Почему в самолетах используется осевой реактивный двигатель вместо более компактного центробежного реактивного двигателя?

Центробежные компрессоры производят более компактный двигатель только при низком массовом расходе, что означает низкую тягу.

Величина тяги, которую может создать двигатель, пропорциональна площади впуска, умноженной на скорость выпуска. Увеличение последнего нежелательно, так как расход энергии и, следовательно, топлива пропорционален квадрату скорости . Таким образом, конструкторы двигателей ориентируются на массовый расход, чтобы увеличить тягу, а не скорость.

Поскольку они представляют собой трехмерные конструкции в базовой твердой конструкции (которую вы могли найти в ранних реактивных двигателях и небольших современных турбинах), объем центробежного компрессора увеличивается в кубической пропорции к его диаметру, в то время как фронтальная площадь, которая ограничивает его массовый расход и таким образом, его тяга увеличивается только пропорционально квадрату диаметра . Это создает закон куба-квадрата.

Большие реальные детали заполнены каналами освещения и охлаждения, поэтому закон отношения массы к площади более сложен. Тем не менее, он не может полностью устранить эффект объема. Конечным результатом является то, что масса центробежных компрессоров растет значительно быстрее, чем их массовый расход.

На самых высоких уровнях мощности центробежные компрессоры становятся непомерно тяжелыми даже для стационарных силовых установок, где в противном случае долговечность важнее веса, поэтому самые большие силовые установки с базовой нагрузкой работают полностью осевыми. В осевых компрессорах плоская конструкция с коротким воздушным потоком позволяет увеличивать массу только прямо пропорционально массовому потоку, и можно создавать очень мощные двигатели разумных размеров.

В любом случае это не чистый закон куба-квадрата, а что-то вроде k1*массовый расход^[2.5, 2.8] для центробежных по сравнению с k2*массовый расход^[2.2, 2.4] для осевых, где k2>k1, что дает центробежным компрессорам некоторое преимущество в производительности. маленькие размеры. Центрифуги также намного дешевле в производстве (по крайней мере, небольшие).

Высокопроизводительные двигатели, например, в коммерческих самолетах, также должны обеспечивать большую тягу при наименьшем возможном поперечном сечении, сохраняя при этом эффективность, чтобы уменьшить лобовое сопротивление, а также помещаться под крыльями, что позволяет использовать более тяжелые реактивные самолеты. Осевые компрессоры имеют гораздо большую площадь всасывания для любого поперечного сечения, а значит, большую тягу.

Самые маленькие реактивные двигатели, где требования к тяге невелики, а поперечное сечение двигателя очень мало по сравнению с фюзеляжем, могут позволить себе дополнительный диаметр центробежного или диагонального компрессора. Да, это тот же самый закон куба-квадрата (также несколько уменьшенный на практике), который поддерживает увеличение отношения поперечного сечения двигателя к общему поперечному сечению по мере увеличения размера самолета. Небольшие центробежные компрессоры проще, их легче построить и они более надежны, чем небольшие осевые.

Таким образом, в каждой отрасли по мере роста мощности возникает точка перехода от центробежной к осевой. Для самолетов, где сопротивление имеет решающее значение, оно чуть выше небольших бизнес-джетов, мобильные наземные и вертолетные турбины остаются центробежными или смешанными до нескольких МВт, а при десятках мегаватт даже стационарные силовые установки переключаются с осевых / центробежных на всеосевые.

Двигатели, близкие к этой точке пересечения, обычно сочетают в себе осевую и центробежную ступени. Более новые диагональные компрессоры занимают промежуточное положение и весьма хороши, предлагая еще более индивидуальный компромисс.

Осевые турбины занимают много места... в длину. Центробежные компрессоры короче и шире и очень часто используются в турбовинтовых и турбовальных двигателях, например, Rolls Royce Dart представляет собой одноосный турбовинтовой двигатель. Фото демонстрирует компактность двигателя... по длине.

.

Можете ли вы создать центробежный воздушный насос, который выталкивает столько же воздуха, сколько осевой реактивный двигатель?

Да, ты можешь. У него будет две основные проблемы:

1. Потери в центробежных компрессорах будут выше, чем для осевой конфигурации, достигающей той же степени сжатия.
2. Часть лобовой площади нельзя использовать для обдува.

Каковы основные недостатки центробежных воздушных двигателей от стандартных осевых двигателей.

Центробежные компрессоры:

• Несколько менее эффективны, чем осевые компрессоры (при заданной степени сжатия).
• Выпускайте воздушный поток перпендикулярно свободному потоку, так что, если требуется несколько ступеней, воздушный поток должен быть направлен по довольно извилистому пути, что дополнительно отрицательно сказывается на эффективности.
• Результат - двигатель с большей лобовой площадью.

Преимущества:

• Центробежные компрессоры достигают более высокой степени сжатия, чем осевые компрессоры - на ступень. Степень сжатия 4 - 6, тогда как осевая ступень может делать только 1,4 - 1,6.
• Они имеют более прочную и часто менее дорогостоящую конструкцию.

В более крупных двигателях (большой массовый расход, высокая степень сжатия и минимальная лобовая площадь) используются почти исключительно осевые компрессоры: внутренние потери самые низкие. Центробежные компрессоры используются в случаях проектирования, когда интерес представляют другие факторы, помимо эффективности, такие как стоимость и ограничение длины турбовальных двигателей вертолетов.

Примером использования центробежного компрессора в ТРДД является Garrett AiResearch ATF3 . Трехвальный двигатель с вентилятором на валу 1, пятью осевыми ступенями на валу 2 и центробежной ступенью на валу 3.

Источник изображения

Горячий выхлопной поток отклоняется обратно в байпас вентилятора, который охлаждает его и приводит к низкой ИК-сигнатуре. Этот двигатель используется в Dassault Falcon. Обратите внимание, что нет никакой принципиальной технической трудности для масштабирования этого двигателя до уровня A380, кроме снижения эффективности из-за множественных отклонений воздушного потока. Более широкая передняя часть не является проблемой в части компрессора, и общая степень сжатия значительно увеличивается с использованием этой последней ступени.

Как и в ATF3, центробежные компрессоры часто сочетаются с осевой ступенью, которая предварительно закручивает воздушный поток в центробежный компрессор и повышает как эффективность, так и максимальную степень сжатия на одну ступень по сравнению с плоской одиночной ступенью.

В то время как центробежный компрессор может достигать большей степени сжатия, чем одна ступень компрессора в двигателе с осевым потоком, конструкция с осевым потоком позволяет использовать несколько ступеней компрессора, обеспечивая более высокое общее сжатие воздуха и, следовательно, большую эффективность. Однако центробежные реактивные двигатели прочны и надежны.

Центробежные компрессоры ограничены размером и острым углом канала диффузора, который должен выпрямлять воздушный поток, выходящий из рабочего колеса компрессора, и перенаправлять его обратно в камеры сгорания. Это ограничивает количество воздуха, которое может проходить через этот двигатель. Двигатели с осевым потоком имеют сквозную конструкцию и не имеют этого ограничения.

Все существующие центробежно-компрессорные авиационные двигатели были турбореактивными или турбовинтовыми.

Помимо их низкой мощности по сравнению с современными ТРДД (Rolls-Royce Dart, упомянутый в другом ответе, производил около 1 МВт по сравнению с 50 МВт для ядра современного большого ТРДД), больший диаметр центробежного компрессора затруднил бы разработку эффективного ТРДД, за счет ограничения площади воздуховода вентилятора.

Увеличение наружного диаметра лопастей вентилятора для расширения перепускного канала нецелесообразно, так как ограничено дорожным просветом самолета. Попытка избежать этой проблемы с хвостовыми двигателями очень большого диаметра просто создала бы другой набор конструктивных проблем.