Что обеспечивает наибольшую тягу в ТРДД с большой степенью двухконтурности?

Я проанализировал турбовентиляторный двигатель Pratt & Whitney F100 в прошлом семестре в своем курсе аэротермодинамики, поэтому позвольте мне ответить на этот вопрос. Краткий ответ: несжатый воздух обеспечивает большую часть общей тяги двигателя, поскольку сжатый воздух приводит двигатель в действие.

Исправление : я забыл упомянуть, что вентиляторы также сжимают поступающий воздух. То есть весь воздух, поступающий в двигатель, немного сжимается вентилятором. Некоторая часть этого сжатого воздуха поступает в сердцевину турбореактивного двигателя, а остальная часть сжатого вентилятором воздуха обходит сердцевину двигателя. Я проигнорировал это для простоты, но я должен был объяснить это, поскольку вы прямо спрашивали о сжатии воздуха в ТРД.

Длинный ответ: см. ниже!

1. Вентилятор(ы)

Воздух поступает в двигатель через вентилятор (или вентиляторы в случае двигателя F100). Это гигантские вентиляторы с вращающейся эмблемой посередине, которые вы видите внутри двигателя.

Обновление: вращающиеся знаки четко показывают, вращается ли вентилятор, поэтому рабочие не получают травм.

Вентилятор (ы) увеличивает давление воздуха, поступающего в двигатель. Часть этого сжатого воздуха отводится вокруг остальной части двигателя и направляется прямо из двигателя. Коэффициент двухконтурности является мерой того, сколько воздуха проходит в обход «струйного» сердечника (байпасный воздух/внутренний воздух).

2. Компрессоры

Остальная часть этого воздуха затем сжимается с помощью комбинации большего количества вентиляторов и сужающегося воздуховода. Данные моего термопроекта говорят мне, что эта стадия увеличивает давление воздуха в сердцевине более чем на 10 000%, но я не слишком в этом уверен*. Достаточно сказать, что у этого основного воздуха теперь много энергии — давайте добавим еще :D

Краткое примечание: сжатый воздух теперь имеет незначительную скорость по отношению к байпасному воздуху . Большая часть энергии сжатого воздуха находится «в» его давлении (старшие члены SE, пожалуйста, поправьте меня, если я ошибаюсь).

3. Камера сгорания (она же камера сгорания, она же волшебная камера)

Теперь основной воздух поступает в камеру сгорания. Здесь воздух попадает в небольшие камеры, смешивается с реактивным топливом и воспламеняется. Схема основных частей двигателя, которую я разместил, выглядит так, как будто камера сгорания является одной большой частью реактивного двигателя, но на самом деле камера сгорания состоит из множества меньших камер, окружающих главный вал двигателя. Вот GIF, который показывает, что я имею в виду:

То, как работает камера сгорания, находится за пределами моего понимания, но учтите, что камера сгорания, по сути, пытается поддерживать горение свечи посреди урагана. Удивительные инженерные разработки направлены на разработку лучших и более эффективных (более горячих) камер.

4. Турбина (она же больше волшебная секция)

Теперь этот горячий и еще более энергичный воздух поступает в секцию турбины, состоящую из расширяющегося (увеличивающегося по площади) воздуховода и большего количества вентиляторов. В то время как компрессор «вставлял» энергию в воздух, турбины вытягивали энергию из воздуха. Когда воздух входит в большую (по объему) зону турбины, он расширяется и вращает вентиляторы турбины, которые питают компрессоры и вентилятор . Этот коэффициент обратной работы (BWR) является мерой того, какая мощность турбины требуется для вращения компрессоров.

5. Насадка

Все еще энергичный основной воздух снова концентрируется перед выбросом из задней части двигателя. Эта тяга вместе с тягой перепускного воздуха продвигает воздух вперед по следующей модели:

$F_{thrust} = \dot{m}_{bypass} \times \Delta v_{bypass} + \dot{m}_{core} \times \Delta v_{core}$

Где$\dot{m}_{bypass}$это массовый расход воздуха, который перепускается и$\Delta v_{bypass}$это изменение скорости этого воздуха в результате работы вентилятора.

И$\dot{m}_{core}$это массовый расход воздуха, который сгорает и$\Delta v_{core}$это изменение скорости воздуха в сердцевине в результате работы вентилятора, компрессора, камеры сгорания и турбины.

На несжатый воздух приходится около 60% общей тяги. «Обработанный» воздух теряет значительную часть своей энергии для питания двигателя. Однако сжатый воздух по-прежнему обеспечивает около 40% общей тяги . Добавление дожигателя может увеличить этот вклад до 50%. Как это возможно? Мертвые водоросли миллиард лет назад.

Углеводороды в топливе для реактивных двигателей содержат много энергии при небольшом объеме и массе (две совершенно разные концепции). Сжигание этих углеводородов высвобождает много энергии, которая приводит в действие вентилятор, компрессоры и электрические генераторы самолета, прежде чем он толкает самолет вперед. Эта высокая энергия в небольшом месте / пространстве также является причиной того, что электромобили / что-либо еще не были практичными до аккумуляторов LiPo (история для другой статьи).

Я аплодирую вам за то, что вы заметили, что несжатый воздух способствует увеличению тяги двигателя. Я думаю, что термин «байпас» вводит некоторых людей в заблуждение, заставляя их думать, что этот воздух «выбрасывается». это не. Перепускаемый воздух на самом деле ускоряется рядом вентиляторов и придает самолету импульс вперед.

Я сейчас изучаю аэрокосмическую инженерию (Ого!), поэтому мое волнение по поводу возможности ответить на этот вопрос несколько отвлекло меня от вашего первоначального вопроса, но я надеюсь, вам понравится дополнительная информация о том, как работает турбовентилятор.

Дополнительная информация

Чем горячее горит камера сгорания, тем горячее становится воздух в сердцевине и тем больше энергии он может обеспечить для работы двигателя. Кроме того, в более горячих камерах расходуется меньше топлива для реактивных двигателей, а выхлопные газы относительно чище и безопаснее. Увеличение максимальной температуры CC и разработка остальной части двигателя (например, лопаток турбины), чтобы справиться с увеличением температуры, является передовым направлением исследований в области двигателей. Это одна из самых сложных и прибыльных проблем в области материаловедения и инженерии в мире, поскольку эффективность имеет первостепенное значение в современной и завтрашней авиационной промышленности.

Вот хорошая статья, описывающая, как GE, Rolls-Royce и другие производители двигателей продают тягу, а не двигатели. Он большой, так что вы можете прочитать его во время вашего следующего полета :)