Wie erreichen Flugzeugtriebwerkshersteller ein höheres Bypass-Verhältnis und erfüllen gleichzeitig die Schubanforderungen für ein bestimmtes Flugzeug?

Ich verstehe, dass ein höheres Bypass-Verhältnis zu einer höheren Effizienz führt, da weniger Luft durch den Kern strömt und daher weniger Kraftstoff verbrannt wird. Wie wird jedoch die Schubanforderung für dasselbe Flugzeug mit einem neueren Triebwerk erfüllt, das ein höheres Nebenstromverhältnis hat? Da der größte Teil des Massenstroms vom vorderen Lüfter bereitgestellt wird, möchte ich verstehen, welche Änderungen an Turbofan-Triebwerken vorgenommen werden, die die gleiche Schubkraft ermöglichen und gleichzeitig den Luftstrom durch den Kern minimieren.

Läuft Ihre Frage auf "Wie kann bei gleichem Triebwerksschub BPR erhöht werden, ohne den Kraftstoffverbrauch im Kern zu erhöhen"?
Der Kern hat meistens eine feste Größe, aber Sie wachsen den Lüfter. Der schwierige Teil besteht darin, Energie aus dem Gas zu gewinnen, um den Lüfter anzutreiben.

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Frühe Turbojets waren so ineffizient, dass das Hinzufügen eines Lüfters in Betracht gezogen, aber nicht implementiert wurde, da dies die Triebwerke noch träger gemacht und die Betriebsgrenzen noch weiter eingeengt hätte. Wenn Sie den Jumo 004 mit dem EJ200 vergleichen , werden Sie feststellen, dass beide ähnlich groß sind, 8 Verdichterstufen haben, aber in ihrem Verdichtungsverhältnis und Schub stark variieren (3,2 vs. 26 Verdichtungsverhältnis und 9 vs. 60 kN Trockenschub) .

Als die Kompressorströmung besser verstanden wurde, stiegen die Turbinentemperaturen und Druckverhältnisse, die vom Triebwerkskern gelieferte überschüssige Leistung stieg und ermöglichte den Antrieb einer zweiten Turbine und Welle; zunächst mit Bypass-Verhältnissen von nur 0,25 . Vergleicht man das Gesamtdruckverhältnis mit dem Nebenstromverhältnis, erkennt man sicherlich einen Trend:

Engine             compressor       pressure ratio     bypass ratio
RR Conway        7LP, 9HP stages       14  :1             0.25:1
P&W JT3D      2fan, 6LP, 7HP stages    12.5:1             1.42:1
GE CF6-6      1 fan, 1LP, 16HP stages  25  :1             5.8 :1
RR RB211-535  1 fan, 6IP, 6HP stages   25.8:1             4.3 :1
GE 90         1 fan, 4LP, 9HP stages   42  :1             9   :1
RR Trent XWB  1 fan, 8IP, 6HP stages   52  :1             9.3 :1
RR Ultra Fan                          >70  :1           >15   :1 (projected)

Ein effizienterer Kern ermöglicht es, mehr Energie im Abgas an der Hochdruckturbine vorbei zu lassen, sodass die Niederdruckturbine mehr Leistung entnehmen kann, um einen größeren Lüfter anzutreiben.

Gute Antwort! Wie wird mit einer kleineren Kernregion und weniger Brennstoff mehr Energie gewonnen?
Durch eine effizientere Nutzung von Kraftstoff und Luft. Höheres Verdichtungsverhältnis, bessere Brenner, effizientere Turbinen.
Verstanden, das Ziel für Turbofan-Triebwerke ist also immer, das höchstmögliche Bypass-Verhältnis zu haben, während die Kerneffizienz maximiert und die Kerngröße verringert wird?
@flextempers: Wenn Sie fest im Unterschallbereich bleiben und den Kraftstoffverbrauch bei Langstreckenflügen minimieren möchten, dann ja. Beachten Sie, dass eine Erhöhung des Bypass-Verhältnisses zu geringeren Erträgen und einer größeren, schwereren Gondel mit höherem Luftwiderstand führt. Irgendwann möchten Sie vielleicht die Gondelströmung künstlich länger laminar halten, um dennoch positive Gewinne aus diesem höheren Bypass-Verhältnis zu erzielen.
Das ist faszinierend. Was meinen Sie mit "künstlich" Gondelströmung laminar halten? Kann die Dicke der Gondel nicht auch bei stark vergrößertem Lüfterdurchmesser relativ konstant bleiben?
@flextempers: Es geht um die benetzte Oberfläche der Gondel. Ein größerer Durchmesser führt zu einer proportionalen Oberflächenvergrößerung. Die Laminarisierung kann durch Absaugen der Grenzschicht durch winzige Löcher in der Oberfläche erreicht werden. Google für aktive Laminarisierung.

Der Gasgenerator ist das Herzstück des Strahltriebwerks: die Kombination aus Verdichter – Brennkammer – Turbine. Der Unterschied liegt in der Leistungsentnahme durch die Turbine. Wenn die Turbine größer ist, kann sie dem Gasstrom mehr Leistung entziehen, um den Kompressor + Lüfter anzutreiben. Ohne Bypass-Lüfter wird dem Gasstrom durch die Turbine weniger Leistung entzogen und die Abgasgeschwindigkeit ist höher.

Die Leistung eines Gasgenerators wird durch Beschleunigung eines Gasstroms in Schub umgewandelt. Die Effizienz steigt, wenn mehr Gas auf eine niedrigere Geschwindigkeit beschleunigt wird:

  • Der Schub eines Strahltriebwerks ist gegeben durch
    F = M ˙ ∗ ( v e − v 0 )
    mit M ˙ = Gasstrom in kg/s, v e = Austrittsgeschwindigkeit des Gasstroms in m/s, und v 0 = Luftgeschwindigkeit des Flugzeugs.
  • Die Antriebseffizienz eines Strahltriebwerks (bei vollständiger Expansion) ist definiert als
    η P = 2 1 + v e / v 0

Also für einen gegebenen Schub, wenn v e reduziert wird und M ˙ proportional erhöht, erhöht sich die Antriebseffizienz.

Anmerkungen:

  1. Eine vollständige Expansion des Abgasstroms findet statt, wenn er die lokale Schallgeschwindigkeit nicht erreicht. Wenn dies der Fall ist, bedeutet dies, dass der Auspuff verstopft ist und ein Teil des Schubs durch höheren Druck hinter dem Auspuff erzeugt wird. Dies kann durch Berechnung eines Effektivwerts berücksichtigt werden v e Ö F F das würde den gleichen Schub erzeugen.
  2. Der Vortriebswirkungsgrad ist 1 = 100 %, wenn v e = v 0 , aber leider gibt es keinen Schub mehr.
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