Warum haben große Turbofans im Allgemeinen viel mehr LP-Turbinenstufen als HP-Turbinenstufen?

Weil die LP-Turbine Strom für den Lüfter entnimmt, der die meiste Energie benötigt. Die HP- und IP-Turbine entziehen nur Strom für ihre angeschlossenen Kompressoren – die LP-Turbine entnimmt Strom für den Lüfter und den LP-Kompressor. Der Lüfter arbeitet mit dem gesamten Luftstrom durch den Motor, die Kompressoren nur mit einem Bruchteil (10:1 für einen hohen Bypass wie beim Trent 1000). Der Lüfter erzeugt bis zu 75 % des Schubs des Triebwerks.

Aus dieser Präsentation : der Querschnitt des Trent 1000. Er zeigt, dass die LP-, IP- und HP-Rotoren unterschiedliche Drehzahlen haben, listet sie aber nicht auf. Eine andere (ältere) Präsentation listet sie als 3600, 6800 und 10200 RPM auf. Die Rotationsgeschwindigkeit sinkt, wenn das Volumen des Massenstroms zunimmt.

Ein altes Lehrbuch von mir gibt die aus einer Turbinenstufe entnommene Leistung P an als:

mit

• $\dot{m}$= Massenstrom [kg/s]
• u = tangentiale Schaufelgeschwindigkeit [m/s]
• v$_{ax}$= axiale Gasgeschwindigkeit [m/s]
• $\alpha_2$und$\alpha_3$Winkel gemäß der Abbildung unten.

Die Tangentialgeschwindigkeit der Turbinenschaufel geht also in die Leistungsentnahmegleichung ein, die sich aus Rotationsgeschwindigkeit und Schaufelradius zusammensetzt. Je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Leistung kann pro Stufe entnommen werden und desto weniger Stufen sind erforderlich. Warum sinkt dann die Rotationsgeschwindigkeit mit dem Druck? (HP = 10.200; IP = 6.800).

Grund sind die baulichen Grenzen der Turbine. Wenn sich der Gasstrom ausdehnt, werden die Turbinenschaufeln größer und in einem größeren axialen Abstand montiert, was zu größeren Zentrifugalkräften führt, die proportional zu Schaufelmasse, Drehzahl und Abstand von der Achse sind. Um die Zentrifugalkräfte zu begrenzen, wird die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors reduziert: Jede nachfolgende Stufe dreht mit einer niedrigeren Drehzahl. Beachten Sie, dass eine niedrigere Drehzahl kompensiert werden kann, indem die Klinge weiter von der Rotationsachse entfernt montiert wird.

Der Niederdruckrotor eines Motors ohne Getriebe läuft mit der gleichen Drehzahl wie der Lüfter. Seine optimale Drehzahl für die Turbine kann höher sein, und das kann vom Getriebelüfter aufgenommen werden. Wenn das Bypass-Verhältnis höher wird, entzieht die LP-Turbine dem Luftstrom einen höheren Anteil der Gesamtleistung - Turboprops und Turbowellen haben ein Getriebe zwischen der LP-Welle und dem Propeller / Rotor, und der hohe Bypass-Lüfter nähert sich den relativen Abmessungen von ein propeller...

Die Antwort von Daniel Kiracofe ist richtig, ich habe nur ein paar zusätzliche Kommentare und ich habe nicht genug Ansehen, um dies als Kommentar zu seiner Antwort hinzuzufügen.

1. Bei Motoren mit hohem Bypass wird die Drehzahl des Niederdruckrotors aufgrund seines großen Durchmessers normalerweise durch die Spitzendrehzahl des Lüfters begrenzt.

2. Eine der ersten Entscheidungen bei der Wahl zwischen einer Konstruktion mit Getriebe und einer (konventionellen) Konstruktion ohne Getriebe besteht darin, sicherzustellen, dass Sie mindestens so viel Gewicht vom LPT entfernen können, wie Sie mit dem Getriebe hinzufügen. Wenn dies nicht möglich ist, ist das Getriebedesign keine praktikable Option.

Hier ist eine noch interessantere Frage. Schauen Sie sich den P&W-Getriebefan-Querschnitt an (zB diesen Artikel ). Es hat nur drei LPT-Stufen! Wie kommt es also, dass der GTF 3 hat und alle anderen Motoren wie der RR Trent 900 viel mehr haben? (zB ein GE90 hat wie 6 oder 7).

Die Antwort lautet: Ventilatoren sind am besten, wenn sie langsam laufen. LPTs sind am effizientesten, wenn sie schnell laufen. Bei einem Motor wie dem Trent 900 oder GE90 befinden sich der Lüfter und der LPT auf derselben Welle, sodass sie mit derselben Drehzahl laufen müssen. Sie müssen also Kompromisse eingehen. Normalerweise tendiert der Kompromiss zu Gunsten des Ventilators. Da die Welle also mit der Geschwindigkeit läuft, mit der der Lüfter laufen möchte, ist der LPT ineffizient. Das heißt: Jede LPT-Stufe entzieht der Luft nicht viel Energie. Um die benötigte Gesamtleistung herauszuholen, müssen daher viele LPT-Stufen vorhanden sein.

Jetzt gibt es bei einem Getriebefan ein Getriebe zwischen dem Fan und dem LPT. Das bedeutet, dass Lüfter und LPT nicht mit der gleichen Geschwindigkeit laufen müssen. Der Lüfter kann langsam laufen, wie er will, und der LPT kann schnell laufen, wie er will. In diesem Fall ist der LPT viel effizienter und Sie benötigen nur wenige Schritte.

Zusätzlich zu der Antwort von Koyovis, in der die Ausgangsanforderungen der Turbinenstufen erörtert werden, gibt es auch ein Eingangsproblem:

Die HD-Turbinenstufe hat den besten Platz: Sie hat den höchsten Eingangsdruck, sodass Sie nur eine Stufe benötigen, um genug Leistung für den Betrieb des HD-Kompressors zu extrahieren. Die LP-Turbinenstufen werden mit Abgasen betrieben, denen bereits etwas Energie entzogen wurde, sodass niedrigerer Druck -> Stufe weniger effizient ist -> Sie benötigen mehr davon, um die erforderliche Leistung zu erzielen.

Ich mag einige der Antworten hier, aber keine scheint die Frage aus der Sicht der Strömungsmechanik zu beantworten.

Einer der Gründe, warum der Niederdruckbereich mehr Stufen hat, besteht darin, dass Sie eine Strömungstrennung vermeiden möchten, die einen Energieverlust für die Rückführung verursacht, anstatt Schub oder Leistung bereitzustellen. Die Niederdruckregion komprimiert; dies verursacht einen ungünstigen Druckgradienten. Laienhaft ausgedrückt will die Strömung grundsätzlich rückwärts gehen, weil Hochdruck dazu neigt, in Richtung Niederdruck zu fließen.

Die Turbinenschaufeln haben Tragflächenformen und funktionieren insofern genau wie Flugzeugflügel, als der Auftrieb in einer Drehrichtung erzeugt wird, um einen gewünschten Effekt zu erzielen. Wenn Sie daher versuchen, die Strömung zu drastisch zu drehen, ohne den nachteiligen Druckgradienten zu berücksichtigen, erhalten Sie eine Strömungstrennung und einen drastischen Abfall Ihres Verdichtungsverhältnisses sowie einen Abfall des Wirkungsgrads für alle anderen Turbinenteile.

Konstrukteure von Turbomaschinen möchten die Strömung um einen bestimmten Betrag drehen, aber sie wollen dies nicht mit einer Stufe tun. Also entscheiden sich die Ingenieure dafür, den Fluss in jeder Phase ein wenig zu drehen, und es stellt sich heraus, dass sich das zusätzliche Gewicht von all dem Metall lohnt.

Auf der anderen Seite hat der Hochdruckabschnitt weniger Schaufeln, weil die Strömung wirklich schon einfach weg möchte, so dass eine Rezirkulation viel unwahrscheinlicher ist. Hier können Sie Abstriche machen und halb so viele Stufen platzieren. Sehen Sie, wie drastisch die Strömungsdrehung an dieser Hochdruckturbinenschaufel hier ist. http://www.technology.matthey.com/wp-content/uploads/articles/39/3/pmr0039-0117-f2.gif

Sehen Sie, wie die Niederdruckblätter fast gerade sind?

https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_separation

Aus zwei bestimmten Gründen.

1. Höhere Leistungsabnahme - LPT-Antrieb LPC und Lüfter zusammen in 2-Spulen- und GTF-Architektur (und nur Lüfter in 3-Spulen-Architektur). In jedem Fall wird der Lüfter allein oder Lüfter + LPC einen erheblichen Teil des gesamten Arbeitsaufwands in Anspruch nehmen. Daher muss durch den LPT eine hohe mechanische Leistung extrahiert werden.
2. Niedrigere Drehzahl: Aber vielleicht ist der wichtigere Faktor außer in GTF, dass die LPT im Vergleich zu den HPT, bei denen sie suboptimal arbeiten, mit sehr niedriger Geschwindigkeit betrieben werden. Dadurch wird der Energieentzug pro Stufe deutlich reduziert. Daher mehr Stufen erforderlich. Wie bereits in einer anderen Antwort erwähnt, benötigt der PW1000G-Motor, da GTF diese Einschränkung aufhebt, nur 3 LPT-Stufen, da sie jetzt bei ~ 10000 U / min statt ~ 3500 U / min für andere Motoren drehen.