Физика движения: основы тяги

Тяга — это сила, которая перемещает самолет вперед по воздуху, преодолевая сопротивление и обеспечивая полет. На самом фундаментальном уровне тяга является результатом ускорения массы воздуха или выхлопных газов в противоположном направлении движения — прямое применение третьего закона Ньютона: для каждого действия существует равная и противоположная реакция. Математическая экспрессия для тяги дается F = μ × (V]exit — Vinlet + (pexit — pinletexit, где μ — массовый расход воздуха через двигатель, Vexitexitexitinletinletin

В реактивном двигателе тяга генерируется в первую очередь за счет создания высокоскоростного потока выхлопных газов. Двигатель поглощает воздух, сжимает его, добавляет топливо и сжигает смесь, производя горячие газы, которые расширяются и ускоряются через сопло. Высокая скорость выхлопных газов создает большое изменение импульса на единицу массы воздуха, что приводит к высокой тяге на единицу воздушного потока. Напротив, турбовинтовой двигатель использует газовую турбину для привода винта, который ускоряет гораздо большую массу воздуха до более низкой скорости. Лопасти винта действуют как вращающиеся крылья, генерируя подъем в направлении вперед. Общая тяга от турбовинтового двигателя исходит как от воздушного эффекта пропеллера, так и от небольшого количества остаточной реактивной тяги от выхлопа двигателя.

Понимание этих контрастных подходов имеет важное значение для выбора правильной двигательной системы для данного профиля миссии. Реактивный двигатель превосходит на высоких скоростях и высотах, где его высокая скорость выхлопа становится преимуществом, в то время как турбовинтовой двигатель обеспечивает превосходную двигательную эффективность на более низких скоростях и высотах, потому что он придает меньше кинетической потери энергии на будке. Эта статья подробно рассматривает механизмы, эксплуатационные характеристики и реальные применения каждого типа двигателя.

Двигатели: Высокоскоростное поколение тяги

Турбореактивный цикл

Турбореактивный двигатель является простейшей формой газотурбинного двигателя, используемого для движения самолёта. Воздух поступает через впуск, проходит в компрессор, где сжимается до высокого давления, затем поступает в камеру сгорания, где впрыскивается и сгорает непрерывно. Получающийся в результате высокотемпературный газ высокого давления расширяется через турбину, которая извлекает достаточную мощность для привода компрессора. Оставшийся газ ускоряется через сходящееся или сходящееся с расходом сопло, производя высокоскоростную струю, генерирующую тягу.

Выход тяги в турбореактивном двигателе сильно зависит от скорости выхлопа относительно скорости движения самолета вперед. Поскольку компрессор и турбина рассчитаны на соотношения высокого давления, турбореактивные двигатели достигают скоростей выхлопа, которые могут превышать 2 Маха на уровне моря и 3 Маха или выше в послесжигающих военных вариантах. Однако это происходит по стоимости: высокая кинетическая энергия выхлопа представляет собой значительную потерю термодинамической эффективности, особенно при низких скоростях полета. Турбореактивные двигатели в значительной степени были заменены турбореактивными двигателями в коммерческой авиации, но они остаются важными в сверхзвуковых военных самолетах и ракетах.

Турбофановая эволюция

Турбофан добавляет большой вентилятор с воздуховодом в передней части двигателя, приводимый в действие дополнительной турбиной низкого давления. Вентилятор ускоряет часть поступающего воздуха вокруг ядра (поток ], в то время как остальная часть поступает в ядро для сжигания. Соотношение обхода (BPR) сравнивает массовый поток воздуха обхода с тем, что через ядро. Турбофаны с высоким коэффициентом обхода (BPR 8-12) распространены на современных авиалайнерах, таких как Boeing 787 и Airbus A350, где вентилятор производит около 80-90% общей тяги. Выхлоп ядра обеспечивает остаток.

Ключевым преимуществом турбовентилятора является улучшенная двигательная эффективность. Ускоряя большую массу воздуха до более низкой скорости, чем чистый турбореактивный двигатель, двигатель тратит меньше энергии в выхлопе. Это снижает удельный расход топлива (SFC), обеспечивая при этом высокую тягу для взлета и подъема. Компромисс - увеличенная лобная площадь и вес, что ограничивает максимальную скорость до 0,85-0,90 Маха, но медленнее, чем турбовинтовые двигатели, но медленнее, чем сверхзвуковые турбореактивные двигатели. Турбовентиляторы также эффективно работают на больших высотах (35 000 - 40 000 футов), где воздух тонкий, потому что вентилятор все еще может поглощать большой объем воздуха.

Производство тяги в реактивных двигателях: ключевые факторы

  • Скорость потока массы (м): Больше воздуха через двигатель увеличивает тягу. Соотношение давления компрессора и диаметр вентилятора являются основными детерминантами.
  • Скорость выхлопа (V]выход): Более высокая скорость выхода увеличивает тягу, но снижает эффективность.Турбофаны тщательно уравновешивают Vвыход и массовый поток.
  • Конструкция сопла: Конвергентные сопла заглушают поток на Махе 1; конвергентно-дивергентные сопла позволяют сверхзвуковое расширение для двигателей после сжигания.
  • Послегорельцы: Дополнительное топливо, впрыскиваемое в выхлопной канал, увеличивает тягу на ~50% для турбореактивных двигателей, но при резком штрафе за расход топлива.

Современные турбовентиляторы достигают уровней тяги от 20 000 до более 100 000 фунтов на галлон (89-445 кН). Например, турбовентилятор с приводом Pratt & Whitney PW1000G использует редуцированную коробку передач между вентилятором и турбиной низкого давления, что позволяет обеим работать на оптимальных скоростях. Эта конструкция повышает топливную эффективность на 10-15% по сравнению с более ранними двигателями.

Турбовинтовые двигатели: высокий массовый поток, низкая скорость

Газовая турбина с пропеллером

Турбовинтовой двигатель состоит из ядра газовой турбины, аналогичного турбореактивному, но турбина извлекает большую часть тепловой энергии выхлопа, чтобы повернуть вал. Этот вал приводит в действие редукторную коробку передач, которая, в свою очередь, вращает большой многолопастный винт со скоростью, намного меньшей, чем скорость вращения турбины - обычно 1000 - 2000 оборотов в минуту для больших винтов против 10 000 - 15 000 оборотов в минуту для силовой турбины. Лопасти винта - это воздушные фольги, которые генерируют передний подъем (трус) при вращении через воздух.

Тяга от турбовинтового двигателя принципиально отличается от реактивного двигателя. Пропеллер ускоряет большой объем воздуха назад, но увеличение скорости является скромным - обычно на 50-150 узлов быстрее, чем воздушный поток. Поскольку изменение импульса распространяется на гораздо больший массовый поток, турбовинтовой двигатель достигает высокой тяги на низких скоростях вперед, что делает его исключительно эффективным для взлета и первоначального подъема. Небольшое количество остаточной тяги струи от выхлопа турбины (обычно 5-15% от общего объема) добавляет незначительное повышение.

Движущая эффективность и роль пропеллера

Движущая эффективность ηp определяется как отношение полезной мощности тяги (скорость полёта) к скорости добавления кинетической энергии к воздушному потоку. Для данного уровня тяги ускорение большой массы воздуха до небольшого увеличения скорости даёт более высокую ηp, чем ускорение малой массы до высокой скорости. Турбовинты работают в сладком месте, где скорости полёта ниже примерно 0,6—0,7 Маха (400—500 миль в час). На таких скоростях пропеллер может поддерживать высокое передовое отношение (скорость полёта, деленная на скорость наконечника винта) и избегать потерь сжимаемости на лезвии.

Другим критическим параметром является погрузка диска — тяга на единицу площади, пройденную пропеллером. Турбовинтовые двигатели имеют низкую загрузку диска (около 50-150 фунтов / фут2) по сравнению с высокой загрузкой диска турбореактивного двигателя (тысячи фунтов / фут2). Низкая загрузка диска приводит к меньшему увеличению скорости в потоке скольжения, что снижает индуцированное сопротивление и шум. Вот почему турбовинтовые двигатели предпочтительны для ближнемагистральных, региональных и грузовых операций, где топливная эффективность на более низких высотах имеет наибольшее значение.

Компоненты Turboprop Thrust

  • Толчок пропеллера: Основная сила, создаваемая подъемом лопасти. Контролируемые пропеллеры (постоянная скорость) оптимизируют угол лопасти для различных фаз полета.
  • Остаточная реактивная тяга: Выхлопные газы от выхода турбины через сопло. Это обеспечивает 5-15% общей тяги, более заметной при высоких настройках мощности.
  • Редукционная коробка передач: Позволяет силовой турбине работать на высокой скорости (эффективно для газового цикла), в то время как пропеллер работает на более низкой скорости (эффективно аэродинамически).

Современные турбовинтовые двигатели, такие как Pratt & Whitney Canada PT6A и серия GE H80, вырабатывают мощность вала от 500 до 5000 л.с. (373-3 728 кВт). Полученная тяга при взлете может варьироваться от 2000 до 15 000 фунтов стерлингов (9-67 кН), в зависимости от самолета. Например, ATR 72-600, региональный турбовинтовой двигатель, использует два двигателя PW127M, каждый из которых производит 2750 л.с., генерируя комбинированную взлетную тягу около 12 000 фунтов стерлингов.

Сравнение: Jet Engine vs. Turboprop Thrust

ParameterTurbojet / Turbofan (Jet)Turboprop
Primary thrust mechanismHigh-velocity exhaust gas jetPropeller accelerating large air mass
Exhaust velocity800–2,000+ mph (subsonic/supersonic)50–150 mph increase above flight speed
Mass flow processedModerate (core + bypass)Very high (propeller swept area)
Specific thrust (thrust per unit airflow)HighLow
Propulsive efficiency sweet spotMach 0.7–0.95 (turbofan); supersonic (turbojet)Mach 0.2–0.6
Optimum altitude30,000–45,000 ft10,000–25,000 ft
Thrust specific fuel consumption (TSFC)0.3–0.6 lbm/lbf-hr at cruise0.45–0.7 lbm/lbf-hr (but higher at low speeds)
Noise levelsHigh jet noise; fan noise dominant in turbofansLower noise (propeller tip speed controlled)
Thrust-to-weight ratio (engine only)5:1 to 8:1 (turbofan)2:1 to 4:1 (including gearbox & propeller)
Typical applicationsLong-range airliners, business jets, fightersRegional airliners, cargo feeders, utility aircraft

В таблице подчеркивается, что реактивные двигатели доминируют, когда требуется высокая скорость и большая высота, в то время как турбовинтовые двигатели обеспечивают лучшую экономию топлива в более низких, более медленных режимах. Однако есть перекрытие: некоторые современные турбовентиляторы могут эффективно работать на более низких высотах (например, CF34 на региональных самолетах), а современные турбовинтовые двигатели, такие как Europrop TP400-D6 на A400M, могут курсировать на 0,72 Маха, продвигаясь в нижний конец территории турбовентилятора.

Расширенные соображения в Thrust Generation

Обходное соотношение и импульсивная эффективность

Соотношение обхода (BPR) является единственным наиболее важным параметром конструкции, отличающим реактивные двигатели от турбовинтовых двигателей — и даже различные семейства турбовентиляторов. Высокообходный турбовентилятор (BPR > 10) ведет себя почти как проточный турбовинт: вентилятор функционирует аналогично пропеллеру, но заключен в гондолу. Принципиальное различие заключается в том, что вентилятор работает на более высоких скоростях наконечника (суперзвуковой вблизи наконечников в некоторых конструкциях) и оптимизирован для более высоких чисел Маха полета. По мере увеличения BPR двигательная эффективность улучшается, но двигатель становится тяжелее и громоздче. Эта конвергенция привела к таким концепциям, как открытый ротор (необработанный вентилятор), который по существу является очень высоким обходным турбовентилятором без воздуховода, предлагая турбовинтовую эффективность на турбовентиляторных скоростях.

Исследовательский центр NASA Glenn предоставляет отличные образовательные ресурсы по двигательной эффективности и компромиссам между реактивным и винтовым двигателем. Их онлайн-уроки объясняют, как уравнение эффективности Froude напрямую связывает генерацию тяги с разницей скоростей в двигателе.

Тепловая эффективность vs. пульсивная эффективность

Производительность двигателя является продуктом двух коэффициентов эффективности: термическая эффективность (насколько хорошо тепло от топлива преобразуется в механическую энергию) и движительная эффективность (насколько хорошо, что механическая энергия преобразуется в тягу). Оба реактивных двигателя и турбовинтовые двигатели имеют схожую тепловую эффективность (30-35% при круизе), потому что они имеют один и тот же термодинамический цикл Брэйтона. Разница заключается в движительной эффективности. При типичной турбовинтовой крейсерской скорости 0,5 Маха хорошо спроектированный винт может достигать движительной эффективности выше 85%, тогда как турбовентилятор с высоким обходом при 0,8 Маха может управлять 75-80%. При низких скоростях (взлет, подъем) преимущество турбовинтового двигателя еще больше - более 90% против 60-70% для турбовентилятора. Вот почему турбовинтовые двигатели имеют значительно более низкий блок топлива гореть на коротких секторах.

Однако по мере увеличения скорости полета за пределы 0,7 Маха эффективность винта резко падает из-за эффектов сжимаемости на лопасти (форма ударных волн). Проводной вентилятор турбовентилятора с его более высокой твердостью и меньшим диаметром может поддерживать эффективность до 0,9 Маха. Кроме того, на больших высотах (выше 30 000 футов) более высокий массовый поток турбовентилятора через ядро и вентилятор компенсирует тонкий воздух, в то время как тяга винта уменьшается, потому что плотность воздуха ниже, а номера лезвия Рейнольдса падают.

Конкретные расход топлива (TSFC) в деталях

TSFC является стандартной метрикой для сравнения эффективности использования топлива в двигателях, измеряемой как фунты топлива в час на фунт тяги (lbm / lbf-hr) или эквивалент SI. Для типичного турбофана в круизе TSFC составляет около 0,55 фунта / lbf-hr. Для турбовинтового двигателя эквивалентная метрика часто дается в качестве удельного расхода топлива (BSFC) в фунтах / л.с.-ч, потому что большая часть тяги проходит через вал пропеллера. Для сравнения яблок с яблоками необходимо преобразовать мощность вала в тягу с использованием эффективности пропеллера. На умеренных высотах TSFC турбовинтового двигателя (называемый тягой) может быть 0,45-0,50 фунта / lbf-ч - примерно на 10-20% лучше, чем сопоставимый турбофан. Это преимущество сужается на более высоких скоростях и полностью исчезает при 0,8 Маха.

На форумах Airliners.net часто проводятся подробные сравнения в реальном мире от пилотов и инженеров, иллюстрирующие, что для регионального полета на 200 морских миль турбовинтовой самолет, такой как Bombardier Q400, сжигает примерно на 40% меньше топлива на сиденье, чем региональный самолет, такой как Embraer E175.

Выбор правильного двигателя для миссии

Дизайнеры самолетов оценивают множество факторов при выборе между реактивными двигателями и турбовинтовыми двигателями:

  • Длина этапа: При 500 нм турбовинтовые двигатели обычно выигрывают по стоимости топлива. Более 1000 нм, реактивные самолеты более экономичны во времени, а более высокая скорость снижает затраты экипажа на поездку.
  • Круизная высота: Турбовинтовые двигатели превосходят около 25 000-30 000 футов из-за производительности винта; реактивные самолеты могут летать на высоте 40 000 футов, избегая погоды и движения.
  • Длина полосы: Турбовинтовые двигатели имеют лучшую производительность в коротком поле, потому что пропеллер производит высокую статичную тягу (тормоз при нулевой скорости воздуха) и способность обратного шага способствует торможению.
  • Кабиновый шум и вибрация:] Турбовинтовые двигатели громче и подвержены большей вибрации (хотя современные конструкции, такие как ATR 42/72, используют шестилопастные винты и активную шумопоглощение).
  • Сертификация и техническое обслуживание: Турбовинтовые двигатели обычно имеют более низкие затраты на капитальный ремонт в час полета, чем реактивные двигатели, отчасти потому, что они работают при более низких температурах и давлениях.

Например, семейство ATR является эталоном эффективности турбовинтовых двигателей на региональных маршрутах, в то время как Boeing 737 MAX с его турбовентиляторами CFM LEAP-1B оптимизировано для более длительных, высотных миссий.

Заключение

Реактивные двигатели и турбовинтовые двигатели генерируют тягу, ускоряя воздух назад, придерживаясь третьего закона Ньютона, но они достигают этого ускорения с помощью принципиально разных средств. Реактивные двигатели - особенно современные турбовентиляторы - создают высокоскоростные потоки выхлопных газов, которые обеспечивают огромную тягу на высоких скоростях и высотах, что делает их незаменимыми для самолетов большой дальности и высокой производительности. Турбовинтовые двигатели используют больший, более медленный поток воздуха через винт, приводимый в движение ядром газовой турбины, обеспечивая превосходную топливную эффективность и эффективность взлета на более низких скоростях и высотах.

Выбор между ними не является вопросом универсального «лучшего»; это полностью зависит от профиля миссии. Региональные авиакомпании, грузовые операторы и пилоты коммунальных служб ценят низкий расход топлива и способность к короткому полю. Авиакомпании, обслуживающие более длинные маршруты с более плотным пассажирским спросом, выбирают скорость, высоту и комфорт пассажира. Поскольку двигательная технология продолжает развиваться - с достижениями в зубчатых турбовентиляторах, концепциях с открытым ротором и гибридных электрических архитектурах - линия между реактивной и турбовинтовой тягой будет размываться дальше. Тем не менее, основная физика останется: тяга всегда является вопросом изменения импульса, и искусство дизайна двигателя решает, сколько массы двигаться и как быстро.