Можно ли отключить ступени турбины или компрессора реактивного двигателя для повышения эффективности использования топлива?

Вы не можете «выключить» ступень газотурбинного двигателя.

Как видно из других источников , реактивные двигатели представляют собой единый блок, механически соединенный вместе: все ступени (компрессор И турбина) соединены с одним и тем же валом. Если вал вращается, все соединенные ступени вращаются вместе с ним.

Вы можете иметь конструкции с несколькими валами, но это сильно увеличивает сложность (проектирование и обслуживание).

Даже если мы на мгновение предположим, что у вас может быть 1 вал на каждую ступень, остановка одного из них, как правило, была бы плохой идеей. По акустическим соображениям количество лопастей на неподвижной части сцены и на вращающейся части должно быть равно числу лопастей (пример: 37 лопастей на неподвижной стороне и 39 на вращающейся); это означает, что когда вращающаяся часть останавливается, вы не можете совместить все лопасти с неподвижными, создавая сопротивление и потери в двигателе, что снижает эффективность.

Как изменится эффективность реактивного двигателя, если мы на секунду допустим, что есть возможность остановить несколько ступеней (сделать их свободными, а не заблокированными)?

Вы все равно уменьшите эффективность: ступени компрессора - это те, которые фактически тянут самолет вперед (тогда вы будете производить меньше тяги *), а ступени турбины - это те, которые извлекают энергию из выхлопных газов.

*: вы можете даже рисковать тем, что пламя пойдет вверх по потоку, если вы остановите слишком много ступеней компрессора и не создадите достаточного давления на входе в камеру сгорания.

Можно ли это сделать?

Да

Это было сделано?

Да

Чего ждать?! Где что как?

Pratt and Whitney J58 был разработан с возможностью частичного отключения компрессора. Это достигается за счет размещения характерного шипа перед узлом компрессора.

Однако цель перехода на прямоточный воздушно-реактивный двигатель, характерная для J58, заключалась в том, чтобы позволить ему избежать перегрева турбины во время сверхзвукового полета, когда повышенная скорость на входе приводила к дополнительному нагреву воздуха.

Однако это совершенно не увеличивает КПД реактивного двигателя.

В целом вам нужно как можно больше этапов для дозвукового полета. Это связано с тем, что несколько стадий позволяют газу сжиматься/расширяться более адиабатически, что приводит к повышению эффективности Карно.

Краткий ответ: Нет .

Более длинный ответ: Реактивные двигатели имеют несколько дисков компрессора и турбины, механически прикрепленных к одному валу, называемому катушкой. Обычно в двигателе имеется 2 (а иногда и 3) таких золотников из-за необходимости вращения компрессора высокого давления и главного всасывающего вентилятора с разной скоростью. Каждый золотник вращается свободно и приводится в движение сжатым воздухом в ядре двигателя, проталкиваемым через ступени турбины, прикрепленные к этому золотнику.

Схема турбовентиляторного реактивного двигателя

Источник: Википедия

Невозможно «выключить» конкретную катушку. Пока давление в сердцевине двигателя выше, чем давление за соплом, турбины будут вращаться и вращать золотник. Если вы отсоедините одну из ступеней турбины или одну из ступеней компрессора от золотника так, что он будет «свободно вращаться», диски турбины, вероятно, будут работать с превышением скорости из-за снижения нагрузки. Кроме того, неприводная ступень компрессора будет испытывать заклинивание компрессора , что по существу является аэродинамическим заклиниванием лопаток ступени компрессора.

Наконец, это совершенно не нужно по нескольким причинам:

Во-первых, кроме проблем, которые это вызовет, от отключения ступени компрессора не будет никакой пользы. Как правильно заметил Энди в комментарии, реактивные двигатели не имеют постоянного расхода топлива на оборот, в отличие от поршневых двигателей. Если реактивному двигателю не нужно производить столько энергии, он может просто впрыскивать меньше топлива в камеру сгорания. Когда давление в камере сгорания падает, золотники будут вращаться соответственно сами по себе (из-за меньшего давления, приводящего в действие ступени турбины).

Во-вторых, профили выходной мощности реактивного самолета совсем не похожи на профили автомобиля. Для автомобиля высокая мощность двигателя обычно используется только в коротких рывках для ускорения, а в круизе используется небольшая часть этой мощности. С другой стороны, в реактивном самолете двигатели будут работать на довольно высоком проценте от их максимальных оборотов на протяжении большей части полета. Это связано с тем, что дополнительная мощность позволяет им летать выше, что на самом деле увеличивает эффективность. См. ответы на предыдущий вопрос. Как далеко может пролететь Боинг-777 с одним двигателем на высоте? В отличие от автомобиля, значительное снижение мощности во время крейсерского полета фактически снижает топливную экономичность авиалайнера.

Если немного расширить идею «выключить», то это уже делается несколькими разными способами.

Самолет-разведчик может быть спроектирован так, чтобы слоняться по району цели с полностью выключенными некоторыми двигателями. Дело не только в глушении двигателей - например, если вы собираетесь несколько часов барахтаться на большой высоте при температуре ниже -50С, вам, скорее всего, потребуются специальные системы подогрева масла в заглушенных двигателях, во избежание повреждения при перезапуске.

Многие реактивные двигатели содержат в компрессорах переменные лопатки статора, которые автоматически регулируются для повышения эффективности в различных условиях работы.

В многовальных двигателях относительные скорости различных валов изменяются в зависимости от условий работы. Это более эффективно, чем заставлять все ступени компрессора и турбины работать с одинаковой скоростью на одном валу. В многовальном ТРДД также изменится коэффициент двухконтурности (т. е. доля воздуха, сжимаемого в основном двигателе и используемого для сгорания, а не просто нагнетаемого вентилятором для создания тяги).

Топливная эффективность не улучшается за счет отключения ступеней компрессора или турбины. Топливная эффективность зависит от общего отношения давлений, уменьшите его, и эффективность уменьшится.