Was verhindert Düsentriebwerkkonstruktionen mit größeren Nebenstromverhältnissen?

In der kommerziellen Luftfahrt scheinen Strahltriebwerke zu wachsen und das Bypass-Verhältnis mit neueren Triebwerken zuzunehmen. Hier einige Beispiele:

Das Bypass-Verhältnis hat sich in 30 Jahren (1970 -> 2015) mit fast 2 multipliziert. Ich verstehe die Notwendigkeit eines wirklich hohen Bypass-Verhältnisses, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und gleichzeitig den Schub zu erhöhen. Um ein großes Bypass-Verhältnis zu haben, muss der Hochdruckteil des Motors im Vergleich zur Gesamtgröße des Motors klein sein.

  • Was hindert den Konstrukteur von Strahltriebwerken daran, kleinere Hochdruckteile oder größere Strahltriebwerke zu konstruieren, um das Bypass-Verhältnis zu erhöhen?
  • Gibt es jemanden, der eine Vorhersage über das zunehmende Bypass-Verhältnis in den nächsten Jahrzehnten gemacht und in einem seriösen Artikel geschrieben hat?
Vergessen Sie bei keiner der Antworten die Bodenfreiheit
Es geht nicht nur darum, den Schub zu erhöhen, sondern auch um die Kraftstoffeffizienz.
Ich möchte dieser Liste einen weiteren Datenpunkt hinzufügen - 1955: Nebenstromverhältnis: 0,25 ( Rolls-Royce Conway ).

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Bei Konstruktionen mit zwei Spulen ohne Getriebe können die Bypass-Verhältnisse nicht weiter erhöht werden. Da der Lüfter mit der Turbine mit niedriger Drehzahl gekoppelt ist, würde eine Erhöhung die Turbine überlasten. Nur wenn der Motor mit einer höheren Kerntemperatur betrieben wird, kann die Leistung der langsam laufenden Turbine gesteigert werden. Dies würde entweder bessere Materialien (die nicht verfügbar sind) oder kürzere Zeiten zwischen den Überholungen (die kostspielig sind) erfordern.

Beachten Sie, dass die Motoren der Rolls-Royce Trent- Familie die größten Bypass-Verhältnisse haben. Rolls-Royce entschied sich für Drei-Spulen-Designs, die eine feinere Einstellung der Geschwindigkeit der verschiedenen Motorkomponenten ermöglichen.

Wenn ein Untersetzungsgetriebe zwischen Fan und Turbine platziert wird, kann sogar eine Konstruktion mit zwei Spulen einen größeren Fan unterstützen, und diese Lösung wird in der nächsten Generation von P&W - Triebwerken verwendet. Kleinere Motoren wie der ALF 502 , der in der BAe 146 rsp. Avro RJ hat dies bereits vor Jahren genutzt, um einen Lüfter an einen Single-Spool-Motor zu montieren. Für größere Motoren war es bisher zu schwierig, die enorme Leistung in einem kompakten Getriebe zu übertragen. Allein die vom Getriebe eines 200-kN-Schubklasse-Motors mit einem Wirkungsgrad von 98 % erzeugte Wärme würde fast 400 kW betragen - das muss irgendwie abgeführt werden!

Ein weiteres Problem bleibt jedoch bestehen. Größere Lüfter benötigen größere Gondeln, und ihr Luftwiderstand steigt mit dem Quadrat der Vergrößerung des Lüfterdurchmessers. Eine weitere Erhöhung des Bypass-Verhältnisses eines High-Bypass-Triebwerks führt zu sinkenden Erträgen, die tendenziell durch den erhöhten Gondelwiderstand kompensiert werden, sobald das Bypass-Verhältnis über 12 bis 15 anwächst. Um größere Bypass-Verhältnisse wirtschaftlich zu machen, wird eine aktive Laminarisierung an der Gondel erforderlich sein erforderlich.

Erreichen wir schon eine Asymptote? Oder glauben Sie, dass wir im nächsten Jahrzehnt Bypass-Verhältnisse von über 15 sehen werden?
Wie (mit welcher Formel oder Annahme) haben Sie "200 kN Schub" in Watt übersetzt?
@ChrisW: Gute Frage: Ich bin davon ausgegangen, dass der Motor bei Mach 0,8 halb so viel Schub hat wie statisch (100 kN), davon ausgegangen, dass 80% davon vom Lüfter stammen (80 kN) und dies mit der Geschwindigkeit (240 m / s) multipliziert haben ). Ergibt 19,2 MW, und 2 % davon sind 384 kW. Ich würde gerne selbst wissen, ob das stimmt, aber ich habe schon öfter gehört, dass solche Werte für Lüftergetriebe kolportiert wurden.
@RoboKaren: Ich erwarte nicht 15 im nächsten Jahrzehnt. Eine aktive Laminarisierung wäre erforderlich, und die Fortschritte dort sind langsam. Irgendwann wären 15 denkbar, aber vielleicht in 20 oder 30 Jahren. Wer weiß – Vorhersagen sind schwierig, besonders solche über die Zukunft.
Das Googeln von „aktive Laminarisierung“ führt mich nur zu schick aussehenden wissenschaftlichen Arbeiten. Gibt es eine einfache Möglichkeit, die aktive Laminarisierung oder ihre Auswirkungen zu beschreiben?
@raptortech97: Du saugst die langsameren Teile der Grenzschicht durch kleine Schlitze oder Lochreihen weg. Einmal ist nicht genug, Sie machen im Grunde ein Sieb aus der Haut, die laminar gehalten werden sollte. Wäre eine gute Frage zu StackExchange!
Bis auf deinen ersten Satz stimme ich allem zu, es sei denn, du meinst das nur auf den Stand der Technik bezogen. Es ist eine ziemlich große Aussage zu sagen, dass es unmöglich ist, dass Zwei-Spulen-Motoren ohne Getriebe höhere Bypass-Verhältnisse erreichen.
@fooot: Ich habe diesen Satz im Rest des Absatzes qualifiziert, und das läuft auf "mit aktueller Technologie" hinaus. Sie könnten vorhandene Motoren mit einem größeren Lüfter versehen, aber das wäre insgesamt keine Verbesserung.

Die einzige Möglichkeit, das Bypass-Verhältnis zu erhöhen, besteht darin, die Hochdruckturbine zu beschleunigen und eine Energieverschlechterung zu vermeiden. Um die Hochdruckturbine zu beschleunigen, benötigen Sie einen höheren höheren Druck und eine höhere Temperatur. So funktioniert ein Strahltriebwerk: Stellen Sie sich vor: die Luft hat diese Werte (diese Werte sind völlig willkürlich) 1, 15, 200 (Druck, Temperatur, Geschwindigkeit), das Strahltriebwerk Erhöhen Sie den Druck im Kompressor (10, 5, 10) danach Dies passiert die Strömung in der Brennkammer (10, 300, 10) mit der Turbine, Sie wandeln Temperatur und Druck in Geschwindigkeit um (1, 20, 2000) und Sie nehmen etwas Energie auf, um den Lüfter zu drehen. Der Lüfter erhöht die Luftgeschwindigkeit.

Sie können also die Temperatur erhöhen, aber alle Teile sind aus Metall. Deshalb entwickeln die Hersteller spezielle Legierungen und verwenden Keramikfolien.

Der andere Gedanke ist, Lecks zu vermeiden, der Hersteller entwickelt ein neues abreibbares Material, um Drucklecks zu vermeiden. Die Technologie wagt sich an die Reduzierung mechanischer Leckagen während der Energieübertragung auf das Lüfterblatt. Die neuen Flügelprofile (Lüfterflügel sind verdreht) reduzieren den Energieverlust aufgrund von Reibung und verhindern einen Strömungsabriss.

Im nächsten Jahr werden wir einen neuen Motor mit offenem Rotor und sicherlich neue temperaturbeständige Materialien sehen, wodurch das Nebenstromverhältnis steigen wird (die Prognosen sind 30 oder 40).

Für offenen Rotor und Bypass-Verhältnis siehe hier (sorry, ich habe keine englische Quelle)

Ich bin nicht so zuversichtlich wie Sie für den Openrotor. Es gibt ein Geräuschproblem, das leicht gelöst werden kann, indem der Lüfter in den Motor eingebaut wird. Für mich scheint es die Nachteile von Turboprop und Strahltriebwerk zu kombinieren, ohne Vorteile zu kombinieren.
Ja, der offene Rotor ist derzeit wegen Lärm nicht im Verkauf, aber große Unternehmen wie Boeing arbeiten daran, also glaube ich, dass dies bald richtig funktionieren wird!
Was verhindert Düsentriebwerkkonstruktionen mit größeren Nebenstromverhältnissen?
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