התפתחות מנועים של טורבופן ג'ט: החל מעיצובים מוקדמים לחדשנות המודרנית

התפתחות מנועי סילון טורפים הפכה את התעופה, מה שהופך את האוויר לנוע מהר יותר, יעיל יותר, יותר בר קיימא יותר מאי פעם.מטיפוסים הגסים הראשונים של המאה ה -20 עד היום אולטרה-גבוה-על-ידי מעבר-על-ידי תחנות כוח, טכנולוגיה טורפית התפתחה באמצעות חדשנות הנדסית ללא רחמים. מאמר זה עוקב אחר אבני הדרך המרכזיות באבולוציה זו, חוקר את פריצות הדרך המודרניות שמגדירות את המנועים, ורואים קדימה, הדור הבא של מערכות מונעות, קדימה, כמו גם את המנועים, הדור הבא.

מקור טכנולוגיית טורבופן

מנועי סילון מוקדמים היו טורחוחים, אשר שואבים רק זרם גבוה של ממצה.בעוד פשוט ויעיל במהירויות גבוהות, זעזועים הם בלתי יעילים לחלוטין במהירויות תת-קולוניות ומייצרים רעש ניכר.מהנדסים הבינו בקרוב כי העטיפה של דוקטראט עם מאוורר סביב מנוע הליבה יכול לשפר את היעילות והרעש על ידי העברת מסה גדולה יותר של אוויר במהירות נמוכה יותר.

העבודה החמורה הראשונה על מנועי עקף החלה בשנות ה-40.בבריטניה, הצוות של סר פרנק וויטטלה ניסה עם עיצוב מעריצים מנוקד, בעוד בגרמניה, הנס פון אורן חקר גם רעיונות דומים. עם זאת, לא עד שנות החמישים כי סטיות מעשיות נכנסו לייצור.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.Oen, אך ורק לאחר ש-420 מדדי של דלק מודרני נכנסו ל-Rand-R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.

מעבר לאטלנטיק, פראט ויטניק פיתחו את ה-JT3D turbofan, נגזרת של JT3C turbojet, אשר הפעילה את בואינג 707 ואת ה-D2D דאגלס DC-8.The JT3D השיג יחס עקף של כ-1.4:1 וסיפקה ירידה של 15-20% בצריכת דלק מסוימת בהשוואה למנועי מוקדם אלה הוכיחו על ידי העיקרון העליון של המהפכה.

עיצובים מוקדמים ואתגרים

הדור הראשון של טורפים, בעוד מוצלח, נתקל כמה אתגרים בלתי ניתנים לעצירה.יחסי עקף היו נמוכים (בדרך כלל בין 0.3:1 ל- 2.0:1) כי יחסים גבוהים יותר נדרשים דיסקים גדולים יותר, כבדים יותר ומבנים המכילים חזק יותר.חומרי שנות השישים – בעיקר אלומיניום וסגסוגת פלדה - מהירות מוגבלת וסיבובית.

רעש היה בעיה חריפה במיוחד.המטוס המנשגב מההבהב מעורבב עם האוויר הקרן, יצירת רעשים עזים של טרה-שכבות. קהילות ברחבי שדות תעופה מחוננות, ובשלהי שנות ה-60 החלו ממשלות להטיל סטנדרטים נוקשים של אישור רעש.יצרניות מנוע הגיבו על ידי הצגת קושרים אקוסטיים, מתפצלים, ונרסים נוספים כדי להפחית את הרעש במקור.

אתגר גדול נוסף היה העיצוב המכאני של המעריצים עצמם.מעריצים המוקדמים השתמשו בלהבות מתכת מוצקות שהיו כבדות ונטוות לעייפות סדקים.הפסדים אווירדינמיים בטיפ המעריצים ושורש יעילות נוספת של המהנדסים בילו שנים מחדש את צורות הלהב, שילוב של שריטות באורך חלקי, ופיתוח שיטות החזקות יותר לדיסק המסתובב.

חידושים מודרניים במנועי טורבופנט

מנועי הטורפן הגדולים של היום משיגים יחס עקיף של 10:1 או גבוה יותר, עם קוטרים מעריצים מעל 130 אינץ ' (3.3 מ') מנועי אלה הם פלאים של חומרים מדע, אווירודינמיקה, ובקרת דיגיטלית.החידושים שהופכים אותם לאפשריים יכולים להיות מחולקים לארבעה תחומים מרכזיים: חומרים מתקדמים, גיאומטריה משתנה, בקרה דיגיטלית, והפחתה של רעש.

חומרים מתקדמים וייצור

אולי השיפור הדרמטי ביותר היה בחומרים. להבים של מעריצים מודרניים עשויים לעתים קרובות מתרכובות פחמן- סיביים, כגון להבים מורכבים קלים שפותחו על ידי GE תעופה עבור GE90 ו- GEnx מנועי. להבים אלה חזקים וקלים יותר מקודמי המתכת שלהם, ומאפשרים לקוטרים גדולים יותר ללא עונש פרופורציונלי.

בתוך הליבה של המנוע, להבים טורבינות להתמודד עם טמפרטורות כי עולה על נקודת ההיתוך של superalloys מבוסס ניקל.הפתרון הוא שילוב של ליהוק יחיד-קריסטל - אשר מבטל את גבולות דגנים כי מחלישים את המתכת - ואת מעברים פנימיים מורכבים לתוך אשר מדמם זרימת אוויר מדחסן.הציפוי מחסום מסיבי של חומרים קרמיקה עוד להגן על הלהבים.

ייצור תוספתי (3D הדפסה) משמש כעת לייצור צינורות דלק מורכבים, קובוס, ודירות חיישן שהיו בעבר בלתי אפשרי למכונה.לדוגמה, מנוע LEAP של GE משתמש ב- 3D-printed דלק nozzles אשר להפחית ספירה חלק מ 20 עד 1 ו-25% פחות.מגמה זו היא מאיצה: מנוע רולס-Ros-Tcetrent 1000 משתמש בתוסף לייצור שמנים אחרים ורכיבי שמן.

מגוון רחב של גיאומטריה ואירודינמיקה מתקדמת

להבים מעריצים שונים עדיין אינם נפוצים, אבל משתנים מדריך נדרים ותנודות משתנים בדחיסה הם סטנדרטיים.אלה מאפשרים למנוע להתאים את זרימת האוויר עבור שלבים שונים של טיסה, שיפור שולי עלייה ויעילות על פני המעטפה התפעולית.

הרעיון של טורף ממוצב, חלוצי על ידי Pratt & Whitney במשפחת PW1000G (PurePower) מייצג שינוי צעד אדריכלות.על ידי הוספת תיבת הילוכים מופחתת בין המעריצים לבין טורבינות בלחץ נמוך, המאוורר יכול לסובב במהירות איטית ויעילה יותר, בעוד טורבינות פועל במהירות גבוהה, דינמיט.

בקרת מנועים דיגיטלית (FADEC)

טורפים מודרניים מנוהלים על ידי מערכות FADEC לפקח על כל מה שיש לו מצמיד לטמפרטורת גז ממצה. FADEC מאמת את זרימת הדלק, הגיאומטריה משתנה, ודממות מיליוני פעמים לטיסה, להבטיח ביצועים אופטימליים, אמינות והורדת עומס עבודה של הטייס.זה גם מספק נתונים הקשורים לבריאות המאפשרת לחברות תעופה לחזות צרכים תחזוקה, מצמצם את הזמן הלא מצופה.

חידוש טכנולוגיות

רעש מטוסים מוסדר מאוד על ידי גופים כגון ארגון התעופה הבינלאומי (ICAO) ו יצרני FAA. Turbofan פיתחו ארסנל של פתרונות כדי לעמוד ב-שלב 4 ו-שלב 5 (פרק 14) גבולות רעש. Chevrons - דפוסים גלויים על קצה קצה קצה של תא הטלבות ואת ליבת מיצוי - שילוב של חם קר, צמצום צינורות סילון עם קו רפלקטים פנימיים.

מיקום המנוע על מסגרת האוויר גם כן. על מטוס גוף מודרני כמו בואינג 787 ו- Airbus A350, המנועים רכובים עם תא ארוך יותר ופיילון עבה יותר היישר כדי להגן על המעריצים מתעורר האגף, צמצום רעש קורנ קדימה. משולב, אמצעים אלה הפחיתו רעש מטוסים על ידי 75-80% במהלך 40 השנים האחרונות, אפילו ככל שהתנועה גדלה באופן דרמטי.

השפעה על תעופה מסחרית

השינוי מעיצובים גבוהים של חברת התעופה ו-Rio-ratio היה השפעה עמוקה על כלכלת החברה וביצועים סביבתיים.יעילות הדלק עבור נוסעים-קלומטה השתפרה בכ-50% מאז שנות ה-60, עם טורפינים האחראים על כמחצית מהרווחים האלה. אורכו של זמן ארוך יותר הם כעת אפשריים: חברת תעופה מודרנית-מנועית-מנועי כמו 777-עשר ק"מ, אשר יכולה להיות בעלת יכולת דלק של כ-48 ק"מ-64 אלף ק"מ.

שריפת דלק נמוכה מפחיתה ישירות פליטות פחמן דו חמצני. במקביל, שיפורים בטכנולוגיית הבעירה הפחיתו את תחמוצת החנקן (NOx) על ידי עד 80% בהשוואה לטרפוחיות מוקדמות, ופליטות חלקיקים נמסו באמצעות זיהום דלק טוב יותר.המגמה ברורה: כל דור חדש של טורף הוא נקי יותר מאשר הקודם, למרות קצב השיפור חייב להאיץ את מטרות האפס.

ההשפעה הכלכלית משמעותית באותה מידה.עלויות דלק נמוכות ואמינות גבוהה יותר של חברות תעופה אפשרו לחברות תעופה להציע מחירים זולים יותר, דמוקרטיזציה של נסיעות אוויר.מספר הנוסעים הנערכים מדי שנה גדל מ -100 מיליון בשנות ה-60 ל-4.5 מיליארד כיום - גידול שהיה בלתי אפשרי ללא יעילותו של טורף.

עתיד טכנולוגיית טורבופן

למרות שישה עשורים של זיכוך, מנועי טורפיאן עדיין יש מקום לשיפור. מאמצי המחקר והפיתוח מרוכזים בשלוש חזיתות: הגדלת יחס העקף אפילו יותר, שילוב דלקים תעופה בר קיימא (SAF), וחוקרים אדריכלות היברידית-חשמלית או חשמלית מלאה.

Ultra-High-Bypass-Ratio (UHBR) עיצובים

הדור הבא של טורפים, כגון CFM International RISE (חדשנות אבולוציונית עבור מנועי בר קיימא) תוכנית פראט ו Whitney GTF Advantage, יעד לעקוף את היחס בטווח של 15:1 עד 20:1 כדי להכיל מעריצים גדולים יותר, יצרני מנוע מאמצים פריסת מנוע פתוח יותר - יש צורך נלהב מאוד עם תא קצר מאוד, גמגם קצר מאוד, לעומת 30 מנוע פתוח או מנוע פתוח, יכול גם כן, 000 מנוע פתוח, 000 יכול להיות פתוח, עם מנוע פתוח, או לא יכול להיות מסוגל לספק את הפחתת שירות ללא ספק פתוח יותר, או מנוע פתוח, או מנוע פתוח יותר, עם מנוע פתוח, 000.

אדריכלות חלופית כוללת את הטורפן המכוון עם תיבת הילוכים שנייה (מאוור "התרשים" או את השימוש ב"שליש" (דיסקה מגובשת) עבור דחיסה בלחץ נמוך כדי להפחית משקל וספירה חלקית גם חומרים ימשיכו להתפתח: מאטריקס מקרפלקסים (CMCs) כבר בשימוש בקוים ופסים, ואת היישום שלהם כדי לאפשר חלקים נוספים אוויריים אפילו לא יכול להיות קירור.

דלקים תעופה בר קיימא ו Hydrogen

דלקי תעופה בר קיימא (SAF) שמקורם בשמנים פסולת, שאריות חקלאיות, או תהליכים סינתטיים יכולים להפחית את פליטת מחזור החיים CO2 עד 80% בהשוואה לדלק סילון קונבנציונלי. Turbofans תואמת לחלוטין לשילובים של SAF כיום, וחברות תעופה רבות מחויבות להגדיל את השימוש ב-SAF. עם זאת, אספקת SAF מוגבלת ויקרה, ואת צפיפות האנרגיה של רוב SAFs היא מעט נמוכה יותר מאשר neker.

הבעירה מימן היא אופציה רדיקלית יותר. Airbus הודיעה על תוכניות עבור מטוס המופעל מימן, ZERO, אשר יכול להשתמש turbofans שריפת מימן גזי.מחיש מימן על הסיפון דורש גם טנקים נוזלי בכפגניים ב -253 ° C או מיכלי גז בלחץ גבוה, שניהם יכולים להטיל נפח ועונשי משקל.

הדחף האלקטרו-חשמלי

מערכות היברידיות-חשמליות משתמשות בטורבינה גז כדי להניע גנרטור, המספק כוח למכוניות חשמליות שמניעות מעריצים.זה מרתיע את המעריצים מהטורבינה בלחץ נמוך, ומאפשר לכל רכיב לרוץ במהירות אופטימלית שלו ומאפשר אדריכלות חדשנית כגון Propulsion מבוזר. פרויקט E-Fan X, שיתוף פעולה בין Airbus, רולס-Roce, ו- Siemens, נבדקו 2MW-Power-electric-Retros-train לפני תחילתו של מטוס אוויריאטריאטריאטרי, כולל אווירי אווירי אווירי אווירי, כולל אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי קצר, כולל אווירי, אווירי, כולל אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי, ומטוסים אווירי, ומטוסים אווירי, כולל אווירי, אווירי אווירי, אווירי, אוויר היברידי, אווירי אווירי אווירי אווירי, ומטוסים אווירי, כולל אווירי אווירי, ומטוסים היברידי, כולל אווירי אוויריוריטרי, ומטוסים חשמליים, כולל אווירי אוויר היברידי, ומטוסים היברידי, כולל אוויר היברידי, כולל אווירי אוויר-אווירהוריטריים אוויריוריים אוויריוריטריים חשמליים, אוויר-אוויר עם אוויר-אוויר

בעוד טיסה חשמלית מלאה עבור חברות תעופה גדולות נשאר רחוק כי גבולות צפיפות האנרגיה של סוללות, מערכות היברידיות-חשמליות יכול להיות מוכן עבור 50-100 מטוסים מושב עד סוף 2030.עיצובים אלה עדיין להסתמך על ליבה הסוערת עבור רוב הדחף, אבל המנוע החשמלי יספק דחיפה עבור לקיחת וטפס, צמצום דלק ורעש.

האבולוציה של מנוע סילון טורף רחוק ממעל.מרעיונות הראשונים של שנות ה-40 ועד למושגים מתקדמים של מחר, כל דור הביא שיפורים ניכרים ביעילות, רעש וביצועים סביבתיים.האתגר עכשיו הוא להמשיך במסלול הזה תוך מעבר למגזר התעופה של אפס פחמן.