Коэффициент двухконтурности ( КД ) турбовентиляторного двигателя — это отношение массового расхода перепускного потока к массовому расходу, поступающему в активную зону. [1] Например, коэффициент двухконтурности 10:1 означает, что 10 кг воздуха проходит через перепускной канал на каждый 1 кг воздуха, проходящего через активную зону.
Турбовентиляторные двигатели обычно описываются в терминах BPR, которые вместе с коэффициентом давления двигателя , температурой на входе турбины и коэффициентом давления вентилятора являются важными параметрами проектирования. Кроме того, BPR указывается для турбовинтовых и бесканальных вентиляторных установок, поскольку их высокая пропульсивная эффективность дает им общие характеристики эффективности турбовентиляторных двигателей с очень высоким двухконтурным контуром. Это позволяет отображать их вместе с турбовентиляторными двигателями на графиках, которые показывают тенденции снижения удельного расхода топлива (SFC) с увеличением BPR. BPR также указывается для подъемных вентиляторных установок, где поток воздуха вентилятора удален от двигателя и физически не касается сердечника двигателя.
Двухконтурность обеспечивает меньший расход топлива при той же тяге, измеряемой как удельный расход топлива тяги (граммы топлива в секунду на единицу тяги в кН, используя единицы СИ ). Меньший расход топлива, который достигается при высоких степенях двухконтурности, применяется к турбовинтовым двигателям , использующим пропеллер , а не канальный вентилятор. [2] [3] [4] [5] Конструкции с большим двухконтурием являются доминирующим типом для коммерческих пассажирских самолетов, а также гражданских и военных реактивных транспортных самолетов.
В бизнес-джетах используются средние двигатели BPR. [6]
Боевые самолеты используют двигатели с низкой степенью двухконтурности, чтобы найти компромисс между экономией топлива и требованиями боя: высокой удельной мощностью , сверхзвуковыми характеристиками и возможностью использования форсажных камер .
Если вся газовая мощность от газовой турбины преобразуется в кинетическую энергию в сопле, самолет лучше всего подходит для высоких сверхзвуковых скоростей. Если вся она передается отдельной большой массе воздуха с низкой кинетической энергией, самолет лучше всего подходит для нулевой скорости (зависания). Для скоростей между ними газовая мощность делится 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 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 заключается в обмене скорости истечения на дополнительный массовый поток, который все еще дает требуемую тягу, но использует меньше топлива. Изобретатель турбореактивного двигателя Фрэнк Уиттл назвал это «снижением потока». [7] Мощность передается от газогенератора к дополнительной массе воздуха, то есть к реактивной струе большего диаметра, движущейся медленнее. Обходной канал распределяет имеющуюся механическую мощность по большему объему воздуха, чтобы уменьшить скорость струи. [8] Компромисс между массовым расходом и скоростью также наблюдается в случае с пропеллерами и роторами вертолетов путем сравнения нагрузки на диск и нагрузки мощности. [9] Например, тот же вес вертолета может поддерживаться двигателем высокой мощности и ротором малого диаметра или, при меньшем расходе топлива, двигателем меньшей мощности и большим ротором с меньшей скоростью через ротор.
Байпас обычно относится к передаче мощности газа от газовой турбины к обходному потоку воздуха для снижения расхода топлива и шума реактивной струи. В качестве альтернативы может быть требование к двигателю с форсажной камерой, где единственным требованием к байпасу является обеспечение охлаждающего воздуха. Это устанавливает нижний предел для BPR, и эти двигатели были названы «протекающими» или турбореактивными двигателями с непрерывным отбором [10] (General Electric YJ-101 BPR 0,25) и турбореактивными двигателями с низким BPR [11] (Pratt & Whitney PW1120). Низкий BPR (0,2) также использовался для обеспечения запаса по помпажу, а также охлаждения форсажной камеры для Pratt & Whitney J58 . [12]
В двигателе с нулевым байпасом (турбореактивном) выхлопной газ высокой температуры и высокого давления ускоряется путем расширения через сопло и производит всю тягу. Компрессор поглощает всю механическую мощность, вырабатываемую турбиной. В конструкции с байпасом дополнительные турбины приводят в действие канальный вентилятор , который ускоряет воздух назад от передней части двигателя. В конструкции с высоким байпасом канальный вентилятор и сопло производят большую часть тяги. Турбореактивные двухконтурные двигатели в принципе тесно связаны с турбовинтовыми , поскольку оба передают часть газовой мощности газовой турбины, используя дополнительное оборудование, в поток байпаса, оставляя меньше для горячего сопла для преобразования в кинетическую энергию. Турбореактивные двухконтурные двигатели представляют собой промежуточную стадию 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 вала и передача ее в поток байпаса приводят к дополнительным потерям, которые с лихвой компенсируются улучшенной пропульсивной эффективностью. Турбовинтовой двигатель на своей лучшей скорости полета обеспечивает значительную экономию топлива по сравнению с турбореактивным двигателем, даже несмотря на то, что к малопотерьному соплу турбореактивного двигателя были добавлены дополнительная турбина, редуктор и пропеллер. [14] Турбовентиляторный двигатель имеет дополнительные потери от дополнительных турбин, вентилятора, обводного канала и дополнительного сопла по сравнению с одним соплом турбореактивного двигателя.
Чтобы увидеть влияние только увеличения BPR на общую эффективность самолета, т. е. SFC, необходимо использовать обычный газогенератор, т. е. не изменять параметры цикла Брайтона или эффективность компонентов. Беннетт [15] в этом случае показывает относительно медленный рост потерь при передаче мощности в обходной контур в то же время, как и быстрое падение потерь на выхлопе со значительным улучшением SFC. В действительности увеличение BPR с течением времени сопровождается ростом эффективности газогенератора, что в некоторой степени маскирует влияние BPR.
Только ограничения веса и материалов (например, прочность и температура плавления материалов в турбине) снижают эффективность, с которой турбовентиляторная газовая турбина преобразует эту тепловую энергию в механическую энергию, поскольку, хотя выхлопные газы все еще могут иметь доступную для извлечения энергию, каждый дополнительный статор и диск турбины извлекают все меньше механической энергии на единицу веса, а увеличение степени сжатия системы путем добавления ступени компрессора для повышения общей эффективности системы увеличивает температуру на поверхности турбины. Тем не менее, двигатели с высокой степенью двухконтурности имеют высокую пропульсивную эффективность , поскольку даже небольшое увеличение скорости очень большого объема и, следовательно, массы воздуха производит очень большое изменение импульса и тяги: тяга — это массовый расход двигателя (количество воздуха, проходящего через двигатель), умноженный на разницу между скоростями на входе и выходе в линейной зависимости, но кинетическая энергия выхлопа — это массовый расход, умноженный 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 похожа на двухконтурный турбореактивный двигатель, но для превращения его в двухконтурный двигатель он был оснащен увеличенным компрессором низкого давления: поток через внутреннюю часть лопаток компрессора поступал в ядро, в то время как внешняя часть лопаток обдувала воздух вокруг ядра, обеспечивая остальную часть тяги. Степень двухконтурности для Conway варьировалась от 0,3 до 0,6 в зависимости от варианта [21]
Рост степени двухконтурности в 1960-х годах обеспечил реактивным лайнерам топливную эффективность , которая могла бы конкурировать с эффективностью поршневых самолетов. Сегодня (2015) большинство реактивных двигателей имеют некоторую степень двухконтурности. Современные двигатели в более медленных самолетах, таких как авиалайнеры, имеют степень двухконтурности до 12:1; в более скоростных самолетах, таких как истребители , степень двухконтурности намного ниже, около 1,5; а самолеты, рассчитанные на скорости до 2 Маха и несколько выше, имеют степень двухконтурности ниже 0,5.
Турбовинтовые двигатели имеют степень двухконтурности 50-100, [2] [3] [4], хотя поток воздуха, создающий движение, менее четко определен для винтов, чем для вентиляторов [22] , а поток воздуха из винтов медленнее, чем поток воздуха из сопел турбовентиляторных двигателей. [20] [23]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )