Войти
Схема турбовентиляторных двигателей. Двигатель с высоким байпасом (вверху) имеет большой вентилятор, который направляет много воздуха вокруг турбины; двигатель с низким байпасом (средний) имеет вентилятор меньшего размера, направляющий больше воздуха в турбину; у турбореактивного двигателя (внизу) отсутствует байпас, и весь воздух проходит через турбину. Коэффициент байпаса (BPR ) турбовентиляторного двигателя равен отношение массового расхода байпасного потока к массовому расходу на входе в активную зону. Например, коэффициент байпаса 10: 1 означает, что через байпасный канал проходит 10 кг воздуха на каждый 1 кг воздуха, проходящего через сердечник.
Турбореактивные двухконтурные двигатели обычно описываются в терминах BPR, которые вместе с степенью давлений двигателя, температурой на входе в турбину и степенью давления вентилятора являются важными проектными параметрами. Кроме того, BPR указан для установок с турбовинтовыми двигателями и с неконтролируемыми вентиляторами, поскольку их высокая тяговая эффективность придает им общие характеристики КПД турбовентиляторных двигателей с очень большим байпасом. Это позволяет показывать их вместе с ТРДД на графиках, которые показывают тенденции снижения удельного расхода топлива (SFC) с увеличением BPR. BPR также рекомендуется для подъемных вентиляторов, когда воздушный поток вентилятора удален от двигателя и физически не касается сердечника двигателя.
Байпас обеспечивает более низкий расход топлива при той же тяге, измеряемой как удельный расход топлива по тяге (граммы топлива в секунду на единицу тяги в кН с использованием единиц СИ ). Более низкий расход топлива, связанный с высокими коэффициентами двухконтурности, применяется к турбовинтовым двигателям , в которых используется винт , а не канальный вентилятор. Конструкции с высокими объездами являются доминирующим типом для коммерческих пассажирских самолетов, а также для гражданских и военных реактивных транспортных средств.
В бизнес-джетах используются двигатели среднего BPR.
Боевые самолеты используют двигатели с низким коэффициентом двухконтурности для достижения компромисса между экономией топлива и требованиями боя: высокая мощность - отношение веса к массе, сверхзвуковые характеристики и возможность использования форсажных камер.
Если вся энергия газа от газовой турбины преобразуется в кинетическую энергию в двигательном сопле, летательный аппарат лучше всего подходит для высоких сверхзвуковых скоростей. Если все это передать отдельной большой массе воздуха с низкой кинетической энергией, самолет лучше всего подходит для нулевой скорости (зависания). Для промежуточных скоростей мощность газа распределяется между отдельным воздушным потоком и собственным потоком сопла газовой турбины в пропорции, которая обеспечивает требуемые летно-технические характеристики. Первые реактивные самолеты были дозвуковыми, и неудовлетворительная пригодность сопла для этих скоростей из-за высокого расхода топлива была понята, и байпас был предложен еще в 1936 году (патент Великобритании 471 368). Основной принцип байпаса - обмен скорости выхлопа на дополнительный массовый расход, который по-прежнему дает требуемую тягу, но требует меньше топлива. Фрэнк Уиттл назвал это «замедлением потока». Мощность передается от газогенератора к дополнительной массе воздуха, то есть к движущейся струе большего диаметра, движущейся медленнее. Байпас распределяет доступную механическую мощность по большему количеству воздуха, чтобы снизить скорость струи. Компромисс между массовым расходом и скоростью также можно увидеть в винтах и винтах вертолетов, сравнивая нагрузку на диск и нагрузку по мощности. Например, такой же вес вертолета может поддерживать двигатель большой мощности и ротор малого диаметра или, при меньшем количестве топлива, двигатель меньшей мощности и ротор большего размера с меньшей скоростью, проходящей через ротор.
Байпас обычно относится к передаче энергии газа от газовой турбины в байпасный поток воздуха для снижения расхода топлива и шума струи. В качестве альтернативы может потребоваться двигатель с дожиганием, где единственное требование к байпасу - подача охлаждающего воздуха. Это устанавливает нижний предел для BPR, и эти двигатели были названы турбореактивными двигателями с утечкой или непрерывной продувкой (General Electric YJ-101 BPR 0,25) и турбореактивными двигателями с низким BPR (Pratt Whitney PW1120). Низкий BPR (0,2) также использовался для обеспечения запаса по помпажу, а также для охлаждения камеры дожига для Pratt Whitney J58.
Сравнение пропульсивной эффективности для различных конфигураций газотурбинных двигателей В байпасном (турбореактивном) двигателе выхлопные газы с высокой температурой и высоким давлением ускоряются за счет расширения через движущееся сопло и создают всю тягу. Компрессор поглощает всю механическую мощность, производимую турбиной. В байпасной конструкции дополнительные турбины приводят в действие канальный вентилятор , который ускоряет воздух назад от передней части двигателя. В конструкции с высоким байпасом большую часть тяги создают вентилятор и сопло. Турбовентиляторные двигатели в принципе тесно связаны с турбовинтовыми двигателями, поскольку оба передают часть газовой мощности газовой турбины с использованием дополнительного оборудования в байпасный поток, оставляя меньше для преобразования горячего сопла в кинетическую энергию. Турбовентиляторные двигатели представляют собой промежуточную ступень между турбореактивными двигателями, которые получают всю свою тягу за счет выхлопных газов, и турбовинтовыми двигателями, которые получают минимальную тягу из выхлопных газов (обычно 10% или меньше). Снятие мощности на валу и передача ее в байпасный поток приводит к дополнительным потерям, которые более чем компенсируются улучшенной пропульсивной эффективностью. Турбовинтовой двигатель на максимальной скорости полета дает значительную экономию топлива по сравнению с турбореактивным двигателем, даже несмотря на то, что к движущему соплу турбореактивного двигателя с малыми потерями были добавлены дополнительная турбина, коробка передач и пропеллер. Турбореактивный двухконтурный двигатель имеет дополнительные потери от дополнительных турбин, вентилятора, байпасного канала и дополнительного движущего сопла по сравнению с одним соплом турбореактивного двигателя.
Чтобы увидеть влияние только увеличения BPR на общую эффективность воздушного судна, то есть SFC, необходимо использовать общий газогенератор, то есть не изменять параметры цикла Брайтона или КПД компонентов. Беннетт показывает в этом случае относительно медленный рост потерь при передаче мощности на байпас при одновременном быстром падении потерь на выхлопе со значительным улучшением SFC. В действительности увеличение BPR с течением времени сопровождается повышением эффективности газогенератора, в некоторой степени маскирующим влияние BPR.
Только ограничения веса и материалов (например, прочности и температуры плавления материалов в турбине) снижают эффективность, с которой газовая турбина турбовентиляторного двигателя преобразует эту тепловую энергию в механическую энергию, в то время как выхлопные газы могут все еще есть доступная энергия для извлечения, каждый дополнительный статор и диск турбины извлекают все меньше механической энергии на единицу веса, и увеличение степени сжатия системы путем добавления ступени компрессора для увеличения общей эффективности системы температуры на торце турбины. Тем не менее, двигатели с высоким байпасом имеют высокий пропульсивный КПД, потому что даже небольшое увеличение скорости очень большого объема и, следовательно, массы воздуха вызывает очень большое изменение количества движения и тяги: тяга - это массовый расход двигателя ( количество воздуха, проходящего через двигатель), умноженное на разницу между скоростями впуска и выпуска в линейной зависимости, но кинетическая энергия выхлопа - это массовый расход, умноженный на половину квадрата разницы скоростей. Низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) увеличивает энергоэффективность самолета и снижает расход топлива.
Rolls–Royce Conway ТРДД, разработанный в начале 1950-х годов, был ранним примером двухконтурного двигателя. Конфигурация была аналогична двухконтурному турбореактивному двигателю, но для превращения его в байпасный двигатель он был оснащен увеличенным компрессором низкого давления: поток через внутреннюю часть лопаток компрессора проходил в сердечник, а внешняя часть лопаток выдувалась. воздух вокруг сердечника для обеспечения остальной тяги. Степень двухконтурности для Конвея варьировалась от 0,3 до 0,6 в зависимости от варианта
Рост коэффициентов двухконтурности в 1960-х годах дал авиалайнерам топливную экономичность, которая могла составить конкуренцию самолетам с поршневыми двигателями. Сегодня (2015 г.) у большинства реактивных двигателей есть обходной путь. Современные двигатели более медленных самолетов, таких как авиалайнеры, имеют коэффициент двухконтурности до 12: 1; у высокоскоростных самолетов, таких как истребители, коэффициент обхода намного ниже, около 1,5; а летательные аппараты, рассчитанные на скорость до 2 Маха и несколько выше, имеют коэффициент обхода ниже 0,5.
Турбовинтовые имеют коэффициенты двухконтурности 50-100, хотя воздушный поток движущей силы менее четко определен для гребных винтов, чем для вентиляторов, а поток воздуха в гребном винте медленнее, чем поток воздуха от сопел турбовентиляторных двигателей.
