ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Γενικά

            Οι Αεροστρόβιλοι αεροπορικής χρήσης χρησιμοποιούνται κύρια για τη δημιουργία αεριώθησης είτε απ’ ευθείας με την ενέργεια των καυσαερίων είτε με την περιστροφή μιας έλικας.

            Βασικά χαρακτηριστικά τους είναι το μικρό βάρος, ο μικρός όγκος και η απαίτηση αποδοτικής λειτουργίας τους σε μεγάλη ποικιλία συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Το σχήμα τους πρέπει να προσαρμόζεται προς τις απαιτήσεις μιας αεροπορικής κατασκευής και η αξιοπιστία τους να είναι αυξημένη λόγω της χρησιμοποίησής τους σε αεροπλάνα. 

Ιστορική εξέλιξη

 Αν και οι αεριωθητές στην σημερινή τους μορφή είναι σχετικά πρόσφατη επινόηση, η αρχή επάνω στην οποία στηρίζεται η λειτουργία τους ήταν γνωστή από χιλιάδες χρόνια. Η πρώτη εφαρμογή αεριώθησης έγινε από τον Έλληνα μαθηματικό και μηχανικό Ήρωνα τον δεύτερο π.Χ. αιώνα στην Αλεξάνδρεια. Η συσκευή την οποία χρησιμοποίησε ονομαζόταν αιολοπύλη (σχήμα 1-1). Αυτή αποτελείται από κλειστό δοχείο γεμάτο με νερό και στρεπτή σφαίρα με δύο διαμετρικά ακροφύσια κεκαμμένα σε αντίθετη διεύθυνση και κάθετα προς τον άξονα περιστροφής της. Το νερό θερμαίνεται, ο παραγόμενος ατμός διαβιβάζεται στη σφαίρα και βγαίνει από τα ακροφύσια, προκαλώντας έτσι την περιστροφή της. Λέγεται ότι ο Ήρωνας κατασκεύασε την αιολοπύλη μετά παραγγελία των Αιγυπτίων ιερέων, οι οποίοι θα την χρησιμοποιούσαν για την κίνηση των πυλών των ναών, κατά βούληση αθέατοι, ώστε να δημιουργούν την εντύπωση θεάματος. Η αιολοπύλη αποτέλεσε μια μεμονωμένη εφαρμογή αεριώθησης, που δεν είχε άλλωστε καμμιά θεωρητική εξήγηση την εποχή εκείνη.

Το 1629, περίπου πενήντα χρόνια πριν από την διατύπωση από τον Νεύτωνα της αρχής της δράσης και αντίδρασης, ο Ιταλός μηχανικός Μπράνκα (Ciovanni Branca) σχεδίασε τον πρώτο πραγματικό στρόβιλο. Αυτός χρησιμοποιούσε την ενέργεια του ατμού, ο οποίος έπεφτε πάνω σε ένα στρεπτό δίσκο, που είχε κοιλότητες στην περιφέρειά του και τον έστρεφε. Το σχέδιο του

Μπράνκα είναι αξιοσημείωτο κατά το ότι για πρώτη φορά μέχρι τότε χρησιμοποιήθηκε ο στρεφόμενος δίσκος.

Σχήμα 1-1: Η μηχανή του Ήρωνα 

Οι πρώτοι αεριοστρόβιλοι χρησιμοποιήθηκαν για αεροπορικές εφαρμογές, αλλά όχι για την πρόωση αεροσκαφών. Το 1902 ο Μός (Sanford A. Moss) άρχισε την κατασκευή του πρώτου αεριοστροβίλου στα εργαστήρια του Πανεπιστημίου του Κόρνελ (Cornell) στις Η.Π.Α. Από τότε κατασκευάσθηκαν πολλοί αεριοστρόβιλοι για την κίνηση αεροσυμπιεστών. Η πρώτη αεροπορική εφαρμογή της κατασκευής ήταν η κίνηση υπερσυμπιεστών. Ο Μός ήταν προϊστάμενος ομάδας τεχνικών της εταιρείας Τζένεραλ Ελέκτρικ (General Electric), η οποία σχεδίασε τον πρώτο στροβιλοκίνητο υπερσυμπιεστή, ο οποίος κατασκευάστηκε το 1918. Τέτοιος υπερσυμπιεστής χρησιμοποιήθηκε το 1928 στον κινητήρα του αεροσκάφους Απάτση της Ράϊτ (Wright Apache), το οποίο κατάρριψε το ρεκόρ ύψους.

Ο Γάλλος μηχανικός Ρενέ Λορέν πήρε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ένα κινητήρα αεριώθησης (σχήμα 1-2) το 1913, αλλά αυτός στην πραγματικότητα ήταν ένας αθόδυλος (βλέπε παρακάτω), που εκείνη την εποχή ήταν αδύνατο να κατασκευαστεί.

Το 1930 ο Φράνκ Γουίτλ στην Αγγλία πήρε το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, για την χρησιμοποίηση αεροστροβίλου ικανού να δημιουργήσει προωθητικό ρεύμα καυσαερίων για την πρόωση αεροπλάνου.

            1. Εισαγωγή αέρα                             3. Θάλαμος καύσης

            2. Παροχή καυσίμου                         4. Στένωση (Προωθητικό ακροφύσιο)

Σχήμα 1-2: Ο αεριωθητής του Λορέν 

Η πρώτη θεωρητική εργασία για αεριοστροβίλους της σημερινής μορφής έγινε από τον Γκρίφφιθ (A.A. Griffith) του Βρετανικού Βασιλικού Ιδρύματος Αεροπλάνων (Royal Aircraft Establishment). Αυτός το 1926, ανάπτυξε μια θεωρία για την σχεδίαση ενός στροβίλου, που θα βασιζόταν στη ροή αέρα γύρω από πτερύγια με κατάλληλη αεροτομή. Το σχέδιό του μελετήθηκε από το Υπουργείο Αεροπορίας και αποφασίσθηκε περαιτέρω πειραματική διερεύνηση. Ο αεροστρόβιλος που προτάθηκε, από τον Γκρίφφιθ ήταν αξονικής ροής, με πολλές βαθμίδες και με μια ιδανική συναρμογή συμπιεστού και στροβίλου, βαθμίδα προς βαθμίδα. Παρόμοια εργασία είχε αναληφθεί στη Σουηδία κατά την αυτή χρονική περίοδο. Τα σχέδια αυτά όμως ήταν πολύπλοκα για την εποχή τους και δεν οδήγησαν σε κανένα πρακτικό αποτέλεσμα, αν και ο αεριοστρόβιλος του Γκρίφφιθ κατασκευάσθηκε από την εταιρεία Κινητήρες Άρμστρογκ Σάϊντλη (Armstrong Siddeley Motors) και δοκιμάσθηκε.

Το 1928 ο Γουίτλ, ενώ ήταν ακόμη μαθητής στο Βασιλικό Αεροπορικό Κολέγιο, μελέτησε τη κίνηση αεροπλάνου με αεριώθηση. Αργότερα συνέλαβε την ιδέα της χρησιμοποίησης του αεριοστροβίλου γι’ αυτό το σκοπό. Το 1930 υπόβαλε μελέτη για την κατασκευή ενός αεριοστροβίλου και ζήτησε την κατοχύρωση της ιδέας του. Ο αεριοστρόβιλός τους είχε ένα φυγοκεντρικό συμπιεστή, θάλαμο καύσης και στρόβιλο. Προσπάθησε χωρίς επιτυχία να προωθήσει το σχέδιό του στο Υπουργείο Αεροπορίας και διάφορες εταιρείες. Το

1936 ίδρυσε μαζί με άλλους και με την έμμεση συμμετοχή του Υπουργείου, την εταιρεία Πάουερ Τζέτς (Power Jets LTD). Ο καυστήρας που σχεδίασε είχε αεροσυμπιεστή φυγοκεντρικής ροής με εισαγωγή αέρα και από τις δύο πλευρές του, ένα θάλαμο καύσης και στρόβιλο μιας βαθμίδας. Είχε στόχο την επίτευξη συμπίεσης 4:1 και απόδοση τουλάχιστον 3.000 ίππων από τον στρόβιλο. Η κατασκευή ανατέθηκε στην εταιρεία Μπρίτις Τόμσον – Χιούστον (British Thomson- Houston) και οι δοκιμές του πρότυπου κινητήρα είχαν επιτυχία, με αποτέλεσμα την συνέχιση της υποστήριξης του Υπουργείου Αεροπορίας.

Τελικά το 1939 η Βρετανική Κυβέρνηση ανάθεσε στην Πάουερ Τζέτς την κατασκευή ενός αεριωθητή για την κίνηση ενός πειραματικού αεροπλάνου, το οποίο θα κατασκεύαζε η εταιρεία Γκλόστερ Αϊάρκραφτ (Gloster Aircraft). Στην ομάδα σχεδίασης μετείχαν τεχνικοί της Πάουερ Τζέτς, της Μπρίτις Τόμσον- Χιούστον και ο Γουίτλ. Ο κινητήρας W1, που κατασκευάσθηκε, δοκιμάσθηκε το Μάιο του 1941 με επιτυχία σε πτήση. Μετά από αυτό αποφασίσθηκε η κατασκευή βελτιωμένου τύπου του W2Β, ο οποίος θα χρησιμοποιούταν στο αεροσκάφος Μέτεορ (Meteor).

Ο φον Οχάϊμ στη Γερμανία πρότεινε την κατασκευή ενός αεριωθητού σχεδόν όμοιου με εκείνον του Γουίτλ, με τη διαφορά, ότι ο συμπιεστής του είχε πτερύγια μόνο από τη μπροστινή πλευρά του δίσκου. Τα σχέδια του Οχάϊμ υποστηρίχθηκαν από την εταιρεία κατασκευής αεροπλάνων Χάϊνκελ (Heinkel) από το 1936. Το 1936 έγινε η πρώτη επιτυχής πτήση αεροπλάνου με αεριωθητή, που κατασκευάσθηκε από την παραπάνω εταιρεία, Το αεροπλάνο ήταν το He-178 και κινητήρας ο He-3B με ώση 880 έως 1100 λίβρες. Μετά την επιτυχία αυτή οι εταιρείες κατασκευής κινητήρων B.M.W. και Γιούνκερς – Γιούμο (Junkers Jumo) ανάλαβαν την ανάπτυξη και κατασκευή αεριωθητών αξονικής ροής. Οι εταιρείες αυτές έκαναν σημαντικότατη εργασία και οι κινητήρες τους και τα σχέδιά τους χρησιμοποιήθηκαν σαν πρότυπα από τους νικητές του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Από τους πιο ενδιαφέροντες κινητήρες, οι οποίοι κατασκευάσθηκαν, ήταν ο Γιούμο 109-004Β, ο οποίος είχε συμπιεστή αξονικής ροής οκτώ βαθμίδων, οκτώ θαλάμους καύσης και στρόβιλο μιας βαθμίδας με εξαγωγή μεταβλητής διατομής. Οι Γερμανοί επίσης χρησιμοποίησαν πρώτοι αεριωθούμενα αεροπλάνα στο πόλεμο, τα περίφημα Me-262, το 1944.

            1. Συμπιεστής

            2. Στρόβιλος

            3. Εγχυτήρας καυσίμων

            4. Σωλήνας εξαγωγής και προωθητικό ακροφύσιο

Σχήμα 1-3: Ένας αεροστρόβιλος τύπου Γουϊτλ

 Τα σχέδια των γερμανικών κινητήρων του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου παραλήφθηκαν από τους Δυτικούς Συμμάχους και τους Ρώσους, μαζί με πολλούς Γερμανούς τεχνικούς και αποτέλεσαν τη βάση της ανάπτυξης πολλών νέων σειρών αεριωθητών.

Με την πάροδο του χρόνου επικράτησαν οι αεριωθητές με συμπιεστές αξονικής ροής. Σήμερα οι συμπιεστές φυγοκεντρικής ροής χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με τις βαθμίδες συμπίεσης αξονικής ροής. Μετά το 1950 άρχισαν να κατασκευάζονται συμπιεστές αξονικής ροής με δυνατότητα μεταβολής της γωνίας προσβολής των πτερυγίων και επίσης αεριοστρόβιλοι με διπλό άξονα. Έτσι, βελτιώθηκε ο λόγος συμπίεσης και μειώθηκε η ειδική κατανάλωση. Οι κινητήρες της εποχής απόδιδαν ώση μεταξύ 9.000 και 15.000.

Κατά τα πρώτα αυτά χρόνια της ζωής των αεριωθητών, αυτοί χρησιμοποιούνταν κύρια στην πολεμική αεροπορία και επομένως η σχεδίασή τους ήταν προσαρμοσμένη στις ανάγκες των μαχητικών αεροπλάνων. Για την αύξηση της ώσης διαφόρων αεριωθητών επινοήθηκαν τα συστήματα μετάκαυσης, παρά την ψηλή κατανάλωση καυσίμου, την οποία δημιουργούσαν. Αυτά χρησιμοποιήθηκαν αρχικά από τους Γερμανούς και Άγγλους αλλά τελειοποιήθηκαν από τους Αμερικάνους.

Οι πρώτοι αεριωθητές για πολιτικά αεροπλάνα ήταν τροποποιήσεις παλιότερων αεριωθητών, που χρησιμοποιούνταν σε πολεμικά αεροπλάνα. Έτσι, το πρώτο αεριωθούμενο αεροπλάνο της πολιτικής αεροπορίας, ο Κομήτης της

ντε Χάβιλαντ (de Havilland Comet) χρησιμοποιούσε τροποποιημένη μορφή του αεριωθητή Γκόστ της ντε Χάβιλαντ. Αυτόν ακολούθησαν ο RA-29, παράγωγο του αεριωθητή Αίηβον της Ρόλς- Ρόϋς (Rolls-Royce Avon) και JT3C, παράγωγο του αεριωθητή διπλού άξονα J57 της Πράτ και Γουίτνεϋ (Pratt and Whitney). Με τις μετατροπές επιζητιόταν, ανάμεσα σε άλλα, μεγαλύτερη αξιοπιστία και μικρότερη ειδική κατανάλωση καυσίμου.

Κατά τη δεκαετία μετά το 1960 αναπτύχθηκαν κινητήρες διπλής ροής όλων των μεγεθών ώσης απλού, διπλού και τριπλού άξονα. Το ποσοστό της δευτερεύουσας ροής σε σχέση προς την πρωτεύουσα έχει φθάσει μέχρι 8:1 και ο βαθμός συμπίεσης μέχρι την περιοχή 25-30:1. Οι πιο γνωστοί από τους τελευταίους κινητήρες είναι ο RB-211 της Ρόλς- Ρόϋς τριπλού άξονα, ο CF-6 της Τζένεραλ Ελέκτρικ, διπλού άξονα και ο JT-90 της Πράτ και Γουίτνεϋ.

Εξ άλλου κατά την ίδια δεκαετία αναπτύχθηκαν οι κινητήρες, οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν από τα υπερηχητικά μεταφορικά αεροπλάνα. Έτσι, η Ρόλς- Ρόϋς δημιούργησε τον αεριοστρόβιλο Όλυμπος 593 με ώση 35.000- 40.000 λίβρες για το Κονκόρντ, η Τζένεραλ Ελέκτρικ τον αεροστρόβιλο GE 4 με ώση 50.000- 70.000 λίβρες για το αμερικάνικο υπερηχητικό που σχεδιαζόταν και οι Ρώσοι τον κινητήρα με μετάκαυση Κουζνέτσωφ ΝΚ-144 (Kuznetsov) για το TU-144 της Τουπόλιεφ (Tupolev).