Bypass-Verhältnis - Bypass ratio

Hoher Bypass
Niedriger Bypass
Turbojet (Keine Luft umgeht den Motor)
Schematische Turbofan-Triebwerke. Das High-Bypass-Triebwerk (oben) hat einen großen Lüfter, der viel Luft um die Turbine herum leitet; das Low-Bypass-Triebwerk (Mitte) hat einen kleineren Fan, der mehr Luft in die Turbine leitet; der Turbojet (unten) hat keinen Bypass und die gesamte Luft strömt durch die Turbine.

Das Bypassverhältnis ( BPR ) eines Turbofan- Triebwerks ist das Verhältnis zwischen dem Massendurchsatz des Bypassstroms zu dem in den Kern eintretenden Massendurchsatz. Ein Bypassverhältnis von 10:1 bedeutet beispielsweise, dass pro 1 kg Luft, die durch den Kern strömt, 10 kg Luft durch den Bypasskanal strömen.

Turbofan-Triebwerke werden normalerweise in Form von BPR beschrieben, die zusammen mit dem Triebwerksdruckverhältnis , der Turbineneinlasstemperatur und dem Bläserdruckverhältnis wichtige Konstruktionsparameter sind. Darüber hinaus wird BPR für Turboprop- und ungedämpfte Bläserinstallationen angegeben, da ihr hoher Antriebswirkungsgrad ihnen die Gesamtwirkungsmerkmale von sehr hohen Bypass- Turbobans verleiht. Dadurch können sie zusammen mit Turbofans auf Plots dargestellt werden, die Trends zur Verringerung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (SFC) mit steigendem BPR zeigen. BPR wird auch für Hubgebläseinstallationen angegeben, bei denen der Gebläseluftstrom vom Motor entfernt ist und den Motorkern nicht physisch berührt.

Bypass bietet einen geringeren Treibstoffverbrauch bei gleichem Schub, gemessen als schubspezifischer Treibstoffverbrauch (Gramm/Sekunde Treibstoff pro Schubeinheit in kN unter Verwendung von SI-Einheiten ). Ein geringerer Kraftstoffverbrauch, der mit hohen Bypass-Verhältnissen einhergeht , gilt für Turboprops , die einen Propeller anstelle eines Mantelgebläses verwenden. High-Bypass-Designs sind der vorherrschende Typ für kommerzielle Passagierflugzeuge und sowohl zivile als auch militärische Jet-Transporte.

Business Jets verwenden mittlere BPR-Triebwerke.

Kampfflugzeuge verwenden Motoren mit niedrigen Bypass- Verhältnissen, um einen Kompromiss zwischen Kraftstoffverbrauch und den Anforderungen des Kampfes zu erzielen : hohes Leistungsgewicht , Überschallleistung und die Möglichkeit, Nachbrenner zu verwenden .

Grundsätze

Wird die gesamte Gasleistung einer Gasturbine in einer Treibdüse in kinetische Energie umgewandelt, eignet sich das Flugzeug am besten für hohe Überschallgeschwindigkeiten. Wenn alles auf eine separate große Luftmasse mit geringer kinetischer Energie übertragen wird, ist das Flugzeug am besten für Nullgeschwindigkeit (Schwebeflug) geeignet. Bei dazwischenliegenden Geschwindigkeiten wird die Gasleistung zwischen einem separaten Luftstrom und dem eigenen Düsenstrom der Gasturbine in einem Verhältnis aufgeteilt, das die erforderliche Flugzeugleistung ergibt. Die ersten Düsenflugzeuge waren Unterschall und die schlechte Eignung der Antriebsdüse für diese Geschwindigkeiten aufgrund des hohen Treibstoffverbrauchs wurde bereits 1936 erkannt und eine Umgehung vorgeschlagen (UK-Patent 471.368). Das zugrundeliegende Prinzip hinter dem Bypass besteht darin, die Abgasgeschwindigkeit gegen einen zusätzlichen Massenstrom einzutauschen, der immer noch den erforderlichen Schub liefert, aber weniger Kraftstoff verbraucht. Frank Whittle nannte es „den Fluss herunterfahren“. Die Energie wird vom Gasgenerator auf eine zusätzliche Luftmasse übertragen, dh einen Treibstrahl mit größerem Durchmesser, der sich langsamer bewegt. Der Bypass verteilt die verfügbare mechanische Leistung auf mehr Luft, um die Geschwindigkeit des Strahls zu reduzieren. Der Kompromiss zwischen Massenstrom und Geschwindigkeit wird auch bei Propellern und Hubschrauberrotoren durch den Vergleich von Scheibenbelastung und Leistungsbelastung gesehen. Zum Beispiel kann das gleiche Helikoptergewicht von einem Hochleistungsmotor und einem Rotor mit kleinem Durchmesser getragen werden oder, für weniger Kraftstoff, von einem Motor mit geringerer Leistung und einem größeren Rotor mit geringerer Geschwindigkeit durch den Rotor.

Bypass bezieht sich normalerweise auf die Übertragung von Gasenergie von einer Gasturbine auf einen Bypass-Luftstrom, um den Kraftstoffverbrauch und das Düsengeräusch zu reduzieren. Alternativ kann ein Nachverbrennungsmotor erforderlich sein, bei dem die einzige Anforderung für den Bypass darin besteht, Kühlluft bereitzustellen. Dies legt die untere Grenze für BPR fest, und diese Triebwerke wurden als "undichte" oder kontinuierliche Bleed-Turbojets (General Electric YJ-101 BPR 0,25) und Turbojets mit niedrigem BPR (Prat & Whitney PW1120) bezeichnet. Ein niedriger BPR (0,2) wurde auch verwendet, um eine Stoßspanne sowie eine Nachbrennerkühlung für den Pratt & Whitney J58 bereitzustellen .

Beschreibung

Vergleich des Antriebswirkungsgrads für verschiedene Konfigurationen von Gasturbinentriebwerken

In einem Zero-Bypass (Turbojet)-Triebwerk wird das Hochtemperatur- und Hochdruck-Abgas durch Expansion durch eine Treibdüse beschleunigt und erzeugt den gesamten Schub. Der Verdichter nimmt die gesamte von der Turbine erzeugte mechanische Leistung auf. Bei einem Bypass-Design treiben zusätzliche Turbinen einen Mantelgebläse an , der die Luft von der Vorderseite des Motors nach hinten beschleunigt. Bei einem High-Bypass-Design erzeugen das Mantelgebläse und die Düse den größten Teil des Schubs. Turbofans sind im Prinzip eng mit Turboprops verwandt, da beide einen Teil der Gasleistung der Gasturbine unter Verwendung zusätzlicher Maschinen auf einen Bypassstrom übertragen, der weniger für die Umwandlung in kinetische Energie für die heiße Düse übrigbleibt. Turbofans stellen eine Zwischenstufe zwischen Turbojets dar , die ihren gesamten Schub aus Abgasen beziehen, und Turboprops, die minimalen Schub aus Abgasen beziehen (typischerweise 10 % oder weniger). Das Extrahieren der Wellenleistung und deren Übertragung an einen Bypassstrom führt zu zusätzlichen Verlusten, die durch die verbesserte Antriebseffizienz mehr als wettgemacht werden. Der Turboprop bietet bei seiner besten Fluggeschwindigkeit erhebliche Treibstoffeinsparungen gegenüber einem Turbojet, obwohl eine zusätzliche Turbine, ein Getriebe und ein Propeller zur verlustarmen Antriebsdüse des Turbojets hinzugefügt wurden. Der Turbofan hat im Vergleich zur Einzeldüse des Turbojets zusätzliche Verluste durch seine zusätzlichen Turbinen, den Fan, den Bypasskanal und die zusätzliche Treibdüse.

Um den Einfluss einer Erhöhung des BPR allein auf die Gesamteffizienz im Flugzeug, dh SFC, zu sehen, muss ein gemeinsamer Gasgenerator verwendet werden, dh keine Änderung der Brayton-Zyklusparameter oder der Komponenteneffizienz. Bennett zeigt in diesem Fall einen relativ langsamen Anstieg der Verluste bei der Leistungsübertragung auf den Bypass bei gleichzeitigem schnellen Abfall der Abgasverluste mit einer deutlichen Verbesserung des SFC. In Wirklichkeit geht der Anstieg des BPR im Laufe der Zeit mit einem Anstieg des Wirkungsgrads von Gasgeneratoren einher, der bis zu einem gewissen Grad den Einfluss des BPR überdeckt.

Lediglich Gewichts- und Materialgrenzen (z. B. Festigkeiten und Schmelzpunkte der Werkstoffe in der Turbine) mindern den Wirkungsgrad, mit dem eine Turbofan-Gasturbine diese Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, denn den Abgasen kann noch Energie zur Verfügung stehen extrahiert, gewinnt jede zusätzliche Stator- und Turbinenscheibe nach und nach weniger mechanische Energie pro Gewichtseinheit, und die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses des Systems durch Hinzufügen zur Verdichterstufe zur Erhöhung des Gesamtsystemwirkungsgrads erhöht die Temperaturen an der Turbinenstirnseite. Trotzdem haben High-Bypass-Triebwerke einen hohen Vortriebswirkungsgrad, da schon eine geringfügige Erhöhung der Geschwindigkeit eines sehr großen Volumens und folglich der Luftmasse eine sehr große Änderung von Impuls und Schub bewirkt: Schub ist der Massenstrom des Triebwerks (die durchströmende Luftmenge) des Motors) multipliziert mit der Differenz zwischen den Einlass- und Auslassgeschwindigkeiten in – einer linearen Beziehung – aber die kinetische Energie des Abgases ist der Massenstrom multipliziert mit der Hälfte des Quadrats der Differenz der Geschwindigkeiten. Eine geringe Scheibenbelastung (Schub pro Scheibenfläche) erhöht die Energieeffizienz des Flugzeugs und reduziert dadurch den Treibstoffverbrauch.

Das Anfang der 1950er Jahre entwickelte Rolls-Royce Conway Turbofan- Triebwerk war ein frühes Beispiel für ein Bypass-Triebwerk. Die Konfiguration ähnelte einem 2-Spulen-Turbojet, aber um es zu einem Bypass-Triebwerk zu machen, wurde es mit einem überdimensionierten Niederdruckverdichter ausgestattet: Die Strömung durch den inneren Teil der Verdichterschaufeln ging in den Kern, während der äußere Teil der Schaufeln blies Luft um den Kern, um den Rest des Schubs bereitzustellen. Das Bypassverhältnis beim Conway variierte je nach Variante zwischen 0,3 und 0,6

Die Zunahme der Bypass-Verhältnisse in den 1960er Jahren verschaffte Jetlinern eine Kraftstoffeffizienz, die mit der von kolbengetriebenen Flugzeugen konkurrieren konnte. Heute (2015) haben die meisten Düsentriebwerke einen Bypass. Moderne Triebwerke in langsameren Flugzeugen wie Verkehrsflugzeugen haben Bypass-Verhältnisse von bis zu 12:1; in Flugzeugen mit höherer Geschwindigkeit, wie beispielsweise Kampfflugzeugen , sind die Bypass-Verhältnisse viel niedriger, etwa 1,5; und Fahrzeuge, die für Geschwindigkeiten bis Mach 2 und etwas darüber ausgelegt sind, haben Bypass-Verhältnisse unter 0,5.

Turboprops haben Bypass-Verhältnisse von 50-100, obwohl der Antriebsluftstrom für Propeller weniger klar definiert ist als für Ventilatoren und der Propellerluftstrom langsamer ist als der Luftstrom von Turbofan-Düsen.

Motor-Bypass-Verhältnisse

Turbofan-Triebwerke
Modell Zuerst BPR Schub Hauptanwendungen
P&WC PT6 / P&WC PW100 Turboprops 50-60 Super King Air / ATR 72
P&W PW1000G 2008 9,0–12,5 67–160 kN A320neo , A220 , E-Jets E2 , Irkut MC-21
RR Trent 1000 2006 10,8–11 265,3–360,4 kN B787
CFM-SPRUNG 2013 9,0–11.0 100–146 kN A320neo , B737Max , Comac C919
GE GE90 1992 8,7–9,9 330–510 kN B777
RR Trent XWB 2010 9.3 330–430 kN A350XWB
GE Genx 2006 8,0–9,3 296-339 kN B747-8 , B787
EA GP7000 2004 8,7 311–363 kN A380
RR Trent 900 2004 8,7 340–357 kN A380
RR Trent 500 1999 8,5 252 kN A340 -500/600
CFM56 1974 5,0–6,6 97,9-151 kN A320 , A340 -200/300, B737 , KC-135 , DC-8
P&W PW4000 1984 4,8–6,4 222–436 kN A300 / A310 , A330 , B747 , B767 , B777 , MD-11
GE CF34 1982 5,3–6,3 41–82,3 kN Challenger 600 , CRJ , E-Jets
Silvercrest 2012 5.9 50,9 kN Zit. Halbkugel , Falcon 5X
RR Trent 800 1993 5,7–5,79 411–425 kN B777
GE Pass 2013 5,6 78,9–84,2 kN Global 7000 /8000
P&WC PW800 2012 5,5 67,4–69,7 kN Gulfstream G500/G600
GE CF6 1971 4,3–5,3 222–298 kN A300 / A310 , A330 , B747 , B767 , MD-11 , DC-10
D-36 1977 5,6 63,75 kN Yak-42 , An-72 , An-74
RR AE 3007 1991 5.0 33,7 kN ERJ , Zitat X
RR Trent 700 1990 4.9 320 kN A330
IAE V2500 1987 4,4–4,9 97,9-147 kN A320 , MD-90
P&W PW6000 2000 4.90 100,2 kN Airbus A318
RR BR700 1994 4,2–4,5 68,9–102,3 kN B717 , Global Express , Gulfstream V
P&WC PW300 1988 3,8–4,5 23,4–35,6 kN Zit. Souverän , G200 , F. 7X , F. 2000
GE-H HF120 2009 4.43 7,4 kN HondaJet
HW HTF7000 1999 4.4 28,9 kN Challenger 300 , G280 , Legacy 500
PS-90 1992 4.4 157–171 kN Il-76 , Il-96 , Tu-204
PowerJet SaM146 2008 4–4.1 71,6–79,2 kN Suchoi Superjet 100
Williams FJ44 1985 3,3–4,1 6,7–15,6 kN CitationJet , Cit. M2
P&WC PW500 1993 3.90 13,3 kN Zitation Excel , Phenom 300
HW TFE731 1970 2,66–3,9 15,6–22,2 kN Learjet 70/75 , G150 , Falcon 900
RR Tay 1984 3.1–3.2 61,6–68,5 kN Gulfstream IV , Fokker 70 / 100
Pratt & Whitney Canada PW600 2001 1,83–2,80 6,0 kN Zit. Mustang , Eclipse 500 , Phänomen 100

Verweise