Коэффициент байпаса - Bypass ratio
Коэффициент байпасирования ( BPR ) турбовентиляторного двигателя - это отношение между массовым расходом байпасного потока и массовым расходом, поступающим в активную зону. Например, коэффициент байпаса 10: 1 означает, что через байпасный канал проходит 10 кг воздуха на каждый 1 кг воздуха, проходящего через сердцевину.
Турбореактивные двухконтурные двигатели обычно описываются в терминах BPR, которые вместе с степенью давления двигателя , температурой на входе в турбину и степенью давления вентилятора являются важными проектными параметрами. Кроме того, BPR указан для турбовинтовых и необязательных вентиляторов, поскольку их высокая тяговая эффективность дает им общие характеристики КПД турбовентиляторных двигателей с очень большим байпасом. Это позволяет отображать их вместе с ТРДД на графиках, которые показывают тенденции снижения удельного расхода топлива (SFC) с увеличением BPR. BPR также рекомендуется для подъемных вентиляторов, в которых 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 тяги (граммы топлива в секунду на единицу тяги в кН в единицах СИ ). Более низкий расход топлива, который достигается за счет высоких коэффициентов двухконтурности, относится к турбовинтовым двигателям , использующим гребной винт, а не канальный вентилятор. Конструкции с высоким байпасом являются доминирующим типом для коммерческих пассажирских самолетов, а также для гражданских и военных реактивных транспортных средств.
На бизнес-джетах используются двигатели среднего размера BPR.
Боевые самолеты используют двигатели с низким коэффициентом двухконтурности, чтобы найти компромисс между экономией топлива и требованиями боя: высокое соотношение мощности к массе , сверхзвуковые характеристики и возможность использования форсажных камер .
Принципы
Если вся энергия газа от газовой турбины преобразуется в кинетическую энергию в двигательном сопле, самолет 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 потоком воздуха и собственным потоком сопла газовой турбины в пропорции, обеспечивающей 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 - это 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, т. Е. 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 наблюдается в винтах и винтах вертолетов, сравнивая нагрузку на диск и нагрузку по мощности. Например, такой же вес вертолета может поддерживаться двигателем большой мощности и ротором малого диаметра или, при меньшем количестве топлива, двигателем меньшей мощности и ротором большего размера с меньшей скоростью, проходящей через ротор.
Байпас обычно относится к передаче энергии газа от газовой турбины в байпасный поток воздуха для уменьшения расхода топлива и шума реактивной 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 получили название турбореактивных двигателей с неплотным или непрерывным сбросом (General Electric YJ-101 BPR 0,25) и турбореактивных двигателей с низким BPR (Pratt & Whitney PW1120). Низкий BPR (0,2) также использовался для обеспечения запаса по помпажу, а также для охлаждения на дожигателе для Pratt & Whitney J58 .
Описание
В турбореактивном двигателе с нулевым байпасом 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 вытяжной вентилятор, который ускоряет воздух назад от передней части двигателя. В конструкции с высокой степенью байпаса вентилятор и сопло создают большую часть тяги. Турбовентиляторные двигатели в принципе тесно связаны с турбовинтовыми двигателями, поскольку оба передают часть энергии газа газовой турбины, используя дополнительное оборудование, 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 от выхлопных газов, и турбовинтовыми двигателями, которые получают минимальную тягу от 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 с максимальной скоростью 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 рабочего сопла по сравнению с одним соплом турбореактивного двигателя.
Чтобы увидеть влияние только увеличения BPR на общую эффективность самолета, то есть SFC, необходимо использовать общий газогенератор, т.е. 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 с двухконтурным двигателем преобразует эту тепловую энергию в механическую энергию, поскольку выхлопные газы все еще могут иметь доступную энергию для использования. После извлечения каждый дополнительный статор и диск турбины извлекают 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 поверхности турбины. Тем не менее, двигатели с высоким байпасом имеют высокую тяговую эффективность, 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), умноженный на разницу между скоростями впуска и выпуска - линейная зависимость, - 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 турбовентиляторных двигателей, разработанные в начале 1950 - х, был ранним примером обходного 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 уходил в сердечник, а внешняя часть лопаток выдувалась. воздух вокруг сердечника, чтобы обеспечить остальную тягу. Коэффициент байпаса для Conway варьировался от 0,3 до 0,6 в зависимости от варианта.
Рост коэффициентов двухконтурности в 1960-х годах дал авиалайнерам топливную экономичность, которая могла конкурировать с самолетами 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 двигатели имеют коэффициент двухконтурности 50-100, хотя воздушный поток движущей силы менее четко определен для гребных винтов, чем для вентиляторов, а воздушный поток гребного винта медленнее, чем воздушный поток из сопел турбовентиляторных двигателей.
Коэффициенты перепуска двигателя
| Модель | Первый | BPR | Толкать | Основные приложения |
|---|---|---|---|---|
| P & WC PT6 / P & WC PW100 турбовинтовых | 50-60 | Супер Кинг Эйр / ATR 72 | ||
| P&W PW1000G | 2008 г. | 9,0–12,5 | 67–160 кН | A320neo , A220 , E-Jets E2 , Иркут МС-21 |
| RR Трент 1000 | 2006 г. | 10,8–11 | 265,3–360,4 кН | B787 |
| CFM LEAP | 2013 | 9,0–11,0 | 100–146 кН | A320neo , B737Max , Comac C919 |
| GE GE90 | 1992 г. | 8,7–9,9 | 330–510 кН | B777 |
| RR Трент XWB | 2010 г. | 9,3 | 330–430 кН | A350XWB |
| GE GEnx | 2006 г. | 8,0–9,3 | 296-339 кН | B747-8 , B787 |
| EA GP7000 | 2004 г. | 8,7 | 311–363 кН | A380 |
| RR Trent 900 | 2004 г. | 8,7 | 340–357 кН | A380 |
| RR Trent 500 | 1999 г. | 8,5 | 252 кН | А340 -500/600 |
| CFM56 | 1974 г. | 5,0–6,6 | 97,9-151 кН | A320 , A340 -200/300, B737 , KC-135 , DC-8 |
| P&W PW4000 | 1984 | 4,8–6,4 | 222–436 кН | A300 / A310 , A330 , B747 , B767 , B777 , MD-11 |
| GE CF34 | 1982 г. | 5,3–6,3 | 41–82,3 кН | Challenger 600 , CRJ , E-jets |
| Silvercrest | 2012 г. | 5.9 | 50,9 кН | Cit. Полушарие , Falcon 5X |
| RR Trent 800 | 1993 г. | 5,7–5,79 | 411–425 кН | B777 |
| Паспорт GE | 2013 | 5,6 | 78,9–84,2 кН | Глобальный 7000/8000 |
| P&WC PW800 | 2012 г. | 5.5 | 67,4–69,7 кН | Gulfstream G500 / G600 |
| GE CF6 | 1971 г. | 4.3–5.3 | 222–298 кН | A300 / A310 , A330 , B747 , B767 , MD-11 , DC-10 |
| Д-36 | 1977 г. | 5,6 | 63,75 кН | Як-42 , Ан-72 , Ан-74 |
| RR AE 3007 | 1991 г. | 5.0 | 33,7 кН | ERJ , Citation X |
| RR Trent 700 | 1990 г. | 4.9 | 320 кН | A330 |
| IAE V2500 | 1987 г. | 4,4–4,9 | 97,9-147 кН | А320 , МД-90 |
| P&W PW6000 | 2000 г. | 4,90 | 100,2 кН | Аэробус A318 |
| RR BR700 | 1994 г. | 4,2–4,5 | 68,9–102,3 кН | B717 , Global Express , Gulfstream V |
| P&WC PW300 | 1988 г. | 3,8–4,5 | 23,4–35,6 кН | Cit. Sovereign , G200 , F. 7X , F. 2000 |
| GE-H HF120 | 2009 г. | 4,43 | 7,4 кН | HondaJet |
| HW HTF7000 | 1999 г. | 4.4 | 28,9 кН | Challenger 300 , G280 , Legacy 500 |
| ПС-90 | 1992 г. | 4.4 | 157–171 кН | Ил-76 , Ил-96 , Ту-204 |
| PowerJet SaM146 | 2008 г. | 4–4,1 | 71,6–79,2 кН | Сухой Суперджет 100 |
| Уильямс FJ44 | 1985 г. | 3.3–4.1 | 6,7–15,6 кН | CitationJet , Cit. M2 |
| P&WC PW500 | 1993 г. | 3,90 | 13,3 кН | Цитирование Excel , Phenom 300 |
| HW TFE731 | 1970 г. | 2,66–3,9 | 15,6–22,2 кН | Learjet 70/75 , G150 , Falcon 900 |
| RR Tay | 1984 | 3.1–3.2 | 61,6–68,5 кН | Gulfstream IV , Fokker 70 / 100 |
| Pratt & Whitney Canada PW600 | 2001 г. | 1,83–2,80 | 6,0 кН | Cit. Мустанг , Eclipse 500 , Phenom 100 |