Двигатель с изменяемым циклом (VCE) , также называемый двигателем с адаптивным циклом (ACE) , представляет собой реактивный авиационный двигатель , предназначенный для эффективной работы в смешанных условиях полета, таких как дозвуковой , околозвуковой и сверхзвуковой .
Двигатель с передовой технологией — это турбинный двигатель, который позволяет различным турбинам вращаться с разными, индивидуально оптимальными скоростями, а не с одной скоростью для всех. [1] Он появился на более крупных самолетах, прежде чем нашел другие применения.
Следующее поколение сверхзвукового транспорта (SST) может потребовать некоторую форму VCE. Для снижения сопротивления самолета на суперкрейсерском режиме , двигатели SST требуют высокой удельной тяги (чистая тяга/расход воздуха) для минимизации площади поперечного сечения силовой установки. Это подразумевает высокую скорость реактивной струи на сверхзвуковом крейсерском режиме и на взлете, что делает самолет шумным.
Двигатель с высокой удельной тягой по определению имеет высокую скорость реактивной струи, как следует из приближенного уравнения для чистой тяги: [2]
где:
Переписав уравнение, удельная тяга определяется по формуле:
Таким образом, при нулевой скорости полета удельная тяга прямо пропорциональна скорости струи.
Rolls -Royce/Snecma Olympus 593 в Concorde имел высокую удельную тягу на сверхзвуковом крейсерском режиме и при сухом взлете. Это делало двигатели шумными. Проблема усугублялась необходимостью умеренного количества форсажа (дожигания) при взлете (и околозвукового ускорения).
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 на крейсерском режиме и в параллельном режиме на 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 как турбовентиляторный .
В параллельном режиме воздух, выходящий из переднего вентилятора, выходит из двигателя через вспомогательное сопло на нижней стороне гондолы , минуя задний вентилятор. Воздухозаборники с каждой стороны двигателя открываются, чтобы захватывать воздух и направлять его непосредственно в задний вентилятор и остальную часть двигателя. Параллельный режим существенно увеличивает общий воздух, ускоряемый двигателем, снижая скорость воздуха и сопутствующий шум.
В 1970-х годах компания Boeing модифицировала двигатель Pratt & Whitney JT8D , использовав тандемную конфигурацию вентиляторов, и успешно продемонстрировала переход от последовательной к параллельной работе (и наоборот) при работающем двигателе, хотя и на неполной мощности.
В концепции вентилятора среднего тандема одноступенчатый вентилятор с высоким удельным расходом расположен между компрессорами высокого давления (HP) и низкого давления (LP) сердечника турбореактивного двигателя . Через вентилятор проходит только воздух байпаса. Выходной поток компрессора LP проходит через каналы внутри диска вентилятора, непосредственно под лопатками вентилятора. Часть воздуха байпаса поступает в двигатель через вспомогательный воздухозаборник. Во время взлета и захода на посадку двигатель ведет себя во многом как обычный турбовентилятор с приемлемым уровнем шума струи (т. е. низкой удельной тягой). Однако для сверхзвукового крейсерского полета направляющие лопатки регулируемого входного направляющего аппарата вентилятора и вспомогательный воздухозаборник закрываются, чтобы минимизировать поток байпаса и увеличить удельную тягу. В этом режиме двигатель действует скорее как «протекающий» турбореактивный двигатель (например, F404 ).
В концепции турбовентиляторного двигателя смешанного потока с эжектором двигатель с низкой степенью двухконтурности устанавливается перед длинной трубой, называемой эжектором. Эжектор снижает шум. Он развертывается 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 она значительно проще.
Трехпоточная архитектура добавляет третий, направленный поток воздуха. Этот поток обходит ядро, когда требуется топливная эффективность , или проходит через ядро для большей мощности. В рамках программы Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE) ВВС США и партнеры по отрасли разработали эту концепцию в рамках программ Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) и последующих программ Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) и Adaptive Engine Transition Program (AETP). [3] Примерами являются General Electric XA100 и Pratt & Whitney XA101 , а также двигательная установка для истребителя Next Generation Air Dominance (NGAD). [4]
General Electric разработала двигатель с переменным циклом, известный как GE37 или General Electric YF120 , для конкурса истребителей YF-22 / YF-23 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 стало Lockheed Martin F-22 Raptor .
Турбореактивные двигатели с редуктором также используются в следующих двигателях, некоторые из которых все еще находятся в разработке: Garrett TFE731 , Lycoming ALF 502 / LF 507 , Pratt & Whitney PW1000G , Turbomeca Astafan , Turbomeca Aspin и Aviadvigatel PD-18R.
Rolls Royce Ultrafan — самый большой и эффективный двигатель, позволяющий использовать несколько скоростей турбины. Турбины за главным вентилятором небольшие и пропускают больше воздуха, в то время как планетарный редуктор «позволяет главному вентилятору вращаться медленнее, а компрессорам — быстрее, помещая каждый из них в оптимальные зоны». [5]
Стартап Astro Mechanica разрабатывает так называемый турбоэлектрический адаптивный реактивный двигатель, который переключается с турбовентиляторного на турбореактивный и прямоточный режимы по мере разгона с места до прогнозируемой скорости 6 Махов . Это достигается с помощью подхода с двумя турбинами. Одна турбина действует как турбогенератор . Вторая турбина действует как двигательная установка. Турбогенератор питает электродвигатель, который управляет компрессором второй турбины. Двигатель может изменять скорость, чтобы поддерживать вращение вентилятора на идеальных оборотах в минуту для определенного режима полета. В режимах турбореактивного и прямоточного двигателя входное отверстие сужается для сжатия воздуха и устранения байпаса. Турбогенератор доступен для приобретения, в то время как двигательная установка производится компанией. Ключевым новшеством является то, что электродвигатели значительно увеличили свою плотность мощности, так что вес двигателя больше не является непомерным. [6] [7] [8]
Вместо фиксированной коробки передач он использует электродвигатель для вращения турбины(-ок) позади вентилятора с идеальной скоростью для каждой фазы полета. Компания заявила, что она будет поддерживать эффективный взлет, дозвуковые, сверхзвуковые и гиперзвуковые скорости. Электродвигатель питается от генератора, который в свою очередь питается от турбины. Подход основан на улучшенной плотности мощности новых электродвигателей, таких как двухроторные двигатели с осевым потоком без ярма , которые предлагают гораздо больше кВт/кг, чем обычные конструкции, которые были слишком тяжелыми для такого применения. [7]
Воздух поступает через турбогенератор, чтобы вырабатывать электроэнергию для питания электродвигателя. Электродвигатель адаптивно управляет силовой установкой, позволяя ей вести себя как турбовентиляторный, турбореактивный или прямоточный воздушно-реактивный двигатель в зависимости от скорости полета. Фактически двигатель может работать в любой точке кривой удельного импульса (Isp) — высокий Isp на низкой скорости или низкий Isp на высокой скорости. [9] [7] [10]
В некотором смысле он похож на турбоэлектрические судовые двигатели , которые позволяют винтам вращаться с другой скоростью, чем паровые турбины, которые их приводят в действие.
