Почему концы лопастей ТРДД превышают скорость звука, а концы винтов — нет?

Кажется, что кончики вентилятора ТРД могут преодолеть звуковой барьер:

GE-90 имеет диаметр вентилятора 3124 мм и скорость вращения 3475 об/мин. Их окружная скорость составляет d·π·57,917 = 568 м/с или 1,67 Маха на уровне моря и в атмосфере ISO. Ответ
Питера Кемпфа

В то время как на пропеллерном самолете кажется, что концы винта превышают скорость звука - это плохо. Могут ли лопасти турбовинтового двигателя преодолеть звуковой барьер?

Почему в одной ситуации допустимо превышение скорости звука, а в другой нет?

Оценка 1,67 Маха слишком высока, потому что она игнорирует тот факт, что поток воздуха через вентилятор ограничивается корпусом вентилятора. Разница скоростей между кончиками лопастей и воздухом вне корпуса вентилятора не имеет значения. Поток через вентилятор в некоторых ситуациях действительно околозвуковой, но максимальное число Маха намного ближе к 1,0, чем к 1,67.
@alephzero Кончики лопастей движутся в плоскости, которая (в основном) перпендикулярна потоку через двигатель. Это правда, что поток через двигатель обычно (вероятно, всегда в не ГПВРД) будет дозвуковым, но это не означает, что кончики лопастей дозвуковые по отношению к воздуху, в котором они движутся, поскольку они движутся перпендикулярно к указанному потоку. Для того чтобы воздушная скорость законцовок лопастей была меньше скорости их вращения, всасываемый воздух должен был бы вращаться вокруг оси турбины до встречи с всасывающим вентилятором.

Ответы (4)

Короткий ответ:

  • Турбовентиляторным двигателям необходима сверхзвуковая скорость на концах лопастей вентилятора для создания высокой тяги.
  • Турбовентиляторные двигатели могут выдерживать сверхзвуковые скорости, потому что воздухозаборник создает условия постоянного потока независимо от скорости полета.
  • Эффективность гребных винтов и лопастей вентилятора максимальна в условиях дозвукового потока.
  • Пропеллеры могут вращаться со сверхзвуковой скоростью, но, поскольку условия потока менее контролируемы, штраф за это намного выше, чем штраф для вентилятора.

Объяснение

Плохо иметь наконечники лопастей сверхзвукового вентилятора, точно так же, как лучше избегать наконечников сверхзвуковых винтов. Но в турбовентиляторных двигателях это цена, которую стоит заплатить, потому что более высокая скорость кончика означает более высокое динамическое давление, а разница давлений между обеими сторонами лопасти вентилятора растет пропорционально квадрату их скорости. Это делает возможными высокие уровни тяги современных турбовентиляторных двигателей.

Эффективность гребного винта по скорости

КПД гребного винта зависит от скорости ( источник изображения ). Сюжет для лопастей вентилятора будет выглядеть не сильно иначе. Очень тонкий невыпуклый аэродинамический профиль сверхзвукового винта и дополнительное волновое сопротивление снижают максимальную эффективность, но сохраняют эффективность на сверхзвуковых скоростях.

Обратите внимание, что винт XF-84H Thunderscreech действительно двигался со сверхзвуковой скоростью. В пропеллерах нет ничего, что мешало бы их наконечникам двигаться быстрее скорости звука. С другой стороны, винт большого диаметра требует пропорционально большего крутящего момента, чтобы поддерживать вращение винта против сопротивления со стороны сверхзвуковых наконечников. Таким образом, двигателю вентилятора требуется меньший крутящий момент на лопасти для достижения сверхзвуковых скоростей вращения лопастей вентилятора.

Кроме того, кожух турбовентиляторного двигателя очень помогает сделать шум от сверхзвуковых наконечников управляемым. От шума XF-84H людей буквально тошнило. Но это еще не все: @FreeMan своим комментарием призвал меня погрузиться немного глубже.

Сверхзвуковой воздушный винт будет хорошо работать, когда направление потока на каждой точке вдоль лопасти воздушного винта примерно равно местной хорде аэродинамического профиля. Поскольку лопасть не изогнута, это означает, что изменение местного направления потока на передней кромке может быть сведено к минимуму до величины, необходимой для создания желаемой тяги. Но чтобы выполнить это условие, вам нужно согласовать скорость вашего винта со скоростью полета и распределением крутки. Кроме того, угол атаки должен быть компенсирован за счет поворота оси этого винта в направлении полета. У него не будет p-фактора , но он может работать только с одной скоростью для заданной скорости полета.

Сравните это с турбовентиляторным двигателем: воздухозаборник гарантирует, что скорость и направление потока на передней части вентилятора одинаковы независимо от скорости полета. Это делается за счет поля давления внутри и вокруг воздухозаборника, которое будет выбрасывать лишний воздух за борт на высокой скорости или всасывать лишний воздух сбоку на низкой скорости. В вентиляторе вы действительно можете согласовать локальный угол падения с воздушной скоростью, поэтому вентилятор будет хорошо работать в своем расчетном диапазоне.

Как правило, полностью дозвуковой вентилятор был бы более эффективным. Но тогда диаметр должен был бы быть таким же большим, как у больших турбовинтовых двигателей, а кожух стал бы невероятно тяжелым и создавал бы слишком большое сопротивление. Для создания тяги при относительно небольшом диаметре ТРДД требуется высокое динамическое давление на лопасти вентилятора.

Если я правильно прочитал ваш текст и этот график, то очень тонкий сверхзвуковой воздушный винт без изгиба был бы предпочтительнее , если бы вокруг него можно было построить практичный кожух / гондолу, и это, по сути, то, что является «вентиляторной» частью турбовентиляторного двигателя. является.
@FreeMan: Это еще не все. Этот пропеллер будет работать хорошо только в том случае, если направление потока на передней кромке параллельно хорде аэродинамического профиля, поэтому местное падение должно быть правильным. Это требует соответствия поворота, скорости и воздушной скорости. Для каждого числа Маха у вас будет только одна скорость пропеллера, при которой поворот будет правильным. В дозвуковом потоке закругленная передняя кромка дает вам гораздо больше свободы действий, чтобы отклониться от вашего локального падения. Впуск турбовентиляторного двигателя дает вам это: Равномерная и одинаковая скорость полета независимо от скорости полета. Пропеллер должен быть более гибким.
@FreeMan: Да, вентилятор действительно представляет собой пропеллер с более легкими условиями потока и очень высоким коэффициентом активности.
(1) В своем первом пункте вы заявляете: «Турбовентиляторам нужна сверхзвуковая скорость для создания высокой тяги». Не должно ли вместо этого быть "...дозвуковое..."? (2) Кроме того, в третьем пункте «Эффективность для обоих ...» вы имеете в виду, что эффективность как для впуска, так и для вентилятора является самой высокой в ​​дозвуковых условиях? Если да, возможно, вы могли бы добавить в предложение «впуск и вентилятор» для пояснения.
@Thesis: Вопрос касается кончиков лезвий, поэтому здесь я имею в виду скорость на кончиках лезвий. Скорость всасываемого потока и скорость полета действительно дозвуковые, но надо добавить окружную скорость лопастей. Я отредактирую ответ для уточнения.
Спасибо, Питер. Еще два вопроса: (1) «Таким образом, двигателю вентилятора требуется меньший крутящий момент для достижения сверхзвуковых скоростей вращения лопастей вентилятора». - Причина в меньшем диаметре D вентилятора? (2) «Как правило, полностью дозвуковой вентилятор был бы более эффективным. Но тогда диаметр должен был бы быть таким же большим, как у больших турбовинтовых двигателей, ...» - я не могу этого понять. Окружная скорость пропорциональна D, значит, для дозвукового вентилятора (наконечника) D должно быть мало? С другой стороны, мощность двигателя пропорциональна D^5 и частоте вращения n^3, поэтому при D=const теоретически можно было бы увеличить и n?
@Thesis: (1) Да, но строго верно только для одной лопасти вентилятора. Поскольку прочность вентилятора выше, чем у пропеллера, крутящий момент для привода всего вентилятора огромен. Но отношение крутящего момента к тяге у вентилятора ниже. (2) Дозвуковой вентилятор будет работать намного медленнее и будет иметь меньшее динамическое давление вдоль размаха лопастей. Не D, а обороты должны быть маленькими. Для создания тяги дозвуковому вентилятору потребуется больше воздуха, который он получает за счет увеличения D. Таким образом, он становится пропеллером.
Означает ли это, что на самом деле практично сделать сверхзвуковой винтовой самолет, если у вас есть кожух, двигатель можно подвесить, а лопасти винта имеют переменный шаг и крутку? Кроме того, я не понимаю, почему, если ТРДД зачехлены и, я думаю, соответствуют вашим условиям, они в основном никогда не используются для сверхзвуковых полетов. Большое спасибо.
@Gus: Сверхзвуковой полет требует высоких выходных скоростей выхлопных газов, поэтому ТРДД находится в невыгодном положении. Ту-144 сначала использовал ТРДД, а затем перешел на ТРД (которые Concorde использовал с самого начала) со значительным улучшением характеристик. Подробнее см. здесь . Сверхзвуковой винт с кожухом действительно осуществим, но его гораздо легче реализовать, когда он соединен с реактивным двигателем. В большинстве сверхзвуковых самолетов сегодня используются ТРДД с малой степенью двухконтурности.
@PeterKämpf Спасибо. Теперь мне интересно, будет ли практичным сверхзвуковой винт в кожухе для сверхзвукового электрического самолета? Проблема, которую я вижу, заключается в массе двигателя и воздуховода, которые необходимо подвесить. Двигатель Concorde, Olympus 593, имеет отношение мощности к массе 36 кВт/кг, в то время как высокопроизводительные электродвигатели имеют только 9 кВт/кг, что означает, что узел будет тяжелее, чем с турбонаддувом (но, возможно, он меньше в объем). Впрочем, по сравнению с другими вариантами сверхзвукового электросамолета (компрессор+сопло) может быть, он оптимален? Кроме того, какие-либо предложения по чтению для этого?
Возможно, также можно было бы использовать какое-то лезвие ятагана, вращающееся в противоположных направлениях.
@Gus: Забудьте об электродвигателе для сверхзвукового полета. Это полная ерунда с текущим (и прогнозируемым) запасом энергии и реалистичным запасом хода. Кроме того, мощность 593 рассчитана на 2 Маха и включает тягу на впуске; вы удивитесь, насколько сильно это повлияет на расчет. Вместо этого посмотрите на статическую производительность для справедливого сравнения.
Я думал, что преимущество пропеллеров заключается в относительно постоянной эффективности с высотой. Таким образом, вы можете подняться очень высоко (85 000 футов) и иметь около 1/3 сопротивления Concorde, если предположить, что сопротивление ~ пропорционально rho (хотя не уверен, что с волновым сопротивлением). И если возможно сконструировать сверхзвуковой винт, подобный описанному вами, с эффективностью, близкой к низкоскоростному винту, то, возможно, двигатель может быть в 1,5-2 раза эффективнее, чем 30-40% реактивных двигателей. И тогда потребность в крейсерской мощности будет снижена до ~ 25% от Concorde, тогда, может быть, имеет смысл, если батареи удвоятся в Дж / кг по сравнению с их текущим состоянием?
@Gus: Электрическая силовая установка имеет преимущество высокой эффективности в диапазоне высоких скоростей двигателя, поэтому высотный винт должен быть очень большим (чтобы компенсировать низкий р на высоте) и медленно вращаясь на малой высоте. Но с воздухозаборным кожухом для сверхзвуковой эффективности винт должен стать намного меньше и много весить (и все равно эффективность будет паршивой по сравнению с дозвуковой эффективностью). Посмотрите здесь для дозвукового электрического полета.

Наконечники винтов могут и иногда становятся сверхзвуковыми (например, XF-84H или Ту-95 ). Однако, хотя это допустимо в случае ТРДД (для противодействия этому в ТРДД используются некоторые меры, такие как стреловидные лопасти и низкоскоростные вентиляторы), это не так в случае гребных винтов по нескольким причинам:

  • При приближении (или локальном превышении) сверхзвуковых скоростей на участках лопастей винта образуются ударные волны, что значительно снижает КПД винта, но в то же время вызывает повышенные нагрузки на лопасти. Это вызывает проблему: для сверхзвуковых скоростей лопасти должны быть очень тонкими, в то время как нагрузки требуют, чтобы лопасти были толще.

  • Сопротивление из-за (концевых) ударных волн значительно увеличивает требуемую мощность двигателя. Например, мощность двигателей Ту-95 пришлось форсировать с 12 000 л.с. в прототипах до 15 000 л.с. в серийных экземплярах для достижения требуемой скорости.

  • Еще одна основная причина — звук — XF-45 был настолько громким, что вызывал судороги . В случае турбовентиляторных двигателей байпасный вентилятор закрыт, что несколько снижает уровень шума.

Я думал вопрос по Ту-95 установил, что законцовки лопастей на самом деле не достигают 1,0 Маха?
@egid Я думаю, что этот вопрос устанавливает, что наконечники гребного винта стали сверхзвуковыми после увеличения мощности двигателя. См. редактирование в этом вопросе.
Кроме того, Питер только что отредактировал свой ответ Ту-95, чтобы исправить скорость винта.
@FreeMan ах, да, действительно. Не видел такого - раньше был M0.87 или что-то в этом роде.

Самое главное отличие состоит в том, что лопасти вентилятора вращаются внутри кожуха, а пропеллеры работают на открытом воздухе. Большая часть шума и потерь энергии исходит от вихрей, исходящих от кончиков лопастей винта. Корпус вентилятора предотвращает образование этих вихрей, за исключением небольшой утечки воздуха между концами лопастей и корпусом.

Неизбежен небольшой зазор между лопастями и корпусом, например, потому что внешние аэродинамические силы на корпусе могут деформировать его в некруглую форму в некоторых условиях полета, но максимальный зазор вокруг вентилятора диаметром 3000 мм обычно составляет менее 5 мм. .

Канальные пропеллеры используются в небольших размерах, но потеря веса большого воздуховода, достаточно прочного, чтобы выдержать такие условия, как столкновение с птицей (и сопутствующий ущерб от погнутых или сломанных лопастей винта), была бы непомерно высокой для больших винтов.

« Корпус вентилятора предотвращает образование этих вихрей »: кажется, это лучший и самый прямой ответ на вопрос.

Почему в одной ситуации допустимо превышение скорости звука, а в другой нет?

Потому что подъемная сила (или тяга винта, представляющего собой вращающееся крыло) на сверхзвуковых скоростях уменьшается, а сжатие не влияет. У воздуха, ударяющего о лопатки компрессора, нет другого пути, кроме как пройти через него и питать двигатель.

В случае гребного винта на сверхзвуковых скоростях воздух вместо того, чтобы обтекать лопасти, образует V-волны, явление, которое увеличивает сопротивление и уменьшает подъемную силу (тягу).

У вас есть какая-нибудь ссылка, где можно найти больше о зубцах V (поиск, как правило, возвращает медицинскую версию, которая здесь явно неуместна)?
Вместо «V-волны» ищите вместо «Ударные волны».
О, ударные волны очевидны. Я надеялся, что узнаю что-то новое, но, видимо, нет.
Почему концы лопастей ТРДД превышают скорость звука, а концы винтов — нет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 5v