Quais são as limitações de usar um único eixo entre o compressor e a turbina em um motor a jato?

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Antecedentes da questão

Estou estudando a estrutura interna e os componentes de um turbojato. Eu posso ver que há um eixo entre o compressor e a turbina, de modo que a energia é extraída mecanicamente do gás que sai e usada para ajudar o compressor a girar. Você pode apreciá-lo na próxima imagem:

Pergunta

Eu entendo que o eixo está lá para que a turbina ajude o compressor a se mover. Mas isso introduz uma séria restrição: tanto o compressor quanto a turbina precisam ser girados na mesma velocidade. Isso é verdade em geral? Como isso é gerenciado quando existem vários eixos conectando vários compressores / turbinas? São necessárias caixas de redução aqui ou elas, na verdade, se movem na mesma velocidade? Isso é um grande problema, apresenta alguma limitação séria / desvantagens em relação ao poder aéreo que está saindo?

Apenas comecei a estudar jatos, espero que as respostas não sejam muito triviais.

    
por Jose Lopez Garcia 07.03.2016 / 20:05

1 resposta

How is this managed when there are several shafts connecting several compressors/turbines?

O eixo diferente irá girar em velocidades diferentes um do outro, mas os pares relativos compressor / turbina girarão na mesma velocidade.

Expandindo um pouco, no caso mais complexo que eu ouvi falar, existem 3 eixos: Alta Pressão (HP), Pressão Intermediária (IP) e Baixa Pressão (LP)

Imagem source

A turbina HP e o compressor HP girarão na mesma velocidade, mas isso não é necessariamente igual (na verdade, é altamente provável que seja diferente, caso contrário não haveria necessidade de eixos diferentes) para a velocidade do IP compressor / par de turbina. E isso também será diferente da velocidade do par de turbina / ventilador LP.

Are reduction boxes needed here or do they, in fact, move at the same speed?

Eles geralmente giram na mesma velocidade. E geralmente você não quer caixas de engrenagens na seção central do seu motor. Além do pesadelo de manutenção que se tornariam, dadas as velocidades de rotação e energias envolvidas, elas seriam extremamente pesadas, ineficientes e constituiriam um sistema crítico bastante propenso a falhas.

Uma exceção são os ventiladores, eles têm espaço suficiente e estão na frente de todo o resto do motor, permitindo o alojamento de uma caixa de câmbio dentro do seu gabinete. Você pode encontrar uma discussão melhor sobre este caso nesta pergunta ; Tenha em mente que aqui você tem 3 estágios de compressor com apenas 2 estágios de turbina, a caixa de câmbio foi necessária para ter um diferencial de velocidade entre o ventilador e o compressor IP sem exigir 3 estágios de turbina e um eixo adicional. (graças a @fooot por apontar o PW1000G para fora)

Is this a big deal, does it introduce any serious limitation/drawbacks regarding the exiting air power?

Como tudo na engenharia, há trade-offs. O desempenho ideal seria obtido através de um conjunto infinito de turbinas / compressores infinitesimamente finos, cada um girando a uma velocidade ligeiramente diferente, mas isso não é tecnologicamente viável. Os projetistas de motores se contentarão com um desempenho ligeiramente abaixo do ideal, mas será realmente possível com 1 ou 2 (3 em casos extremos) veios discretos.

    
07.03.2016 / 20:18