Степень двухконтурности ( BPR ) турбовентиляторного двигателя — это отношение массового расхода двухконтурного потока к массовому расходу, поступающему в активную зону. [1] Например, коэффициент 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 указан для установок подъемного вентилятора, в которых поток воздуха от 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 большим двухконтурным расходом воздуха являются преобладающим 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 .
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 потоком из 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 применительно к гребным винтам и роторам вертолетов 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 BPR, и эти двигатели получили название турбореактивных двигателей с «протечками» или турбореактивными двигателями с непрерывной продувкой [10] (General Electric YJ-101 BPR 0,25) и турбореактивными двигателями с низким BPR [11] (Pratt & Whitney PW1120). Низкое значение BPR (0,2) также использовалось для обеспечения запаса по помпажу, а также форсажного охлаждения двигателя Pratt & Whitney J58 . [12]
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. В принципе турбовентиляторные двигатели тесно связаны с турбовинтовыми двигателями, поскольку оба они 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 от выхлопных газов, и турбовинтовыми двигателями, которые получают минимальную тягу от выхлопных газов (обычно 10% или меньше). [13] Извлечение мощности на валу и передача ее в обходной поток приводит к дополнительным потерям, которые более чем 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] По сравнению с одиночным соплом турбореактивного двигателя ТРДД имеет дополнительные потери из-за дополнительных турбин, вентилятора, перепускного канала и дополнительного рабочего сопла.
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 диск (тяга на площадь диска) повышает энергоэффективность самолета , а это снижает расход топлива. [18] [19] [20]
Турбореактивный двигатель Rolls -Royce Conway , разработанный в начале 1950-х годов, был ранним примером двухконтурного двигателя. Конфигурация была аналогична двухконтурному 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. Коэффициент двухконтурности для Конвея варьировался от 0,3 до 0,6 в зависимости от варианта [21].
Рост степени двухконтурности в 1960-х годах 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.
Турбовинтовые двигатели имеют степень двухконтурности 50-100, [2] [3] [4] , хотя расход воздуха на гребных винтах менее четко определен, чем на вентиляторах [22], и поток воздуха на винтах медленнее, чем поток воздуха из сопел ТРДД. [20] [23]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )