Motor mit variablem Zyklus - Variable cycle engine

Schnittdarstellung eines zukünftigen ADVENT-Motors

Ein variable Taktmotor (VCE), auch bezeichnet als adaptiver Taktmotor (ACE), ein Flugzeugstrahltriebwerk , die effizient unter gemischten Flugbedingungen, wie beispielsweise für den Betrieb ausgelegt ist Unterschall- , transsonischen und supersonic .

Die nächste Generation des Überschalltransports (SST) kann eine Form von VCE erfordern. SST-Triebwerke benötigen im Supercruise einen hohen spezifischen Schub (Nettoschub/Luftstrom) , um die Querschnittsfläche des Triebwerks auf einem Minimum zu halten, um den Luftwiderstand des Flugzeugs zu reduzieren . Leider bedeutet dies nicht nur beim Überschallflug, sondern auch beim Start eine hohe Strahlgeschwindigkeit, die das Flugzeug laut macht.

Ein Triebwerk mit hohem spezifischen Schub hat per Definition eine hohe Strahlgeschwindigkeit, wie die folgende ungefähre Gleichung für den Nettoschub impliziert:

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\cdot (V_{jfe}-V_{a})}$

wo:

${\displaystyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m=\,}$ Ansaugmassenstrom

${\displaystyle V_{jfe}=\,}$ voll ausgedehnte Strahlgeschwindigkeit (in der Abgasfahne)

${\displaystyle V_{a}=\,}$ Fluggeschwindigkeit von Flugzeugen

Durch Umstellen der obigen Gleichung wird der spezifische Schub gegeben durch:

${\displaystyle {\frac {F_{n}}{\dot {m}}}=(V_{jfe}-V_{a})}$

Bei einer Fluggeschwindigkeit von Null ist der spezifische Schub also direkt proportional zur Strahlgeschwindigkeit.

Der Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 in Concorde hatte einen hohen spezifischen Schub im Überschallflug und bei Trockenstartleistung. Dies allein hätte die Triebwerke laut gemacht, aber das Problem wurde durch die Notwendigkeit einer bescheidenen Nachverbrennung (Wiedererhitzen) beim Start (und der Transsonischen Beschleunigung) verschlimmert. Ein SST VCE müsste den Triebwerksluftstrom beim Start erheblich erhöhen, um die Strahlgeschwindigkeit bei einem gegebenen Schub (dh einem geringeren spezifischen Schub) zu reduzieren.

Beispiele

Ein SST-VCE-Konzept ist der Tandem-Fan-Motor. Der Motor verfügt über zwei Lüfter, die beide auf der Niederdruckwelle montiert sind, mit einem erheblichen axialen Spalt zwischen den Einheiten. Im Normalflug befindet sich das Triebwerk im Serienmodus, wobei die Strömung, die den vorderen Fan verlässt, direkt in den zweiten Fan übergeht, wobei sich das Triebwerk ähnlich wie ein normaler Turbofan verhält. Für Start, Steigflug, Endsinkflug und Anflug darf der Frontlüfter jedoch direkt durch eine Hilfsdüse an der Unterseite der Triebwerksgondel austreten. Auf jeder Seite des Triebwerks sind Hilfseinlässe geöffnet, sodass Luft in den Hecklüfter eintreten und durch den Rest des Motors strömen kann. Der Betrieb der Lüfter in diesem Parallelmodus erhöht den Gesamtluftstrom des Triebwerks bei Schub erheblich, was zu einer geringeren Strahlgeschwindigkeit und einem leiseren Triebwerk führt. Bereits in den 1970er Jahren modifizierte Boeing einen Pratt & Whitney JT8D auf eine Tandem-Fan-Konfiguration und demonstrierte erfolgreich den Wechsel vom Serien- zum Parallelbetrieb (und umgekehrt) bei laufendem Triebwerk, wenn auch mit Teilleistung.

Beim Mid-Tandem-Fan-Konzept befindet sich ein einstufiger Fan mit hohem spezifischem Durchfluss zwischen den Hochdruck- (HP) und Niederdruck-(LP)-Kompressoren eines Turbojet-Kerns. Nur Bypass-Luft darf durch den Ventilator strömen, wobei der Austrittsstrom des ND-Kompressors durch spezielle Kanäle innerhalb der Ventilatorscheibe direkt unter den Laufschaufeln des Ventilators strömt. Ein Teil der Bypassluft gelangt über einen Nebeneinlass in den Motor. Während des Starts und Anflugs verhält sich das Triebwerk ähnlich wie ein normaler ziviler Turbofan mit einem akzeptablen Strahlgeräuschpegel (dh niedriger spezifischer Schub). Für Überschallfahrt jedoch die variablen Einlassleitschaufeln des Bläsers und die zusätzliche Einlassabsperrung, um die Bypassströmung zu minimieren und den spezifischen Schub zu erhöhen. In diesem Modus verhält sich das Triebwerk eher wie ein „undichter“ Turbojet (zB der F404 ).

Beim Mixed-Flow Turbofan mit Ejektor-Konzept ist ein Triebwerk mit niedrigem Bypass-Verhältnis vor einem langen Rohr, einem sogenannten Ejektor, montiert. Diese Schalldämpfervorrichtung wird während des Starts und des Anflugs eingesetzt. Turbofan-Abgase führen über einen zusätzlichen Lufteinlass zusätzliche Luft in den Ejektor ein, wodurch der spezifische Schub/die mittlere Strahlgeschwindigkeit des endgültigen Abgases verringert wird. Die Mixed-Flow-Ausführung hat nicht die Vorteile der Mid-Tandem-Lüfter-Ausführung in Bezug auf den Wirkungsgrad bei niedriger Drehzahl, ist aber deutlich einfacher.

Bei Triebwerken von Kampfflugzeugen ist ein aufkommendes Konzept die Dreistrom-Architektur, bei der ein dritter Bypass-Strom verwendet werden kann, um das Bypass-Verhältnis zu erhöhen, wenn eine Kraftstoffeffizienz erforderlich ist, oder einen zusätzlichen Luftstrom zum Kern lenken kann, um eine größere Leistung zu erzielen. Im Rahmen des Programms Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE) entwickelten die US Air Force und Industriepartner dieses Konzept unter der Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) und dem darauf folgenden Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) und Adaptive Engine Transition Program (AETP .). ). Beispiele für Dreistromtriebwerke sind der General Electric XA100 und der Pratt & Whitney XA101 sowie das Antriebssystem für die Next Generation Air Dominance (NGAD), das im Rahmen des Next Generation Adaptive Propulsion (NGAP)-Programms entwickelt wird.

Andere Anwendungen

Eine weitere Anwendung, die vom VCE-Ansatz profitieren könnte, sind Kampfflugzeuge. Konstrukteure müssen normalerweise Kompromisse bei der spezifischen Schubkraft des Triebwerks eingehen. Wenn sie einen hohen spezifischen Schub wählen, ist der spezifische Kraftstoffverbrauch (SFC) für die Wiedererwärmung sehr gut, aber der trockene SFC schlecht. Ein hoher spezifischer Schub impliziert ein hohes Bläserdruckverhältnis, was auf eine hohe Düsentemperatur im Trockenbetrieb hinweist. Folglich ist der Schubschub beim Wiedererhitzen relativ gering. Per Definition sind sowohl der Trocken- als auch der Wiedererwärmungsschub gut.

Das Gegenteil ist bei einem Triebwerk mit niedrigem spezifischem Schub der Fall – dh schlechter Wiedererwärmungs-SFC, guter trockener und gedrosselter SFC, guter Wiedererwärmungsschubschub und per Definition geringer trockener und wiedererwärmter Schub.

Ein Triebwerk mit hohem spezifischem Schub würde ein Flugzeug begünstigen, das eine gute Dauer in einem wiederaufgeheizten Kampf erfordert, aber es würde für die im Trockenbetrieb verfügbare Reichweite benachteiligt.

Auf der anderen Seite würde ein Triebwerk mit niedrigem spezifischem Schub ein Flugzeug begünstigen, das eine große Reichweite bei trockener Leistung benötigt, aber die Zeit, die in wiederaufgeheizten Gefechten verbracht wird, beeinträchtigen.

Daher müssen Triebwerkskonstrukteure oft Kompromisse hinsichtlich des spezifischen Triebwerksschubs eingehen.

Das ideale Combat VCE hätte jedoch den hohen Wiedererwärmungsschub/guten Wiedererwärmungs-SFC, der mit einem Triebwerk mit hohem spezifischem Schub verbunden ist, hätte jedoch den niedrigen SFC eines Triebwerks mit niedrigem spezifischem Schub bei trockener Leistung und gedrosselt. Die Entwicklung eines solchen Motors ist schwierig. Doch General Electric hat eine Variable Cycle - Motor entwickeln, bekannt als der GE37 oder General Electric Yf120 , für die YF-22 / YF-23 Kampfflugzeuge Wettbewerb, in den späten 80er Jahren. GE verwendete eine Doppel-Bypass/Hybrid-Lüfter-Anordnung, hat aber bis heute nie genau bekannt gegeben, wie das Konzept ausgenutzt wurde. Obwohl der YF120 ein guter (möglicherweise besserer) Motor im Fly-Off war, war die USAF auf der sicheren Seite und wählte den konventionelleren Pratt & Whitney F119 als Triebwerk für die Serien- Lockheed Martin F-22 Raptor .

Verweise