Sie haben jahrelang darüber gesprochen, den B-52 mit etwas Modernerem als seinen TF33-P-3 / JT3D-Turbofans zu überarbeiten, die einen ziemlich niedrigen Bypass haben (1,42: 1 für den JT3D).
Moderne Motoren haben einen viel höheren Bypass – wie der GE Passport mit 5,6:1, ähnlich dem CF34 – in der gleichen Gewichtsklasse und Schubkraft wie der TF33. Ein größerer Motor wie der LEAP hat ein noch höheres Nebenstromverhältnis, zB 11:1.
Jetzt hat die B-52 eine veröffentlichte Betriebsobergrenze von 50.000 Fuß. Die 737, A320, Bombardier RJs usw. haben eine Obergrenze von 41.000.
Die KC-135, die mit halbmodernen CFM56-Hochbypass-Turbofans umgerüstet wurden, haben jedoch eine Decke von 50.000 Fuß.
Also bin ich verwirrt. Hat das Bypass-Verhältnis einen Einfluss auf die praktische Obergrenze des Flugzeugs? Könnte die B-52 mit Triebwerken wie dem GE Passport nach aktueller Spezifikation fliegen?
Eine Nebenfrage ... der TF33 behauptet einen spezifischen Kraftstoffverbrauch von 0,56 lb (lbf-h). Ich kann diese Zahl bei den neuesten High-Bypass-Turbofans nicht finden. Ist es für High-Bypass-Turbofans nicht anwendbar? Wenn nicht, gibt es eine praktikable Möglichkeit herauszufinden, was ein moderner Motor mit der Reichweite des B-52 machen würde?
Im Prinzip ja, aber einige Modifikationen sind ratsam.
Was die maximale Betriebshöhe eines Strahltriebwerks begrenzt (neben dem Schub, der zum Aufstieg benötigt wird), ist die Länge der Brennkammer und der absolute Druck der eintretenden Luft. Da der atmosphärische Druck mit der Höhe sinkt und das Verdichtungsverhältnis des Kompressors konstant bleibt , sinkt der absolute Druck in der Brennkammer mit der Höhe.
Damit die Verbrennung stattfinden kann, müssen zunächst die in den Luftstrom eingespritzten Kraftstofftröpfchen verdampfen. Dies wird durch höhere Temperatur und Druck erleichtert, und je niedriger beide sind, desto mehr Verweilzeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches (Achtung, PPT-Link) in der Brennkammer ist für eine gute Verbrennung erforderlich. Längere Brennkammern haben höhere Druckverluste und wiegen mehr, daher versuchen Triebwerkskonstrukteure, ihre Länge zu begrenzen.
Schon das Herunterdrosseln kann in großer Höhe zum Abbruch der Zündung führen. Wenn es zu einem Flammenausfall kommt, kühlt der Motor schnell ab und ein Neustart in geringerer Höhe ist möglicherweise nicht möglich. Turbofans, die für den Betrieb in großen Höhen geeignet sind, verwenden spezielle Maßnahmen, um die Flamme zu stabilisieren . Wenn sie an Ort und Stelle sind, gibt es keinen Grund, warum die B-52 nicht in 50.000 Fuß Höhe weiterfliegen kann.
Wenn wir den Schub T eines Turbofans definieren als
mit:
Wir können sehen, dass der Schub proportional zum Massenstrom ist. In größerer Höhe ist die Luftdichte geringer, sodass der Massenstrom durch das Triebwerk geringer ist, aber solange die Verbrennung aufrechterhalten werden kann, kann das Triebwerk in der Höhe immer noch einen Bruchteil seines Schubs auf Meereshöhe liefern. Dieser Bruchteil muss natürlich ausreichen, um das Flugzeug mit Reisegeschwindigkeit anzutreiben, plus überschüssige Steigleistung, um die Reiseflughöhe zu erreichen, also muss der TO-Schub dafür ausreichend sein. Es geht nur um die Dimensionierung des Motors.
Die Betriebsobergrenze eines Flugzeugs ist eine Funktion der Flügelgeometrie: Flächenbelastung, Seitenverhältnis, Flügelprofil, Verjüngungsverhältnis, Verdrehung. Für ein bestimmtes Flugzeug, das umgerüstet wird, würde sich die Betriebsobergrenze nicht ändern.
Das Bypass-Triebwerk wird von einem Gasgenerator angetrieben, der mit einem Einstrahl-Turbostrahl identisch ist – die höheren Betriebsgrenzen des Bypass-Triebwerks sind dieselben wie bei einem Einstrahl-Turbostrahl.
Obwohl natürlich die Triebwerke wichtig sind, damit ein Flugzeug seine Betriebsgrenze erreichen kann, hat die Wahl der Betriebsgrenze in diesem Fall mehr mit dem Flugzeug als mit den Triebwerken zu tun.
Flugzeuge sind so konzipiert, dass sie wirtschaftlich zu betreiben sind. Höher zu fliegen belastet den Rumpf stärker, um den gleichen Kabinendruck aufrechtzuerhalten. Um den höheren Risiken im Falle einer Dekompression vorzubeugen, können Vorschriften für die Notversorgung mit Sauerstoff höhere Anforderungen an Flugzeuge stellen, die in dieser Höhe fliegen. Peter diskutiert die Probleme bei der Motorkonstruktion für diese Höhen. All diese Kosten sind die Vorteile eines höheren Fluges einfach nicht wert. Siehe auch: Warum sind viele Düsenflugzeuge für den Flug um FL350-370 ausgelegt? , einschließlich einer weiteren guten Antwort von Peter.
Militärflugzeuge sind für unterschiedliche Anforderungen ausgelegt. Sie akkumulieren Flugzyklen nicht annähernd so schnell wie ein Verkehrsflugzeug, wodurch die Belastung des Rumpfes reduziert wird. Im Fall der B-52 werden nur die bemannten Bereiche im vorderen Rumpf unter Druck gesetzt, wodurch die erforderliche Verstärkung reduziert wird. Daher sind die Kosten niedriger, und Militärflugzeuge legen mehr Wert auf Leistung, was den Anreiz für höhere Obergrenzen bietet. Business Jets haben die gleichen Low-Cycle-Hochleistungsanforderungen.
Sie erwähnen CFM56 und GE Passport. Wie Sie anmerken, verwenden die 737 und die A320 das CFM56-Triebwerk und haben niedrigere Decken, während die KC-135R eine Obergrenze von 50.000 Fuß hat. Der GE Passport treibt die Bombardier Global 7000/8000 an, die Dienstgipfelhöhen von 51.000 Fuß haben. Es gibt also keinen Grund, daran zu zweifeln, dass High-Bypass-Turbofans in diesen Höhen funktionieren können.
Der schubspezifische Kraftstoffverbrauch (TSFC) hängt stark von den Bedingungen ab. Es ist verfügbar, wenn Sie einige Zeit mit der Suche verbringen, aber Sie müssen darauf achten, dass Sie die gleichen Bedingungen vergleichen. Diese Seite listet Triebwerke für Militärflugzeuge auf. Der JT3D/TF33 des ursprünglichen KC-135 und des B-52 liegt bei etwa 0,535 lb (lbf-h). Der F108-CF-100 auf dem KC-135R ist bei 0,363 lb (lbf-h) aufgeführt.
Diese Tabelle listet Spezifikationen für kommerzielle Strahltriebwerke auf.