Почему отбираемый воздух из какой-либо ступени компрессора используется для борьбы с обледенением? Почему не например выхлопных газов?

В ответах на этот вопрос сказано, что

Противообледенительная система на большинстве газотурбинных самолетов (включая MD-82, попавший в эту аварию) использует отбираемый от двигателей воздух, то есть отбирает часть воздуха из-за (ступени низкого давления) компрессора. Таким образом, этот воздух не выбрасывается из сопла и не создает тяги, поэтому тяга уменьшается.

Мой вопрос:

Почему используется отбираемый воздух из какой-либо ступени компрессора? Почему не например выхлопных газов?

Для антиобледенения температура используемой среды должна быть выше 0°С (таяние льда), а температура окружающей среды обычно значительно ниже. Таким образом, двигатель должен вкладывать энергию для создания отбираемого воздуха с разумной температурой, воздух охлаждается до температуры выше 0°C во время удаления льда, а затем выбрасывается в окружающую среду. Там он расширяется и остывает намного ниже температуры окружающей среды. Это расширение означает, что энергия тратится впустую, а также, когда отбираемый воздух охлаждается/расширяется перед введением его в систему защиты от обледенения (я не знаю, делается ли это), энергия будет потеряна. Кроме того, воздух/давление теряется на ступени компрессора, что снижает эффективность сгорания. (Опять же, я не знаю, сколько воздуха забирается и насколько велик эффект)

С другой стороны, выхлопные газы двигателя очень горячие из-за сгорания и могут использоваться без дополнительного сжатия. Таким образом, используя выхлопные газы, можно было бы не тратить столько энергии. Если он слишком грязный, можно использовать теплообменники для нагрева свежего воздуха.

Я бы подумал об этих причинах

  • Отбираемый воздух в любом случае используется в самолете для многих целей, так что это более экономично, чем полностью отдельная система.
  • Противообледенительная система не используется в течение длительного времени во время полета, поэтому снова нет необходимости в специальной системе.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Я хотел бы расширить вопрос, чтобы объяснить, что меня интересует. В комментарии оспаривается правильность этого предложения:

Там он расширяется и остывает намного ниже температуры окружающей среды.

Это простой термодинамический процесс. Воздух сжимается адиабатически, т. е. без подвода к нему тепла. Тепло исходит от тепловой энергии воздуха, теперь также сжатого до меньшего объема. Противообледенительная обработка охлаждает воздух, и при выпуске воздуха в окружающую среду он расширяется до исходного давления. Поскольку во время противообледенения тепловая энергия отводится, температура падает ниже температуры окружающей среды.

Вот математика позади:

Отношение давления и температуры в этом случае:

п 1 1 − γ ⋅ Т 1 γ знак равно п 2 1 − γ ⋅ Т 2 γ γ ≈ 1,4

Предположим, пилот включает противообледенительную систему во время полета на высоте 11 км. Там давление окружающей среды составляет 0,25 бар (атмосфера), а температура -50°C (223K). Здесь в ответах также было сказано, что возможно, что отбираемый воздух имеет температуру около 200 ° C (473 K). Теперь формула дает давление отбираемого воздуха 3,47 бар, т. е. степень сжатия около 14. Теперь воздух охлаждается, а давление поддерживается двигателем. Я предполагаю, что защита от обледенения будет эффективна при температуре отбираемого воздуха выше 0°C. Так что, если воздух выпустить при этой температуре, температура упадет до -144°C (128K). Другое число: если выпускать при 100°C, температура упадет до -97°C (175K).

(Конечно, воздух сразу же смешивается с окружающим воздухом)

В принципе, можно играть с цифрами, увеличивать/уменьшать высоту/температуру и обсуждать, насколько адиабатичны эти процессы (де)сжатия.

Так или иначе, это большой кондиционер, использующий тепловую энергию для размораживания и перерасхода охлажденного воздуха. Если нужен только горячий воздух, что-то, поступающее из выхлопной системы, всегда было бы более эффективным.

Это не совсем эффективно. Может быть, отбираемый воздух за противообледенительной системой все же можно использовать для других целей, так как в нем все еще есть давление?

Вы говорите, что отбираемый воздух «расширяется и охлаждается намного ниже температуры окружающей среды». Это просто бессмысленно. Он может остыть до температуры окружающей среды (в конце концов так и происходит), но вряд ли ниже ее. Я думаю, что этот отрывок следует отредактировать, либо исправить, либо уточнить.
Да, это так! Я отредактировал свой вопрос по этому поводу (и теперь обратите внимание, что вопрос более чем в два раза длиннее, чем раньше...)
@sweber Я не думаю, что вторая часть вопроса здесь подходит. Но имейте в виду, что горячий сжатый воздух движется вдоль крыльев под высоким давлением, теряет свое тепло и становится низким давлением (и поэтому очень холодным) только в точке выпуска в атмосферу. В этот момент нас не волнует, насколько холодно становится — и да, он становится холоднее, чем всасываемый воздух, и он, по сути, образует кондиционер. Но выхлоп двигателя выбрасывается вместе с потоком воздуха турбины. Все остальное на этом конкретном пути будет в целом менее эффективным, чем отвод воздуха.
Особенно если принять во внимание, что противообледенительная система крыльев не обязательно должна быть включена все время. Но размещение чего-либо на пути выхлопа/турбины всегда будет снижать эффективность двигателя, независимо от того, используется он или нет. Таким образом, даже если он менее эффективен при использовании, в течение срока службы самолета и во время большинства полетов он более эффективен, чем выхлопные газы.

Ответы (3)

Использование воздуха из выхлопной секции либо непосредственно для защиты от обледенения, либо с использованием теплообменника создаст много проблем.

  • Воздух должен сначала использоваться для сжигания топлива, прежде чем он достигнет места отбора воздуха из турбины. Воздух, забираемый из секции компрессора, не требует сжигания топлива (кроме, конечно, сжатия этого воздуха).
  • Воздух будет намного, намного горячее, чем воздух от компрессора. Турбины, особенно в секции высокого давления, изготавливаются из специальных сплавов и могут дополнительно активно охлаждаться для предотвращения их плавления. Это означает, что для всей противообледенительной системы необходимо использовать более специализированный и, следовательно, более дорогой и/или тяжелый материал.
  • Компоненты также должны быть рассчитаны на случай такой утечки отбираемого воздуха. Более горячий воздух турбины был бы огромной проблемой для этого.
  • В воздухе будут продукты горения. Это может покрыть внутреннюю часть антиобледенительной системы, снизив ее эффективность и, возможно, потребовав ее периодической разборки и очистки.
  • Если происходит какое-либо возгорание двигателя, огонь обычно распространяется вниз по течению, что также посылает его в эту противообледенительную систему.
  • В случае использования теплообменника это был бы еще один компонент, который можно было бы вписать в места, которые уже очень заполнены, и еще больший вес на самолете.

Воздух от компрессора уже достаточно горячий. Взгляните на диаграмму в этом ответе . Обратите внимание, что весь воздух, отбираемый от компрессора, проходит через предварительный охладитель , прежде чем попасть в антиобледенительную систему капота или крыла. Это означает, что воздух компрессора уже горячее , чем требуется. Таким образом, забор воздуха из турбины не дает никаких преимуществ для создания перечисленных выше проблем.

Кроме того, забор воздуха из компрессора снижает КПД двигателя , но вам придется откуда-то получать эту энергию.

Чтобы ответить на ваши вопросы о термодинамике:

Предполагая, что ваши цифры верны, что не так с этим сценарием? Выпуск воздуха при -97°C, который изначально был при -50°C, означает, что вы извлекли из него 47°C энергии, чтобы использовать ее для защиты от обледенения, используя системы, уже имеющиеся на самолете (отбор воздуха, предварительный охладитель). Что-то вроде теплового насоса, но только с использованием воздуха? Разве не было бы менее эффективно сжигать топливо для нагрева этого воздуха, который затем оставил бы самолет с более высокой температурой и, следовательно, выбрасывал бы больше энергии?

В принципе, можно играть с цифрами, увеличивать/уменьшать высоту/температуру и обсуждать, насколько адиабатичны эти процессы (де)сжатия .

(Выделение добавлено) Я не уверен, что ваше предположение об адиабатическом характере этих процессов является хорошей основой для вашей модели, поскольку это идеализация (хотя ваши первоначальные цифры утечек, кажется, совпадают здесь и здесь ). Важным моментом является способ использования воздуха. В типичной установке используются трубки пикколо. Небольшие отверстия вдоль труб выпускают воздух на переднюю кромку. Затем вся полость передней кромки выходит в окружающую среду. (Похоже, это не соответствует вашему предположению о том, что воздух охлаждается при постоянном давлении). Чтобы этот воздух был полезен в дальнейшем, вам нужно было бы каким-то образом вернуть этот воздух для повторного использования. Это усложняет ситуацию, когда уже имеется достаточный запас сжатого отбираемого воздуха.

Другой вариант — как-то поддерживать давление за поверхностями с защитой от льда. Это возможно для воздухозаборника двигателя, но не для передних кромок крыла с подвижными предкрылками.

Даже если предположить, что вы каким-то образом сможете вернуть этот воздух для использования, это будет еще одна система и еще больше усложнит самолет. И полагаться на эту систему нельзя, потому что антиобледенитель не всегда используется. Вы должны обеспечить довольно большой выигрыш в эффективности, чтобы оправдать увеличение веса и сложности самолета.

Может быть, вы хотели бы увидеть доказательство того, что большая часть работы, выполняемой над воздухом, используется в процессе защиты от обледенения, и добавление тепла от сгорания не требуется. Возможно, нам понадобится пригласить сюда кого-нибудь вроде Питера Кемпфа, чтобы подсчитать некоторые цифры.

также имейте в виду, что выхлопные газы будут содержать гораздо больше воды из-за сгоревшего топлива, чем только сжатый воздух, что также может быть контрпродуктивным в зависимости от условий окружающей среды.

Ваша первая причина является основной: отбираемый воздух в изобилии (реактивные двигатели генерируют гораздо больше, чем им «необходимо» для работы), уже горячий (обычно более 100 ° C) и производится при относительно высоком давлении - вот почему он используется для вещей таких как системы защиты от обледенения, кондиционер в кабине и запуск других двигателей.
Установка еще одного клапана в системе отбора воздуха для направления потока к системам защиты от обледенения требует незначительных усилий.

Для улавливания выхлопных газов турбины (горячих продуктов сгорания) потребуется собственное специальное оборудование (клапаны, воздуховоды и т. д.) и меры по охлаждению продуктов сгорания до температуры, которую может выдержать противообледенительная система (теплообменники), что означает большую сложность. и больше веса, поэтому, если самолет уже имеет доступную систему отбора воздуха, имеет смысл использовать ее для системы защиты от обледенения / защиты от обледенения, а не добавлять еще одну не менее сложную конструкцию для улавливания продуктов сгорания.

Для самолетов без отвода воздуха (у которых нет возможности откачивать воздух из компрессора двигателя) используются альтернативные системы защиты от обледенения (например, в 787-м используются электрические нагревательные элементы).
Их также можно использовать на самолетах с системами прокачки, но у них есть свои недостатки с точки зрения обслуживания, веса и сложности. (Системы защиты от обледенения сбрасываемого воздуха сравнительно просты: несколько клапанов и трубок с просверленными в них отверстиями для выпуска горячего воздуха туда, где он необходим. Техническое обслуживание и ремонт довольно просты.)

Я согласен с первым предложением, за исключением взлета и набора высоты, когда активация на льду может оказать заметное влияние на производительность.
@casey Да, очевидно, что на любом этапе полета, требующем всей мощности двигателя, любая система, использующая эту мощность (для любой цели), может оказать заметное влияние.
Также обратите внимание, что электрическая система также снижает мощность двигателя, потому что энергию все равно нужно откуда-то брать, а генераторы приводятся в движение двигателями.

Я согласен с вами в том, что отбираемый воздух оказывается холоднее окружающего, но не в том, что это «означает, что энергия тратится впустую».

Напротив. Как только часть используемого нами воздуха вернется к атмосферному давлению, она станет холоднее , чем до того, как двигатель всосал ее. Это означает, что из него была удалена тепловая энергия . Куда же делась эта энергия? Единственное место, куда он может пойти, это поверхности крыла, которые мы хотели нагреть. (Это предполагает, что трубопроводы и т. д. теплоизолированы настолько хорошо, что мы можем пренебречь там нежелательными потерями тепла).

Конечным результатом является то, что количество тепловой энергии, выделенной в металле крыльев, больше , чем механическая энергия, которую мы использовали для сжатия воздуха. Что звучит довольно эффективно для меня.

С другой стороны, проектировать, чтобы противообледенительный воздух был теплее , чем это необходимо, после того, как мы закончим с этим, было бы расточительством.

Почему отбираемый воздух из какой-либо ступени компрессора используется для борьбы с обледенением? Почему не например выхлопных газов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v