Kann der Schub eines Turbofans durch Erhöhen des Bypass-Verhältnisses erhöht werden?

GE verwendete den Kern des F101-Triebwerks als Kern des CFM56 (vermutlich mit einigen Modifikationen). Das Herzstück eines Turbofans besteht aus dem Hochdruckverdichter, der Brennkammer und der Hochdruckturbine. In diesem Fall sprechen wir von einem 9-stufigen HPC und einem einstufigen HPT. Alles andere wurde für den High-Bypass-Turbofan neu entwickelt.

Im Gegensatz zum einfachen Anbringen eines größeren Lüfters auf der Niederdruckwelle ist dies möglich, da die Hochdruckkomponenten und die Niederdruckkomponenten in einem Turbofan relativ unabhängig voneinander sind, dh der Kern des Triebwerks wird nicht zu sehr von der Größe beeinflusst B. des Lüfters, des Bypass-Verhältnisses oder anderer Veränderungen im Niederdruckbereich.

Die neue Niederdruckturbine (4-stufig statt 2-stufig) kann mit einer niedrigeren Drehzahl arbeiten und mehr Abgasenergie vom Motorkern auf den größeren Lüfter übertragen (das aus dem neuen LPT austretende Abgas ist wahrscheinlich kühler und langsamer als das, was aus dem F101 LPT kommt). Der neue Niederdruckverdichter erhöht das Gesamtdruckverhältnis und erhöht damit die Energiemenge, die dem Niederdruckverdichter und dem Lüfter zugeführt wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verbessert wird. Dies ist wahrscheinlich möglich, weil der nicht-überschallbehaftete Betriebsbereich des CFM56 bedeutet, dass die Gesamttemperaturen der Ansaugluft viel niedriger sein werden, so dass die gleiche EGT-Spanne mit einem höheren Druckverhältnis erreicht werden kann. Das heißt, weil die einströmende Luft kühler ist, kann sie weiter verdichtet werden, ohne dass die Hochdruckturbine wegen zu heißer Luft Schaden nimmt.

Der Standschub der CFM56 beträgt 19500 lbf, was etwa 15 % mehr ist als die 17000 lbf der F101 ohne Nachbrenner. Während ein kleiner Teil davon wahrscheinlich ein aerodynamischer Verlust aufgrund der ungenutzten Nachbrennkammer ist, muss der größte Teil davon aus der besseren Nutzung der Energie stammen, die das Triebwerkskernabgas im größeren Fan bietet. Der Unterschied könnte sogar noch größer sein, da der maximale Schub des F101 für eine viel geringere mittlere Zeit zwischen Ladenbesuchen angepasst werden könnte. Ich bin mir da aber nicht sicher.

Dies zeigt, dass der Hauptvorteil des Hochbypass-Niederdruckabschnitts des Triebwerks eine deutlich verbesserte Kraftstoffeffizienz, eine Erhöhung des Standschubs und (viel) niedrigere Geräuschpegel sind. Der F101 hingegen kann mit höheren Geschwindigkeiten arbeiten, erzeugt mehr Schub bei hohen Geschwindigkeiten, ist leichter und hat einen viel kleineren Querschnitt.

(Bearbeitet per Kommentar von footot, danke, dass du die Quelle gefunden hast.)

Der Einbau eines größeren Lüfters beeinflusst den Schub eines Motors in zweierlei Hinsicht:

1. Der Standschub wird erhöht. Statischer Schub ist der Schub, der erzeugt wird, wenn sich der Motor nicht bewegt.
2. Der Schubgradient über der Geschwindigkeit wird negativer, was bedeutet, dass der Schub mit der Geschwindigkeit stärker abnimmt, wenn das Bypass-Verhältnis erhöht wird.

Aber es gibt noch mehr: Die Austrittsgeschwindigkeiten an der Düse werden reduziert, und ein größerer Einlass ist erforderlich, da der größere Lüfter mehr Luft benötigt. Eine Erhöhung des Nebenstromverhältnisses bedeutet, einen Teil der kinetischen Energie der Kernströmung zu nehmen und diese in einen höheren Bläsermassenstrom umzuwandeln.

Betrachten wir die Formel für den Vortriebswirkungsgrad$\eta_p$eines luftatmenden Motors:

$$\eta_p = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty} + \frac{\Delta v}{2}}$$ wo $v_{\infty}$ist die Drehzahl des Motors und $\Delta v$der Drehzahlzunahme des durch den Motor strömenden Gases wird die Drehzahlabhängigkeit deutlich: Wann $v_{\infty}$ist niedrig, ein kleiner $\Delta v$Einwirken auf einen höheren Massenstrom macht den Motor effizienter. Wann $v_{\infty}$hoch ist, verschwindet dieser Effekt jedoch, und jetzt wird der kleinere Motor mit einer kleineren und leichteren Ansaugung attraktiver.

Wenn der Kern des Motors gleich bleibt, bleibt auch der Kraftstoffverbrauch gleich, aber der größere Lüfter erzeugt mehr Schub, insbesondere bei niedriger Drehzahl. Der Kernmassenstrom wird unabhängig von der Ventilatorgröße derselbe sein, und die Brennstoffmenge zum Erhitzen dieses Massenstroms wird sich ebenfalls nicht ändern.

Da der Wirkungsgrad als Schub pro verbrauchter Kraftstoffeinheit definiert ist, erhöht der größere Lüfter auch den Wirkungsgrad.

Das Düsentriebwerk treibt das Flugzeug basierend auf der Bewegung von Luft hinter dem Flugzeug mit einer höheren Geschwindigkeit als das Flugzeug an. Turbofan versucht, eine größere Luftmenge bei niedrigerer Geschwindigkeit zu bewegen, was effizienter ist. Das nennt man Antriebseffizienz.

Dies kann leicht verstanden werden, wenn man darüber nachdenkt, wie man sich auf einem Skateboard fortbewegen kann, wird es effizienter sein, wenn man seine Hände über eine Wand oder über etwas benutzt, das auf dem Boden rutschen kann? Je schwerer das "Ding" ist, desto besser erreicht Ihr Antrieb die Gebäudewand.

Ok, das ist ein gutes Konzept, aber Sie müssen es tun !!! Dazu müssen Sie eine Turbine am Auslass der vorherigen Turbine anschließen, die mechanisch mit dem neuen Lüfter des Motors verbunden ist.

Einfach aber nicht so gut...

• Sie fügen eine neue Kompressorstufe (den Lüfter) vor den vorherigen Stufen hinzu. Sie müssen also sicherstellen, dass alle Ihre Materialien darauf vorbereitet sind.
• Ihre Erschöpfung des Kerns ist möglicherweise nicht richtig auf die neuen Bedingungen vorbereitet.
• Wahrscheinlich ist die äußere Form des vorherigen Motors nicht für eine Sekundärströmung vorbereitet.
• Systeme müssen überprüft werden.

Im Prinzip wird der von Ihnen vorgeschlagene Betrieb mit einigen Modifikationen funktionieren, aber nur wenn wir über kleine Modifikationen sprechen und kein signifikantes Bypass-Verhältnis erreichen, wo Modifikationen die gleichen Kosten wie ein komplett neues Motordesign haben.

Auch sehe ich wirtschaftliche Schwierigkeiten, im aktuellen Kontext gibt es einen erheblichen Wettbewerb um den niedrigsten Verbrauch. Wenn Sie das ausführen, was Sie vorschlagen, haben Sie einen Motor, der dahingehend optimiert ist, dass der Sekundärstrom nicht für den Sekundärstrom angepasst ist und mit Motoren konkurriert, die für das Arbeiten mit dem Sekundärstrom optimiert sind. Der Motor wird im Vergleich zu Wettbewerbern ineffizient sein.

Schließlich werden Sie Gewicht und Schub erhöhen.