Коэффициент двухконтурности
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( январь 2009 г. ) |
Степень двухконтурности ( BPR ) турбовентиляторного двигателя — это отношение массового расхода двухконтурного потока к массовому расходу, поступающему в активную зону. [ 1 ] Например, соотношение байпаса 10:1 означает, что через байпасный канал проходит 10 кг воздуха на каждый 1 кг воздуха, проходящего через ядро.
Турбореактивные двигатели обычно описываются в терминах BPR, которые вместе с степенью сжатия двигателя , температурой на входе в турбину и степенью давления вентилятора являются важными параметрами конструкции. Кроме того, BPR указывается для турбовинтовых и вентиляторных установок без воздуховода, поскольку их высокий тяговый КПД дает им общие характеристики эффективности турбовентиляторных двигателей с очень высокой двухконтурностью. Это позволяет отображать их вместе с ТРДД на графиках, показывающих тенденции снижения удельного расхода топлива (УТР) с увеличением BPR. BPR также применяется для установок подъемного вентилятора, в которых воздушный поток вентилятора удален от двигателя и физически не касается сердцевины двигателя.
Байпас обеспечивает более низкий расход топлива при той же тяге, измеряемый как удельный расход топлива тяги (граммы топлива в секунду на единицу тяги в кН в единицах СИ ). Меньший расход топлива, обусловленный высокой степенью двухконтурности, применим к турбовинтовым двигателям , в которых используется воздушный винт, а не канальный вентилятор. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] Конструкции с высоким байпасом являются доминирующим типом для коммерческих пассажирских самолетов, а также гражданских и военных реактивных транспортных средств.
Бизнес-джеты используют средние двигатели BPR. [ 6 ]
В боевых самолетах используются двигатели с низкой степенью двухконтурности для достижения компромисса между экономией топлива и требованиями боя: высокой удельной мощностью , сверхзвуковыми характеристиками и возможностью использования форсажных камер .
Принципы
[ редактировать ]Если вся энергия газа газовой турбины преобразуется в кинетическую энергию в реактивном сопле, самолет лучше всего подходит для высоких сверхзвуковых скоростей. Если все это перенести в отдельную большую массу воздуха с малой кинетической энергией, то самолету лучше всего подойдет нулевая скорость (зависание). На промежуточных скоростях мощность газа распределяется между отдельным воздушным потоком и собственным потоком сопла газовой турбины в пропорции, которая обеспечивает требуемые характеристики самолета. Первые реактивные самолеты были дозвуковыми, и плохая пригодность реактивного сопла для этих скоростей из-за высокого расхода топлива была понята, и еще в 1936 году был предложен обходной путь (патент Великобритании 471368). Основной принцип байпаса заключается в обмене скорости выхлопа на дополнительный массовый расход, который по-прежнему обеспечивает необходимую тягу, но потребляет меньше топлива. Фрэнк Уиттл назвал это «спуском по течению». [ 7 ] Мощность передается от газогенератора к дополнительной массе воздуха, т.е. реактивной струе большего диаметра, движущейся медленнее. Байпас распределяет доступную механическую мощность по большему количеству воздуха, чтобы уменьшить скорость струи. [ 8 ] Компромисс между массовым расходом и скоростью также можно увидеть на воздушных винтах и несущих винтах вертолета путем сравнения нагрузки на диск и силовой нагрузки. [ 9 ] Например, один и тот же вес вертолета может поддерживаться двигателем высокой мощности и несущим винтом малого диаметра или, при меньшем количестве топлива, двигателем меньшей мощности и несущим винтом большего размера с меньшей скоростью вращения несущего винта.
Под байпасом обычно подразумевается передача энергии газа от газовой турбины в обходной поток воздуха для снижения расхода топлива и шума реактивной струи. В качестве альтернативы может потребоваться двигатель с дожиганием, где единственным требованием для байпаса является подача охлаждающего воздуха. Это устанавливает нижний предел для BPR, и эти двигатели называются «негерметичными» или турбореактивными двигателями с непрерывной продувкой. [ 10 ] (General Electric YJ-101 BPR 0,25) и турбореактивные двигатели с низким BPR [ 11 ] (Пратт и Уитни PW1120). Низкое значение BPR (0,2) также использовалось для обеспечения запаса по помпажу, а также форсажного охлаждения двигателя Pratt & Whitney J58 . [ 12 ]
Описание
[ редактировать ]
В бесконтурном (турбореактивном) двигателе выхлопные газы с высокой температурой и высоким давлением ускоряются за счет расширения через рабочее сопло и создают всю тягу. Компрессор поглощает всю механическую мощность, вырабатываемую турбиной. В конструкции с байпасом дополнительные турбины приводят в движение канальный вентилятор , который ускоряет воздух назад от передней части двигателя. В конструкции с высоким байпасом большую часть тяги создают канальный вентилятор и сопло. Турбореактивные двигатели в принципе тесно связаны с турбовинтовыми двигателями , поскольку оба передают часть газовой мощности газовой турбины, используя дополнительное оборудование, в обходной поток, оставляя горячему соплу меньше энергии для преобразования в кинетическую энергию. Турбореактивные двигатели представляют собой промежуточную ступень между турбореактивными двигателями , которые получают всю свою тягу за счет выхлопных газов, и турбовинтовыми двигателями, которые получают минимальную тягу за счет выхлопных газов (обычно 10% или меньше). [ 13 ] Извлечение мощности вала и передача ее в обходной поток приводит к дополнительным потерям, которые с лихвой компенсируются улучшенным тяговым КПД. Турбовинтовой двигатель на максимальной скорости полета обеспечивает значительную экономию топлива по сравнению с турбореактивным двигателем, даже несмотря на то, что к реактивному соплу турбореактивного двигателя с низкими потерями были добавлены дополнительная турбина, коробка передач и воздушный винт. [ 14 ] ТРДД имеет дополнительные потери из-за дополнительных турбин, вентилятора, перепускного канала и дополнительного рабочего сопла по сравнению с одиночным соплом турбореактивного двигателя.
Чтобы увидеть влияние только увеличения BPR на общий КПД самолета, т. е. SFC, необходимо использовать общий газогенератор, т. е. не изменять параметры цикла Брайтона или КПД компонентов. Беннетт [ 15 ] показывает в этом случае относительно медленный рост потерь при передаче мощности на байпас одновременно с быстрым падением потерь на выхлопе при значительном улучшении SFC. В действительности увеличение BPR с течением времени сопровождается повышением эффективности газогенератора, в некоторой степени маскируя влияние BPR.
Только ограничения по весу и материалам (например, прочность и температура плавления материалов в турбине) снижают эффективность, с которой турбовентиляторная газовая турбина преобразует эту тепловую энергию в механическую, поскольку, хотя выхлопные газы все еще могут иметь доступную энергию для При извлечении каждый дополнительный статор и диск турбины получает все меньше механической энергии на единицу веса, а увеличение степени сжатия системы за счет добавления ступени компрессора для повышения общей эффективности системы увеличивает температуру на лицевой стороне турбины. Тем не менее, двигатели с большим двухконтурным режимом имеют высокий тяговый КПД , поскольку даже незначительное увеличение скорости очень большого объема и, следовательно, массы воздуха приводит к очень большому изменению импульса и тяги: тяга — это массовый расход двигателя (количество воздуха, проходящего через двигателя), умноженный на разницу между скоростями впуска и выпуска (линейная зависимость), но кинетическая энергия выхлопа равна массовому расходу, умноженному на половину квадрата разницы скоростей. [ 16 ] [ 17 ] Низкая нагрузка на диски самолета (тяга на площадь диска) повышает энергоэффективность , а это снижает расход топлива. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
двигатель Rolls -Royce Conway Турбореактивный , разработанный в начале 1950-х годов, был ранним примером двухконтурного двигателя. Конфигурация была аналогична двухкатушечному турбореактивному двигателю, но для того, чтобы превратить его в двухконтурный двигатель, он был оснащен компрессором низкого давления увеличенного размера: поток через внутреннюю часть лопаток компрессора поступал в активную зону, в то время как внешняя часть лопаток выдувалась. воздух вокруг ядра, чтобы обеспечить остальную часть тяги. Степень двухконтурности для Conway варьировалась от 0,3 до 0,6 в зависимости от варианта. [ 21 ]
Рост степени двухконтурности в 1960-е годы дал реактивным лайнерам топливную эффективность , которая могла конкурировать с самолетами с поршневыми двигателями. Сегодня (2015 г.) большинство реактивных двигателей имеют байпас. Современные двигатели более медленных самолетов, таких как авиалайнеры, имеют степень двухконтурности до 12:1; у более скоростных самолетов, например истребителей , степень двухконтурности значительно ниже, около 1,5; а корабли, рассчитанные на скорость до 2 Маха и несколько выше, имеют степень двухконтурности ниже 0,5.
У турбовинтовых двигателей степень двухконтурности 50-100, [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] хотя расход рабочего воздуха для винтов менее четко определен, чем для вентиляторов [ 22 ] и поток воздуха пропеллера медленнее, чем поток воздуха из сопел ТРДД. [ 20 ] [ 23 ]
Коэффициенты двухконтурности двигателя
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Коэффициент двухконтурности | инженерия» .
- ^ Перейти обратно: а б Илан Кроо и Хуан Алонсо. « Проектирование летательных аппаратов: синтез и анализ, Двигательные установки: Архив основных концепций » Инженерная школа Стэнфордского университета, факультет аэронавтики и астронавтики . Цитата: «Когда степень двухконтурности увеличивается до 10-20 для очень эффективной работы на низких скоростях, вес и смачиваемая площадь кожуха вентилятора (впускного отверстия) становятся большими, и в какой-то момент имеет смысл вообще его исключить. Тогда вентилятор становится пропеллером, а двигатель называется турбовинтовым. Турбовинтовые двигатели обеспечивают эффективную мощность от низких скоростей до М=0,8 со степенью двухконтурности 50-100».
- ^ Перейти обратно: а б Проф. З.С. Спаковский . « 11.5 Тенденции в области теплового и двигательного КПД. Архив » Турбины MIT , 2002. Термодинамика и движение.
- ^ Перейти обратно: а б Наг, ПК " Базовая и прикладная термодинамика " [ постоянная мертвая ссылка ] » стр. 550. Опубликовано Tata McGraw-Hill Education. Цитата: «Если с вентилятора снять кожух, в результате получится турбовинтовой двигатель. Турбореактивные и турбовинтовые двигатели различаются главным образом степенью двухконтурности: 5 или 6 для ТРДД и до 100 для турбовинтовых двигателей.
- ^ Анимированные двигатели
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 мая 2017 г. Проверено 25 декабря 2016 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ) - ^ Аэродинамика газовой турбины, сэр Фрэнк Уиттл, Pergamon Press 1981, стр.217
- ^ Проектирование авиационных двигателей, второе издание, Маттингли, Хейзер, Пратт, Образовательная серия AIAA, ISBN 1-56347-538-3 , стр.539
- ^ «1964 – 2596» . Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г. Проверено 24 декабря 2016 г.
- ^ Jane's All The World's Aircraft 1975-1976, под редакцией Джона В.Р. Тейлора, Ежегодники Джейн, Paulton House, 8 Sheperdess Walk, London N1 7LW, стр.748
- ^ Зипкин, М.А. (1984). «PW1120: высокопроизводительная производная от F100 с низким уровнем риска» . Том 2: Авиационный двигатель; морской пехотинец; Микротурбины и малые турбомашины . дои : 10.1115/84-GT-230 . ISBN 978-0-7918-7947-4 .
- ^ «Никогда не рассказывал сказки о Пратте и Уитни доктора Боба Абернети» .
- ^ « Турборевентиляторный двигатель. Архивировано 18 апреля 2015 г. в Wayback Machine », страница 7. Институт науки и технологий SRM , факультет аэрокосмической техники.
- ^ Теория газовых турбин, второе издание, Коэн, Роджерс и Сараванамутту, Longmans Group Limited, 1972, ISBN 0 582 44927 8 , стр.85
- ^ Разработка авиационных двигателей будущего, HW Bennett, Proc Instn Mech Engrs Vol 197A, Отдел энергетики, июль 1983 г., рис.5
- ^ Пол Бевилаква : Силовая установка подъемного вентилятора с приводом от вала для Joint Strike Fighter. Архивировано 5 июня 2011 г. на странице 3 Wayback Machine. Представлено 1 мая 1997 г. Документ DTIC.MIL Word, 5,5 МБ. Доступ: 25 февраля 2012 г.
- ^ Бенсен, Игорь . « Как они летают», — объясняет Бенсен. Архивировано 9 января 2015 г. в Wayback Machine « Gyrocopters UK» . Доступ: 10 апреля 2014 г.
- ^ Джонсон, Уэйн. Теория вертолета , стр. 3 + 32, Courier Dover Publications , 1980. По состоянию на 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-68230-7
- ^ Веслав Зенон Степневски, CN Keys. Аэродинамика винтокрыла, стр. 3, Courier Dover Publications , 1979. По состоянию на 25 февраля 2012 г. ISBN 0-486-64647-5
- ^ Перейти обратно: а б Филип Уолш, Пол Флетчер. « Характеристики газовой турбины », стр. 36. John Wiley & Sons, 15 апреля 2008 г. Цитата: «У нее лучший расход топлива, чем у турбореактивного или турбовентиляторного двигателя, из-за высокого тягового КПД… достижение тяги за счет большого массового расхода воздуха. от винта при малой скорости реактивной струи. При числе Маха выше 0,6 турбовинтовой двигатель, в свою очередь, становится неконкурентоспособным, главным образом из-за большего веса и лобовой площади».
- ^ "Rolls-Royce Aero Engines" Билл Ганстон, Патрик Стивенс Лимитед, ISBN 1-85260-037-3 , стр.147.
- ^ « Тяга пропеллера. Архивировано 19 марта 2021 г. в Wayback Machine » Исследовательский центр Гленна ( НАСА ).
- ^ « Турбовинтовой двигатель. Архивировано 31 мая 2009 г. в Wayback Machine » Исследовательский центр Гленна ( НАСА ).
- ^ «PW1000G» . МТУ . Архивировано из оригинала 18 августа 2018 г. Проверено 6 ноября 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В Джейн «Все самолеты мира» . 2005. стр. 850–853. ISSN 0075-3017 .
- ^ «Прыжковый двигатель» . ЦФМ Интернешнл.
- ^ «Инфографика Трент-XWB» (PDF) . Роллс-Ройс. Май 2017.
- ^ «ГЭнкс» . ГЭ.
- ^ «50 лет назад: GE возвращается в авиационную отрасль» . Дженерал Электрик.
- ^ «Silvercrest 2D для Dassault Aviation Falcon 5X» . Авиационные двигатели Safran.
- ^ «Паспорт типа сертификата E00091EN, редакция 0» (PDF) . ФАУ. 29 апреля 2016 г. Архивировано из оригинала (PDF) 15 ноября 2016 г. . Проверено 23 мая 2023 г.
- ^ Фред Джордж (1 ноября 2014 г.). «Gulfstream представляет G500 и G600» . Деловая и коммерческая авиация . Авиационная неделя.
- ^ «СаМ146 | PowerJet» . www.powerjet.aero . Архивировано из оригинала 08.11.2014 . Проверено 23 мая 2023 г.
- ^ «Турбовентиляторный двигатель HF120» . Хонда по всему миру . Проверено 29 сентября 2017 г.
- ^ «Дженерал Электрик F101» . глобальная безопасность.
- ^ «Дженерал Электрик CF700-2D-2» . база данных самолетов.
- ^ «Пратт и Уитни JT8D-200» . МТУ Аэро Двигатели.
- ^ «Пратт и Уитни JT3D-3B» . база данных самолетов.
- ^ «Пратт и Уитни JT8D/Вольво RM8» . полностью аэро.
- ^ Перейти обратно: а б с «Дженерал Электрик Ф110» . МТУ Аэро Двигатели.
- ^ «Стенд для испытаний неустановленных двигателей Adour» . Компания Thermofluids.co.
- ^ Перейти обратно: а б «Пратт и Уитни F100» . Университет Пердью.
- ^ «Роллс-Ройс Спей» . полностью аэро.
- ^ «Пратт и Уитни F135» . всемирно-военный.
- ^ «Сатурн АЛ-31» . Объединенная двигателестроительная корпорация.
- ^ «Ханивелл Ф124» . военная утечка.
- ^ «Евроджет EJ200» . МТУ Аэро Двигатели.
- ^ «Дженерал Электрик F404» . Университет Пердью.
- ^ «Роллс-Ройс Конвей» . Музей авиации Шеннона.
- ^ «Дженерал Электрик Ф414» . МТУ Аэро Двигатели.