Οικογένειες Αεριοστροβίλων Κοινού Πυρήνα (Common Core Aero-engines)
Εισαγωγή Η ανάπτυξη ενός προγράμματος αεριοστροβίλου από μηδενική βάση, μπορεί να αποδειχθεί εγχείρημα ύψους αρκετών δισεκατομμυρίων δολαρίων άρα και υψηλού ρίσκου [1]. Η υλοποίησή του καθορίζεται αρχικά, από τρεις βασικούς παράγοντες: τον χρόνο, το κόστος και την απόδοση [2]. Εάν ο στόχος είναι η καλύτερη δυνατή απόδοση, ανεξαρτήτως κόστους, τότε προτιμάται η σχεδίαση ενός νέου κινητήρα αλλά αυτή η προσέγγιση σπάνια υλοποιείται από τις κατασκευάστριες εταιρίες αεροπορικών κινητήρων. Αντίθετα, εάν ο χρόνος παράδοσης είναι κρίσιμος και κάποιοι συμβιβασμοί στις επιδόσεις μπορούν να γίνουν αποδεκτοί, τότε η ανάπτυξη ενός αεριοστροβίλου με βάση κάποιον που ήδη βρίσκεται σε παραγωγή και χρησιμοποιείται, μπορεί να αποτελέσει τη βέλτιστη λύση [3]. Στο πλαίσιο αυτό, οι κατασκευάστριες εταιρίες αεροπορικών κινητήρων μελετάνε την επιλογή χρήσης ενός γεωμετρικά σταθερού ή παρόμοιου πυρήνα (engine core) σε μια οικογένεια κινητήρων (engine family), προσέγγιση η οποία επιτρέπει την κατανομή του επενδυτικού ρίσκου σε μεγαλύτερη γκάμα προϊόντων [4]. Ο πυρήνας ενός αεριοστρόβιλου θέτει τα πιο απαιτητικά και υψηλού κόστους προβλήματα ανάπτυξης, λόγω τόσο των υψηλών θερμοκρασιών όσο και των επιπέδων καταπόνησης [5]. Ο πυρήνας αποτελείται από το σύστημα υψηλής πίεσης (HP), δηλαδή τον συμπιεστή υψηλής πίεσης (HPC), τον θάλαμο καύσης, τον στρόβιλο υψηλής πίεσης (HPT) και τους ενδιάμεσους αγωγούς, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 για έναν τυπικό στροβιλοανεμιστήρα (turbofan) δύο αξόνων [3]. Βασικές αρχές σχεδίασης οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα Οι κινητήρες κοινού πυρήνα σχεδιάζονται για να πληρούν διάφορες προδιαγραφές. Ειδικά σε ό,τι αφορά τους στροβιλοανεμιστήρες που χρησιμοποιούνται σε πολιτικά αεροσκάφη, οι προδιαγραφές αυτές συνήθως αποτελούνται από το επιθυμητό επίπεδο ώσης (thrust), την βέλτιστη ειδική κατανάλωση καυσίμου (SFC), καθώς και τις απολήψεις αέρα (air bleeds) αλλά και ισχύος για τα υποσυστήματα του αεροσκάφους. Παρόλο που ο εκάστοτε σχεδιαστής έχει συνήθως μια γενική εικόνα για το εύρος του επιπέδου ώσης που πρέπει να καλύπτει ο υπό ανάπτυξη κινητήρας, ώστε να προσελκύσει περισσότερους πελάτες, η πρόβλεψη των πιθανών μελλοντικών απαιτήσεων των επιδόσεων του κινητήρα εξακολουθεί να αποτελεί ένα ιδιαίτερα δύσκολο εγχείρημα. Οι προβλέψεις αυτές, οι οποίες περιλαμβάνουν επίσης και τη γεωμετρία του κινητήρα, τα επίπεδα θορύβου, τις εκπομπές επιβλαβών αερίων, όπως οι εκπομπές NOx, πρέπει να γίνονται κατά την αρχική ανάπτυξη ενός επιτυχημένου προγράμματος. Επιπλέον, οι μελλοντικές τεχνολογικές εξελίξεις (technology infusion) πρέπει να ληφθούν υπόψη για τις πιθανές εφαρμογές του υπό ανάπτυξη κινητήρα σε βάθος χρόνου [4]. Ο πρωταρχικός ρόλος του πυρήνα ενός κινητήρα είναι η παραγωγή ισχύος, μέσω της προσθήκης ενέργειας στο αέριο που τον διαρρέει, ώστε να παράξει έργο. Στη συνέχεια, το αέριο καθώς εξέρχεται του πυρήνα, εκτελεί έργο στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης προκειμένου να παράξει ισχύ για τον συμπιεστή χαμηλής πίεσης (LPC), εφόσον υπάρχει, αλλά και για τον ανεμιστήρα (fan). Το μεγαλύτερο μέρος της ώσης που επιτυγχάνεται από έναν κινητήρα υψηλού λόγου παράκαμψης (bypass ratio), παράγεται από το ρεύμα παράκαμψης, το οποίο συμπιέζεται από τον ανεμιστήρα και διαστέλλεται στο ακροφύσιο παράκαμψης, αυξάνοντας την ταχύτητα ροής και επομένως την ορμή του ρεύματος παράκαμψης. Ο πυρήνας του κινητήρα πρέπει να διαστασιολογηθεί έτσι, ώστε να μπορεί να παρέχεται επαρκής ενέργεια στον στρόβιλο χαμηλής πίεσης, η οποία επιτρέπει στον κινητήρα να επιτυγχάνει τα επιθυμητά επίπεδα ώσης, παραμένοντας εντός των προβλεπόμενων ορίων θερμοκρασίας. Τα προγράμματα ανάπτυξης κινητήρων που βασίζονται σε κοινό πυρήνα, ακολουθούν κατά κανόνα μία από τις ακόλουθες παραλλαγές [3]: Μεθοδολογία σχεδίασης οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα Το βασικό πλαίσιο της μεθοδολογίας σχεδίασης μιας οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα απεικονίζεται στο Σχήμα 2, όπου περιγράφονται τα πέντε στάδια που απαρτίζουν τη διαδικασία επιλογής [3]. Αρχικά, η ανάλυση της αγοράς πραγματοποιείται με μια στρατηγική τμηματοποίησής της, για να διευκολυνθεί ο εντοπισμός των κενών, που είναι ζωτικής σημασίας για την αρχική εκτίμηση του είδους των αναγκών που θα κληθεί να καλύψει μια νέα οικογένεια κινητήρων, ώστε να καθοριστεί η βάση στην οποία θα ξεκινήσει η ανάπτυξή της. Στη συνέχεια, η αρχική αυτή εκτίμηση μπαίνει σε πιο συγκεκριμένο πλαίσιο, με τον καθορισμό των μεταβλητών σχεδίασης, των περιορισμών και των στόχων, καθώς και τον καθορισμό εν ενέργεια κινητήρων που θα λειτουργήσουν ως σημείο αναφοράς και σύγκρισης. Το στάδιο αυτό προκαθορίζει το επίπεδο ομοιότητας για τις παραλλαγές του κινητήρα που θα προκύψουν και βασίζεται στις εναλλακτικές σχεδιάσεις και στους περιορισμούς που ανακύπτουν, κατά τον αυστηρότερο καθορισμό του πλαισίου της υπό ανάπτυξη οικογένειας κινητήρων. Σε γενικές γραμμές, ένα πρόγραμμα ανάπτυξης μιας νέας οικογένειας κινητήρων κοινού πυρήνα, μπορεί να βασιστεί στις ακόλουθες τέσσερις αρχές: Στο τρίτο στάδιο, διατυπώνεται με σαφήνεια το πρόβλημα σχεδίασης της οικογένειας προϊόντων ενδιαφέροντος (αεριοστροβίλων), με τη βοήθεια μιας υποστηρικτικής πλατφόρμας λήψης αποφάσεων. Λαμβάνονται υπόψη πιθανές αβεβαιότητες (uncertainties) σχετικά με τις απαιτήσεις σχεδίασης, τους στόχους και τη ζήτηση της αγοράς. Έπειτα, στο πλαίσιο της πλατφόρμας αυτής, πρέπει να ενσωματωθούν εξελιγμένα και γρήγορα εργαλεία προσομοίωσης σχεδίασης κινητήρων, για την υλοποίηση των υπολογιστικά αποδοτικότερων σχεδιάσεων των επιθυμητών παραλλαγών κινητήρων [6]. Για το τελικό στάδιο παρουσιάζονται δύο επίπεδα αξιολόγησης. Στο πρώτο επίπεδο αξιολογείται κάθε παραλλαγή κινητήρα σε σχέση με τους μεμονωμένα βελτιστοποιημένους κινητήρες που έχουν ληφθεί ως σημεία αναφοράς (βλ. στάδιο 2). Στο δεύτερο επίπεδο επιχειρείται μια ολιστική αξιολόγηση της οικογένειας κινητήρων, εντοπίζοντας τους συμβιβασμούς που προκύπτουν μεταξύ της απαίτησης ομοιοτυπίας (το οποίο σημαίνει άμεση παραγωγή και ένταξη στην αγορά με μειωμένο κόστος) και των απαραίτητων συμβιβασμών στις επιδόσεις. Επισκόπηση επιτυχημένων προγραμμάτων και συμπεράσματα Τέλος, ως χαρακτηριστικά παραδείγματα, παρουσιάζονται δύο από τα πιο επιτυχημένα προγράμματα οικογενειών κινητήρων στην ιστορία της αεροπλοΐας για διατάξεις στροβιλοανεμιστήρων και ελικοστροβίλων – οι οικογένειες κινητήρων CFM56 και PT6, αντίστοιχα. Τα Σχήματα 3 και 4 απεικονίζουν τα σχέδια ανάπτυξης των κινητήρων CFM56 και PT6, σε μια ποιοτική συσχέτιση των επιπέδων τεχνολογίας του πυρήνα σε συνάρτηση με το έτος ένταξή τους σε χρήση και επισημαίνονται τα βασικά χαρακτηριστικά κάθε παραλλαγής. Τα διδάγματα που αντλήθηκαν και από τα δύο αυτά προγράμματα, αποτελούν πολύτιμη εμπειρία αλλά και οδηγό για μελλοντικές εφαρμογές και μπορούν να συνοψιστούν σε δύο βασικά σημεία [3]: Βιβλιογραφικές Αναφορές
Μηχανικοί της GE δοκίμασαν επιτυχώς νέο τύπο υπερηχητικού κινητήρα
Μηχανικοί της GE Aerospace λειτούργησαν με επιτυχία έναν νέο αεροκινητήρα σε διάταξη ramjet κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής, έναν κινητήρα που η εταιρεία πιστεύει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία υπερηχητικών αεροσκαφών και πυραύλων πιο αποτελεσματικά. Σύμφωνα με την GE, Aerospace, ερευνητές στο Παγκόσμιο Κέντρο Ερευνών της στη Niskayuna της Νέας Υόρκης, κατασκεύασαν τον παγκόσμιο υπερηχητικό διπλής λειτουργίας ramjet (DMRJ) και τον δοκίμασαν σε υπερηχητική ροή. Ο νέος τύπος κινητήρα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία υπερηχητικών οχημάτων, επιτρέποντας μεγαλύτερες αποστάσεις και ταχύτητες άνω των 5 Mach (4.000 mph) με αυξημένη απόδοση. Η επίδειξη DMRJ χρειάστηκε 12 μήνες για να υλοποιηθεί και η ομάδα αναμένει να επιδείξει ένα πλήρες DMRJ με RDC σε κλίμακα το επόμενο έτος. Ένα τυπικό σύστημα πρόωσης DMRJ μπορεί να αρχίσει να λειτουργεί μόνο όταν το όχημα επιτυγχάνει σε υπερηχητικές ταχύτητες μεγαλύτερες από 3 Mach. Οι μηχανικοί της GE Aerospace εργάζονται σε έναν περιστρεφόμενο ramjet διπλής λειτουργίας με δυνατότητα να λειτουργήσει και σε χαμηλότερα Mach, επιτρέποντας στο αεροσκάφος να λειτουργεί πιο αποτελεσματικά και να επιτυγχάνει μεγαλύτερη αυτονομία. Η GE Aerospace αγόρασε την εταιρεία Innovering πέρυσι και συνδύασε τις δυνατότητες διπλής λειτουργίας κινητήρα ramjet με τη δική της δουλειά στο RDC, για την ανάπτυξη κινητήρων. Το RDC επιτρέπει την παραγωγή υψηλότερης ώσης πιο αποτελεσματικά, σε συνολικά μικρότερο μέγεθος και βάρος κινητήρα, σε σχέση με ένα τυπικό σύστημα καύσης που τροφοδοτεί τους παραδοσιακούς κινητήρες αεριωθουμένων σήμερα. Η σύγχρονη έρευνα και ανάπτυξη και σε αυτούς τους τύπους κινητήρων βρίσκεται σε εξέλιξη για διαστημικές πτήσεις και υπερηχητικά αεροσκάφη, ιδίως με τον όμιλο Rostec της Ρωσίας να διεκδικεί μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία PDE το 2021, ενέλιξη που αναφέρθηκε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον το 2020. Ο Mark Rettig, αντιπρόεδρος και γενικός διευθυντής, Edison Works Business and Technology Development, GE Aerospace δήλωσε: «Η επιτυχημένη ανάπτυξη, ενσωμάτωση και επίδειξη των τεχνολογιών και δυνατοτήτων της GE θα μας δώσει τη δυνατότητα, να παρέχουμε διαφοροποιημένα συστήματα υπερηχητικής πρόωσης για τους πελάτες μας τώρα και σε βάθος χρόνου. «Έχουμε συγκεντρώσει τη σωστή τεχνογνωσία, με τις κατάλληλες δυνατότητες και επενδύσαμε στρατηγικά για να διασφαλίσουμε ότι είμαστε πολύ στενά ευθυγραμμισμένοι με τις ανάγκες των πελατών μας. Τα σημαντικά αποτελέσματα που είχαμε μέχρι σήμερα μας δίνουν τη σιγουριά ότι κινούμαστε προς τη σωστή κατεύθυνση». Η επιτυχημένη επίδειξη υψηλής ταχύτητας πρόωσης DMRJ αποτελεί μέρος του προγράμματος της GE, η οποία αναπτύσσει επίσης υλικά και ηλεκτρονικά αντιχής σε λίαν υψηλές θερμοκρασίες. Στο πλαίσιο αυτό η εταιρεία έχει εμπλακεί στην ανάπτυξη υπερηχητικών τεχνολογιών σε τομείς όπως σύνθετα κεραμικά υλικά, ηλεκτρονικά ισχύος πυριτίου, τεχνολογίες πρόσθετων και προηγμένη θερμική διαχείριση για περισσότερο από μια δεκαετία. Η Amy Gowder, Πρόεδρος και Διευθύνων Σύμβουλος της GE Aerospace, Defense and Systems δήλωσε: «Η εξαιρετικά επιτυχημένη επίδειξη ενός DMRJ με RDC είναι απόρροια της 10ετούς δουλειάς μας στο RDC, συμπεριλαμβανομένης της στρατηγικής απόκτησης της καινοτομίας που έφερε κορυφαίες τεχνολογίες και εμπειρία στην υπερηχητική πρόωση και τα ramjet.” Ως μέρος μιας συνεχιζόμενης αναδιοργάνωσης του ομίλου GE, η GE Aerospace θα αποσυνδεθεί & θα λειτουργεί ως αυτόνομη εταιρεία μεταξύ Μαρτίου και Ιουλίου του επόμενου έτους. aerospacetestinginternational.com
Προωθητικά Συστήματα Εισρόφησης Οριακού Στρώματος
Η συνεχής προσπάθεια για τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου των αεροσκαφών επικεντρώνεται, συνήθως, στη βελτίωση επιμέρους υποσυστημάτων και λειτουργιών και περιλαμβάνει επανασχεδιασμό κινητήρων για αύξηση της προωθητικής απόδοσης, τοποθέτηση winglets για τη μείωση της επαγωγικής οπισθέλκουσας και χρήση σύνθετων υλικών για τη μείωση του βάρους. Παράλληλα με τους ανωτέρω τομείς, τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί ιδιαίτερα το ενδιαφέρον για πιο ολοκληρωμένες προσεγγίσεις, οι οποίες μπορούν να βελτιώσουν συνολικά την απόδοση του αεροσκάφους. Μια τέτοια τεχνολογία είναι η εισρόφηση και επανενεργοποίηση του οριακού στρώματος της ατράκτου από το προωθητικό σύστημα (Boundary Layer Ingestion Propulsion – BLIP). Αρχή λειτουργίας Στόχος αυτής της τεχνολογίας είναι η πληρέστερη ενσωμάτωση του προωθητικού συστήματος στο αεροσκάφος, με εκμετάλλευση της αλληλεπίδρασης αεροδυναμικής – επιδόσεων του αεροκινητήρα. Το βασικό πλεονέκτημα της ενσωμάτωσης της τεχνολογίας BLIP είναι η αύξηση της προωθητικής απόδοσης. Η προωθητική απόδοση είναι ο λόγος της χρήσιμης προωθητικής ενέργειας προς το άθροισμα αυτής και της αποβαλλόμενης κινητικής ενέργειας των καυσαερίων. Εκφράζει το μέτρο της αποτελεσματικότητας με την οποία η εγκατάσταση του προωθητικού συστήματος συνολικά χρησιμοποιείται για την πρόωση του αεροσκάφους και διαφέρει από την απόδοση λειτουργίας των μηχανικών μερών του αεροκινητήρα και την απόδοση μετατροπής ενέργειας στο εσωτερικό του. Η αύξηση της προωθητικής απόδοσης, επιτυγχάνεται με τη μείωση της μέσης ταχύτητα εισόδου του αέρα στο προωθητικό σύστημα με την εισρόφηση του οριακού στρώματος της ατράκτου, καθώς αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της απαιτούμενης ταχύτητας εξόδου των καυσαερίων στο ακροφύσιο, για τη διατήρηση ίδιου επιπέδου ώσης. Κατά συνέπεια, προκύπτει μειωμένη απαίτηση παραγωγής ισχύος και μείωση της συνολικής κατανάλωσης του καυσίμου. Επιπλέον, μείωση κατανάλωσης επιτυγχάνεται μέσω της περαιτέρω μείωσης της συνολικής οπισθέλκουσας, λόγω: Απουσίας πυλώνων ανάρτησης και καλυμμάτων, άρα μείωσης της συνολικής επιφάνειας που έρχεται σε επαφή με τη ροή. Μείωσης οπισθέλκουσας αλληλεπίδρασης των παραπάνω εξαρτημάτων. Μείωσης του απορρεύματος καθώς – κατά κάποιο τρόπο – αυτό “ενσωματώνεται” στα καυσαέρια και προκύπτει μια πιο ομαλή κατανομή της ροής πίσω από το αεροσκάφος. Επανενεργοποίησης του οριακού στρώματος, καθώς με την αύξηση της κινητικής του ενέργειας μειώνεται και η οπισθέλκουσα τριβής (η απώλεια κινητικής ενέργειας είναι αισθητή από το κινούμενο σώμα ως οπισθέλκουσα). Μεταβολής των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών, με τη δημιουργία περιοχής υποπίεσης στη ράχη της ατράκτου στα αεροσκάφη σχεδίασης Blended Wing Body (BWB). Συνεργασία με τον αεροκινητήρα Όπως είναι φυσικό, πέρα των θετικών επιπτώσεων της υιοθέτησης της εν λόγω διαμόρφωσης, δημιουργούνται σημαντικά ζητήματα ποιότητας της ροής στην εισαγωγή του αεροκινητήρα, λόγω της ύπαρξης του οριακού στρώματος από τη συνολική μπροστινή επιφάνεια της ατράκτου. Ως εκ τούτου, τα πτερύγια του ανεμιστήρα (fan) των κινητήρων turbofan, θα διέρχονται από περιοχές εναλλασσόμενης πίεσης και ταχύτητας, με αποτέλεσμα να παρατηρούνται αυξημένες ταλαντώσεις, μείωση της απόδοσής τους και να δημιουργούνται συνθήκες πρόκλησης stall. Για το λόγο αυτό, γίνεται προσπάθεια επανασχεδίασης των πτερυγίων, ώστε να μπορούν να ανταπεξέρχονται στις ανομοιόμορφες αυτές συνθήκες εισόδου (Distortion-Tolerant Fans). Φυσικά η απόδοση λειτουργίας του ανεμιστήρα και ενδεχομένως του συμπιεστή να είναι ελαφρώς μειωμένη σε σχέση με τις κλασσικές σχεδιάσεις, αναμένεται όμως ότι η επιδιωκόμενη βελτίωση της προωθητικής απόδοσης, θα υπερκαλύψει αυτές τις απώλειες και η συνολική προσέγγιση θα έχει σαφώς θετικό πρόσημο. Εφαρμογή Η τεχνολογία εισρόφησης του οριακού στρώματος από το προωθητικό σύστημα, αναμένεται να εφαρμοσθεί στις κλασσικές σχεδιάσεις επιβατικών αεροσκαφών αλλά και σε νεότερες, όπως τα BWB. Μελέτες έχουν δείξει ότι η ενσωμάτωση της προσέγγισης αυτής στη σχεδίαση νέων αεροσκαφών, έχει τη δυναμική να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου έως και 8.5%, μειώνοντας παράλληλα το κόστος μεταφοράς ταξιδιωτών και εμπορευμάτων αλλά και την περιβαλλοντική επιβάρυνση. Πηγές: Reduce Fuel Burn With a Dose of BLI A Review of Boundary Layer Ingestion Modeling Approaches for Use in Conceptual Design 2D Numerical Investigation of Boundary Layer Ingestion Aeromechanics Analysis of a Distortion-Tolerant Fan