Module III - Nozzles_AIR PROPULSION.pptx

PROPULSION

1. AIRCRAFT PROPULSION VIGNESWARAN CM ASSISTANT PROFESSOR DEPARTMENT OF AERONAUTICAL ENGINEERING

2. A J e t E n g i n e S c h e m a t i c 2

3. L e c t - 2 J e t E n g i n e f u n d a m e n t a ll y i s a H ea t E n g i n e Co m bu stion is t h e e ner g y i n pu t in to t h e e ng i n e a n d is k ey to t h e op er a tion of a j e t e ng i ne A i r J e t T h r u s t W a s t e H e a t 3

4. L e c t - 2 F u n d a m e n t a l v a r i e t i e s o f j e t e n g i n e P u r e T u r b o j e t P r o p - j e t 4 U n d u c t e d o r D u c t e d f a n

5. A B y p a s s J e t e n g i n e 5

6. A m i x e d f l o w b y p a s s j e t e n g i n e 6

7. A p u r e t u r b o j e t e n g i n e w i t h a f t e r b u r n e r ( m i x e d f l o w ) 7

8. M e c h a n i c a l C r ea t i o n o f T h r u s t b y a l l c o m p o n e n t s 8

9. M e c h a n i c a l F o r c e s c r ea t e d b y v a r i o u s c o m p o n e n t s o f a J e t e n g i n e 9

10. L e c t - 2 T o t a l a n d S t a t i c P r e ss u r e s a c t i n g o n v a r i o u s p a r t s o f a j e t e n g i n e 10

11. 11 A l l M e c h a n i c a l l o a d s ( e . g . g a s l o a d s e t c ) a r e t o b e b o r n e b y v a r i o u s c o m p o n e n t s o f t h e e n g i n e . T h e s e a r e t h e c o m p o n e n t s , t h a t p a s s o n t h e l o a d t o t h e o v e r a l l s t r u c t u r e o f t h e e n g i n e . T h e e n g i n e , i s r i g i d l y a tt a c h e d t o t h e a i r c r a f t , a n d p r o v i d e s p u l l ( t h r u s t ) f o r m o t i o n . T h e l o a d i s v a r i a b l e a n d c o n t i nu o u s d u r i n g t h e e n t i r e o p e r a t i o n o f t h e e n g i n e . T h e l o a d b ea r i n g c o m p o n e n t s , e . g . b ea r i n g s , s t r u t s e t c n ee d t o b e d e s i g n e d a n d i n s t a ll e d t o w i t h s t a n d t h e s e c o n t i nu o u s f o r c e s . O t h e r w i s e t h e e n g i n e i s li a b l e t o f a i l un d e r hu g e m e c h a n i c a l l o a d s , a pp li e d c o n t i nu o u s l y .

12. L e c t - 2 12 T h r u s t n ee d s t o b e c r ea t e d f o r a l l f li g h t r e g i m e s o f t h e a i r c r a f t : T ak e - o f f – n o r m a l l y m a x i m u m t h r u s t C li m b – C r u i s e – r e d u c i n g fr o m m a x i m u m t h r u s t n o r m a l l y m i n i m u m t h r u s t M a n o e v r e s – v a r ia b l e t h r u st A cc e l e r a t i o n & D e c e l e r a t i o n - v a r ia b le D e sc e n d – L o w t h r us t L a n d i n g – L e s s t h a n m a x i m u m t h r u st

13. A m o d e r n L a r g e T u r b o f a n E n g i n e 13

14. A m o d e r n v e r y - l o w b y p a s s ( a l m o s t p u r e t u r b o j e t ) e n g i n e 14

15. L e c t - 30 15 C o n v e r g i n g n o zz l e s I f a c o n v e r g e n t n o zz l e i s o p e r a t i n g un d e r c h o k e d c o n d i t i o n , t h e e x i t M a c h nu m b e r i s un i t y . T h e e x i t f l o w p a r a m e t e r s a r e t h e n d e f i n e d b y t h e c r i t i c a l p a r a m e t e r s . T o d e t e r m i n e w h e t h e r a n o zz l e i s c h o k e d o r n o t , w e c a l c u l a t e t h e a c t u a l p r e ss u r e r a t i o a n d t h e n c o m p a r e t h i s w i t h t h e c r i t i c a l p r e ss u r e r a t i o . I f t h e a c t u a l p r e ss u r e r a t i o > c r i t i c a l p r e ss u r e r a t i o , t h e n o zz l e i s s a i d t o b e c h o k e d .

16. L e c t - 30 16 I s e n t r o p i c f l o w t h r o u g h c o n v e r g i n g - d i v e r g i n g n o zz l e s M a x i m u m M a c h nu m b e r a c h i e v a b l e i n a c o n v e r g i n g n o zz l e i s un i t y . F o r s u p e r s o n i c M a c h nu m b e r s , a d i v e r g i n g s e c t i o n a f t e r t h e t h r o a t i s r e q u i r e d . H o w e v e r , a d i v e r g i n g s e c t i o n a l o n e w o u l d n o t g u a r a n t e e a s u p e r s o n i c f l o w . T h e M a c h nu m b e r a t t h e e x i t o f t h e c o n v e r g i n g - d i v e r g i n g n o zz l e d e p e n d s u p o n t h e b a c k p r e ss u r e .

17. L e c t - 30 M x S h o c k i n n o zz l e E x i t A P A B C D P B P C P D P E P F P G P b P b P e P P * P P T h r o a t I n l e t T h r o a t S o n i c f l o w a t t h r o a t B A D C 1. S u b s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t N o s h o c k S u b s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t S h o c k i n n o zz l e S u p e r s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t N o s h o c k i n n o zz l e S u p e r s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t N o s h o c k i n n o zz l e S u b s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t S h o c k i n n o zz l e S u b s o n i c f l o w a t n o zz l e e x i t N o s h o c k 17

18. L e c t - 30 18 C o n v e r g i n g - d i v e r g i n g n o zz l e s T h e f l o w t h r o u g h n o zz l e s i s n o r m a ll y a ss u m e d t o b e a d i a b a t i c a s t h e h ea t t r a n s f e r p e r un i t m a s s i s m u c h s m a ll e r t h a n t h e d i ff e r e n c e i n e n t h a l p y b e t w ee n t h e i n l e t a n d o u t l e t . T h e f l o w f r o m t h e i n l e t t o t h e t h r o a t c a n b e a ss u m e d t o b e i s e n t r o p i c , b u t t h e f l o w f r o m t h e t h r o a t t o e x i t m a y n o t b e d u e t h e p o ss i b l e p r e s e n c e o f s h o c k s .

19. L e c t - 29 19 E x h a u s t n o zz l e s B e s i d e s g e n e r a t i n g t h r u s t , n o zz l e s h a v e o t h e r fun c t i o n s t o o . V a r i a b l e a r e a n o zz l e s a r e u s e d f o r a d j u s t i n g t h e e x i t a r e a f o r d i ff e r e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e e n g i n e . F o r t h r u s t r e v e r s a l : n o zz l e a r e d e f l e c t e d s o a s t o g e n e r a t e a p a r t o f t h e t h r u s t c o m p o n e n t i n t h e f o r w a r d d i r e c t i o n r e s u l t i n g i n b r a k i n g . F o r t h r u s t v e c t o r i n g : v e c t o r i n g t h e n o zz l e s t o c a rr y o u t c o m p l e x m a n e u v e r s . E x h a u s t n o i s e c o n t r o l

20. L e c t - 29 E x h a u s t n o zz l e s : F i x e d g e o m e t r y T a il p i p e N o zz l e N o zz l e S u b s o n i c , c o n v e r g e n t n o zz l e 20 S u p e r s o n i c , C - D n o zz l e

21. L e c t - 29 E x h a u s t n o zz l e s : V a r i a b l e g e o m e t r y V a r i a b l e n o zz l e T a il p i p e A f t e r bu r n e r 21 P r o f . B h aska r R o y , Pr o f . A M Pr a d ee p , D e p a r t m e n t o f A e r o s p ace , IIT B o m b ay V a r i a b l e n o zz l e S u b s o n i c , c o n v e r g e n t n o zz l e S u p e r s o n i c , C - D n o zz l e

22. L e c t - 29 22 P r o f . B h aska r R o y , Pr o f . A M Pr a d ee p , D e p a r t m e n t o f A e r o s p ace , IIT B o m b ay E x h a u s t n o zz l e s T y p e s o f n o zz l e s : C o n v e r g e n t o r C o n v e r g i n g - d i v e r g i n g A x i s y m m e t r i c o r t w o - d i m e n s io n a l F i x e d g e o m e t r y o r v a r i a b l e g e o m e t r y S i m p l e s t i s t h e f i x e d g e o m e t r y c o n v e r g e n t n o zz l e W a s u s e d i n s u b s o n i c c o m m e r c i a l a i r c r a f t . O t h e r n o zz l e g e o m e t r i e s a r e c o m p l e x a n d r e q u i r e s o p h i s t i c a t e d c o n t r o l m e c h a n i s m s .

23. L e c t - 29 E x h a u s t n o zz l e s N o zz l e m u s t f u l f il l t h e f o ll o w i n g : B e m a t c h e d w i t h o t h e r e n g i n e c o m p o n e n t s P r o v i d e o p t i m u m e x p a n s i o n r a t i o H a v e m i n i m u m l o ss e s a t d e s i g n a n d o f f - d e s i g n P e r m i t a f t e r b u r n e r o p e r a t i o n P r o v i d e r e v e r s e d t h r u s t w h e n n e c e ss a r y S u pp r e s s j e t n o i s e a n d I R r a d i a t i o n P r o v i d e n e c e ss a r y v e c t o r e d t h r u s t H a v e m i n i m a l w e i g h t , c o s t a n d m a i n t e n a n c e w h il e s a t i s f y i n g t h e a b o v e . 23 P r o f . B h aska r R o y , Pr o f . A M Pr a d ee p , D e p a r t m e n t o f A e r o s p ace , IIT B o m b ay

24. L e c t - 29 E x h a u s t n o zz l e s C o n v e r g e n t n o zz l e s a r e n o r m a ll y u s e d i n s u b s o n i c a i r c r a f t . T h e s e n o zz l e s o p e r a t e un d e r c h o k e d c o n d i t i o n , l ea d i n g t o i n c o m p l e t e e x p a n s i o n . T h i s m a y l ea d t o a p r e ss u r e t h r u s t . A C - D n o zz l e c a n e x p a n d f u ll y t o t h e a m b i e n t p r e ss u r e a n d d e v e l o p g r ea t e r m o m e n t u m t h r u s t . H o w e v e r d u e t o i n c r ea s e d w e i g h t , g e o m e t r i c c o m p l e x i t y a n d d i a m e t e r , i t i s n o t u s e d i n s u b s o n i c t r a n s p o r t a i r c r a f t . 24

25. L e c t - 29 10 V a r i a b l e g e o m e t r y n o zz l e s V a r i a b l e a r e a n o zz l e s o r a d j u s t a b l e n o zz l e s a r e r e q u i r e d f o r m a t c h e d o p e r a t i o n un d e r a l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . T h r e e t y p e s o f v a r i a b l e a r e a n o zz l e s a r e : C e n t r a l p l u g a t n o zz l e o u t l e t E j e c t o r t y p e I r i s n o zz l e T h e C e n t r a l p l u g i s v e r y s i m il a r t o t h e s p i k e o f a n i n t a k e . U n li k e i n t a k e , t h e c e n t r a l p l u g c a u s e s e x t e r n a l e x p a n s i o n f a n s .

26. L e c t - 29 C e n t r a l p l u g n o zz l e s E x p a n s io n f a n s h o c k 26 C e n t r a l p l u g E x p a n s io n f a n C e n t r a l p l u g a t n o zz l e o u t l e t

27. L e c t - 29 27 E j e c t o r t y p e n o zz l e s E j e c t o r n o zz l e : c r ea t e s a n e ff e c t i v e n o zz l e t h r o u g h a s e c o n d a r y a i r f l o w A t s u b s o n i c s p ee d s , t h e a i r f l o w c o n s t r i c t s t h e e x h a u s t t o a c o n v e r g e n t s h a p e . A s t h e s p ee d i n c r ea s e s , t h e t w o n o zz l e s d il a t e a n d t h e t w o n o zz l e s f o r m a C D s h a p e . S o m e c o n f i g u r a t i o n s m a y a l s o h a v e a t e r t i a r y a i r f l o w . S R - 71 , C o n c o r d e , F - 11 1 h a v e u s e d t h i s t y p e o f n o zz l e .

28. L e c t - 29 E j e c t o r t y p e n o zz l e s S e c o nd a r y a i r E ng i n e c o r e f lo w H i g h M a ch Lo w M a c h H i g h M a ch Lo w M a c h T a i l f l a p p o s i t io n s D i v i d i n g s t r ea m li n e s T e r t i a r y a i r S e c o nd a r y a i r 28 E ng i n e c o r e f lo w B lo w i n d oo r s f o r lo w M a c h H i g h M a ch Lo w M a c h

29. L e c t - 29 29 V a r i a b l e g e o m e t r y n o zz l e s I r i s n o zz l e : u s e s o v e r l a pp i n g , a d j u s t a b l e p e t a l s . M o r e c o m p li c a t e d t h a n t h e e j e c t o r t y p e n o zz l e . O ff e r s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r p e r f o r m a n c e . U s e d i n a d v a n c e d m ili t a r y a i r c r a f t . S o m e o f t h e m o d e r n a i r c r a f t a l s o h a v e i r i s n o zz l e s t h a t c a n b e d e f l e c t e d t o a c h i e v e v e c t o r e d t h r u s t .

30. L e c t - 29 I r i s t y p e n o zz l e s I r i s p e t a l s f o r v a r i a b l e g e o m e t r y 30

31. L e c t - 29 31 T h r u s t v e c t o r i n g D i r e c t i n g t h e t h r u s t i n a d i r e c t i o n o t h e r t h a n t h a t p a r a ll e l t o t h e v e h i c l e s ’ l o n g i t u d i n a l a x i s . T h i s a ll o w s t h e a i r c r a f t t o un d e r g o m a n e u v e r s t h a t c o n v e n t i o n a l c o n t r o l s u r f a c e s li k e a il e r o n s o r f l a p s c a nn o t p r o v i d e . U s e d i n m o d e r n d a y c o m b a t a i r c r a f t . P r o v i d e s e x c e p t i o n a l a g ili t y a n d m a n e u v e r i n g c a p a b ili t i e s .

32. L e c t - 29 T h r u s t v e c t o r i n g T h r u s t v e c t o r i n g w a s o r i g i n a l l y d e v e l o p e d a s a m ea n s f o r V / S T O L ( V e r t i c a l o r S h o r t T a k e O f f a n d L a n d i n g ) . T h r u s t v e c t o r e d a i r c r a f t h a v e b e tt e r c li m b r a t e s , b e s i d e s e x t r e m e m a n e u v e r s . M o s t o f t h e m o d e r n d a y c o m b a t a i r c r a f t h a v e t h r u s t v e c t o r i n g . S o m e o f t h e l a t e s t a i r c r a f t a l s o h a v e a x i s y m m e t r i c n o zz l e t h r u s t v e c t o r i n g . 32

33. L e c t - 29 33 T h r u s t v e c t o r i n g T h e r e a r e t w o t y p e s o f t h r u s t v e c t o r c o n t r o l s : M e c h a n i c a l c o n t r o l F l u i d i c c o n t r o l M e c h a n i c a l c o n t r o l i n v o l v e s d e f l e c t i n g t h e e n g i n e n o zz l e a n d t hu s ph y s i c a ll y a l t e r t h e d i r e c t i o n o f t h r u s t . F l u i d i c v e c t o r i n g i n v o l v e s e i t h e r i n j e c t i n g f l u i d o r r e m o v i n g i t f r o m t h e b o un d a r y l a y e r o f t h e p r i m a r y j e t .

34. L e c t - 29 34 T h r u s t v e c t o r i n g M e c h a n i c a l v e c t o r i n g s y s t e m i s h e a v i e r a n d c o m p l e x . T h e r e a r e t w o t y p e s o f m e c h a n i c a l t h r u s t v e c t o r i n g I n t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g E x t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g I n t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g p e r m i t s o n l y p i t c h c o n t r o l . E x t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g c a n b e u s e d f o r p i t c h a n d y a w c o n t r o l s .

35. L e c t - 29 I n t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g F l a p s f o r d e f l e c t io n du r i n g t h r u s t v e c t o r i n g F l a p s d e f l e c t e d du r i n g p i t c h d o w n 20

36. L e c t - 29 E x t e r n a l t h r u s t v e c t o r i n g F l a p s o r p e t a l s t o b e a pp r o p r i a t e l y d e p l o y e d t o e ff e c t v e c t o r e d t h r u s t 36

37. L e c t - 29 37 T h r u s t v e c t o r i n g F l u i d i c t h r u s t v e c t o r i n g h a s b ee n d e m o n s t r a t e d s u cc e ss f u ll y a t a l a b o r a t o r y sc a l e . T h i s m e t h o d h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s o v e r t h e m e c h a n i c a l c o n t r o l . M a i n c h a ll e n g e li e s i n e n s u r i n g a n e ff e c t i v e c o n t r o l w i t h a li n ea r r e s p o n s e . O t h e r c o n c e p t s li k e S h o c k t h r u s t v e c t o r c o n t r o l , c o f l o w a n d c o un t e r f l o w t h r u s t v e c t o r i n g c o n c e p t s a r e a l s o b e i n g p u r s u e d .

38. L e c t - 29 F l u i d i c t h r u s t v e c t o r i n g S h o c k S e c o nd a r y f lo w S h o c k v e c t o r t h r u s t v e c t o r i n g P r i m a r y f lo w 38 S e c o nd a r y f lo w P r i m a r y f lo w C o - f l o w a n d c o un t e r - f l o w t h r u s t v e c t o r i n g

39. L e c t - 29 39 T h r u s t r e v e r s a l W i t h i n c r ea s i n g s i z e a n d l o a d s o f m o d e r n d a y a i r c r a f t , w h ee l b r a k e s a l o n e c a nn o t b r a k e a n d a i r c r a f t . D e f l e c t i n g t h e e x h a u s t s t r ea m t o p r o d u c e a c o m p o n e n t o f r e v e r s e t h r u s t w il l p r o v i d e a n a dd i t i o n a l b r a k i n g m e c h a n i s m . M o s t o f t h e d e s i g n s o f t h r u s t r e v e r s e r s h a v e a d i sc h a r g e a n g l e o f a b o u t 4 5 o T h e r e f o r e a c o m p o n e n t o f t h e t h r u s t w il l n o w h a v e a f o r w a r d d i r e c t i o n a n d t h e r e f o r e c o n t r i b u t e s t o b r a k i n g .

40. L e c t - 29 40 T h r u s t r e v e r s a l T h e r e a r e t h r e e t y p e s o f t h r u s t r e v e r s a l m e c h a n i s m s t h a t a r e u s e d C l a m s h e l l t y p e E x t e r n a l b u c k e t t y p e B l o c k e r d oo r s C l a m s h e l l t y p e : i s n o r m a ll y p n e u m a t i c a ll y o p e r a t e d s y s t e m . W h e n d e p l o y e d , d oo r s r o t a t e a n d d e f l e c t t h e p r i m a r y j e t t h r o u g h v a n e s . T h e s e a r e n o r m a ll y u s e d i n n o n - a f t e r b u r n i n g e n g i n e s .

41. L e c t - 29 41 T h r u s t r e v e r s a l B u c k e t t y p e s y s t e m u s e s b u c k e t t y p e d oo r s t o d e f l e c t t h e g a s s t r ea m . I n n o r m a l o p e r a t i o n , t h e r e v e r s e r d oo r f o r m p a r t o f t h e c o n v e r g e n t d i v e r g e n t n o zz l e . B l o c k e r d oo r s a r e n o r m a ll y u s e d i n h i g h b y p a s s t u r b o f a n s . T h e c o l d b y p a s s f l o w i s d e f l e c t e d t h r o u g h c a sc a d e v a n e s t o a c h i e v e t h e r e q u i r e d f l o w d e f l e c t io n .

42. L e c t - 29 T h r u s t r e v e r s a l B u c k e t t y p e t h r u s t r e v e r s e r C l a m s h e l l t y p e t h r u s t r e v e r s e r 42