Könnten Turbinen- oder Kompressorstufen eines Strahltriebwerks abgeschaltet werden, um die Treibstoffeffizienz zu verbessern?

Sie können eine Stufe eines Turbinentriebwerks nicht "abschalten".

Wie an anderer Stelle zu sehen ist, sind Strahltriebwerke ein einziger Block, der mechanisch miteinander verbunden ist: Alle Stufen (Kompressor UND Turbine) sind mit derselben Welle verbunden. Dreht sich die Welle, drehen sich alle angeschlossenen Stufen mit.

Sie können Konstruktionen mit mehreren Wellen haben, aber dies erhöht die Komplexität (Konstruktion und Wartung) erheblich.

Selbst wenn wir für einen Moment davon ausgehen, dass Sie 1 Schacht pro Stufe haben könnten, wäre es im Allgemeinen eine schlechte Idee, einen davon zu stoppen. Aus akustischen Gründen müssen die Anzahl der Blätter auf dem stationären Teil der Bühne und die auf dem rotierenden Teil zueinander prim sein (Beispiel: 37 Blätter auf der stationären Seite und 39 auf dem rotierenden); Dies bedeutet, dass Sie beim Stoppen des rotierenden Teils nicht alle Schaufeln mit den stationären ausrichten können, was zu Luftwiderstand und Verlusten innerhalb des Motors führt und somit den Wirkungsgrad verringert .

Wie würde sich die Effizienz eines Düsentriebwerks ändern, wenn wir für eine Sekunde davon ausgehen, dass es möglich ist, einige Stufen anzuhalten (sie in frei statt gesperrt zu verwandeln)?

Sie würden immer noch den Wirkungsgrad verringern: Kompressorstufen ziehen das Flugzeug tatsächlich vorwärts (Sie würden dann weniger Schub erzeugen *) und die Turbinenstufen sind diejenigen, die Energie aus dem Auspuff gewinnen.

*: Sie könnten sogar riskieren, dass die Flamme stromaufwärts geht, wenn Sie zu viele Kompressorstufen stoppen und nicht genug Druck am Brennkammereinlass haben.

Kann es getan werden?

Ja

Wurde es gemacht?

Ja

Warte was?! Wo was wie?

Der Pratt and Whitney J58 wurde entwickelt, um eine teilweise Abschaltung des Kompressors zu ermöglichen. Dies geschieht, indem ein markanter Spike vor der Kompressorbaugruppe platziert wird.

Der für den J58 charakteristische Übergang zum Staustrahltriebwerk bestand jedoch darin, eine Überhitzung der Turbine während des Überschallflugs zu vermeiden, bei dem die erhöhte Einlassgeschwindigkeit zu einer zusätzlichen Erwärmung der Luft führte.

Dies erhöht jedoch überhaupt nicht die Effizienz des Strahltriebwerks.

Insgesamt wollen Sie eigentlich so viele Stufen wie möglich für den Unterschallflug. Dies liegt daran, dass mehrere Stufen es dem Gas ermöglichen, adiabatischer zu komprimieren/expandieren, was zu einer besseren Carnot-Effizienz führt.

Kurze Antwort: Nein.

Längere Antwort: Strahltriebwerke sind mit mehreren Verdichter- und Turbinenscheiben konstruiert, die mechanisch an einer einzigen Welle befestigt sind, die als Spule bezeichnet wird. Normalerweise befinden sich 2 (oder manchmal 3) dieser Spulen im Motor, da der Hochdruckkompressor und der Hauptansauglüfter mit unterschiedlichen Drehzahlen drehen müssen. Jede Spule dreht sich frei und wird von der Druckluft im Triebwerkskern angetrieben, die durch die an dieser Spule angebrachten Turbinenstufen gedrückt wird.

Diagramm eines Turbofan-Strahltriebwerks

Quelle: Wikipedia

Es gibt keine Möglichkeit, eine bestimmte Spule "abzuschalten". Solange der Druck im Triebwerkskern höher ist als der Druck hinter der Düse, drehen sich die Turbinen und treiben die Spule an. Wenn Sie entweder eine der Turbinenstufen oder eine der Kompressorstufen von einer Spule lösen, sodass sie „frei läuft“, werden die Turbinenscheiben aufgrund der verringerten Last wahrscheinlich überdrehen. Außerdem würde eine nicht angetriebene Verdichterstufe einen Verdichterabriss erfahren , der im Wesentlichen ein aerodynamischer Abriss der Schaufeln der Verdichterstufe ist.

Schließlich ist dies aus mehreren Gründen völlig unnötig:

Abgesehen von den Problemen, die es verursachen würde, wäre erstens nichts davon zu gewinnen, eine Kompressorstufe abzuschalten. Wie Andy in einem Kommentar richtig erwähnte, haben Düsentriebwerke im Gegensatz zu Kolbentriebwerken keinen konstanten Kraftstoffverbrauch pro Umdrehung. Wenn ein Strahltriebwerk weniger Leistung erbringen muss, kann es einfach weniger Treibstoff in den Brennraum einspritzen. Wenn der Druck in der Brennkammer abfällt, drehen sich die Spulen entsprechend von selbst (aufgrund des geringeren Drucks, der die Turbinenstufen antreibt).

Zweitens sind die Leistungsprofile des Düsenflugzeugbetriebs nicht mit denen eines Autos vergleichbar. Bei einem Auto wird eine hohe Motorleistung normalerweise nur in kurzen Schüben zum Beschleunigen verwendet, und beim Cruisen wird ein kleiner Bruchteil dieser Menge an Leistung verbraucht. Andererseits werden in einem Düsenflugzeug die Triebwerke während des größten Teils des Fluges mit einem ziemlich hohen Prozentsatz ihrer maximalen Drehzahl betrieben. Dies liegt daran, dass sie durch zusätzliche Leistung höher fliegen können, was die Effizienz tatsächlich erhöht. Siehe die Antworten auf die vorherige Frage. Wie weit kann eine 777 mit nur einem Triebwerk in der Höhe fliegen? Im Gegensatz zu einem Auto verringert die deutliche Reduzierung der Leistung während des Reiseflugs tatsächlich die Treibstoffeffizienz eines Verkehrsflugzeugs.

Wenn Sie die Idee des „Abschaltens“ etwas erweitern, ist dies bereits auf verschiedene Arten geschehen.

Überwachungsflugzeuge können so konstruiert sein, dass sie über ihrem Zielgebiet herumlungern, wobei einige Triebwerke vollständig abgeschaltet sind. Dabei geht es nicht nur um das Abschalten der Motoren – wenn Sie beispielsweise mehrere Stunden in großer Höhe bei Temperaturen unter -50 ° C herumlungern, benötigen Sie wahrscheinlich spezielle Systeme, um das Öl in den abgeschalteten Motoren zu erwärmen. um Schäden zu vermeiden, wenn Sie sie neu starten.

Viele Strahltriebwerke enthalten variable Leitschaufeln in den Kompressoren, die automatisch angepasst werden, um die Effizienz unter verschiedenen Arbeitsbedingungen zu verbessern.

Bei Mehrwellenmotoren ändern sich die relativen Drehzahlen der verschiedenen Wellen in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen. Das ist effizienter, als alle Kompressor- und Turbinenstufen zu zwingen, auf einer einzigen Welle mit der gleichen Drehzahl zu laufen. In einem Mehrwellen-Turbofan ändert sich auch das Bypass-Verhältnis (dh der Anteil der Luft, der im Kerntriebwerk komprimiert und zur Verbrennung verwendet wird, anstatt nur vom Fan geblasen zu werden, um Schub zu erzeugen).

Die Kraftstoffeffizienz wird nicht verbessert, indem Stufen eines Kompressors oder einer Turbine abgeschaltet werden. Die Kraftstoffeffizienz ist eine Funktion des Gesamtdruckverhältnisses, reduzieren Sie dieses und die Effizienz wird reduziert.