В чем разница между турбореактивными и турбовентиляторными двигателями?

Турбореактивные и турбовентиляторные двигатели действительно очень похожи:

• оба являются газотурбинными двигателями;
• оба создают тягу за счет реактивного выхлопа;
• и у обоих есть вращающееся устройство впереди, которое можно назвать вентилятором. Хотя в случае с ТРД он называется не вентилятором, а первой ступенью компрессора.

$\ $ Юнкерс Юмо 109-004

Так в чем же разница? Существует пять типов газотурбинных двигателей, названных в честь их основного средства создания тяги:

1. Турбореактивные двигатели. Самый первый тип реактивного двигателя, который использовался в Messerschmitt 262: компрессор, камера сгорания и турбина. Турбина извлекает достаточную мощность из дымовых газов для привода компрессора. Весь воздух проходит через сам двигатель, а тяга создается только потоком выхлопных газов. Коэффициент байпаса нулевой.
2. Турбинные двигатели с малой двухконтурностью. Какое-то длинное, не цепляющее описание. Часть воздушного потока обходит главный двигатель и сжимается первой ступенью компрессора, который имеет больший диаметр, чем труба основного двигателя. Турбина приводит в действие компрессор и вентилятор (с малым байпасом), выхлопной поток из турбины по-прежнему создает значительную долю тяги, обратно пропорциональную степени двухконтурности, которая составляет 0 < BPR < примерно 2.
3. Турбовентиляторы. То же, что и выше, назван в честь большой видимой веерообразной первой ступени. Эти двигатели имеют высокую двухконтурность турбины, 5 < BPR < 15 и постоянно увеличивается.
4. Турбовинтовые. Основным источником тяги является гребной винт, у которого лопасти длиннее и меньше, чем у вентилятора, что снижает потери на лобовое сопротивление. Турбина приводит в движение компрессор и воздушный винт, некоторый поток выхлопных газов все еще используется для создания тяги - согласно разделу 4.3.5 Торенбека, около 5-10% тяги создается выхлопом. BPR воздуха через пропеллер/воздух через двигатель составляет примерно до 50.
5. Турбовальный. Основным источником тяги является винт вертолета или другое устройство, требующее крутящего момента, например электрический генератор в ВСУ. Вся полезная мощность турбины передается на приводной вал, практической тяги от выхлопного потока нет.

Пять типов постепенно используют обходной воздушный поток для создания тяги. Увеличение перепускного воздуха позволяет разгонять большую массу воздуха с меньшей скоростью, создавая необходимую тягу с более высокой эффективностью. Но объем обходного воздуха обратно пропорционален воздушной скорости: чем быстрее самолет, тем меньше объем обходного воздуха, который можно использовать. На сверхзвуковых скоростях перепуск воздуха очень проблематичен для создания тяги.

На картинке ниже показан двигатель Olympus, используемый для приведения в движение Concorde, чистый турбореактивный двигатель с 2 осями и 7 ступенями компрессора на каждой оси.

Изображенный ниже GE CF6 с BPR около 5 использовался для B747, A300 и DC10 и представляет собой турбовентиляторный двигатель: первая ступень компрессора выступает над остальными ступенями и обходит большую часть притока воздуха за пределы основного ТРД. . Этот перепускной воздух является основным отличием ТРД от ТРДД. Визуально большой вентилятор, конечно, очень различим.

В ТРД весь воздух проходит через собственно двигатель, через камеру сгорания и все ступени лопаток компрессора и дожигающей турбины.

В турбовентиляторе часть воздуха прогоняется вентилятором вокруг остальной части двигателя . Это " обход ". Как отмечает Харпер, он принципиально не отличается от турбовинтового двигателя или получения другой механической работы от газотурбинного двигателя за счет того, что выхлоп выполняет больше работы по вращению вала.

ТРДД с низким и высоким байпасом зависит от того, сколько воздуха проходит вокруг камеры сгорания.

В турбовентиляторном двигателе с высокой степенью двухконтурности почти вся тяга исходит от вентилятора, а турбовалы получают почти всю работу от выхлопных газов струи для питания вентилятора. Тяга от выходящих сзади горячих продуктов горения незначительна.

В ТРДД с малой степенью двухконтурности значительная часть тяги по-прежнему исходит от реактивной части, поэтому он находится где-то между чистым ТРД и современным ТРДД с высокой степенью двухконтурности. Лучше для более высоких скоростей и более быстрого отклика дроссельной заслонки без огромного вентилятора.

По словам @J, в сверхзвуковом истребителе Gripen используется ТРДД с очень малой двухконтурностью, например 0,3: 1, в качестве « настройки эффективности » ... Технически это ТРДД, но по производительности он очень близок к турбореактивному , просто более экономичный. на более низких скоростях и тягах. В F-16 используется ТРДД с двухконтурностью 0,71:1 . Эти двигатели могут использовать форсажную камеру, чтобы еще больше увеличить реактивную часть своей тяги.

Ранние реактивные истребители часто использовали чисто турбореактивные двигатели, но F-14, F-15, F-16 и другие истребители тех эпох и новее используют ТРДД с очень малой двухконтурностью.

Другие ответы содержат более подробные сведения и сравнения, но помните, что ключевое отличие состоит в том, что у турбореактивного двигателя нулевой байпас.

Я знаю, что у них обоих есть поклонник

Нет, как указывают комментарии к вопросу, у турбореактивного двигателя нет вентилятора .

Совершенно разные философии дизайна

Оба они газотурбинные, и на этом сходство заканчивается.

В турбореактивном двигателе блок компрессор-горелка-турбина оптимизирован для создания тяги .

Турбовентиляторный двигатель представляет собой тип турбовального двигателя . В них используется ядро ​​​​компрессор-горелка-турбина, но используется вторичный набор лопаток турбины для преобразования ее тяги во вращение вала . Обычно это отдельный вал, который вращается со своей скоростью. Вращение вала используется в огромном количестве приложений, в основном для замены поршневых двигателей:

• Спиновые генераторы на силовых установках (или авиационных ВСУ!)
• Поверните винты вертолета
• Приводные насосы
• Привод корабельных винтов (водных движителей)
• Вращение воздушных винтов (пропеллеры самолетов; это называется турбовинтовым двигателем )
• Спиновые пропеллеры
• Вращайте гигантский канальный вентилятор огромных размеров. Это называется "турбовентиляторный" двигатель, и это то, о чем вы спрашиваете.

Но на самом деле это одно и то же: двигатель с турбонаддувом, вращающий своего рода генератор тяги. (в топовом случае электронная тяга, но не будем придираться).

Тот факт, что вращение вала происходит от компрессорно-горелочно-турбинного двигателя, является простым совпадением. Было бы вполне возможно, чтобы дизельный двигатель вращал канальный вентилятор, если бы вы могли получить дизельный компактный и достаточно мощный.

Возьми? Канальный вентилятор может иметь внешнее сходство с воздухозаборником турбореактивного двигателя, но он просто используется, потому что это лучший «винт/вентилятор» для работы. Если бы турбовинтовые двигатели или настоящие винтовые вентиляторы были более эффективными, их бы использовали вместо них.

Конечно, вторую ступень турбины можно намеренно сделать менее эффективной , чтобы она не могла преобразовать всю тягу во вращение вала. В этом случае некоторая тяга все равно будет иметь место в турбореактивном режиме . На самом деле это «ручка», которую может повернуть конструктор двигателя. В вертолетах они привязывают его полностью к «валу», и вы видите, где многие вертолеты изгибают выхлоп турбины под углом 60 градусов. Стационарный генератор также не имеет никакой пользы для тяги, кроме как заставить выхлопной шлейф двигаться. Для большинства гражданских ТРДФ это несущественно; реверсоры тяги даже не реверсируют реактивную тягу , а только реверсируют тягу вентилятора.

Прочитав все ответы, я почувствовал, что ни один из них на самом деле не объяснил ответ так, чтобы он был понятен непрофессионалу, поэтому я попытаюсь это сделать.

Во-первых, оба типа двигателей будут сжигать топливо для выработки энергии, которая в конечном итоге используется для ускорения потока воздуха по направлению к задней части самолета для создания тяги. Они различаются по способу ускорения этого потока воздуха. Третий закон Ньютона (грубо) гласит, что на каждое действие есть равное и противоположное противодействие, т. е. если двигатель толкает воздух назад, двигатель (и самолет, к которому он прикреплен) должен ускоряться вперед. Вот что подразумевается под словом тяга. Обратите также внимание, что для горения топлива необходим окислитель, а кислород поступает из воздуха.

ТРДД

Турбовентилятор похож на классический и интуитивный пропеллерный двигатель. Лопасти вентилятора толкают воздух так же, как вентилятор в вашем доме, а корпус двигателя направляет этот воздушный поток назад. Некоторое количество воздуха также должно поступать в сердечник двигателя, чтобы окислять топливо и генерировать энергию, приводящую в движение гребной вал, но большая его часть проходит вокруг сердечника и выходит сзади. По сути, лопасти вентилятора «отталкивают» воздух, как вы могли бы оттолкнуться от стенки бассейна, чтобы ускорить свое тело в воде (или, лучше, так же, как гребля в воде толкает вас вперед, толкая воду). назад). Обратите внимание, что выхлоп двигателя здесь не играет прямой роли в создании тяги, тяга исходит от больших лопастей вентилятора, толкающих воздух назад.

В качестве аналогии рассмотрим автомобиль: топливо сгорает в двигателе, смешивая его с кислородом воздуха (часто с использованием турбонагнетателя, который сжимает воздух для более быстрого сжигания топлива, что также используется в турбовентиляторном двигателе); сжигание топлива толкает поршни, которые затем вращают приводной (гребной) вал; приводной (гребной) вал затем вращает колеса (лопасти вентилятора), которые отталкиваются от дорожного покрытия (воздух вокруг лопастей вентилятора), чтобы толкать автомобиль (самолет) вперед. Еще раз обратите внимание, что выхлоп вашего автомобиля не играет прямой роли в движении автомобиля вперед, это просто побочный продукт сжигания топлива.

Турбореактивный

С другой стороны, турбореактивный двигатель, как следует из его названия, является реактивным двигателем. Он направляет весь воздух в ядро ​​​​двигателя, смешивает его с топливом и сжимает его для достижения высоких температур и большого градиента давления, быстро ускоряя воздух и выбрасывая его сзади, как ракету. Физика сродни тому, чтобы накрыть большим пальцем конец садового шланга, чтобы увеличить скорость струи воды. Однако в этом случае вы также смешиваете его с топливом, чтобы повысить его температуру и еще больше увеличить скорость. Затем тяга создается путем выброса высокотемпературного высокоскоростного выхлопа двигателя назад, что похоже на то, как работает ракета. Разница в том, что турбореактивный двигатель использует в качестве окислителя сжатый воздух, а ракета должна нести свой собственный окислитель (поскольку в космосе воздуха нет!). Обратите внимание, что у двигателя все еще есть лопасти вентилятора, которые необходимы для отталкивания воздуха и его сжатия. Сравните это с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, который работает по тому же принципу, но работает только на чрезвычайно высокой скорости, когда одного давления входящего воздуха достаточно, чтобы двигатель работал без помощи вентиляторов. В любом случае слово «реактивный» подразумевает, что тяга создается потоком высокоскоростного выхлопа, направленного из задней части двигателя, т. е. выхлоп играет основную роль того, что выбрасывается для создания тяги.

Если непонятно, приставка «турбо» относится к степени сжатия. Сжатый воздух имеет более высокую плотность кислорода и сжигает топливо быстрее и полнее, чем несжатый воздух. На большой высоте сжатие необходимо, так как плотность воздуха там очень низкая.

А именно

Еще одно сжатое объяснение всего вышесказанного с использованием аналогии двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором. В двигателе внутреннего сгорания турбонагнетатель сжимает воздух, который затем смешивается с топливом и впрыскивается в камеру сгорания. Поршень еще больше сжимает смесь, после чего она воспламеняется. Воспламенение топлива заставляет газ быстро нагреваться и расширяться, и это давление используется для толкания поршня назад, который вращает коленчатый вал и тем самым вращает колесо.

Теперь о ТРДД и ТРД. Оба двигателя имеют сердечник, который сжимает поступающий воздух, смешивает его с топливом и сжигает его. Разница в том, что турбовентиляторный двигатель использует возникающее давление расширяющегося газа для вращения коленчатого вала, который вращает большие лопасти вентилятора для создания тяги. Турбореактивный двигатель вместо того, чтобы использовать давление для вращения коленчатого вала, просто позволяет ему выйти из задней части двигателя, тем самым создавая прямую тягу.

Надеюсь, это прояснит некоторые другие ответы.

Горящая турбина состоит из ступени компрессора, ступени горения и ступени газовой турбины. Ступени как компрессора, так и турбины состоят из наборов лопаток статора и ротора, а роторы соединены валом, поэтому часть работы, производимой турбиной, может использоваться для сжатия всасываемого воздуха. На выходе из ступени турбины образуется высокоскоростная струя смеси горячего воздуха и продуктов сгорания топлива (что приводит к тяге выхлопных газов) и вращающийся вал (несущий крутящий момент). Все газотурбинные двигатели имеют эту базу.

Различия между двигателями заключаются в их оптимизации и, следовательно, в конструкции. Турбореактивные двигатели оптимизированы для максимальной тяги выхлопных газов и минимального крутящего момента , что обеспечивает оптимальную работу двигателя.

Турбовинтовой , турбовентиляторный и другие турбодвигатели оптимизированы для создания максимального крутящего момента на валу, и тяга выхлопных газов здесь представляет меньший интерес . Затем винт создает основную тягу всего двигателя. Двигатели с турбовентилятором можно считать усовершенствованными винтовыми двигателями, поскольку они оптимизируют воздушный поток через байпас, что приводит к меньшим потерям, вызванным выходом воздуха из поперечного сечения гребного винта. А пропеллер называется вентилятором, потому что нам нужно различать конструкции, верно?

• Турбореактивный двигатель - узкий, длинный, оптимизированный для реактивной тяги. Используется в основном в истребителях и устанавливается внутри корпуса.
• Турбовентилятор - широкий, короткий, оптимизированный для тяги , создаваемой винтом. Используется в авиалайнерах и бомбардировщиках. Установлен на крыле или установлен вне корпуса.

Как вы можете видеть на изображениях Kyovis, глядя на переднюю часть двигателя, вы видите на турбореактивном двигателе лопатки первой ступени компрессора. На двигателе турбовентилятора вы можете увидеть лопасти пропеллера - здесь они называются вентилятором - лопасти компрессора намного меньше и спрятаны за большим пропеллером.

Другими словами, двигатели состоят из лопаток, вала(ов) и кожухов (без учета подачи топлива и контроллеров). Лопасти:

• лопатки ротора компрессора – их назначение – сжимать поступающий воздух до давления и температуры, оптимальных для сгорания,
• лопатки статора компрессора - их назначение оптимизировать поток воздуха через компрессор, повышая его эффективность,
• лопатки ротора турбины - их назначение - преобразование тепловой энергии выхлопных газов в механическую работу в виде крутящего момента на валу,
• лопатки статора турбины — их назначение — оптимизировать поток воздуха через турбину,
• лопасти гребного винта - их назначение - преобразование крутящего момента с вала в тягу. Присутствует только на турбовинтовых двигателях ,
• лопасти вентилятора - такие же, как лопасти пропеллера, но заключенные в перепускной канал. Присутствует только на турбовентиляторных двигателях .

Я сделаю это очень просто

Турбовентиляторные двигатели имеют сердечник и перепускной канал. 83% тяги создается перепускным воздухом, тогда как остальные 17% создаются активной зоной. Байпасный воздух — это просто холодный воздух, который выбрасывается назад огромными вентиляторами в передней части двигателя. Остальной воздух поступает в активную зону, где проходит через компрессоры, камеру сгорания и выходит из выхлопа с высокой скоростью, создающей тягу.

Турбореактивный двигатель - это, по сути, турбовентиляторный двигатель без перепускного канала . Единственным источником тяги является ядро. Вот и все! Я предоставлю вам 2 изображения ниже, чтобы вы могли лучше понять.

Стопроцентные вентиляторы, как и большинство больших пассажирских транспортных средств, превращают как можно больше тепла в механическую энергию, чтобы вращать вентилятор, толкающий самолет. Самый низкий уровень шума лучшее преобразование энергии. Турбореактивные двигатели преобразуют тепло в выхлопные газы под высоким давлением, создавая реактивную тягу, как ракета, позволяющую истребителям преодолевать звуковой барьер. Не очень хорошая тепловая эффективность и очень шумная. В конце 1960-х годов двигатели начали пропускать часть всасываемого воздуха мимо энергопроизводящей части двигателя для смешивания с горячим газом в выхлопной трубе, поступающим от основного генератора энергии, чтобы создать расширение охладителя за счет проходящего воздуха и, следовательно, повысить тепловую эффективность. Так что это действительно 3 типа реактивного двигателя. Горячее высокое давление для чистой сверхзвуковой тяги легкого веса. (изменение давления 20:1), высокая байпасная струя для некоторой реакции, но с эффективной опцией cruze (8: 1) перепад давления = практически все современные многоцелевые боевые самолеты. Полное механическое преобразование (изменение давления 1,75: 1) = практически все современные пассажирские самолеты.

ТРД развивает наибольшую тягу в выхлопном сопле.

ТРДД развивает большую часть тяги в вентиляторе.

Ни один двигатель не развивает всю тягу в выхлопе или в вентиляторе. Существует баланс между двумя компонентами

Исключение составляет турбовал, где турбина поглощает всю мощность выхлопных газов для привода вала. Турбовинтовой двигатель самолета и вертолета не создает тяги в выхлопе. Двигатели с турбовальным валом также используются в наземных приложениях (силовые приводы) и военно-морских приложениях для военных из-за их огромной удельной мощности (отношение мощности к весу).

Примечание: название «турбовал» относится к двигателю, поскольку указывает мощность на валу. Название турбовинтовой относится к турбовальному двигателю и гребному винту в сборе.