Can kraften hos en turbofan ökas genom att öka bypass-förhållandet?

Montera en större fläkt gör två saker till motorns drivkraft:

Men det finns mer: Utgångshastigheter vid munstycket minskar och ett större intag krävs, eftersom större fläkt behöver mer luft. Att öka bypass-förhållandet innebär att du tar en del av kinetisk energi av kärnflödet och omvandla detta till ett högre flödesmassaflöde.

Om vi tittar på formeln för den framdrivande effektiviteten $ \ eta_p $ av en luftandningsmotor: $$ \ eta_p = \ frac {v _ {\ infty}} {v _ {\ infty} + \ frac {\ Delta v} {2}} $$ där $ v _ {\ infty} $ är motorens hastighet och $ \ Delta v $ hastighetsökningen av gasen som flyter genom motorn blir hastighetsberoende klart: När $ v _ {\ infty} $ är låg, gör en mindre $ \ Delta v $ som verkar på ett högre massflöde motorn effektivare . När $ v _ {\ infty} $ är hög, försvinner emellertid denna effekt, och nu blir den mindre motorn med ett mindre och lättare intag mer attraktivt.

När motorns kärna blir densamma, fortsätter dess bränsleförbrukning att vara densamma, men den större fläkten kommer att skapa större kraft, särskilt vid låg hastighet. Kärnmassaflödet blir detsamma oavsett fläktstorlek och mängden bränsle för att värma detta massflöde kommer inte heller att förändras.

Eftersom effektiviteten definieras som drivkraft per bränsleförbrukning, desto större fläkt ökar effektiviteten.

GE använde kärnan i F101-motorn som kärnan i CFM56 (med vissa modifikationer, förmodligen). Kärnan i en turbofan består av högtryckskompressorn, förbränningskammaren och högtrycksturbinen. I det här fallet pratar vi om en HPC i 9 steg och en enstegs HPT. Allt annat var nyutvecklat för high-bypass turbofan.

Till skillnad från att bara sätta en större fläkt på lågtrycksaxeln är detta möjligt eftersom högtryckskomponenterna och lågtryckskomponenterna är relativt oberoende i en turbofan, dvs kärnan i motorn påverkas inte för mycket av storleken på fläkten, förbikopplingsförhållandet eller andra ändringar i lågtrycksområdet.

Den nya lågtrycksturbinen (4-steg i stället för 2-steg) kan arbeta med lägre varvtal och överföra mer avgasenergin från motorkärnan till den större fläkten (avgasen som kommer ut ur den nya LPT är förmodligen svalare och långsammare än den som kommer ut ur F101 LPT). Den nya lågtryckskompressorn ökar det totala tryckförhållandet och ökar därigenom mängden energi som går till lågtryckskompressorn och fläkten, vilket förbättrar den totala effektiviteten. Detta är förmodligen möjligt eftersom CFM56s icke-supersoniska operativa kuvert betyder att intagningslufts totala temperaturer blir mycket lägre så att samma EGT-marginal kan uppnås med ett högre tryckförhållande. Med andra ord, eftersom den inkommande luften är kallare, kan den komprimeras ytterligare utan att skada högtrycksturbinen eftersom den är för varm.

CFM56: s statiska drivkraft är 19500 lbf, vilket är cirka 15% från F101: s 17000 lbf utan efterbrännare. Medan en liten del av detta sannolikt är en aerodynamisk förlust på grund av den oanvända efterbränningskammaren, måste det mesta härröra från bättre användning av den energi som motorens kärnutblåsning erbjuder i den större fläkten. Skillnaden kan till och med vara högre eftersom maximal dragkraft för F101 kan justeras för en mycket lägre genomsnittstid mellan affärsbesök. Jag är inte säker på det dock.

Detta visar att den största fördelen med motorens höga bypass-lågtryckssektion är en signifikant ökad bränsleeffektivitet, en ökning av den statiska kraften och (mycket) lägre ljudnivåer. F101, å andra sidan, kan arbeta med högre hastigheter, producera mer dragkraft vid höga hastigheter, är lättare och har ett mycket mindre tvärsnitt.

(Redigerad per kommentar av fot, tack för att du hittat källan.)