic al componentelor lagrelor cu aer. Studiul a fost ntreprins la temperatura de 25C i de 650C i a investigat doua metode de depunere : prin difuzie ionica i prin depunere catodica cu arc electric. Concluziile studiului au fost ca prin metoda difuziei ionice se pot obine suprafee de pana la 7 ori mai puin rugoase dect prin depunerea catodica, astfel aceasta metoda deschide noi perspective n ceea ce privete fiabilitatea lagrelor cu aer. 74 Micro Turbomotoare fig.63 (stnga) straturi de Cu-4Al depuse prin difuziune ionica pe un substrat de nichel; (dreapta) un strat de Cu-4Al depus pe un substrat de nichel prin depunere catodica Lagre magnetice Lagrele magnetice reprezint din punct de vedere aplicativ o adevrata piatra de hotar n ceea ce privete eficientizarea mainilor mecanice. Deoarece funcioneaz pe principiul levitaiei magnetice, lagrele acestea nu implica nici un fel de contact ntre arbore i alezaj spre deosebire de lagrele cu aer care au n mica msura un contact oarecare. Cu toate ca au avantajul clar al lipsei de contact i deci a lipsei uzurii- lagrele magnetice sunt consumatoare de energie. Aceasta deoarece este nevoie de electromagnei puternici pentru a putea susine greutatea arborilor turbomainilor (mai ales n momentul n care din cauza manevrelor se ating acceleraii de peste 1G). Un alt motiv este necesitatea ajustrii permanente a intensitii cmpului magnetic pentru a compensa eventualele tendine de vibraie cauzate de imperfeciunile de echilibrare ale rotoarelor (sau n cazul coliziunilor cu pasri). Un avantaj ascuns al lagrelor magnetice este acela ca ele pot funciona ca un electromotor pentru a porni direct motoarele principale (fr a mai avea nevoie de un APU)- soluie propusa de Rolls Royce. 75 Micro Turbomotoare fig.64 lagre magnetice produse de Waukesha fig.65 un lagr magnetic pentru arborele de 160 mm al unei instalaii turbina de gaz. 76 Micro Turbomotoare Deoarece la oprirea motoarelor temperatura lagrelor poate ajunge pn la 250C, n mod convenional este nevoie de un flux de ulei pentru a realiza rcirea. n cazul lagrului prezentat mai sus, deoarece materialele folosite sunt ceramice, un asemenea flux nu mai este necesar. Mai mult, deoarece nu mai exist riscuri n cazul ntreruperii fluxului de rcire, lagrele nu mai au nevoie de o dublur (redundant). fig.66 lagre magnetice axiale cu sistem de lubrifiere fig.67 lagre magnetice active (generaia III) NASA realizate de AVCON 77 Micro Turbomotoare fig.68 lagre magnetice active Synchrony Inc fig.69 turbocompresor General Electric cu lagre magnetice cu magnei permaneni 78 Micro Turbomotoare fig.70 dependenta de distanta a forei magnetice a unui magnet cu masa de 14 grame Datorit variaiei rapide a forei magnetice n funcie de distan, un lagr magnetic funcioneaz n parte i ca un lagr cu aer. Singura diferena este n modul de realizare a susinerii arborelui n faza de oprire/pornire.Din nefericire exist i neajunsuri ale utilizrii magneilor permaneni n lagre de turbomotoare. La temperaturi ncepnd cu 80 C unii magnei ncep s-si piard din fora magnetic iar la temperatura de 200 C orice magnet convenional i pierde complet proprietile magnetice. Pentru aplicaii care solicit temperaturi mari se recomand n general magneii pe baz de neodimiu i samariu-cobalt (magneii din neodimiu cu fier-bor sunt mai puin recomandai). Mai mult, magneii sunt supui unui proces natural de demagnetizare, cu toate acestea, magneii din neodimiu sunt mai puin afectai de trecerea timpului. 79 Micro Turbomotoare Calculul lagarelor hidrodinamice Zonele de lubrifiere ale lagrelor hidrodinamice pot fi mprite n trei: Zona de lubrifiere la frontier unde se realizeaz contactul dintre lagr i fus Zona de lubrifiere intermitent cu pelicul-unde contactul este intermitent Zona de lubrifiere hidrodinamic- unde se formeaz pelicula hidrodinamic sub interaciunea fusului cu fluidul. fig.71 Coeficientul de frecare n funcie de parametrul lagrului, P =

unde =vscozitatea dinamican=turaia p=presiunea Lubrifierea la frontier Zona de lubrifiere intermitent Zona de lubrifiere hidrodinamic 80 Micro Turbomotoare Lubrifierea hidrodinamica este denumita i lubrifiere stabila. Aceasta deoarece exista un mecanism de auto-termo-reglare datorat frecrilor din filmul de ulei. Mecanismul de autoreglare este urmtorul: 1.Datorita frecrilor, temperatura uleiului creste scznd vscozitatea 2.Datorita vascozitatii sczute, frecrile din lagr devin mai mici, prin urmare lucrul mecanic transformat n cldura scade3.Temperatura uleiului scade ca urmare a disipaiei termice 4.Vascozitatea uleiului creste genernd frecri care vor re-nclzi pelicula de ulei, relund astfel ciclul. Zona de lubrifiere intermitenta este instabila, n sensul ca o cretere de temperatura n masa fluidului va conduce la creterea suplimentara. Fluide Newtoniene: Un fluid newtonian are urmtoarea relaie dintre deformarea transversala i efortul de forfecare: =

Vscozitatea dinamica: = /

fig.72 81 Micro Turbomotoare La rotirea n contact uscat, hertzian, tendina fusului va fi de a se urca pe peretele interior al lagrului, n cazul n care este introdus ulei, aceasta tendina sub influenta vascozitatii fluidului- va conduce la antrenarea acestuia i la crearea unei pelicule portante. n esena, fusul n lagr acioneaz ca o pompa pentru fluidul de lubrifiere. fig.73 uscatlubrifiat linia centrelor cuzinet toleranta radiala fus 82 Micro Turbomotoare In modelarea matematica a peliculei portante sunt considerate urmatoarele conventii: 1.Lubrifiantul este un fluid newtonian 2.Fortele de inertie din interiorul fluidului sunt neglijabile 3.Fluidul este incompresibil 4.Vascozitatea este constanta 5.Gradientul de presiune n lungul fusului este nul 6.Grosimea peliculei este mult mai mica decat diametrul fusului fig. 74 Din teoria stratului limita, pe directia y, gradientul de presiune este constant cuzinet cuzinetfus fus n rotatie flux de ulei 83 Micro Turbomotoare Ecuatia impulsului:

= 0 = +

+ +

=

de unde rezulta =

conducnd la

=

2

2 Care este ecuaia impulsului n x. Soluia generala:

2

2 = 1

= 1

+1() =12

2+1 +2() Condiiile la limita: y=0; u=0; y=h(x); u=-U De unde deduce ca

2 = 0 84 Micro Turbomotoare si

1 =

()()2

de unde deducem: =12

2

() h(x) i dp/dx sunt nc necunoscute Debitul masic: = ()0 = 12

2

() ()0 =

3()12

()2 Conservarea masei impune:

= 0 aadar

3()12

2()

= 0 Ecuaia Reynolds

3()12

= 6()

85 Micro Turbomotoare relaia h(x) =

unde

este toleranta lateral =

(1 + )

=

(1 )

=

(1 ) =

1 + 2

Soluia Sommerfeld: In 1904, A.Sommerfeld a descris o soluie pentru un arbore cu lungime foarte mare, caz n care nu apare curgere axiala. =

2

6 (2 + 2 +2(1 + ) +0 0 unde p=presiunea r=raza fusului =parametrul de proiectare Soluia lui Ocvirk (1955) Soluia Ocvirk se aplica n cazul cuzineilor cu lungime finita, permind un debit de lubrifiant pe direcia longitudinala,z , dar i pe direcia axiala x. ecuaia de baza

3()

3()

= 6()

86 Micro Turbomotoare Ocvirk neglijeaz primul termen deoarece acesta este mult mai mic dect fluxul axial =

2

442

3 1 + 3 0 fig.75 Bibliografie: [1] US7056025 [2]Hydrodynamic Bearings - Theory-Martin University of Tennessee lect.25 [3]supermagnete.com [4] US6024491 [5] Synchrony Inc [6] Avcon[7] Waukesha Solutia Sommerfeld Solutia Ocvirk unghiul n jurul cuzinetului ( grade) 87 Micro Turbomotoare Turbina din materiale compozite Inc din anii 80 a fost posibila utilizarea materialelor compozite pentru fabricarea turbinelor, Williams International realiznd un blisk de turbina de joasa presiune. Brevetul US4465434 descrie problematica proiectrii unui asemenea disc de turbina, aceasta nefiind neaprat legata de temperatura de operare cat de dispunerea straturilor de fibra de carbon astfel nct acestea s poat prelua att tensiunile care apar pe suprafeele paletelor cat i ncrcrile date de rotor. Sunt cunoscute aplicaii ale structurilor compozite carbon amorf-fibra de carbon pentru scuturi termice precum i aplicaii ale materialelor compozite pentru rotoare paletate. Combinarea acestor doua funcii : aerodinamice i termo-mecanice reprezint adevratul obiect al inveniei, aceasta descriind o metodologie de fabricaie fig. 76 dispunerea straturilor de material compozit n interiorul rotorului de turbina radiala 88 Micro Turbomotoare fig. 77 treapta de joasa presiune a unei turbine cu curgere axiala,Williams din materiale compozite 89 Micro Turbomotoare Domeniul de aplicabilitate al turbinelor din materiale compozite de tipul carbon-carbon, n care filamentele de carbon sunt prinse intr-o matrice pe baza de grafit, este relativ restrns.O aplicaie comuna este la turbomotoarele rachetelor de croaziera care, fiind de dimensiuni mici nu permit pale cu sistem de rcire, n plus, deoarece durata de viaa a turbomotorului este oricum foarte mica (i.e. se poate executa un singur zbor, de regula scurt), este irelevant faptul ca integritatea paletelor este relativ efemera, principala preocupare fiind rezistenta la fora centrifuga i la solicitrile gazodinamice. fig. 78 turbina descrisa de US4363602, pliurile unidirecionale 62 sunt decalate intre ele la unghiul u=360/nr pale fig.. 79 dispunerea discurilor de rigidizare i a fibrelor din acestea US4363602 90 Micro Turbomotoare Brevetul US5222866 descrie un mod de proiectare al unui blisk de turbina din materiale compozite, innd seama de ncrcrile radiale i circumfereniare pe care diversele componente ale acestuia trebuie sa le suporte. Ca inovaie este folosit un strat de forma elicoidala pentru rigidizarea ntregului disc. fig.80 graficul tensiunilor Radialefig. densitatea de fibre i Circumfereniare pe componentele bliskului Radiale Circumfereniare pe n funcie de poziia radialacomponente 91 Micro Turbomotoare Bibliografie: [1] US4676722 [2] US5222866 [3] US4363602 [4] US4465434 [5] US4808076 [6] US4747900 [7] US4867644 [8] US6029347 92 Micro Turbomotoare Turbina din materiale ceramice Momentan paletele de turbina din materiale ceramice sunt destinate cu precdere fie aplicaiilor mici (turbocompresoare) fie instalaiilor de co-generare pe baza de gaze naturale. Principalii productori de asemenea turbine realiznd urmtoarele mrci de materiale ceramice: Norton Advanced Ceramics NT154 i NT164 Si3N4 Honeywell Ceramic Components GN10 i AS800 Si3N4 (186MPa) Kyocera Industrial Ceramics Corporation SN252, SN253, i SN281 Si3N4 (186 MPa) NGK Insulators, Ltd. SN88 Si3N4 fig.81 stator de turbina din SN 88 Si3N4 deteriorat total dup numai 68 de ore de funcionare fig. 82 statorul i rotorul produs de Kyocera din SN282 dup 100 de ore de teste (generaia imediat urmtoare) 93 Micro Turbomotoare fig.83 frezarea cu comand numeric a unui rotor de turbin ceramic fig. 84 performana mecanic i durata de funcionare a ceramicii dinSi3N4 Principalele probleme generate de ceramic sunt predispoziia la fisuri (in cele mai multe cazuri aceasta fiind rezolvata de ultimele generaii de materiale) i erodarea (recesiunea) materialului ca urmare a interaciunii cu fluidul de lucru. 94 Micro Turbomotoare Condiiile ambientale au urmtoarea influenta(conform modelului de eroziune Ingersoll-Rand, Laboratory/NASA Results pentru carbura de siliciu SiC):

= 512 108

0,5

2

2

0,5 unde

2

= presiunea partiala a vaporilor de apa Temperatura de intraree n turbine (Celsius) fig.85 pentru conditii ISA cu umiditate 60% Temperatura de intraree n turbine (Celsius) fig. 86 pentru conditii ISA cu umiditate 100% Recesiunea palelor (% per 10000 ore) Recesiunea palelor (% per 10000 ore) 95 Micro Turbomotoare Bibliografie: [1] MicroTurbine and Industrial Gas Turbine - Peer Review- James Kesseli 2002 [2] Norton Advanced Ceramics-catalog [3] Kyocera Industrial Ceramics Corporation-catalog [4] Honeywell Ceramic Components 96 Micro Turbomotoare Alte aplicatii ale micro-turbomotoarelor In industria auto micro-turbomotoarele au fost folosite ca turbo-shaft-uri pentru a antrena rotile vehiculelor, spre deosebire de industria UAV-urilor care folosete microturbomotoarele pentru fora lor reactiva. Configuraiile, dei diverse, au puncte comune n ceea ce privete schimbtoarele de cldur pentru regenerare/recuperare i camera de ardere care este nu mai este plasata n jurul arborelui turbocompresorului. De asemenea turbomotoarele auto sunt dotate cu doua turbine, una pentru antrenarea compresorului iar cealalt, turbina liber, pentru antrenarea arborelui autovehiculului (de obicei camioane). Datorita faptului ca necesita un debit mic de aer, compresorul este de cele mai multe ori ntr-o singur treapt, de construcie centrifugal. fig.87 seciune prin motorul Allison GMT-305 97 Micro Turbomotoare fig. 88 seciune prin motorul Allison GT-404 (325cp-360cp) 98 Micro Turbomotoare fig. 89 motorul Allison AGT-5 aplicat la Chevrolet Express i Cadillac El Dorado Schimbtoare de cldur Utilitatea practica a unui cicluBrayton cu regenerare: Randamentul :

=

2.5 2

52 fig. 90 ciclul brayton cu regenerare ariiegale 99 Micro Turbomotoare fig. 91 schema de funcionare a unui turbo-shaft cu regenerare In cazul microturbomotoarelor pentru aplicaii propulsive (i.e. nu i n cazul instalaiilor de cogenerare) sunt adesea ntlnite regeneratoare de tip disc. Acestea sunt deosebit de practice att datorita faptului ca sunt compacte cat i datorita schimbului rapid de cldura pe care l asigur. fig.92 microturbomotor RGT 3600 (Teledyne Continental Motors) cu regenerator sub forma de disc turaiaturbocompresorului: 42000rpm turaia arborelui3000 rpm turaia regeneratorului 14,5 rpm puterealaarbore:280kW(375 hp) consum orar: 10l/h raport presiuni: 4.1:1 debit: 2,1 kg/s temperatura la intrate turbina: 1035 C temperatura la ieire: 274 C Regenerator camera de ardere Compresor Turbine Pnet qm 100 Micro Turbomotoare fig.93 ansamblu turbocompresorului cu discurile de regenerare fig.94 imagine termica a regeneratorului la 50kW(ncrcare) i 3 min de funcionare constanta Compresor Regenerator Camera de ardere 101 Micro Turbomotoare Efectele temperaturii aerului de admisie asupra randamentului termodinamic, puterii i debitului masic: La dimensionarea volumul unui regenerator se folosesc graficele: fig. 96 Randament debit masic putere la arbore Temperatura Totala T1 =288 310 [K] Debit masic W2 [kg/s] Putere | Randament Temperatura [K] 102 Micro Turbomotoare Undeeficacitateaestedefinitacaraportuldintrediferenelede temperatura la admisa aerului i la ieire, respectiv la evacuarea gazelor i ieirea aerului nclzit fig.97 pierderile de presiune pentru un recuperator (ambele grafice sunt pentru un disc de R=30mm) Schimbtoarele de cldura cu disc sunt practice doar pentru motoare cu debite masice