Компрессор-турбина: Почему вал, а не что-то вроде «вращающегося барабана»?

Есть несколько очень практических причин, по которым в газотурбинных двигателях используются внутренние валы/золотники.

Во-первых, катушки реактивных двигателей представляют собой детали, вращающиеся с очень высокой скоростью, а это означает, что на них действует большая центростремительная сила. Центростремительная сила рассчитывается как$F=mr\omega ^2$где F — сила, m — масса, r — радиус вращения и$\omega$угловая скорость. Таким образом, очевидно, что чем больше радиус вращения, тем выше силы, которые должны нести роторы. Чтобы уменьшить радиус инерции, производители стараются максимально приблизить массу роторов к центральной линии двигателя. На картинке ниже ( источник ) я обвел роторы HPC, HPT и LPT. Вы можете видеть, что они очень тонкие под лопастями, а затем имеют большую выпуклость очень близко к осевой линии двигателя. Перемещение всей этой массы к центральной линии снижает радиус вращения и, таким образом, уменьшает центростремительную силу. Уменьшая центростремительную силу, вы также можете уменьшить прочность роторов, поскольку они не должны нести такую ​​​​большую нагрузку. Это позволяет снять массу с роторов, дополнительно уменьшая центростремительную силу и общий вес двигателя.

Далее, вы хотите, чтобы подшипники были как можно меньше. Это связано с тем, что по мере увеличения радиуса подшипника его линейная скорость также увеличивается в соответствии с этим уравнением:$v=\omega r$. Чем больше линейная скорость, тем выше износ, больше трение и больше тепловыделение. Таким образом, существует стремление сделать подшипники как можно меньше, учитывая другие ограничения. На изображении ниже я обвел подшипники, красные кружки — подшипники золотника низкого давления, а синие — подшипники золотника высокого давления. Это не всегда делается, но очень часто задний подшипник высокого давления фактически едет на валу низкого давления. Обычно эти валы вращаются в одном направлении, поэтому скорость подшипника уменьшается по этому уравнению.$\omega_{AftHPbearing}=\omega_{HP}-\omega_{LP}$. Трение в подшипниках снижает КПД двигателя, а износ подшипников является существенной причиной технического обслуживания.

(Это становится длинным, поэтому я собираюсь урезать остальное) Также может быть много других проблем, таких как крепление лопасти (ласточкин хвост при сжатии вместо растяжения), конструкция лопасти (сжатие вместо растяжения), возможное увеличение путей утечки. , защитная оболочка, конструкция статора (теперь все ваши статоры прикреплены к стационарному валу, который может поддерживаться только на концах), управление регулируемыми лопатками статора, подача топлива в камеру сгорания, как монтировать двигатель и т. д.

Редактировать: просто перечитайте вопрос и поняли, что вы также говорили об увеличении камеры сгорания. Современные камеры сгорания становятся все меньше и намного меньше, чем в оригинальных реактивных двигателях. Вы также можете видеть на рисунках выше, что они уже не используют все доступное им пространство, и если бы им нужно было больше места, рычаг (вал), соединяющий HPT и HPC, можно было бы еще опустить.

Вращающийся барабан будет иметь более высокую инерцию. Когда пилот дает команду увеличить тягу, раскручивание барабана займет больше времени, чем раскручивание вала. Кроме того, большой барабан труднее сбалансировать, чем тонкий вал.

Впрочем, то, что вы предлагаете, не так уж далеко от общей практики: золотник высокого давления на современных двигателях уже довольно большой, но он все еще находится внутри лопаток. См., например, изображение двигателя General Electric Passport в разрезе ( источник ):

Здесь интересно видеть, что основные компоненты немного меньше, чем канал для перепускного воздуха, но золотник высокого давления использует все пространство, оставленное камерой сгорания. Вы также можете видеть, что золотник низкого давления должен быть тонким, чтобы обеспечить достаточное поперечное сечение для первых ступеней компрессора высокого давления. Использование здесь барабана увеличило бы инерцию не только золотника низкого давления, но и всего компрессора высокого давления. Установка барабана на внешней стороне лопастей поставила бы его на пути стравливающих воздуховодов, приводных валов аксессуаров и топливопроводов. Кроме того, сделать лопасти статора подвижными было бы намного сложнее. Вырез должен сделать очевидным, что диаметр секции высокого давления был максимально мал.

Кажется, вы описываете конструкцию экзоскелетной турбины . Я не эксперт, только смутно связан с отраслью. Они привлекательны отчасти потому, что материалы вашего ротора должны быть прочными только на сжатие, поэтому вы можете использовать, например, керамику. Кроме того, полый внутренний объем может быть повторно использован для альтернативного пути потока или типа двигателя, что открывает возможности для вариантов бесступенчатого / прямоточного воздушно-реактивного двигателя с обычным турбовентиляторным двигателем, обернутым вокруг него. НАСА исследовало это и сделало основные выводы о том, что технологии подшипников в то время не существовало и что вспомогательное оборудование, вероятно, съело бы любое полученное преимущество для примерно эквивалентной производительности. Улучшения материалов могут изменить баланс в любом случае.