Motor cu ciclu variabil - Variable cycle engine

Vedere rapidă a unui potențial motor ADVENT

Un motor cu ciclu variabil (VCE), denumit și motor cu ciclu adaptiv (ACE), este un motor cu reacție de aeronavă care este proiectat să funcționeze eficient în condiții de zbor mixte, cum ar fi subsonic , transonic și supersonic .

Următoarea generație de transport supersonic (SST) poate necesita o formă de VCE. Motoarele SST necesită o tracțiune specifică ridicată ( forță netă / flux de aer) la supercruise pentru a menține zona secțiunii transversale a centralei la un nivel minim, astfel încât să reducă rezistența aeronavelor . Din păcate, aceasta implică o viteză mare a jetului nu numai la croazieră supersonică, ci și la decolare, ceea ce face ca avionul să fie zgomotos.

Un motor cu tracțiune specifică mare are o viteză mare a jetului prin definiție, deoarece următoarea ecuație aproximativă pentru tracțiunea netă implică:

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

Unde:

${\ displaystyle {\ dot {m}} = {\ frac {d} {dt}} m = \,}$ debitul masic de admisie

${\ displaystyle V_ {jfe} = \,}$ viteza complet extinsă a jetului (în panoul de evacuare)

${\ displaystyle V_ {a} = \,}$ viteza de zbor a aeronavelor

Rearanjând ecuația de mai sus, propulsia specifică este dată de:

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

Deci, pentru viteza de zbor zero, propulsia specifică este direct proporțională cu viteza jetului.

Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 în Concorde a avut o forță ridicată specific în croazieră supersonice și la uscat , la puterea de decolare. Numai acest lucru ar fi făcut motoarele zgomotoase, dar problema a fost agravată de necesitatea unei cantități modeste de post-ardere (reîncălzire) la decolare (și Accelerare Transonic). Un SST VCE ar trebui să mărească fluxul de aer al motorului în mod substanțial la decolare, pentru a reduce viteza jetului la o anumită împingere (adică o împingere specifică mai mică)

Exemple

Un concept SST VCE este motorul Tandem Fan. Motorul are două ventilatoare, ambele montate pe arborele de joasă presiune, cu un decalaj axial semnificativ între unități. În timpul zborului normal, motorul este în modul de serie, fluxul lăsând ventilatorul frontal trecând direct în cel de-al doilea ventilator, motorul comportându-se la fel ca un turboventilator normal. Cu toate acestea, pentru decolare, urcare, coborâre finală și apropiere, ventilatorul frontal este permis să se descarce direct printr-o duză auxiliară pe partea inferioară a nacelei centralei electrice. Admisiunile auxiliare sunt deschise de fiecare parte a centralei, permițând aerului să intre în ventilatorul din spate și să progreseze prin restul motorului. Operarea ventilatoarelor în acest mod paralel mărește substanțial fluxul total de aer al motorului la o tracțiune, rezultând o viteză mai mică a jetului și un motor mai silențios. În anii 1970, Boeing a modificat un Pratt & Whitney JT8D într-o configurație ventilator tandem și a demonstrat cu succes trecerea de la funcționare de serie la funcționare paralelă (și invers) cu motorul pornit, deși la putere parțială.

În conceptul Mid Tandem Fan, un ventilator cu un singur debit specific, cu debit mare, este situat între compresoarele de presiune înaltă (HP) și de presiune mică (LP) ale unui miez de turboreactor. Doar aerul de bypass este permis să treacă prin ventilator, fluxul de ieșire al compresorului LP trecând prin pasaje speciale din discul ventilatorului, direct sub palele rotorului ventilatorului. O parte din aerul de bypass intră în motor printr-o admisie auxiliară. În timpul decolării și apropierii, motorul se comportă la fel ca un turboventilator civil normal, cu un nivel acceptabil de zgomot al jetului (de exemplu, o tracțiune specifică scăzută). Cu toate acestea, pentru croaziera supersonică , paletele de ghidare a admisiei variabile ale ventilatorului și închiderea admisiei auxiliare pentru a minimiza debitul de ocolire și a crește împingerea specifică. În acest mod, motorul acționează mai mult ca un turboreactor „ scurgător ” (de exemplu, F404 ).

În conceptul Turbofan cu flux mixt cu ejector, un motor cu raport de bypass redus este montat în fața unui tub lung, numit ejector. Acest dispozitiv de amortizare a zgomotului este desfășurat în timpul decolării și apropierii. Gazele de evacuare cu turbofan induc aer suplimentar în ejector printr-o admisie de aer auxiliară, reducând astfel forța specifică / viteza medie a jetului evacuării finale. Designul cu flux mixt nu are avantajele designului ventilatorului mid-tandem în ceea ce privește eficiența la viteză redusă, dar este considerabil mai simplu.

În motoarele de avioane de luptă, un concept emergent este arhitectura cu trei fluxuri, unde un al treilea flux de bypass poate fi utilizat pentru a crește raportul de bypass atunci când este necesar consumul de combustibil sau pentru a avea un flux de aer suplimentar direcționat către miez pentru o putere mai mare. În cadrul programului Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE), forțele aeriene ale SUA și partenerii din industrie au dezvoltat acest concept în cadrul Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) și în continuare, Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) și Adaptive Engine Transition Program (AETP) ). Exemple de motoare cu trei curente includ General Electric XA100 și Pratt & Whitney XA101 , precum și sistemul de propulsie pentru următoarea generație de dominanță aeriană (NGAD) care este dezvoltat în cadrul programului de propulsie adaptivă de nouă generație (NGAP).

Alte aplicații

O altă aplicație care ar putea beneficia de abordarea VCE este aeronava de luptă. În mod normal, proiectanții trebuie să facă un compromis cu privire la tracțiunea specifică a motorului. Dacă aleg un impuls specific ridicat, consumul specific de combustibil pentru reîncălzire (SFC) va fi foarte bun, dar SFC uscat slab. O forță specifică ridicată implică un raport ridicat al presiunii ventilatorului, ceea ce indică o temperatură ridicată a duzei în putere uscată. În consecință, creșterea impulsului la reîncălzire este relativ scăzută. Prin definiție, atât nivelurile de împingere uscate, cât și de reîncălzire sunt bune.

Opusul este valabil pentru un motor cu tracțiune specifică scăzută - adică SFC de încălzire slabă, SFC bun uscat și strâns, un impuls de reîncălzire bun și, prin definiție, tracțiune de uscare mică și reîncălzită.

Un motor cu tracțiune specifică mare ar favoriza o aeronavă care necesită o durată bună în lupta reîncălzită, dar ar fi penalizată pe raza de acțiune disponibilă în putere uscată.

Pe de altă parte, un motor cu tracțiune specifică scăzută ar favoriza o aeronavă cu necesitatea unei distanțe mari în puterea uscată, dar ar compromite timpul petrecut în lupta reîncălzită.

Astfel, proiectanții de motoare trebuie adesea să facă un compromis asupra tracțiunii specifice motorului.

Cu toate acestea, Combat VCE ideal ar avea presiunea de reîncălzire ridicată / SFC de reîncălzire bună asociată cu un motor cu presiune specifică ridicată, dar ar avea SFC-ul scăzut al unui motor cu propulsie specifică scăzut în putere uscată și restrâns. Elaborarea unui astfel de motor este dificilă. Cu toate acestea, General Electric a dezvoltat un motor cu ciclu variabil, cunoscut sub numele de GE37 sau General Electric YF120 , pentru competiția de avioane de luptă YF-22 / YF-23 , la sfârșitul anilor '80. GE a folosit un aranjament Double Bypass / Hybrid Fan, dar până în prezent nu a dezvăluit niciodată cu exactitate modul în care au exploatat conceptul. Deși YF120 a fost un motor bun (posibil mai bun) în zbor, SUA a greșit cu precauție și a ales mai convenționalul Pratt & Whitney F119 ca motor pentru producția Lockheed Martin F-22 Raptor .

Referințe