Turbofan

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

1leftarrow blue.svg Element principal: motor cu reacție .

Un turboventilator General Electric GEnx care echipează Boeing 787 și 747-8

Turboventilatorul [1] , adesea menționat prin termenul englezesc turboventilator , este un tip de motor cu reacție care, spre deosebire de un motor turboreactor normal, folosește două fluxuri de aer separate:

  • primul debit, numit flux fierbinte , trece prin toate etapele motorului, adică admisia de aer , care are funcția de dirijare a fluxului prin generarea unei prime comprimări a aerului, încetinindu-l, în etapele următoare, ventilatorul (una sau mai multe trepte), compresorul , camera de ardere , turbina (una sau mai multe trepte) și duza de evacuare , unde are loc toată propulsia .
  • al doilea flux, numit flux rece , trece prin:
    • în cazul turboventilatorului cu debituri asociate , numai ventilator și duză sau
    • în cazul unui turboventilator cu debituri separate , doar ventilatorul.

Raportul dintre debitul masic al debitului rece și al debitului cald se numește raport de diluare sau, în engleză , raport de bypass (BPR).

Utilizări și caracteristici

Toate avioanele moderne adoptă turboventilatorul, deoarece acesta este motorul care permite un consum mai redus și performanțe mai bune decât turbometrul învechit. Acest lucru este din motive legate de prezența ventilatorului și de debitul rece.

Multe avioane de pasageri utilizează turboventilatoare cu un raport de diluare ridicat; pot fi recunoscute datorită dimensiunilor frontale mai mari, determinate de ventilator, în timp ce avioanele de înaltă performanță, cum ar fi avioanele de luptă, adoptă turboventilatoare cu un raport de diluție scăzut pentru a atinge viteze de funcționare foarte mari și, prin urmare, dimensiunea turboventilatorului este comparabilă cu cea a unui turboreactor simplu.

Ventilatorul este mișcat de un arbore motor acționat de turbina mai aval, numită turbină de joasă presiune, în timp ce compresorul este mișcat de un alt arbore, concentric și mai extern decât primul, conectat la turbina mai amonte și imediat în aval. , numită turbină de înaltă presiune. Această configurație se numește twin-shaft , dar compresorul ar putea fi, de asemenea, acționat de mai mult de un arbore, generând configurații cu trei arbori.

Zgomotul produs de acest tip de motor este strâns legat de turația gazelor de eșapament. Motoarele cu un raport de diluție ridicat, adică cu o tracțiune specifică mai mică (tracțiune pe unitate de debit de masă ), sunt relativ silențioase în comparație cu turboreactorul și turboventilele cu raport de diluție scăzut (și, prin urmare, cu tracțiune specifică ridicată). Un motor cu tracțiune specifică redusă are o turație mult mai mică la duza de evacuare; de fapt, conform ecuației aproximative de tracțiune, valabilă și pentru turboreactoare:

unde este este fluxul de masă care trece prin admisia de aer în unitatea de timp (masa împărțită la timp), este viteza gazelor de eșapament e este viteza de zbor.

Deci, propulsia specifică este dată de:

Astfel, dacă aeronava este staționară, forța specifică este direct proporțională cu viteza jetului.

Avioanele cu reacție sunt adesea considerate zgomotoase, dar o elice cu piston sau turbopropulsor care furnizează aceeași putere este mult mai tare.

Spre deosebire de turboreactor, unde singura parte a motorului care asigură împingerea este duza, în turboventilator aproximativ 80% din împingere este asigurată de ventilator.

Turbofan cu fluxuri separate

Diagrama care ilustrează un turboventilator cu două arbori cu raport de diluare ridicat la debituri separate: în verde unitatea de presiune scăzută, în timp ce în violet unitatea de înaltă presiune.

Introducerea statorilor cu geometrie variabilă în compresor a însemnat că compresoarele de înaltă presiune ar putea funcționa fără pericol de blocare . Această inovație și-a făcut debutul cu General Electric J79 , un turboreactor militar cu un singur arbore. Când compresorul cu geometrie variabilă a fost cuplat la ventilator, a fost posibil să se mărească drastic presiunea de ardere. În plus, o temperatură mai ridicată în turbină, datorită noilor materiale și noilor metode de răcire, a făcut posibilă adoptarea camerelor de ardere mai mici.

Aceste îmbunătățiri au dus, de asemenea, la dezvoltarea unui motor cu un raport de diluare ridicat, unde ventilatorul procesează o cantitate mare de aer în comparație cu restul motorului. Astăzi BPR ≥ 5 sunt foarte frecvente; ventilatorul seamănă cu o elice canalizată, care suflă aer rece în jurul componentelor motorului în aval. Fluxul de aer al ventilatorului se amestecă apoi cu cel al duzei de evacuare, făcând motorul mai puțin zgomotos. Mai mult decât atât, ventilatorul, în acest caz, participă la generarea forței împreună cu duza.

Primul turboventilator cu un raport de diluție ridicat a fost General Electric TF39 , proiectat pentru Lockheed C-5 Galaxy , un imens avion de transport militar. General Electric CF6 a folosit un design similar, dar pentru uz civil. Au urmat Pratt & Whitney JT9D , Rolls-Royce RB211 tri - mast și CFM International CFM56 . Cele mai recente sunt Pratt & Whitney PW4000 , Rolls-Royce Trent cu trei arbori , General Electric GE90 și General Electric GEnx .

Puterea lor mare și consumul lor redus au făcut turboventilatoare cu un raport de diluare ridicat indispensabile pentru uz civil.

În figură este prezentată o reprezentare schematică a unui turboventilator cu flux separat. În aval de difuzor (admisie de aer), comun întregului flux de aer (principal și secundar), există câteva trepte de compresor care alcătuiesc ventilatorul și sunt, de asemenea, traversate de întregul flux de aer. Din acest moment, cele două fluxuri urmează căi diferite. În special, debitul secundar nu va mai fi comprimat, în timp ce debitul primar va fi comprimat de compresor care dezvoltă un raport de compresie (raportul dintre presiunea de ieșire și presiunea de intrare) mai mare decât cel al ventilatorului și, prin urmare, este caracterizat de mai multe etape. Acest debit evoluează succesiv, la fel ca la turboreactorul simplu, până la ieșirea din prima turbină.

Prima turbină este de fapt cea care furnizează puterea necesară pentru a muta compresorul. În aval de prima turbină, gazele arse, la temperatură și presiune ridicate chiar mai mari decât cea atmosferică, sunt extinse în continuare în a doua turbină, care asigură puterea necesară pentru a muta ventilatorul. Numai în aval de a doua turbină va fi accelerat fluxul principal, exploatând fracția de putere utilă încă disponibilă pentru a produce împingere.

Debitul secundar în aval de ventilator poate fi accelerat într-o duză. Adesea, în special în cazul debitelor secundare ridicate, pentru a economisi greutatea și volumul și pentru a limita frecarea, duza cu jet secundar este poziționată chiar în aval de ventilator.

Turboventilator cu flux asociat

Diagramă care ilustrează un turboventilator cu două arbori cu raport de diluție scăzut și debite asociate: în verde unitatea de joasă presiune, în timp ce în violet unitatea de înaltă presiune.

Primele turboreactoare s-au plâns de un consum foarte mare, în timp ce presiunea întregului ciclu, precum și temperatura internă, au fost foarte limitate de tehnologia vremii. Materiale mai avansate și introducerea compresorului dublu adoptat de motoare precum Pratt & Whitney JT3C , au crescut presiunile durabile și eficiența termodinamică a motorului, dar au dus la o eficiență propulsivă foarte slabă, deoarece turboreactoarele au avut în general un debit mic masa și o rată mare de descărcare.

Turbo-ventilatoarele cu raport de diluție scăzut au fost proiectate pentru a îmbunătăți eficiența propulsivă prin reducerea vitezei jetului la valori mai apropiate de viteza de zbor. Rolls-Royce Conway , primele turboventilatoare, avea un BPR = 0,3 (raport de diluare), similar cu motorul modern General Electric F404 montat pe aeronave precum McDonnell Douglas F / A-18 Hornet . Turbo-ventilatoarele civile din anii 1960 , precum Pratt & Whitney JT8D și Rolls-Royce Spey dețineau un BPR = 1.

Într-un turboventilator cu flux separat, cele două jeturi sunt caracterizate de temperaturi diferite. Deoarece viteza de descărcare este proporțională cu rădăcina pătrată a temperaturii totale a debitului cu același salt de presiune, este posibil să încercați să creșteți temperatura debitului secundar datorită temperaturii ridicate a celui primar. Acest principiu stă la baza realizării turboventilatorului cu debitele asociate care, prin redistribuirea între cele două fluxuri nu numai lucrarea utilă, ci și energia termică, permite obținerea unor performanțe superioare comparativ cu cazul turboventilatorului cu debituri separate, chiar dacă pentru a obține un astfel de avantaj, trebuie luată în considerare greutatea suplimentară necesară.

Vedere în secțiune a unui motor Pratt & Whitney TF30 : vedere din spate cu secțiunea de debit de temperatură ridicată colorată în roșu, secțiunea de temperatură joasă albastră.

Într-un turboventilator cu flux asociat, fluxul rece este amestecat cu cel fierbinte după ce a fost comprimat. În diagramă există o nouă componentă, camera de amestecare , unde cele două fluxuri sunt amestecate precis înainte de a fi extinse într-o singură duză. Este necesar să se ia în considerare o constrângere suplimentară, în comparație cu cazul turboventilatorului cu fluxuri separate; de fapt, la intrarea camerei de amestecare cele două fluxuri trebuie să aibă aceeași presiune statică . Aceasta înseamnă că, în faza de proiectare, raportul de compresie a ventilatorului și raportul de diluare nu pot fi alese în mod arbitrar.

Neobișnuitul General Electric [2] a fost dezvoltat ca un ventilator de popa (adică un motor cu ventilatorul în aval de ciclu), cu un BPR = 2. A fost un derivat al turboreactorului General Electric, [3] îmbarcat în Northrop T- 38 Talon și 12 650 newton Learjet , dezvoltate pentru Rockwell Sabreliner 75/80. CF700 a fost primul „mic turbofan” din lume care a fost certificat de Administrația Federală a Aviației . Acum [ când? ] nu mai puțin de 400 de avioane zboară cu acest motor cu peste 10 milioane de ore de zbor.

Începând cu anii 1970 , motoarele cu reacție au fost turboventilatoare cu un raport de diluție scăzut la debitele asociate și post-combustor. Primul turboventilator cu post-arzător a fost Pratt & Whitney TF30 care a echipat General Dynamics F-111 , Grumman F-14 Tomcat și Vought A-7 Corsair II .

De asemenea, ne amintim de turbofanele blocului sovietic, cu faimosul Ljul'ka AL-31F, proiectat de Arkhip Mikhailovich Lyul'ka și probabil unul dintre cele mai bune din războiul rece , montat pe Sukhoi Su-27 Flanker și Klimov RD-33 adoptat de Mikoyan-Gurevich MiG-29 Fulcrum.

Constructori

Notă

  1. ^ Turboventola , în Treccani.it - Vocabular online Treccani , Institutul Enciclopediei Italiene. Adus la 15 ianuarie 2018 .
  2. ^ CF700 www.aircraftenginedesign.com Arhivat 3 martie 2016 la Internet Archive.
  3. ^ J85 / CJ610 www.aircraftenginedesign.com Arhivat 16 februarie 2007 la Internet Archive.

Bibliografie

  • ( RO ) DG Shepherd, Propulsie aerospațială . Elsevier, New York, SUA, 1972.

Alte proiecte

linkuri externe