Как (и почему) тяга двигателя зависит от скорости полета?

Меня интересует, как влияет тяга турбовентиляторного двигателя на более высоких скоростях полета (TAS). Я знаю (я верил), что тяга двигателя (при постоянном N1) была относительно постоянной, как на следующем графике (лишь небольшие отклонения):

введите описание изображения здесь

Этот график обычно находится в книгах/руководствах, описывающих работу двигателя в зависимости от скорости.

Потом я наткнулся на данные ТРД CFM56-5C, в которых указано, что максимальная тяга двигателя в крейсерском режиме составляет примерно 29 360 ньютонов, а максимальная тяга в стационарном режиме составляет 140 000 Н. Это почти в 5 раз больше мощности на земле, чем в крейсерском режиме. Вот ссылка: Сколько воздуха по массе входит в средний крейсерский ТРД CFM56 в минуту?

Это явно противоречивые утверждения или я что-то упускаю. Какой из них правильный и почему? Почему тяга двигателя меняется со скоростью? Кроме того, какие две кривые на графике выше образуют результирующую тягу двигателя?

После того, как я сделал несколько расчетов, используя уравнение тяги (F = массовый расход * разница скоростей выхлопа и впуска, обозначенная как дельта V -> мы не будем учитывать массовый расход топлива и предположим, что давление на выходе равно давлению набегающего потока благодаря соплу ) и следуя данным, указанным выше по ссылке, я выяснил, что дельта V в крейсерском режиме и на взлете постоянна (на полной мощности) и ее значение составляет 295 м/с, что говорит о том, что скорость выхлопа двигателя всегда будет 295 м/с быстрее скорости на входе (для установки максимальной мощности на любой скорости). Я думаю, что это логично, потому что работа, выполняемая двигателем, используется для увеличения кинетической энергии (дельта Ek) воздушного потока, который всегда увеличивает скорость на постоянную величину при настройке удельной мощности / N1 (конечно, меньшая мощность равна меньшему значению дельта V).

Обратите внимание на следующее: вы утверждаете, что максимальная тяга двигателя в крейсерском режиме составляет примерно 29 360 ньютонов, а максимальная тяга в стационарном режиме составляет 140 000 Н. Это почти в 5 раз больше мощности на земле, чем в крейсерском режиме ... Это неправильно, потому что тяга — это не мощность . . Связь между тягой, скоростью и мощностью существует, но стационарный случай — особый...
Что касается полезной работы, е н е р грамм у знак равно ф о р с е ⋅ д я с т а н с е , п о ж е р знак равно ф о р с е ⋅ в е л о с я т у (векторные точечные произведения). На нулевой скорости использование мощности для выдувания всего этого воздуха позади вас требует много топливной энергии, но не дает ничего полезного. Даже когда вы отпускаете тормоза и начинаете катиться, это не так много мощности. (Реактивные двигатели очень неэффективны на низкой скорости.)

Ответы (2)

Первая диаграмма, на которую вы ссылаетесь, показывает три линии, но не указывает, что они представляют. Я предполагаю, что жирная линия нажата на скорость. Тогда эта схема верна для турбореактивного двигателя .

Диаграмма тяги над воздушной скоростью

Толкать Т есть разница между выходным импульсом двигателя и входным импульсом:

Т знак равно ( м ˙ а я р + м ˙ ф ты е л ) ⋅ в е Икс я т − м ˙ а я р ⋅ в е н т р у
Скорость на выходе в е Икс я т турбореактивного двигателя почти постоянна на скорости полета (относительно двигателя, конечно), поэтому, когда двигатель разгоняется, больший входной импульс должен быть вычтен из почти постоянного выходного импульса. Тяга немного падает на скорости.

При более высоких числах Маха предварительное сжатие из-за эффекта набегания на впуске повышает уровень давления (и, следовательно, массовый расход м ˙ а я р ) внутри двигателя, поэтому он будет развивать большую тягу, чем в статических условиях. Этот эффект заставляет линию тяги изгибаться вверх при более высокой скорости, и, поскольку предкомпрессия растет нелинейно со скоростью , начальное падение тяги вскоре меняется на противоположное. Конечно, теперь массовый расход топлива м ˙ ф ты е л будет расти таким же образом, поэтому топливная экономичность (тяга на израсходованное топливо) будет продолжать падать с увеличением скорости.

Только когда скорость полета приблизится к выходной скорости струи, тяга снова уменьшится. Типичная выходная скорость турбореактивного двигателя легко достигает сверхзвука, поэтому этот тип двигателя хорошо подходит для сверхзвукового полета .

максимальная тяга двигателя в крейсерском режиме составляет примерно 29 360 ньютонов, а максимальная тяга в неподвижном состоянии составляет 140 000 Н.

Здесь у вас есть два эффекта, которые объединяются для снижения тяги. Одним из них является уменьшение разницы между скоростью входа и выхода. Это более заметно в турбовентиляторном двигателе , потому что обводной поток будет ускоряться намного меньше, чем основной поток, а более высокая скорость полета вызовет пропорционально большее падение тяги.

Второй эффект возникает из-за разницы в плотности воздуха на земле и в крейсерском режиме: плотность воздуха на типичной крейсерской высоте 35 000 футов составляет всего 0,38 кг/м³ или 31% от плотности воздуха на уровне моря . В первоисточнике значения крейсерской тяги не указано, для какой высоты эта цифра действительна, но вы можете быть уверены, что она соответствует примерно одной трети плотности земли. Массовый поток м ˙ а я р прямо пропорциональна плотности окружающей среды, и оба эффекта сочетаются. Однако большинство источников дают лишь четверть статической тяги — последняя таблица в связанном ответе выглядит так, будто кто-то перепутал значения для CFM56-5A и CFM56-5C.

Просто для уточнения, когда выходная скорость турбореактивного двигателя является «сверхзвуковой», это означает, что в выхлопе (с более высокой скоростью звука, потому что он горячий) фактический поток является сверхзвуковым или дозвуковым, но быстрее, чем скорость звука в окружающей среде. воздух?
@Talisker: Да, сверхзвук означает больше, чем скорость звука этого горячего воздуха. Есть сверхзвуковые самолеты с дозвуковой скоростью выхода двигателя из строя , и это работает только из-за более высокой скорости звука в горячем воздухе, но это исключение.
@PeterKämpf, когда ты сказал в е Икс я т почти постоянна, постоянна ли она по отношению к самолету, поэтому, когда самолет ускоряется, скорость выхлопа фактически уменьшается по сравнению с кем-то, стоящим на земле? или вы имеете в виду, что скорость выхлопа постоянна независимо от того, насколько быстро движется самолет, и поэтому она фактически увеличивается по сравнению с самолетом?
@AbanobEbrahim: Да, очень хороший вопрос! Скорость на выходе составляет ок. постоянной по отношению к самолету, так что это устанавливает верхний предел максимальной скорости, которая может быть достигнута.
@PeterKämpf: Спасибо. Я новичок здесь в авиации, и я уже восхищаюсь вашими замечательными ответами. Но чтобы убедиться, что я правильно вас понял, давайте предположим, что скорость выхлопа при остановленном двигателе равна 500 м / с . Сейчас к ок. постоянный вы имеете в виду, что когда самолет движется на 200 м / с , скорость выхлопа относительно самолета по-прежнему 500 м / с а тому кто стоит на земле скорость выхлопа как раз 300 м / с в направлении, противоположном самолету. Так это правильно?
@AbanobEbrahim: Да, это правильно. Для придирчивых: фактические цифры могут немного отличаться в разных сценариях.

При сравнении значений тяги двигателя необходимо учитывать плотность воздуха или барометрическую высоту. На крейсерском эшелоне полета FL400 плотность воздуха будет примерно одна пятая. Максимальная тяга (или максимальная мощность для поршневых двигателей) также будет равна одной пятой, как и сопротивление воздуха/паразитное сопротивление. Массовый расход воздуха будет составлять одну пятую, так же как и расход/сгорание топлива. Даже подъемная сила будет составлять одну пятую для данной воздушной скорости (TAS).

Я предполагаю, что вы имели в виду TAS в своем вопросе, однако, если мы рассмотрим IAS / CAS, это совсем другая история. На эшелоне полета 400 у вас будут такие числа, как 0,82 Маха, 470 узлов TAS и 250 узлов IAS. Авиалайнеры редко совершают горизонтальный полет, за исключением крейсерской высоты, однако было бы возможно поддерживать скорость 250 уз IAS/CAS с 20% статической тяги (плюс-минус) на высотах ниже крейсерской, например, в трюме.

Игра с ними может быть полезной:

IAS/TAS против высоты: https://aerotoolbox.net/airspeed-conversions/

Мощность двигателя в зависимости от высоты над уровнем моря: http://www.csgnetwork.com/relhumhpcalc.html

Я не уверен, что это отвечает на заданный вопрос. Это неплохая информация, но речь идет о том, как тяга зависит от высоты, а не о том, что задает вопрос, поэтому тяга зависит от скорости полета как таковая. Кроме того, я бы поставил под сомнение ваше утверждение о том, что авиалайнер может поддерживать скорость только на 20% доступной мощности. Может быть, на невероятно легком 747 или А-380, но на 737-х, с которыми я знаком, это утверждение кажется несостоятельным.
Ральф Джей, вы неправильно меня понимаете, если говорите «20% доступной мощности». Я обращаюсь к вопросу, который относится к одной пятой статической тяги или 29 360 Н. По определению того, что такое МСФО и что оно подразумевает, как кто-то может не согласиться с моим утверждением? Если тяга составляет 29 360 Н в крейсерском режиме при определенной указанной воздушной скорости, обе величины будут примерно одинаковыми для любой другой высоты (за исключением, конечно, скоростей и высот, выходящих за пределы).
Как (и почему) тяга двигателя зависит от скорости полета?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 3v