Можно ли управлять винтом напрямую от реактивного двигателя без редуктора?

В качестве побочного комментария, существует тип двигателя, исследованного в 80-х/90-х годах, но никогда не продававшегося, в котором вентилятор без воздуховода приводится в движение непосредственно валом турбины без редуктора: винтовентилятор . Это близко к вашей идее, хотя вентилятор без воздуховода - это не совсем пропеллер. Safran возобновила исследования этой конструкции в конце 2017 года, чтобы ее можно было использовать после 2030 года.

^{Два вентилятора без воздуховода, вращающиеся в противоположных направлениях, на двигателе со свободной турбиной ( источник )}

Отбросив пропеллер, перейдем к собственно ответу!

Короткий ответ

Скорость вращения винта не превышает 1000 или 1500 об/мин (это зависит и от его размера). Самый медленный вал реактивного двигателя вращается в диапазоне от 5000 до 15000 об/мин, а иногда и больше. Для компенсации разницы используется редуктор.

Вентилятор может вращаться со скоростью 5000 об / мин, однако использование редуктора также желательно, хотя его часто избегают, ограничивая скорость ядра за счет потери эффективности. Новые самолеты, такие как A320 NEO, могут быть оснащены турбовентиляторными двигателями с редуктором для повышения производительности.

Причина, по которой турбина не может вращаться на более низкой скорости, заключается в том, что низкая скорость означает низкий крутящий момент, проблема, характерная для многих воздушно-реактивных двигателей (возможно, за исключением свободной турбины ).

Пунктирная линия: Теоретический крутящий момент на низкой скорости. Обычный: Фактический крутящий момент. Это можно сравнить с попыткой тронуться с места в гору на четвертой передаче.

Низкий крутящий момент также означает увеличение времени разгона, что часто является недостатком.

Подробности

Реактивные двигатели принципиально должны вращаться на высоких скоростях, так как для сжигания большого количества топлива за небольшой промежуток времени необходимо сжать много воздуха. С другой стороны, вентилятор или пропеллер более эффективны при низких оборотах.

Давайте посмотрим, как инженеры справились с этими двумя противоположными потребностями в разных типах двигателей.

Одноконтурный ТРДД

Самая простая конструкция - это двигатель с одной катушкой (все диски вращаются с одинаковой скоростью). Хотя это возможно, выходной вал имеет высокую скорость вращения. Это можно использовать для вентилятора, который также вращается с высокой скоростью. Основной компрессор не так эффективен, как мог бы, если бы вращался быстрее.

• Snecma M53-P2 , используемый на военном реактивном самолете Mirage 2000, имеет скорость вращения 10 600 об/мин.

Лучшей эффективности можно добиться, увеличив скорость компрессора и уменьшив скорость вентилятора. Это требует использования отдельной второй катушки.

Двухконтурный ТРДД

Такая конфигурация используется во многих ТРДД (заметным исключением является Rolls-Royce с третьей катушкой). Низкоскоростная турбина низкого давления приводит в действие вентилятор и, как правило, первые ступени компрессора.

• Согласно этому сертификату EASA , CFM56-7B, используемый на всех B737 NG, имеет максимальную скорость вращения вала высокого давления около 15 000 об/мин и скорость вращения вала низкого давления около 5400 об/мин.

Повышение эффективности требует дальнейшего увеличения диаметра вентилятора, а также замедления вентилятора, чтобы поддерживать линейную скорость наконечников на разумном уровне. Более медленный вентилятор не будет напрямую приводиться в действие турбиной.

Редукторный ТРДД

Замедление турбины низкого давления усложняет работу, а также создает проблему: выходной крутящий момент также уменьшается (что характерно для всех механических двигателей). Это приводит к увеличению времени реакции после запроса тяги, а также означает менее безопасные двигатели. Коробка передач используется для предотвращения потери драгоценного крутящего момента. Эта необычная конфигурация является опцией для A320 NEO .

• PW1000G (ранее известный как проект GTF) имеет вал высокого давления со скоростью 20 000 об/мин, вал низкого давления со скоростью 15 000 об/мин, а вентилятор, соединенный редуктором 3:1, вращается со скоростью 5 000 об/мин. ^{планетарный редуктор 3:1 ( источник )}
  
  
  

Если высота приносится в жертву другим преимуществам, а двигатель используется в более плотном воздухе, то ТРДД больше не является эффективным решением.

турбовинтовой

Когда вентилятор заменяется обычным старым пропеллером, работающим с гораздо более низкой скоростью вращения, использование редуктора скорости с большим передаточным отношением становится все более необходимым по тем же причинам.

Dash 8 / Q400 с характеристиками STOL оснащен двумя турбовинтовыми двигателями PW150A . PW150A представляет собой двухконтурный сердечник со свободной силовой турбиной (два диска, не связанных с газогенераторной секцией). Свободная турбина позволяет лучше управлять скоростью вращения гребного винта, позволяя запускать двигатель при остановленном гребном винте.

• Согласно сертификату EASA , вал высокого давления работает со скоростью 31 150 об/мин, вал низкого давления — 27 000, а максимальная скорость выходного вала не превышает 1020 об/мин. ^{PW150A ( источник ) Примечание: эта схема не является точной, но она иллюстрирует принцип. Посмотрите с точной (но менее читаемой) схемой секций двигателя.}
  
  
  

Дополнительные эксперименты: Propfan

Интересно, что между вентилятором и пропеллером есть промежуточное решение: вентилятор без воздуховода. Он сочетает в себе преимущества высокой скорости вращения и отсутствия воздуховода, а недостатком является шум, создаваемый лопастями без воздуховода, близкий к скорости воздушного потока 1 Маха на конце.

Испытания проводились несколькими производителями двигателей, но ни один двигатель не был выпущен на коммерческий рынок по причинам, которые кажутся нетехническими . Пример, изученный GE и NASA, объединил двойной вентилятор без воздуховода (UDF) и свободную турбину в двигателе нового типа, известном как пропеллерный вентилятор , в толкающей конфигурации.

^{( Источник )}

Два вентилятора встречного вращения были установлены непосредственно на свободном выходном валу турбины без редуктора.

Вы правы, желательно избегать коробки передач. В больших турбовинтовых двигателях используется двухконтурная конструкция, в которой турбина низкого давления вращает исключительно винт. Однако для этого тоже нужен редуктор, хотя и с меньшим передаточным числом. Коробка передач была принята конструкторами двигателей как меньшее из двух зол, причем большим злом является чрезмерно большая турбина.

Чертеж турбовинтового двигателя АЕ-2100 в разрезе ( источник изображения ). Турбина имеет четыре ступени, первые две приводят в движение высокоскоростную катушку и 14-ступенчатый компрессор, а внутренняя низкоскоростная катушка приводится в движение двумя последними ступенями турбины и соединена с коробкой передач впереди.

Если бы турбина вращалась достаточно медленно, чтобы полностью избежать коробки передач, она должна была бы быть намного больше. Это привело бы к нежелательно большой гондоле, вызывая столь же нежелательное увеличение лобового сопротивления. Кроме того, более крупная и медленно вращающаяся турбина сделает весь двигатель намного тяжелее не только потому, что турбинное колесо больше, но и потому, что корпус двигателя тоже должен стать намного больше. Обратите внимание на изображение в разрезе AE-2100 выше, что низкоскоростная турбина уже является самым широким компонентом - ее увеличение значительно увеличило бы лобовое сопротивление и массу двигателя.

Скорость вращения турбины легко удваивает или утраивает скорость потока на лопатке турбины, тем самым увеличивая динамическое давление на лопатке в четыре-девять раз по сравнению с динамическим давлением осевого потока на выходе из высокоскоростной турбины. . Более медленная турбина будет работать при гораздо более низком динамическом давлении, и ей потребуется увеличенный радиус, чтобы по-прежнему обеспечивать тот же крутящий момент, который является произведением подъемной силы лопасти и радиуса. Только увеличенное количество лопастей и увеличенный радиус гораздо большей турбины компенсируют гораздо более низкое динамическое давление на лопатках турбины.

Я полагаю, что для вращения огромного винта нужен большой крутящий момент. Коробка передач многократно увеличивает крутящий момент. Двигатель, который я знаю, представляет собой сокращение 16:1, то есть 16-кратное умножение. Если вы не используете редуктор, вам понадобится турбина размером с пропеллер! Я не вижу простого способа увеличить крутящий момент, создаваемый турбиной. Текущие турбовинты уже используют несколько турбинных дисков, поэтому вам нужно будет добавить 30!!! диски, но это будет сложнее, дороже и тяжелее коробки передач. Также вам понадобится очень прочный и большой вал, не говоря уже о том, что это будет аэродинамически эффективное решение!!!