Можно ли увеличить тягу ТРДД за счет увеличения степени двухконтурности?

GE использовала ядро ​​двигателя F101 в качестве ядра CFM56 (предположительно, с некоторыми модификациями). Ядро ТРДД состоит из компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины высокого давления. В данном случае речь идет о 9-ступенчатом ТВД и одноступенчатом ТВД. Все остальное было заново разработано для ТРДД с большой степенью двухконтурности.

В отличие от простой установки более крупного вентилятора на вал низкого давления, это возможно, потому что компоненты высокого давления и компоненты низкого давления относительно независимы в турбовентиляторном двигателе, т.е. ядро ​​​​двигателя не слишком сильно зависит от размера вентилятор, коэффициент байпаса или другие изменения в зоне низкого давления.

Новая турбина низкого давления (4-ступенчатая вместо 2-ступенчатой) может работать на более низких оборотах и ​​передавать больше энергии выхлопных газов от ядра двигателя к большему вентилятору (выхлопные газы, выходящие из нового ТНД, вероятно, более холодные). и медленнее, чем у F101 LPT). Новый компрессор низкого давления повышает общую степень сжатия и, следовательно, увеличивает количество энергии, поступающей на компрессор низкого давления и вентилятор, тем самым повышая общую эффективность. Вероятно, это возможно, потому что не сверхзвуковой рабочий диапазон CFM56 означает, что общая температура всасываемого воздуха будет намного ниже, так что тот же запас выхлопных газов может быть достигнут при более высокой степени сжатия. Другими словами, поскольку поступающий воздух холоднее, его можно дополнительно сжимать, не повреждая турбину высокого давления, поскольку он слишком горячий.

Статическая тяга CFM56 составляет 19 500 фунтов силы, что примерно на 15% больше, чем у F101, равной 17 000 фунтов силы без форсажной камеры. Хотя небольшая часть этого, вероятно, является аэродинамическими потерями из-за неиспользуемой камеры форсажной камеры, большая часть этого должна исходить от лучшего использования энергии, предлагаемой выхлопом сердечника двигателя в более крупном вентиляторе. Разница может быть даже больше, потому что максимальная тяга F101 может быть скорректирована для гораздо меньшего среднего времени между посещениями магазина. Хотя я не уверен в этом.

Это показывает, что основным преимуществом секции двигателя с высоким байпасом и низким давлением является значительно повышенная топливная экономичность, увеличение статической тяги и (намного) более низкий уровень шума. С другой стороны, F101 может работать на более высоких скоростях, создавать большую тягу на высоких скоростях, он легче и имеет гораздо меньшее поперечное сечение.

(Отредактировано по комментарию fooot, спасибо, что нашли источник.)

Установка большего вентилятора влияет на тягу двигателя двумя способами:

1. Статическая тяга увеличивается. Статическая тяга — это тяга, создаваемая, когда двигатель не движется.
2. Градиент тяги по скорости становится более отрицательным, что означает, что тяга будет больше снижаться со скоростью, когда степень двухконтурности увеличивается.

Но это еще не все: скорости на выходе из сопла уменьшаются, и требуется больший впуск, поскольку большему вентилятору потребуется больше воздуха. Увеличение степени двухконтурности означает использование части кинетической энергии основного потока и преобразование ее в более высокий массовый поток вентилятора.

Если мы посмотрим на формулу тягового КПД$\eta_p$воздушно-реактивного двигателя:

$$\eta_p = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty} + \frac{\Delta v}{2}}$$ куда $v_{\infty}$это скорость двигателя и $\Delta v$при увеличении скорости газа, протекающего через двигатель, становится ясной зависимость от скорости: $v_{\infty}$низкий, меньший $\Delta v$воздействие на более высокий массовый расход делает двигатель более эффективным. Когда $v_{\infty}$высок, однако этот эффект исчезает, и теперь меньший двигатель с меньшим и более легким впуском становится более привлекательным.

Когда ядро ​​​​двигателя останется прежним, его расход топлива также останется прежним, но больший вентилятор будет создавать большую тягу, особенно на низких оборотах. Массовый расход активной зоны будет одинаковым, независимо от размера вентилятора, и количество топлива для нагрева этого массового расхода также не изменится.

Поскольку КПД определяется как тяга на единицу израсходованного топлива, вентилятор большего размера также повысит КПД.

Реактивный двигатель приводит в движение самолет за счет движения воздуха позади самолета с большей скоростью, чем самолет. Турбовентилятор пытается переместить большее количество воздуха на более низкой скорости, что более эффективно. Это то, что называется эффективностью движения.

Это легко понять, если подумать о том, как вы можете продвигать себя, когда вы на скейтборде, будет ли более эффективно, если вы будете использовать свои руки над стеной или над чем-то, что может скользить по полу? Чем тяжелее эта «вещь», тем лучше для вашего движения, достигающего стены здания.

Хорошо, это хорошая концепция, но вам нужно это сделать!!! Для этого вам необходимо подключить турбину к выхлопу предыдущей турбины, механически соединенной с новым вентилятором двигателя.

Легко, но не очень...

• Вы добавляете новую ступень компрессора (вентилятор) перед предыдущими стадиями. Поэтому вам нужно убедиться, что все ваши материалы подготовлены для этого.
• Выхлоп ядра может быть недостаточно подготовлен к новым условиям.
• Вероятно, внешний вид прежнего двигателя не был подготовлен к вторичному течению.
• Системы нужно пересматривать.

В принципе, с некоторыми доработками та операция, которую вы предлагаете, будет работать, но только если мы говорим о небольших доработках и не переходим к значительной степени двухконтурности, где модификации будут стоить столько же, сколько полностью новая конструкция двигателя.

Также я вижу экономические трудности, в нынешних условиях существует значительная конкуренция за наименьший расход. Если вы выполните то, что предлагаете, у вас будет движок, оптимизированный для того, чтобы не иметь вторичного потока, адаптированного для вторичного потока, конкурирующего с движками, оптимизированными для работы со вторичным потоком. Двигатель будет неэффективным по сравнению с конкурентами.

Наконец, вы увеличите вес и тягу.