Двигатель с переменным циклом

Вид в разрезе перспективного двигателя ADVENT

Двигатель с регулируемым циклом (VCE) , также называемый двигателем с адаптивным циклом (ACE) , представляет собой авиационный реактивный двигатель , предназначенный для эффективной работы в смешанных условиях полета, таких как дозвуковой , околозвуковой и сверхзвуковой .

Следующее поколение сверхзвукового транспорта (SST) может потребовать той или иной формы VCE. Чтобы уменьшить сопротивление самолета в суперкрейсерском режиме , двигателям SST требуется высокая удельная тяга (полезная тяга / воздушный поток), чтобы минимизировать площадь поперечного сечения силовой установки. Это подразумевает сверхзвуковой крейсерский полет с высокой скоростью струи и взлет, что делает самолет шумным.

Удельная тяга

Двигатель с высокой удельной тягой по определению имеет высокую скорость реактивной струи, что следует из приближенного уравнения полезной тяги:

$F_{\text{n}}={\dot {m}}\left(V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}\right)$

где:

${\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}$ массовый расход на впуске

$V_{\text{jfe}},\,$ скорость полностью развернутой струи (в выхлопном шлейфе)

$V_{\text{a}},\,$ скорость полета самолета

Переставляя уравнение, удельная тяга определяется как:

${\frac {F_{\text{n}}}{\dot {m}}}=V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}$

Таким образом, при нулевой скорости полета удельная тяга прямо пропорциональна скорости реактивной струи.

Rolls -Royce/Snecma Olympus 593 в Конкорде имел высокую удельную тягу на сверхзвуковом крейсерском режиме и при сухом взлете. Из-за этого двигатели стали шуметь. Проблема усугублялась необходимостью небольшого дожигания (перегрева) при взлете (и околозвукового ускорения).

Концепции

Тандемный вентилятор

Одной из концепций SST VCE является двигатель с тандемным вентилятором. Двигатель имеет два вентилятора, оба установлены на валу низкого давления, разделенные значительным осевым зазором. Двигатель работает в последовательном режиме при крейсерском и параллельном взлете, наборе высоты, заходе на посадку и конечном снижении.

В последовательном режиме воздух поступает в переднюю часть двигателя. Пройдя через передний вентилятор, воздух попадает непосредственно во второй вентилятор, так что двигатель ведет себя во многом как турбовентиляторный .

В параллельном режиме воздух, выходящий из переднего вентилятора, выходит из двигателя через вспомогательное сопло в нижней части гондолы , минуя задний вентилятор. Воздухозаборники на каждой стороне двигателя открываются для захвата воздуха и направления его непосредственно к заднему вентилятору и остальной части двигателя. Параллельный режим существенно увеличивает общее количество воздуха, ускоряемого двигателем, снижая скорость воздуха и сопутствующий шум.

В 1970-х годах компания Boeing модифицировала Pratt & Whitney JT8D для использования тандемной конфигурации вентиляторов и успешно продемонстрировала переход от последовательного к параллельному режиму работы (и наоборот) при работающем двигателе, хотя и на частичной мощности.

Средний тандемный вентилятор

В концепции среднетандемного вентилятора одноступенчатый вентилятор с высоким удельным расходом расположен между компрессорами высокого давления (ВД) и низкого давления (НД) активной зоны турбореактивного двигателя. Через вентилятор проходит только байпасный воздух. Поток на выходе компрессора низкого давления проходит через каналы внутри диска вентилятора, непосредственно под лопастями вентилятора. Некоторое количество байпасного воздуха поступает в двигатель через дополнительный воздухозаборник. Во время взлета и захода на посадку двигатель ведет себя почти как обычный турбовентиляторный двигатель с приемлемым уровнем реактивного шума (т. е. с низкой удельной тягой). Однако при сверхзвуковом крейсерском режиме регулируемые впускные направляющие лопатки вентилятора и вспомогательный воздухозаборник закрываются, чтобы минимизировать перепускной поток и увеличить удельную тягу. В этом режиме двигатель действует скорее как «протекающий» турбореактивный двигатель (например, F404 ).

Турбореактивный эжектор смешанного типа

В турбовентиляторном двигателе смешанного потока с эжекторной концепцией двигатель с низкой степенью двухконтурности установлен перед длинной трубой, называемой эжектором. Эжектор снижает шум. Он разворачивается во время взлета и захода на посадку. Выхлопные газы турбовентиляторного двигателя направляют воздух в эжектор через вспомогательный воздухозаборник, тем самым снижая удельную тягу/среднюю скорость струи конечного выхлопа. Конструкция со смешанным потоком не особенно эффективна на низкой скорости, но значительно проще.

Три потока

Трехпоточная архитектура добавляет третий, управляемый воздушный поток. Этот поток обходит активную зону, когда топливная экономичность требуется , или проходит через активную зону для большей мощности. В рамках программы универсальных доступных усовершенствованных турбинных двигателей (VAATE) ВВС США и отраслевые партнеры разработали эту концепцию в рамках технологии адаптивных универсальных двигателей (ADVENT), а также последующих демонстраторов технологий адаптивных двигателей (AETD) и программы перехода к адаптивным двигателям (AETP). ) программы. Примеры включают General Electric XA100 и Pratt & Whitney XA101 , а также двигательную установку для истребителя Next Generation Air Dominance (NGAD).

Двойной байпас

Компания General Electric разработала двигатель с регулируемым циклом, известный как GE37 или General Electric YF120 , для YF-22 / YF-23 соревнований истребителей в конце 1980-х годов. GE использовала схему двойного байпаса/гибридного вентилятора, но никогда не раскрывала, как они использовали эту концепцию. Вместо этого ВВС выбрали обычный Pratt & Whitney F119 для того, что впоследствии стало Lockheed Martin F-22 Raptor .

турбоэлектрический

Стартап Astro Mechanica разрабатывает то, что он называет турбоэлектрическим адаптивным реактивным двигателем, который переключается с турбовентиляторного режима на турбореактивный и прямоточный воздушно-реактивный режим по мере разгона с места до проектной скорости 6 Маха . Это достигается за счет использования подхода с двумя турбинами. Одна турбина выполняет роль турбогенератора . Вторая турбина выполняет роль двигательной установки. Турбогенератор приводит в действие электродвигатель, управляющий компрессором второй турбины. Двигатель может изменять скорость, чтобы поддерживать идеальную скорость вращения вентилятора для определенного режима полета. В турбореактивном и прямоточном режимах входное отверстие сужается для сжатия воздуха и устранения перепуска. Турбогенератор имеется в продаже, а двигательная установка производится компанией. Ключевым нововведением является то, что электродвигатели значительно увеличили свою удельную мощность, так что вес двигателя больше не является непомерно высоким.

См. также

• Указатель авиационных статей
• Передовой технологический двигатель