Двигатель переменного цикла - Variable cycle engine

Вид перспективного двигателя ADVENT в разрезе

Переменная цикла двигателя (VCE), также известный как адаптивный цикл двигателя (ACE), является самолет реактивный двигатель , который предназначен для эффективной работы при смешанных режимах полета, таких как дозвуковых , околозвуковых и сверхзвуковых .

Следующее поколение сверхзвукового транспорта (SST) может потребовать некоторой формы VCE. Двигатели SST требуют высокой удельной тяги (полезная тяга / воздушный поток) в суперкруизном режиме, чтобы свести к минимуму площадь поперечного сечения силовой установки и снизить лобовое сопротивление самолета . К сожалению, это означает высокую скорость струи не только в сверхзвуковом крейсерском режиме, но и на взлете, что делает самолет шумным.

Двигатель с высокой удельной тягой по определению имеет высокую реактивную скорость, поскольку следующее приближенное уравнение для чистой тяги подразумевает:

${\ Displaystyle F_ {п} = {\ точка {m}} \ cdot (V_ {jfe} -V_ {a})}$

куда:

${\ displaystyle {\ dot {m}} = {\ frac {d} {dt}} m = \,}$ массовый расход на входе

${\ Displaystyle V_ {jfe} = \,}$ скорость полностью расширенной струи (в выхлопном шлейфе)

${\ Displaystyle V_ {а} = \,}$ скорость полета самолета

Преобразуя приведенное выше уравнение, удельная тяга определяется по формуле:

${\ displaystyle {\ frac {F_ {n}} {\ dot {m}}} = (V_ {jfe} -V_ {a})}$

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

Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 в Конкорде имел высокую удельную тягу в сверхзвуковом круизе и на сухом взлетную мощность. Одно это уже сделало бы двигатели шумными, но проблема усугублялась необходимостью небольшого дожигания (повторного нагрева) при взлете (и трансзвукового ускорения). SST VCE должен был бы существенно увеличить воздушный поток двигателя при взлете, чтобы уменьшить скорость реактивной струи при заданной тяге (т. Е. Более низкой удельной тяге).

Примеры

Одной из концепций SST VCE является тандемный вентиляторный двигатель. Двигатель имеет два вентилятора, оба установлены на валу низкого давления, со значительным осевым зазором между агрегатами. В нормальном полете двигатель работает в последовательном режиме, при этом поток, выходящий из переднего вентилятора, проходит непосредственно во второй вентилятор, при этом двигатель ведет себя так же, как обычный турбовентилятор. Однако для взлета, набора высоты, конечного снижения и захода на посадку передний вентилятор может выпускать воздух напрямую через вспомогательное сопло на нижней стороне гондолы силовой установки. Вспомогательные воздухозаборники открыты с каждой стороны силовой установки, позволяя воздуху попадать в задний вентилятор и проходить через остальную часть двигателя. Работа вентиляторов в этом параллельном режиме существенно увеличивает общий воздушный поток двигателя на тяге, что приводит к более низкой скорости струи и более тихому двигателю. Еще в 1970-х годах компания Boeing модифицировала Pratt & Whitney JT8D до конфигурации тандемного вентилятора и успешно продемонстрировала переход от последовательной к параллельной работе (и наоборот) при работающем двигателе, хотя и на частичной мощности.

В концепции Mid Tandem Fan одноступенчатый вентилятор с высоким удельным расходом расположен между компрессорами высокого (HP) и низкого (LP) давления в сердечнике турбореактивного двигателя. Только байпасный воздух может проходить через вентилятор, выходной поток компрессора низкого давления проходит через специальные каналы в диске вентилятора, непосредственно под лопастями ротора вентилятора. Часть перепускного воздуха поступает в двигатель через дополнительный воздухозаборник. Во время взлета и захода на посадку двигатель ведет себя так же, как обычный гражданский ТРДД, с приемлемым уровнем шума реактивной струи (т. Е. Низкой удельной тягой). Однако для сверхзвукового крейсерского полета регулируемые направляющие лопатки на впуске вентилятора и вспомогательное перекрытие на впуске позволяют минимизировать байпасный поток и увеличить удельную тягу. В этом режиме двигатель больше похож на «дырявый» турбореактивный двигатель (например, F404 ).

В турбовентиляторном двигателе смешанного потока с эжектором двигатель с низкой степенью двухконтурности установлен перед длинной трубкой, называемой эжектором. Это глушитель срабатывает при взлете и заходе на посадку. Выхлопные газы турбовентиляторных двигателей нагнетают дополнительный воздух в эжектор через дополнительный воздухозаборник, тем самым снижая удельную тягу / среднюю скорость струи конечного выхлопа. Конструкция со смешанным потоком не имеет преимуществ конструкции вентилятора среднего тандема с точки зрения эффективности на низких оборотах, но значительно проще.

В двигателях истребителей появляется новая концепция - трехпоточная архитектура, в которой третий байпасный поток может использоваться для увеличения байпасного отношения, когда требуется топливная эффективность, или иметь дополнительный воздушный поток, направляемый в 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 адаптивного универсального двигателя (ADVENT), а также последующей демонстрации технологии адаптивного двигателя (AETD) и программы адаптивного перехода двигателя (AETP). ). Примеры трехпоточных двигателей включают General Electric XA100 и Pratt & Whitney XA101 , а также силовую установку для Next Generation Air Dominance (NGAD), разрабатываемую в рамках программы Next Generation Adaptive Propulsion (NGAP).

Другие приложения

Еще одно приложение, которое может извлечь выгоду из подхода VCE, - это боевые самолеты. Конструкторам обычно приходится идти на компромисс в отношении удельной тяги двигателя. Если они выберут высокую удельную тягу, удельный расход топлива при повторном нагреве (SFC) будет очень хорошим, а сухой SFC - плохим. Высокая удельная тяга подразумевает высокий коэффициент давления вентилятора, что указывает на высокую температуру сопла при сухой мощности. Следовательно, усиление тяги при повторном нагреве относительно невелико. По определению, оба уровня тяги осушения и повторного нагрева хороши.

Обратное верно для двигателя с низкой удельной тягой, то есть с плохим SFC с повторным нагревом, с хорошим SFC с сухим и дросселированием, с хорошим повышением тяги с повторным нагревом и, по определению, с низкой осью без нагрева и с повторным нагревом.

Двигатель с высокой удельной тягой будет благоприятствовать самолету, требующему хорошей продолжительности в разогретом бою, но он будет ограничен в диапазоне, доступном в сухой мощности.

С другой стороны, двигатель с низкой удельной тягой будет благоприятствовать самолету, которому требуется большая дальность полета на сухой мощности, но скомпрометирует время, затрачиваемое на повторный бой.

Таким образом, конструкторам двигателей часто приходится идти на компромисс в отношении удельной тяги двигателя.

Однако идеальный Combat VCE имел бы высокую тягу повторного нагрева / хороший повторный нагрев SFC, связанный с двигателем с высокой удельной тягой, но имел бы низкое SFC двигателя с низкой удельной тягой при сухой мощности и дросселировании. Создать такой двигатель сложно. Однако еще в конце 80-х компания General Electric разработала двигатель с регулируемым циклом, известный как GE37 или General Electric YF120 , для соревнований по истребителям YF-22 / YF-23 . GE использовала схему двойного байпаса / гибридного вентилятора, но до настоящего времени никогда не раскрывала, как именно они использовали эту концепцию. Хотя YF120 был хорошим (возможно, лучшим) двигателем на взлете, ВВС США проявили осторожность и выбрали более традиционный Pratt & Whitney F119 в качестве силовой установки для серийного Lockheed Martin F-22 Raptor .

использованная литература