Can high-bypass turbofans kryssning vid hög höjd?

17

De har talat i flera år om att omforma B-52 med något mer modernt än TF33-P-3 / JT3D turbofans, som är ganska låga förbikopplingar (1.42: 1 för JT3D).

Moderna motorer är mycket högre bypass - som GE Passport på 5,6: 1, liknande CF34 - i samma viktklass och drivkraft som TF33. En större motor som LEAP har ett ännu högre bypass-förhållande, t.ex. 11: 1.

Nu har B-52 ett publicerat driftloft på 50 000 fot. 737, A320, Bombardier RJs etc. har ett tak på 41.000.

Men KC-135s, som är återanpassad med halvmoderna CFM56-hög-bypass turbofans, har ett tak på 50.000 fot.

Så jag är förvirrad. Förbikopplingsförhållandet påverkar flygplanets praktiska tak? Kan B-52 flyga till nuvarande spec med motorer som GE Passport?

En sidfråga ... TF33 hävdar a specifik bränsleförbrukning på 0,56 lb (lbf-h). Jag kan inte tycka att hitta den siffran på de senaste bypass-turbofansna. Är det inte tillämpligt på hög-bypass turbofans? Om inte, finns det ett livskraftigt sätt att se vad en modern motor skulle göra för B-52s sortiment?

    
uppsättning Harper 15.11.2017 07:17

3 svar

25

Ja i princip, men vissa ändringar är tillrådliga.

Vad begränsar den maximala drifthöjden för en jetmotor (förutom den kraft som behövs för att klättra uppe) är förbränningskammarens längd och det absoluta trycket i luften som kommer in i den. Eftersom atmosfärstrycket sjunker med höjd och Kompressorns kompressionsförhållande stannar konstant , det absoluta trycket i förbränningskammaren sjunker med höjd.

För att förbränning ska äga rum, måste de bränsledroppar som injiceras i luftströmmen först avdunsta. Detta blir lättare genom högre temperatur och tryck, och ju lägre båda är, ju mer uppehållstiden för bränsle / luftblandningen (varning, PPT-länk) i förbränningsanordningen krävs för bra förbränning. Längre brännare har högre tryckförluster och väger mer, så motordesigners försöker begränsa deras längd.

Bara gasning kan redan orsaka att tändningen stannar vid hög höjd. Om en utflamning uppstår kyls motorn snabbt och en omstart vid en lägre höjd är kanske inte möjlig. Turbofans lämpliga för höghöjdsoperationer använder speciella åtgärder för att stabilisera flamman . När de är på plats, finns det ingen anledning att B-52 inte kan fortsätta att flyga vid 50 000 ft.

    
svaret ges 15.11.2017 08:47
10

Om vi definierar drivkraft T för en turbofan som

$$ T = \ dot {m} \ cdot (V_e - V_0) $$

med:

  • $ \ dot {m} $ = totalt massflöde genom både gasgeneratorn och fläkten
  • $ V_e $ = genomsnittlig avgashastighet
  • $ V_0 $ = flyghastighet

vi kan se att tryckkraften är proportionell mot massflödet. Vid högre höjd är luftdensiteten lägre, så massflödet genom motorn är lägre, men så länge som förbränningen kan bibehållas, kan motorn i höjdpunkten fortfarande leverera en bråkdel av dess havsnivåkraft. Denna fraktion måste vara tillräcklig för att driva flygplanet i kryssningsfartyg naturligtvis, plus överskridande klättringseffekt för att nå kryssningshöjden, så att drivkraft måste vara tillräckligt för detta. Bara en fråga om dimensionering av motorn.

Luftfartygets operativa tak är en funktion av vingegeometrin: vingebelastning, bildförhållande, vingeprofil, avsmalningsförhållande, vridning. För ett visst flygplan som är omkopplat, skulle driftstaket inte förändras.

Bypass-motorn drivs av en gasgenerator, som är identisk med en turbojet med en enda ström - de operativa gränserna för den högre bypassmotorn är desamma som för en enstaka turbojet.

    
svaret ges 15.11.2017 08:27
9

Även om motorerna självklart kommer att vara viktiga för att ett flygplan ska kunna nå sitt tak, har valet av serviceloft mer att göra med flygplanet än motorerna i det här fallet.

Flygplan är utformade för att vara ekonomiskt att driva. Flyga högre sätter mer stress på skrovet för att upprätthålla samma hytttryck. För att skydda mot de högre riskerna vid dekompression kan föreskrifter om akustiska syrgasleveranser ha högre krav på flygplan som flyger så högt. Peter diskuterar problemen i motordesign för dessa höjder. Alla dessa kostnader är bara inte några fördelar med att flyga högre. Se också: Varför är många jetflygplan utformade för att kryssa runt FL350-370? , inklusive ett annat bra svar från Peter.

Militära flygplan är utformade för olika krav. De kommer inte att ackumulera flygcykler nästan lika snabbt som en flyglinje, vilket minskar belastningen på skrovet. När det gäller B-52 trycks endast de besatta områdena i framkroppen, vilket minskar den nödvändiga armeringsgraden. Således är kostnaderna lägre och militära flygplan har större betoning på prestanda, vilket ger incitamentet för högre tak. Affärsstrålar har samma högpresterande krav på låga krav.

Du nämner CFM56 och GE Passport. Som du noterar använder 737 och A320 CFM56-motorn och har lägre tak, medan KC-135R har ett tak på 50 000 fot. GE Passport har Bombardier Global 7000/8000 som har service tak på 51 000 fot. Så det finns ingen anledning att tvivla på att höga bypass turbofans kan fungera vid dessa höjder.

Tryckspecifikt bränsleförbrukning (TSFC) är mycket beroende av förhållandena. Det är tillgängligt om du spenderar lite tid men du måste vara försiktig med att du jämför samma villkor. Den här webbplatsen innehåller militära flygmotorer. JT3D / TF33 av den ursprungliga KC-135 och B-52 är cirka 0,535 lb (lbf-h). F108-CF-100 på KC-135R är listad vid 0,6363 lb (lbf-h).

Denna tabell innehåller specifikationer för kommersiella jetmotorer.

    
svaret ges 15.11.2017 18:20