Was liefert den größten Schub in einem High-Bypass-Turbofan-Triebwerk?

Ich habe letztes Semester in meinem Aerothermodynamik-Kurs einen Pratt & Whitney F100-Turbofan analysiert , also gestatten Sie mir, diese Frage zu beantworten. Die kurze Antwort: Die unkomprimierte Luft liefert den größten Teil des Gesamtschubs eines Motors, da die komprimierte Luft den Motor antreibt.

Korrektur : Ich habe vergessen zu erwähnen, dass die Lüfter auch die einströmende Luft komprimieren. Das heißt, die gesamte Luft, die in einen Motor eintritt, wird durch den Lüfter etwas komprimiert. Ein Teil dieser komprimierten Luft tritt in den Kern des Turbostrahltriebwerks ein und der Rest der vom Gebläse komprimierten Luft umgeht den Triebwerkskern. Ich habe dies der Einfachheit halber ignoriert, aber ich hätte es erklären sollen, da Sie direkt nach der Luftkompression in einem Turbofan gefragt haben.

Lange Antwort: siehe unten!

1. Der/die Lüfter

Luft tritt durch einen Lüfter (oder Lüfter im Fall des F100-Motors) in den Motor ein. Dies sind die riesigen Lüfter mit einem sich drehenden Abzeichen in der Mitte, die Sie in einem Motor sehen.

Update: Die sich drehenden Insignien zeigen deutlich, ob sich der Ventilator dreht, damit die Arbeiter nicht verletzt werden.

Der Lüfter bzw. die Lüfter erhöhen den Druck der Luft, die in einen Motor eintritt. Ein Teil dieser komprimierten Luft wird um den Rest des Motors herumgeleitet und direkt aus dem Motor geleitet. Das Bypass-Verhältnis ist ein Maß dafür, wie viel Luft den "Jet"-Kern umgeht (Bypass-Luft/Kernluft).

2. Die Kompressoren

Der Rest dieser Luft wird dann durch eine Kombination aus mehreren Lüftern und einem konvergierenden Kanal komprimiert. Die Daten aus meinem Thermoprojekt sagen mir, dass diese Phase den Druck der Kernluft um mehr als 10.000 % erhöht, aber da bin ich mir nicht so sicher*. Es genügt zu sagen, dass diese Kernluft jetzt viel Energie hat - fügen wir noch etwas hinzu :D

Kurzer Hinweis: Die Druckluft hat jetzt eine unbedeutende Geschwindigkeit relativ zur Bypass-Luft . Die meiste Energie der Druckluft steckt "in" ihrem Druck (ältere SE-Mitglieder, bitte korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege).

3. Die Brennkammer (alias Combustor alias Magic Chamber)

Nun tritt die Kernluft in die Brennkammer ein. Hier tritt die Luft in kleine Kammern ein, vermischt sich mit Kerosin und wird gezündet. Das Diagramm der Hauptteile eines Triebwerks, das ich gepostet habe, lässt den Eindruck entstehen, als wäre die Brennkammer ein großer Teil eines Düsentriebwerks, aber in Wirklichkeit besteht die Brennkammer aus einer Reihe kleinerer Kammern, die die Hauptwelle des Triebwerks umgeben. Hier ist ein gif, das zeigt, was ich meine:

Wie die Brennkammer funktioniert, liegt außerhalb meines Verständnisses, aber bedenken Sie, dass eine Brennkammer im Wesentlichen versucht, eine Kerze mitten in einem Hurrikan am Brennen zu halten. Hervorragende Technik steckt in der Entwicklung besserer und effizienterer (heißer brennender) Kammern.

4. Die Turbine (auch bekannt als magischer Abschnitt)

Jetzt tritt diese heiße und noch energiereichere Luft in den Turbinenabschnitt ein, der aus einem divergierenden (an der Fläche zunehmenden) Kanal und mehr Ventilatoren besteht. Während die Kompresse Energie in die Luft "einbringt", entziehen die Turbinen der Luft Energie. Wenn die Luft in den größeren (volumenmäßig) Turbinenbereich eintritt, dehnt sie sich aus und dreht die Turbinenlüfter, die die Kompressoren und den Lüfter antreiben . Dieses Back Work Ratio (BWR) ist ein Maß dafür, wie viel Turbinenleistung benötigt wird, um die Kompressoren zu drehen.

5. Die Düse

Die noch energiegeladene Kernluft wird noch einmal konzentriert, bevor sie hinten aus dem Triebwerk geschossen wird. Dieser Schub, zusammen mit dem Schub der Bypass-Luft, treibt die Luft nach diesem Modell nach vorne:

$F_{thrust} = \dot{m}_{bypass} \times \Delta v_{bypass} + \dot{m}_{core} \times \Delta v_{core}$

Woher$\dot{m}_{bypass}$ist der Massenstrom der umgeleiteten Luft und$\Delta v_{bypass}$ist die Geschwindigkeitsänderung dieser Luft als Ergebnis des Ventilators.

Und$\dot{m}_{core}$ist der Massenstrom der verbrannten Luft und$\Delta v_{core}$ist die Geschwindigkeitsänderung der Kernluft durch Fan, Verdichter, Brennkammer und Turbine.

Die unkomprimierte Luft trägt etwa 60 % zum Gesamtschub bei. Die "aufbereitete" Luft verliert einen erheblichen Teil ihrer Energie, um den Motor anzutreiben. Die Druckluft liefert jedoch immer noch etwa 40 % des Gesamtschubs . Durch Hinzufügen eines Nachbrenners kann dieser Beitrag auf 50 % erhöht werden. Wie ist das möglich? Tote Algen von vor einer Milliarde Jahren.

Die Kohlenwasserstoffe im Düsentreibstoff packen viel Energie in einen kleinen Raum und eine kleine Masse (zwei völlig unterschiedliche Konzepte). Das Verbrennen dieser Kohlenwasserstoffe setzt viel Energie frei, die den Lüfter, die Kompressoren und die elektrischen Generatoren eines Flugzeugs antreibt, bevor das Flugzeug vorwärts geschoben wird. Diese hohe Energie auf kleinem Raum ist auch der Grund, warum Elektroautos/alles bis zu LiPo-Batterien nicht praktikabel war (Geschichte für einen anderen Artikel).

Ich begrüße Sie dafür, dass Sie bemerkt haben, dass die unkomprimierte Luft zum Schub eines Triebwerks beiträgt. Ich denke, der Begriff "Bypass" verwirrt einige Leute zu der Annahme, dass diese Luft "weggeschmissen" wird. es ist nicht. Die umgeleitete Luft wird tatsächlich durch eine Reihe von Lüftern beschleunigt und verleiht dem Flugzeug Vorwärtsbewegung.

Ich studiere gerade Luft- und Raumfahrttechnik (Whoop!), Daher hat mich meine Aufregung, diese Frage beantworten zu können, eher von Ihrer ursprünglichen Frage abgelenkt, aber ich hoffe, Ihnen gefallen die zusätzlichen Informationen zur Funktionsweise eines Turbofans.

zusätzliche Information

Je heißer eine Brennkammer brennt, desto heißer wird die Kernluft und desto mehr Energie kann sie für den Motorbetrieb bereitstellen. Darüber hinaus verschwenden heißere Kammern weniger Düsentreibstoff und führen zu relativ saubereren und sichereren Dämpfen. Die Erhöhung der maximalen CC-Temperaturen und die Gestaltung des restlichen Triebwerks (dh der Turbinenschaufeln) zur Bewältigung des Temperaturanstiegs ist die Schneide der Triebwerksforschung. Dies ist eines der herausforderndsten und lukrativsten materialwissenschaftlichen/technischen Probleme der Welt, da Effizienz in der heutigen und zukünftigen Luftfahrtindustrie von größter Bedeutung ist.

Hier ist ein netter Artikel, der beschreibt, wie GE, Rolls-Royce und andere Triebwerkshersteller Schub statt Triebwerke verkaufen. Es ist ziemlich lang, also kannst du es bei deinem nächsten Flug lesen :)