Chapter 1 „Marele motor zgomotos al schimbării este tehnologia.”

Alvin Toffler

Motorul de avion

Proiect realizat de:

Delia ŞveduneacIulia SîrghieAna-Sorina PopescuArmand Roland Octavian KovacsIulian FodorMelania Dascălu

1.Introducere

Avionul este o aerodină prevăzută cu o suprafaţă portantă, fixă ce asigură sustentaţia datorită vitezei de deplasare. Viteza de deplasare poate fi asigurată fie de acţiunea unor grupuri motopropulsoare, fie de acţiunea unei componente a greutăţii (în cazul zborului de coborâre sau al zborului fără motor).

Considerat un vis nerealizabil, zborul i-a pasionat pe oameni şi i-a facut să născocească diverse şi ciudate maşinării cu care să încerce să se ridice în văzduh. Dar, abia acum un secol, fraţii Wright au reuşit în premieră, în America, întâiul zbor cu un aparat mai greu decât aerul. Aeroplanul lor a zburat doar câţiva metri. De atunci şi până azi, avioanele au evoluat continuu, ajungând să facă zboruri între continente, cu o viteză ce o depăşeşte pe cea a sunetului. Toate aceste performanţe se datorează unor mari inventatori, care, cel mai adesea, îşi pilotau propriile avioane, riscându-şi viaţa.

Visul de a zbura a început cu legenda lui Icar. Închis în labirint de regele Minios, fiul lui Dedal şi-a confecţionat două aripi din pene lipite cu ceară şi s-a ridicat în văzduh, încercând să scape. Apropiindu-se de soare, ceara s-a topit din cauza căldurii, iar Icar s-a prăbuşit în mare.

În perioada Renaşterii, celebrul Leonardo da Vinci s-a gândit, pe lângă alte maşinării fantastice, la un aparat cu care omul să poată zbura. Studiind cu atenţie zborul păsărilor, el a proiectat un aparat numit “ortopter”. Aripile acestuia ar fi trebuit să fie mişcate în acelaşi timp de mâinile şi picioarele unui om, procedeu ce s-a dovedit a fi imposibil. Planurile lui da Vinci au căzut apoi în uitare pentru multă vreme.

Mai târziu, în secolul al XVII-lea, italianul Franceso Lana-Terzi imaginează o corabie zburătoare, care ar fi trebuit să se poată ridica în aer cu ajutorul a patru globuri din metal, golite de aer. Acest proiect fantezist făcut public în anul 1670 a rămas şi el nerealizat. Totuşi, spre sfârşitul secolului XVIII-lea, omul a reuşit să urce spre cer cu ajutorul balonului umplut cu aer cald. În secolul următor sunt construite primele planoare(cu aripi arcuite, ca ale păsărilor) de către Otto Lilienthal, care a şi murit într-o astfel de încercare de a cuceri văzduhul. Însă planorul a reprezentat primul pas spre construirea unui aparat mai greu decât aerul şi care să se deplaseze prin mijloace proprii. Acesta va fi aeroplanul sau avionul.

În 1897, francezul Clement Ader a reuşit să se ridice în aer cu un aparat construit de el însuşi, care semăna cu o pasăre mare şi ciudată. Motorul punea în funcţiune o elice, care făcea ca aeroplanul să se urnească de la sol. Unii consideră că acesta a fost primul avion din lume care a zburat. De fapt, “zborul” său a fost un salt de câţiva metri. Probabil că primul zbor cu adevărat reuşit a fost cel realizat cu apăratul fraţilor Wilbur şi Orville Wright câţiva ani mai târziu, în 1903. Aceşti americani au reuşit să se ridice cu aeroplanul timp de 12 secunde, zborul având loc la Kitty Hawk, în Carolina de Nord(S.U.A).

După această dată începe să fie construite şi alte aeroplane, în America şi Europa. Însă, pe atunci, ele abia se ridicau în aer. Cei care le urmăreau “zborul” erau nevoiţi să se culce pe iarbă, pentru a vedea dacă roţile acestora s-au ridicat sau nu de pe pământ. Cu timpul, însă, aeroplanele s-au perfecţionat, reuşind să zboare tot mai sus şi mai repede.

Ca orice nouă invenţie, şi avionul a fost primit la început cu neîncredere. Multă vreme s-a considerat că este o mare cutezanţă să fii pilot, deoarece în acei ani zborul cu un astfel de aparat fragil era foarte riscant. Primele aeroplane erau construite mai mult din lemn, cabluri şi pânză, iar roţile lor aveau spiţe ca acelea de la bicicletă. Constructorii urmăreau ca acestea să fie cât mai uşoare, pentru a se putea ridica în aer.

Însă progresele aveau loc cu repeziciune în ceea ce priveşte aviaţia care abia luase naştere. În 1908, Henri Farman reuşeşte să zboare pe o distanţă de un kilometru, iar un an mai târziu, tot un francez, Louis Bleriot, traversează în zbor Canalul Mânecii. În 1910, primul avion care se înălţa în aer la peste 1000 de metri altitudine este cel al lui Jorge Chavez, care traversează în zbor Alpii, dar se prăbuşeşte la aterizare. În 1911 are loc primul zbor de noapte, iar un an mai târziu se sare pentru întâia dată cu paraşuta din avion.

Ca structură de bază, un avion este alcătuit dintr-un corp alungit, denumit fuselaj, care reprezintă partea sa principală. În interiorul acestuia, în faţă, se găseşte şi locul pilotului. La început, cabina acestuia nu era închisă, aşa că pilotul trebuia să poarte o cască de piele şi ochelari speciali, care îl apărau de curentul puternic. Pentru a se menţine în aer, avionul este dotat cu două aripi mari, de-o parte şi de alta a fuselajului. Când acestea sunt duble, avionul se numeşte biplan. Elicea, care face ca aparatul să avanseze în aer, se afla în partea din faţă, şi este acţionată de un motor. Cu trecerea timpului, motoarele s-au perfecţionat, sporind viteza avionului. Hidroavionul este un avion care, în loc să aterizeze pe sol, pluteşte pe apă. Tot de pe apă decolează, pentru a se ridica în aer. În loc de roţi, el are flotoare, care sunt umplute cu aer şi astfel nu se scufundă. Primele hidroavioane au apărut prin 1910.

În primul război mondial, ţările aflate în conflict şi-au dat seama că avionul poate fi folosit ca o armă foarte eficientă, mai întâi pentru recunoaştere, apoi pentru vânătoare(urmărirea şi distrugerea altor avioane în zbor) şi bombardament. Din avioanele de recunoaştere nu doar se observau de sus poziţiile inamicului, dar se făceau şi fotografii aeriene. Avioanele de bombardament puteau arunca din aer bombe de până la 1000 de kilograme!

După primul război mondial, performanţele aviatice au sporit mult. Aparatele de zbor au început să parcurgă distanţe foarte lungi, pentru a duce scrisori şi colete poştale, ceea ce a înlesnit comunicaţiile. S-au înfiinţat companii aeriene care făceau curse regulate şi au apărut avioanele de pasageri. În 1927, Charles Lindbergh traversează pentru prima dată Atlanticul, legând astfel, pe calea aerului, Europa de America de Nord. În 1931, Pacificul este traversat fără escală, din Japonia până în Statele Unite. Aviaţia devine un sport, iar la mitingurile aviatice se pot vedea acrobaţii aeriene foarte spectaculoase.

Odată cu al doilea război mondial, avioanele încep să aibe viteze ameţitoare, iar bombardamentele devin distrugătoare. Germanii folosesc primii avionul cu reacţie, spre sfârşitul războiului. Acesta ajungea până la o viteză aproape dublă faţă de cea a unui avion obişnuit. Avionul cu reacţie nu mai foloseşte elicea, ci este propulsat de motorul său, asemenea unei rachete. În zilele noastre, avioanele de acest fel au devenit ceva obişnuit, mai ales pentru aviaţia militară. Companiile aeriene de călători au în dotare aparate ce pot transporta sute de persoane la bord, legând unele de altele cele mai îndepărtate locuri ale planetei.

Părţile componente ale avionului şi manevrarea sa

Forma exterioară a avionului, dimensiunile, motorizarea, organizarea structurală a componentelor sale îi influenţează direct performanţele. Avionul este un aparat complex alcătuit în mod normal din patru subsisteme:

1. structura de rezistenţă2. sistemul de propulsie3. echipamentele de bord şi aparatele de comandă a zborului4. instalaţiile şi mecanizarea aeronavei

În general, un avion este alcătuit din următoarele părţi principale: aripa cu dispozitivele sale de sustentaţie, fuzelajul, ampenajele orizontal şi vertical cu părţile lor mobile, trenul de aterizare şi sistemul de propulsie.

o motoare cu piston (cu elice)

o motoare aeroreactoare

o motorul turboreactor

o motorul statoreactor

o cu ardere subsonică - ramjet

o cu ardere supersonică - scramjet

o motorul pulsoreactor

o motorul motoreactor

o motoare cu tracţiune combinată

o motorul turbopropulsor

o motorul turboreactor cu dublu-flux (turboventilator)

o motorul cu piston cu evacuare reactivă

În continuare sunt prezentate tipurile cele mai cunoscute de Motoare

2.Tipuri de motoare2.1. Motoarele Termice cu Piston

Motoarele termice cu piston transforma energia chimica a combustibilului in energie mecanica si in energie calorica disipativa,energia mecanica manifestandu-se sub forma miscarii rectilinii si alternative a pistoanelor,care este modificata in miscare de rotatie a arborelui cotit cu ajutorul mecanismului biela-manivela.

Existenta unei mari varietati de astfel de motoare pretinde mai multe criterii de clasificare. Astfel:

1. Dupa modul de aprindere al carburatului acestea se impart in doua categorii:o motoare cu aprindere prin scanteie,la care aprinderea amestecului

carburant este produsa de o scanteie electrica;o motoare cu aprindere prin comprimare,la care combustibilul se

autoaprinde datorita contactului cu aerul incalzit prin comprimarea lui in cilindru.

2. Din punct de vedere al durate ciclului motor(in sensul succesiunii proceselor care se repeta periodic)se impart in:o motoare in patru timpi,care executa un ciclu complet in patru curse

ale pistonului,adica la doua rotatii ale arborelui cotit;o motoare in doi timpi,care executa un ciclu complet in doua curse ale

pistonului,adica la o rotatie a arborelui cotit.3. In functie de modul de umplere al cilindrului cu incarcatura proaspata

(aer sau amestec aer-combustibil),motoarele pot fi:o cu admisie naturala,daca incarcatura prevazuta este introdusa in

cilindru numai datorita depresiunii create prin deplasarea pistonului;

o cu admisie fortata la care incarcatura proaspata este comprimata-in prealabil in exterior,apoi este introdusa in cilindru la o presiune mai ridicata decat cea atmosferica.

4. Dupa numarul combustibililor utilizati,motoarele pot fi:o monocarburante;o policarburante.

5. Dupa starea de agregare a combustibilului,motoarele se impart in:o motoare cu combustibil:

gazos lichid solid(pulverizat) mixt

Motorul Stirling

Ciclul Stirling ideal este un ciclu termodinamic cu două izocore şi două izoterme. Este ciclul termodinamic cel mai eficient practic realizabil, eficienţa sa teoretică egalând-o pe cea ipotetică a unui ciclu Carnot. Cu toate acestea probleme de ordin tehnic reduc eficienţa în realizare – un mecanism mai simplu fiind avantajat faţă de o realizare a unui ciclu apropiat celui teoretic.

Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului 3 (galben) racorduri de răcire)4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri5 (verde deschis) – piston de refulare,6 (albastru închis) – piston de presiune7 (albastru deschis) - volanţi,Nereprezentate: sursa exterioară de energie şi radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator.

Transformări

Gazul de lucru este supus unui ciclu de dilatări şi comprimări compus din două

transformări izoterme şi două transformări izocore. Se utilizează următoarele

prescurtări:   = Cantitate de căldură , lucru mecanic în J

 = Masa gazului în mol

 = Capacitatea calorică molară la v=const. in J/mol

 = Constanta universală a gazului în J mol-1 K-1

 = Temperatura superioară şi inferioară în K

 = Volumul în punctul mort superior în m³

 = Volumul în punctul mort inferior în m³

Timp 1 1-2 pe grafic este o destindere izotermă în cursul căreia gazul efectuează

lucru mecanic asupra mediului. Căldura absorbită Q şi lucrul mecanic efectuat

L12 sunt legate prin formula:

Timp 2 2-3 pe grafic este o răcire izocoră în cursul căreia prin cedare de căldură

către regenerator gazul este adus în starea iniţială. Căldura cedată se determină cu

formula:

Timp 3 3-4 pe grafic este o comprimare izotermă în cadrul căreia lucrul mecanic

necesar modificării volumului L34 este egal cu căldura cedată. Q0

Timp 4 4-1 pe grafic este o incălzire izocoră în cursul căreia căldura absorbită în

timpul 2 de către regenerator este cedată gazului, valoarea acesteia fiind:

Lucrul mecanic util

Utilizând formulele de mai sus pentru Q şi

Q0 rezultă:  ;

având   Se obţine formula pentru lucrul mecanic:

Randament

Punctul slab al motoarelor Stirling îl reprezintă randamentul. În principiu

motoarele Stirling nu pot atinge un randament Carnot înalt, deoarece temperatura de

lucru maximă este limitată de temperatura sursei calde. În practică gazul de lucru nu

poate fi încălzit peste temperatura de 800 K. La aceste diferenţe de temperatură mici

randamentul Carnot este de cca 66 % şi se situează astfel mult sub cel al motoarelor

cu ardere internă uzuale.

Această problemă se manifestă şi la termocentralele dotate doar cu turbine cu

abur, pe partea de producere a curentului electric, care ating 66 % din randamentul

lor Carnot, rezultând un randament efectiv de puţin peste40 %. Motoarele Stirling

ating 50 % din randamentul lor Carnot, cu un randament efectiv corespunzător mai

mic.

Tipuri de motoare

Alfa Stirling

Un motor de tip Alfa Stirling conţine două pistoane de lucru, unul cald şi altul

rece ,situate separat în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în

interiorul schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în

schimbătorul de căldură de temperatură scăzută. Acest tip de motor are o putere

litrică foarte mare dar prezintă dificultăţi tehnice din cauza temperaturilor foarte mari

din zona pistonului cald şi a etanşării sale.

Beta Stirling

Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru în care sunt aşezate un

piston de lucru şi unul de refulare montate pe acelaşi ax. Pistonul de refulare nu este

montat etanş şi nu serveşte la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată

având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald şi cel

rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al cilindrului, se dilată şi

împinge pistonul de lucru. Când este împins către capătul rece, se contractă şi

momentul de inerţie al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant, împinge

pistonul de lucru în sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul

Alfa în acest caz se evită problemele tehnice legate de inelele de etanşare de la

pistonul cald.

Gama Stirling

Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru

este montat într-un cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat

la acelaşi volant. Gazul din cei doi cilindri circulă liber între aceştia. Această variantă

produce o rată de compresie mai mică dar este constructiv mai simplă şi adeseori

este utilizat în motoare Stirling cu mai mulţi cilindri.

Avantajele motorului Stirling

Căldura reziduală este uşor utilizabilă (în comparaţie cu motorul cu ardere

internă).

Pot utiliza fără modificări orice sursă de căldură, nu numai cele având la bază

un proces de ardere, cum este energia solară, geotermală, biologică sau nucleară.

În cazul sursei pe bază de combustibil procesul de ardere poate fi continuu

(spre deosebire de motoarele cu ardere internă), reducându-se semnificativ nivelul

emisiilor poluante.

Cele mai multe motoare Stirling au mecanismele de acţionare şi etanşare pe

partea rece, astfel încât necesită mai puţin lubrifiant şi au perioade de funcţionare

mai mari între revizii decât alte tipuri de maşini.

Mecanismele de acţionare sunt mai simple decât la alte tipuri de maşini cu

mişcare alternativă, nu sunt necesare supape şi sistemul de ardere poate fi mai

simplu.

Un motor Stirling utilizează un fluid de lucru fără modificare de stare care este

sub o presiune apropiată de cea nominală, astfel că la utilizare normală nu există

pericol de explozie. Faţă de aceasta o maşină cu aburi utilizează un fluid cu două

stări, gazos/lichid, ceea ce în cazul unei supape de siguranţă defecte poate avea ca

rezultat apariţia suprapresiunii şi în final explozie.

În unele cazuri, presiunea scăzută poate permite utilizarea de cilindri cu

greutate foarte redusă.

Pot fi construite pentru o funcţionare foarte silenţioasă, fără alimentare cu aer,

pentru propulsie fără consum de aer în cazul submarinelor sau în tehnica spaţială.

Au o pornire uşoară (totuşi lentă, după o perioadă de încălzire) şi funcţionează

mai eficient pe vreme rece, în comparaţie cu motoarele cu ardere internă care

pornesc repede pe vreme caldă şi greu pe vreme rece.

Un motor Stirling poate fi configurat astfel ca apa pompată să fie utilizată în

scopul răcirii spaţiului de comprimare. Bineînţeles acest lucru este mai eficient în

cazul pompării apei reci.

Sunt foarte flexibile. Pot funcţiona ca centrale cu cogenerare (CHP - Combined

Heat and Power) iarna şi ca instalaţie frigorifică vara.

Dezavantajele motorului Stirling

Din construcţie motorul Stirling este dotat cu schimbătoare de căldură atât

pentru absorbţia cât şi pentru cedarea acesteia, schimbătoare care trebuie să reziste

la presiunea fluidului de lucru, care la rândul ei este proporţională cu puterea

motorului. În plus schimbătorul de căldură de pe partea de destindere este supus

unor temperaturi foarte mari, din care cauză materialul trebuie să reziste unor

puternice efecte corozive şi să aibă deformări reduse. De obicei aceste cerinţe

măresc costul materialului. Costurile materialelor şi de asamblare a schimbătorului

de căldură din partea caldă ajung la 40% din cel al întregului motor Stirling.

Eliminarea căldurii reziduale este destul de complicată pentru că răcitorul

trebuie menţinut la o temperatură cât mai mică posibil pentru a mări randamentul.

Din această cauză este nevoie de radiatoare mari care măresc volumul. Împreună cu

costul materialului acesta a fost unul din motivele care au împiedicat utilizarea

motoarelor Stirling pentru acţionarea autovehiculelor.

Un motor Stirling nu poate porni imediat, având nevoie de o perioadă de

încălzire. Acest lucru este valabil pentru toate maşinile cu ardere externă, dar

această perioadă poate fi totuşi mai scurtă pentru motoarele Stirling decât de

exemplu la maşinile cu aburi.

Viscozitatea scăzută, conductivitatea termică ridicată şi căldura specifică

a hidrogenului fac ca din punct de vedere termodinamic şi hidrodinamic acesta să fie

un gaz de lucru aproape ideal în maşinile Stirling. Cu toate acestea datorită greutăţii

moleculare scăzute şi a capacităţii ridicate de difuzie, hidrogenul va scăpa prin pereţii

de metal, ceea ce va îngreuna menţinerea unei presiuni ridicate în interiorul maşinii

la o perioadă lungă de timp între completări. În consecinţă va fi nevoie de sisteme

auxiliare pentru menţinerea cantităţii necesare de gaz de lucru.

Motoare pentru avioane

Teoretic motoarele Stirling ar prezenta avantaje şi ca motoare de avion. Sunt

mai silenţioase şi mai puţin poluante, randamentul creşte cu altitudinea (randamentul

motoarelor cu ardere internă scade cu altitudinea), sunt mai sigure în funcţionare

datorită componentelor mai puţine şi lipsei sistemului de aprindere, produc mai

puţine vibraţii (structura de rezistenţă va avea o durată mai lungă) şi sunt mai sigure

putând utiliza combustibil mai puţin explozibil.

2.2. Motorul Wankel

Motorul rotativ este, in principial, un motor obisnuit, exact ca cel de pe orice masina, dar constructia si functionarea lui este complet diferita de cea a motorului conventional.

Intr-un motor cu piston, acelasi volum (cilindrul), face pe rand 4 operatii diferite: admisia, compresia, aprinderea si evacuarea. Intr-un motor rotativ, toate aceste

operatii sunt facute in paralel, fiecare in camere ei, datorita variatiei de volum a camerei, determinata de rotirea rotorului.

Exact ca un motor cu piston, motorul rotativ foloseste puterea dezvoltata de arderea amestecului aer-combustibil. Intr-un motor cu piston, presiunea dezvoltata de arderea combustibilului, forteaza miscarea oscilatorie a pistonului, care este transformata in miscare de rotatie de arborele cotit. La motorul rotativ, presiunea de combustie, este dezvoltata intre camera, intre rotor si peretele cilindrului, determinand rotirea acestuia. Rotorul urmeaza o cale ce seamana cu ceva creat cu un spirograf. Aceasta traiectorie ii permite rotorului sa mentina un contact permanent cu peretii cilindrului, creand 3 camere separate, al caror volum se modifica in timpul unei rotatii complete a motorului. Aceasta modificare de volum, aduce aer si combustibil in motor, il comprima, utilizeaza energia gazelor si in final le evacueaza.

Motorul rotativ, are de asemenea, exact ca un motor cu piston, nevoie de un sistem de alimentare si de unul de aprindere.

Motorul rotativ a fost inventat de Dr. Felix Wankel in 1924, primul brevet fiind obtinut in 1929 (DRP 507 584). Din acest motiv, acest motor mai este numit si Motor Wankel sau Motor Rotativ Wankel.

Sa aruncam o privire in interiorul motorului si sa examinam partile componente.

Rotorul

Asa, cum se poate observa si in figura, rotorul, are 3 fete convexe, fiecare din

ele comportandu-se ca un piston. Fiecare fata a rotorului, are o adancitura pentru a mari "cilindreea" motorului, permitand mai mult spatiu pentru amestecul aer-combustibil.

La varful (marginea) fiecarei fete, o placuta de metal izoleaza camerele formate de rotor intre ele. Aceasta placuta poate fi considerata a fi corespondentul segmentilor de la motorul cu piston. De asemenea exista inele de otel de fiecare parte a rotorului, pentru a sigila marginile camerei de ardere.

Rotorul are la interior o parte dintata. Acesti dinti se angreneaza cu dintii de pe arborele fixat in cilindru. Acesti dinti determina traiectoria si directia rotorului. La trei rotatii ale arborelui de iesire, rotorul se roteste o singura data.

Cilindrul

Forma cilindrului este oarecum ovala (de fapt este epitrochoid). Aceasta forma

a fost proiectata astfel incat cele 3 margini ale rotorului sa fie in contact permanent cu cilindrul formand cele 3 camere etanse ale motorului.

Fiecare zona a cilindrului este dedicata unui singur proces al motorului. Cele 4 sectiuni sunt:-Admisie -Compresie -Ardere -Evacuare

Orificiile de Admisie si Evacuare sunt dispuse in cilindru. Observati ca nu exista supape si ca aceste orificii comunica direct in evacuare/ admisie.

Arborele de iesire

Arborele de iesire are camele dispuse excentric.Arborele de iesire are niste came excentrice, ceea ce inseamna ca sunt

excentrice fata de axul arborelui. Fiecare rotor se aseaza pe una din aceste came. Camele actioneaza asemanator cu arborele cotit al unui motor cu piston. Motorul invartindu-se in carcasa lui, apasa pe aceste came. Cum camele sunt excentrice fata de axul de iesire, forta cu care actioneaza rotorul asupra camelor creeaza o forta de rotatie in arbore, determinand rotirea acestuia. Arborele are 2 came dispuse in parti opuse din considerente de echilibraj. Datorita miscarii rotorului (o vom analiza mai detaliat in viitor), intotdeauna se folosesc minim 2 rotoare pe acelasi arbore. Evident aceste rotoare se vor afla mereu in contrafaza pentru a se echilibra reciproc.

Producerea puterii

Motorul rotativ utilizeaza ciclul de ardere in patru timpi, care este acelasi cu cel al motorului cu piston in patru timpi. Dar la motorul rotativ acesta se petrece intr-un mod total diferit.

Inima motorului rotativ este rotorul. In mare se poate spune ca este echivalentul pistonului de la motorul cu piston. Rotorul este montat pe o cama circulara mare, pe arborele de iesire. Aceasta cama este coaxiala cu axul arborelui si actioneaza ca manivela la sistemul biela - manivela, dand rotorului forta de rotatie necesara ca sa invarteasca arborele de iesire. Cum rotorul se roteste in interiorul carcasei, el impinge cama arborelui de iesire, rotindu-se de trei ori la fiecare rotatie completa a rotorului.

Cum rotorul se misca spre carcasa, cele trei camere create de rotor isi schimba dimensiunile. Acesta schimbare de dimensiune creeaza efectul de

pompare. Sa urmarim fiecare din cele patru cicluri a motorului privind pozitia rotorului.

AdmisiaFaza de admisie, incepe atunci cand capatul rotorului trece de galeria de

admisie. In momentul in care orificiul de admisie este inspre camera, volumul camerei este aproape minim. In miscarea sa rotorul trece de orificiul de evacuare, volumul camerei creste, tragand amestec de aer / combustibil in interiorul camerei.

Cand varful rotorului trece de galeria de admisie, acea camera este izolata si incepe compresia.

CompresiaPe masura ce rotorul isi continua miscarea in carcasa, volumul camerei scade

si amestecul aer/combustibil de comprima. In timpul stabilit fata rotorului ajunge in dreptul bujiilor, volumul camerei este din nou aproape de minim. In acest moment incepe combustia.

AprindereaCele mai multe motoare au doua bujii. Forma camerei de combustie este

alungita, asa incat flacara s-ar "imprastia" prea incet daca ar doar o singura bujie. Cand apare scanteia, amestecul aer-combustibil se aprinde, crescand brusc presiunea si fortand rotorul sa se miste.

Presiunea combustiei forteaza rotorul sa se invarteasca in directia in care creste volumul camerei. Gazele de ardere isi continua expansiunea, fortand rotorul sa se roteasca si generand putere, pana cand camera ajunge in dreptul galeriei de evacuare.

EvacuareaImediat ce marginea rotorului a trecut de galeria de evacuare, presiunea din

camera este evacuata din motor. Pe masura ce rotorul isi continua miscarea, volumul camerei se micsoreaza, fortand si gazele ramase sa paraseasca cilindrul. Cand volumul camerei este aproape de minim, marginea rotorului trece de galeria de evacuare, izoland-o si ciclul incepe din nou.

De subliniat este ca fiecare din cele 3 camere formate de rotor lucreaza in paralel la o parte a ciclului. Intr-un ciclu complet, al motorului, vor fi 3 admisii, 3 compresii, 3 evacuari si cel mai important 3 combustii care vor dezvolta putere, dar cum unui ciclu complet ii corespund 3 rotatii ale arborelui de iesire , inseamna ca pentru fiecare explozie e o rotatie. Din acest punct de vedere randamentul motorului rotativ ar trebui sa fie superior celui in 4 timpi, cu piston, care pentru o cursa activa face 2 rotatii.

Principalele diferente Exista cateva caracteristici care diferentiaza motorul rotativ de cel cu piston.

Aceste diferente vor determina avantajele si dezavantajele fata de motorul cu piston.

Avantaje

Mai putine parti in miscare. Motorul rotativ are cu mult mai putine parti in miscare decat un motor similar, in patru timpi, cu piston, Motorul cu rotor rotativ are trei parti principale in miscare: cele doua rotoare si arborele de iesire. Chiar si cel mai simplu motor cu piston in patru timpi are cel putin 40 de parti in miscare, printre care pistoanele, tije de actionare a supapelor, arborele cotit, supapele, arcurile supapelor, biele, curele de transmisie, pinioanele de distributie si arborele cotit.

Micsorarea numarului si in definitiv a masei partilor in miscare se poate traduce intr-o siguranta mai mare a motorului rotativ. Din acest motiv anumiti constructori de avioane prefera motoarele rotative in locul celor cu piston.

Uniformitate. Toate partile motorului rotativ se rotesc continuu intr-o directie, spre deosebire de schimbarile bruste de directie care se petrec intr-un motor conventional, cum sunt pistoanele. Motoarele rotative sunt echilibrate intern cu contra-greutati care sunt defazate in asa fel incat sa elimine orice vibratii.

Eliberarea puterii la motoarele rotative este de asemenea mai uniforma. Deoarece fiecare faza de combustie se petrece pe parcursul unei rotatii de 90 de grade a rotorului, si arborele de iesire efectueaza trei rotatii pentru fiecare rotatie a rotorului, fiecare faza a combustiei dureaza 270 grade din rotatia arborelui de iesire. Aceasta inseamna ca un motor cu un singur rotor elibera puterea trei patrimi din durata ciclului de rotatie a arborelui de iesire. Comparat cu un motor cu un singur piston, in care combustia se petrece pe durata rotatiei de 180 grade la doua rotatii, sau doar pe o patrime din fiecare rotatie a arborelui cotit (arborele de iesire al motorului cu piston)

Mai lent. Deoarece viteza rotorului este de trei ori mai mica decat a arborelui de iesire, partile principale in miscare ale motorului cu rotor se misca mai incet decat partile motorului cu piston. Aceasta contribuie de asemenea la cresterea sigurantei si fiabilitatii motorului.

Dezavantaje

Exista cateva probleme intalnite la proiectarea motoarelor rotative:In mod obisnuit, este mult mai greu (dar nu imposibil) sa realizezi un motor

rotativ care sa respecte conditiile de poluare actuale (din ce in ce mai restrictive).Costurile de fabricatie pot sa fie mai mari, in principal pentru ca se fabrica in

serii mai mici decat motoarele cu piston.In mod obisnuit consuma mai mult combustibil decat motoarele cu piston din

cauza ca randamentul termodinamic este micsorat de forma prelunga a camerei de combustie si de raportul de compresie mic.

2.3. Motorul cu reactie

Timp de aproape o jumatate de secol, avioanele au fost actionate cu elice. In anii 40 au decolat primele avioane cu reactie. Constructia si viteza lor a declansat o revolutie in aviatie. Primul avion militar functional cu reactie a fost avionul german Messerschmitt Me 262, bombardier usor in 1994. Opt ani mai tarziu, la 2 mai 1952, Cometa de Havilland a devenit primul avion cu reactie care a intrat in serviciul comercial.

Motoarele cu reactie ard combustibil si expulzeaza gazele rezultate. Presarea in afara a aerului prin spatele unui motor produce o impingere de aceeasi intensitate. Acest principiu a fost enuntat de omul de stiinta englez Isaac Newton in a 3-a lege a miscarii: pentru fiecare actiune exista o reactiune egala si opusa.

Tipuri de motoare cu reactie:

Statoreactor Turbooreactor Turbopropulsor Turboventilator

Statoreactorul Tipul cel mai simplu de motor cu reactie este statoreactorul. Acesta este format , in esenta, dintr-o teava cu o priza de aer,in partea din fata, o camera de ardere la mijloc si un efuzor in partea din spate. Miscarea spre inainte a avionului preseaza eficient aerul in motor, determinandu-l sa se comprime. Combustibilul stropit in acest curent de aer este ars continuu. Gazele produse se dilata si sunt expulzate prin efuzorul din spate cu viteza, producand impingerea inainte.Marele avantaj al statoreactorului este ca e simplu si fiabil,neavand parti mobile, dar functioneaza doar atunci cand miscarea avionului este suficienta pentru ca aerul sa se comprime. Eficienta statorectoarelor este maxima la viteze de 2400-4000 km/h. Este nevoie de un alt motor, de exemplu o racheta, pentru a aduce avionul la viteza de decolare. Pentru a evita acest inconvenient, avioanele moderne au motor mai complex.

TurborectoareTurboreactorul este un motor cu reactie care are la baza acelasi principiu ca si motorul cu turbina cu gaze. Functioneaza asemanator cu statoreactorul, dar are un compresor in partea din fata pentru a trage aerul inanuntru si a-l presa in camera de ardere. Gazele produse care se dilata traverseaza o turbina in drumul lor spre efuzor. Gazele fac ca turbina sa se roteasca cu viteza mare, iar puterea de rotatie dezvoltata poate fi folosita in mai multe feluri.Deoarece motorul insusi asigura comprimarea necesara a aerului lui, avioanele cu turboreactor pot sa decoleze fara ajutorul unui alt motor si pot sa zboare la viteze mai mici decat un avion actionat de statoreactor. Avioanele cu turboreactor pot sa zboare cu viteze supersonice.Turbopropulsoare si turboventilatoareLa un turbopropulsor, turbina roteste o elice pentru a produce impingerea necesara. Avioanele actionate de aceste motoare sunt relativ lente. Turboventilatorul, un motor mai recent, combina propulsia cu jet si cea cu elice.Turboventilatorul se aseamana cu turboreactorul. La un turboreactor modern tipic ,o elice mare cu multe palete, aflata in partea din fata ,impinge aer prin centrul sau miezul motorului,precum si in jurul partii exterioare. Acest flux de aer exterior produce impingerea, asemenea fluxului de aer de la o elice obisnuita.Turboventilatorul este cel mai raspandit la avioanele mari, deoarece are avantaje fata de turboreactor. Turboventilatoarele sunt mai puternice la viteze mici, de aceea avionul actionat de acesta poate decola de pe piste mai scurte. Gazele sunt expulzate cu a viteza mai mica, generand un zgomot mai redus.

Arzatoare finaleMajoritatea avioanelor supersonice contin un mecanism numit arzator final, care mareste forta de impingere cand este nevoie. Arzatorul final adauga combustibil la gazele care parasesc turbina. Acest combustibil arde, marind viteza gazelor emise. Se produce un plus de impingere inainte, insa pe seama unui consum mult mai mare de combustibil. De aceea, arzatoarele finale se folosesc in principal pentru decolare si in cazul avioanelor militare ,pentru a le da o mai mare putere supersonica cand sunt implicate in manevre de lupta.

Ciclul motorului turboreactor:Motorul turboreactor este in esenta un motor termic care foloseste aerul atmosferic ca fluid de lucru pentru obtinerea tractiunii. Pentru a se realiza aceasta, curentul de aer care trece prin motor trebuie sa fie accelerat, respectiv viteza sau energia sa cinetica trebuie sa creasca. Pentru a se obtine aceasta crestere trebuie in primul rand marita energia potentiala, urmata de cresterea energiei calorice , si fenomenul se repeta obtinandu-se un jet cu viteza mare.Ciclul de lucru al motorului cu turbina cu gaze se aseamana cu cel al motorului cu piston in patru timpi, dar in cazul motorului turboreactor, arderea are loc la presiune constanta in timp ce la motorul cu piston, arderea are loc la volum constant. Studiul ambelor cicluri arata ca in fiecare caz exista: ADMISIE, COMPRESIE, ARDERE si EVACUARE. La motorul cu piston, ciclul este intermitent, pistonul fiind partea implicata in toti cei patru timpi. Dimpotriva, motorul turboreactor are un ciclu continuu cu un compresor separat, un sistem de ardere, un sistem de evacuare si turbina. Ciclul continuu si

absenta pieselor reciproce dau o functionare mai lenta a motorului si fac posibil ca o cantitate mare de energie sa fie folosita pentru obtinerea randamentului propulsiv.

Relatiile dintre presiune, volum si temperatura

In timpul ciclului motor curentul de aer ,sau “fluidul de lucru”, primeste si cedeaza caldura, producand schimbari in temperatura, volumul si presiunea fluidului. Aceste schimbari au loc in timp scurt in motor si sunt strans legate si respecta un principiu comun cuprins legile lui Boyle si Charles. Pe scurt, aceasta inseamna ca valorile presiunii si volumului de aer la diferite etape in ciclul motor sunt proportionale cu temperatura absoluta a aerului corespunzator acestor etape.Exista trei timpi principali in ciclul de lucru al motorului in timp ce au aceste schimbari. In timpul COMPRESIEI, lucrul mecanic este dat aerulului producand cresterea presiunii si temperaturii. In timpul COMBUSTIEI, cand combustibilul se adauga aerului, se produce arderea care mareste temperatura si volumul amestecului, presiunea ramane constanta deoarece motorul functioneaza intr-un ciclu cu presiune constanta. In timpul DESTINDERII, cand lucrul mecanic obtinut din curentul de gaz prin ansamblul turbinei actioneaza compresorul, scade temperatura si presiunea gazelor, volumul lor crescand.Cu cat e mai eficient compresorul (randament intern mare), cu atat presiunea obtinuta pentru un acelasi lucru mecanic consumat este mai ridicata. In schimb, cu cat turbina foloseste mai eficient gazul destins (randament intern al turbinei mare) cu atat lucrul mecanic obtinut este mai mare si gazul se destinde.Cand aerul este comprimat sau destins cu un randament n=100%, se spune ca avem compresie si destindere adiabatica. Totusi, deoarece o astfel de schimbare arata ca nu exista nici o pierdere de energie in timpul procesului,fie prin frecare,fie prin transmitere ori turbionare,evident este imposibil sa se obtina in practica o transformare adiabatica completa; 90% reprezinta valoarea randamentului intern (termic) pentru un compresor si o turbina cu performante bune.Vom calcula randamentul motorului presupunand ca este cunoscut raportul de compresie e = V1/V2 . Vom avea deci un ciclu format din doua adiabate si doua izobare:h = 1- |Q1| / Q2h = 1- (T4 - T1)/(T3- T2)Ecuatiile transformarilor sunt:T1 V1g-1 = T2 V2g-1

V2 / T2 = V3 / T3T3 V3g-1 = T4 V4g-1

V4 / T4 = V1 / T1Din prima ecuatie se obtine relatia T2 = T1(V1 / V2) g-1 = T1e g-1 iar apoi, folosind celelalte ecuatii: T4 = T3(V1 / V2) g-1 = T3e g-1. Randamentul va fi:h = 1 - (T4 / T3)(1 – T1 / T4) / (1 – T2 / T3) => h= 1 – 1/ e g-1