Турбовентиляторный двигатель отличается от турбовинтового двигатель по нескольким пунктам, а именно:
- у вентилятора сплошной ряд лопастей без видимых разрывов, а не отдельные длинные лопасти с огромными промежутками как у винта (пропеллера),
- вентилятор окружён кольцевой обечайкой, а пропеллер вращается в открытом пространстве.
На этих двух пунктах отличия заканчиваются.
Но есть ли разница в механизме формирования тяги этими типами воздушных «Движителей»?
«Двигатель» у них одинаковый- это турбина, электродвигатель, поршневой ДВС или любой иной источник механической энергии в виде вращающегося вала на выходе.
«Движитель»- это устройство, передающее силовое воздействие от корпуса транспортного средства к среде, относительно которой данное ТС движется.
«Движителем» являются: колесо у автомобиля, гусеница у танка, гребной винт у катера, пропеллер у винтового самолёта и вентилятор у вентиляторного двигателя самолёта.
Рассмотрим формирование тяги в вентиляторном двигателе.
Так воздух влетает в двигатель в со скоростью полёта самолёта и в объёме, соответсвующем площади входногого отверстия в вентилятор.
Далее под действием нагнетающего действия лопаток вентилятора воздух сжимается в суживающемся канале между обечайкой и ступицей вентилятора. В процессе сжатия воздух нагревается и давление ещё больше поднимается.
После этого нагретый сжатый воздух поступает в расширяющееся сопло, где воздух расширяется и при этом разгоняется, тем самым создавая тягу. Сжатие и расширение происходит адиабатно, то есть очень быстро и без передачи тепла окружающим предметам, в результате при расширении воздуха происходит возвращение тепла в кинетическую энергию струи.
В конечной фазе воздух покидает двигатель с более высокой скоростью, чем попал в вентилятор. Именно эта дополнительная скорость и есть приращение импульса, создающее силу тяги авиадвигателя
F=dP/dt=m*dV/dt.
Покинувший движитель воздух имеет более высокую скорость, чем до попадания в вентилятор, при этом в идеале давление выброшенного сзади воздуха равно атмосферному.
То есть потери в движителе определяются величиной энергии, затраченной на разгон воздуха.
Вся суть вентиляторного движителя легко описывается несколькими уравнениями механики.
1. Сила тяги создаётся за счёт ускорения воздуха на величину dV : F=dP/dt=m*dV/dt, где m- это секундный расход воздуха через вентилятор, равный произведению скорости полёта cамолёта Vс на площадь сечения вентилятора Sв на входе и на плотность воздуха q, то есть
m=Sв*V*q
2. Разница кинетических энергий воздуха до и после разгона составляет dEv= m*(V2^2- V1^2)/2
3. КПД движителя КПД= F*Vc/ (F*Vc+ dEv)
То есть из пункта №3 следует, что для повышения КПД турбовентилятора требуется снизить потери на разгон dEv.
При постоянной тяге двигателя потери снижаются уменьшением скорости выброса при пропорциональном росте количества прокачиваемой массы воздуха.
При постоянной скорости полёта единственным способом прокачать через вентилятор больше воздуха- это увеличить площадь сечение вентилятора Sв.
Рассчитаем КПД двух вентиляторов равной тяги на равной скорости полёта самолёта, отличающихся друг от друга площадью входного сечения в 2 раза.
Так как тяга сравниваемых вентиляторных двигателей одинакова, то это означает , что F=m2*dV2/dt = m1*dV1/dt = const.
Из чего следует, что при увеличении сечения вентилятора в 2 раза будет выполнятся равенство Sв2=2*Sв1.
Тогда прокачиваемая на равной скорости масса воздуха также вырастет в 2 раза
m2=Sв2*V*q = 2*m1
Приращение скорости при этом должно сократится в те же 2 раза dV2=dV1/2 для сохранения константы.
Теряемое с выбрасываемым воздухом приращение кинетической энергии составит dEv2= 2*m ( Vo^2- (V2/2)^2)/2.
Так как самолёт летит сквозь неподвижный воздух, то Vo=0.
Таким образом приращение кинетической энергии упростится до вида
dEv1= m *V1^2 /2,
dEv2= m ( V1/2)^2= m *V1^2 /4
Из уравнений видно, что двукратное приращение сечения приводит к двукратному снижению потерь на приращение кинетической энергии струи, то есть зависимость величины кинетических потерь обратно пропорциональна к росту площади вентилятора.
Попытаемся смоделировать некий самолёт с условной тягой 10кН (около 1тс) , а при качестве самолёта К=18 и двух двигателях получим ЛА с взлётной массой около 36 тонн, то есть солидны транспортник типа Ан-8.
Считая скорость 720 км/ч (200м/с) получим полезную мощность
Nт=Fт*V=10000*200=2тыс.кВт=2МВт
Для обеспечения такой тяги нужно ускорять 1000кг на 10 м/с, или 100кг на 100м/с
При скорости 200м/с и плотности воздуха 0,3кг/м3 на высоте 10км для просасывания 1000кг нужна площадь вентилятора Sв=1000/(0,3*200)=1000/60=16,7м.кв. или круг диаметром около 4,6м.
Для пропеллера этот размер Ф4,6м был бы как-то приемлем (винт Ан-2 имеет диаметр Ф 3,6м, винт Ту-95 уже Ф5,6м), но для вентилятора с массивной обечайкой будет многовато.
Следовательно нужно уменьшать площадь в 10 раз (диаметр в 3,16 раза). Что приведёт к 10 кратному увеличению приросту скорости выбрасываемой струи воздуха.
Итого мы останавливаемся на варианте двигателя с вентилятором диметром 1,45м и скоростью выбрасываемой струи 100м/с.
Таким образом, приращение энергии составит
dЕv= 100*(100^2)/2=5*10^5Вт= 500кВт=0,5МВт
Энергия тяги
dEт=Nт=100*100*200=2МВт
КПД= 2МВт/ (2+0,5)=0,8 или 80%
То есть КПД вентилятора с такими параметрами хуже, чем у турбовинтового самолёта Ту-95 на такой же скорости, для которого ранее был рассчитан КПД около 86%. (см. стать про ссылке)
Для сравнения посчитаем КПД турбовентиляторного двигателя с приращением скорости истечения dV=300м/с, то есть ещё без расширяющегося сверхзвукового сопла (типа космического).
m= P/V3=10000/300=33кг/с
S=33/(0,3*300)=0,367м.кв или диаметр Ф0,68м
dЕv = 33*(300^2)/2=1485кВт=1,485МВт
КПД= 2МВт/ (2+1,485)=0,573 или 57%
КПД большого вентилятора с dV=10м/с и диаметром 4,6м составит
dЕv = 1000*(10^2)/2=50кВт=0,05МВт
КПД= 2МВт/ (2+0,05)=0,975 или 97%
Напомним, что расчётный КПД для турбовинтового Ту-95 у нас получился 92% на внешних частях лопасти с падением до 80% к внутреннему радиусу.
Правда, Ту-95 обеспечивал кратно большую тягу на диаметре винта всего в 1,22 раза больше (5,6/4,6=1,22), и большей площади обметания расчётного винта в 1,5раза, что давало Ту-95 значительный выигрыш по массе движителя на равную тягу по сравнению с вентилятором в обечайке, но платой за экономичность была чрезвычайная шумность турбовинтового Ту-95.
Что даёт повышение КПД?
КПД двигателя отвечает за вопрос полезной грузоподъёмности одного и того же самолёта при перелёте на одно и тоже расстояние с разными двигателями.
Так сравним расход топлива при установке тягового двигателя с КПД 57% или 80%. При прочих равных условиях для перелёта с меньшим КПД потребуется больше топлива, так как номинальная мощность двигателя у него будет в 1,4 раза больше (3,485 МВт / 2,5 МВт=1,4) при равной скорости полёта.
То есть большее количество топлива на борту самолёта оставит меньше полезной грузоподъёмности в самолёте.
Так если в виде топлива принять 50% грузоподъёмности, то при снижении КПД с 80 до 57% и росте мощности в 1,4 раза доля топлива увеличится до 50*1,4=70%, а на полезную нагрузку останется всего 30%. То есть из соотношения 50/50 (груз/топливо) при снижении КПД стал 70/30=2,33.
В итоге снижение КПД от 80 до 57% или в 80/57= 1,4 раза снижает отношение полезный груз к топливу в 2,3 раза, при перевозке на одинаковое расстояние.
Из этой закономерности можно сделать следующий вывод: более крупный движитель обеспечивает снижение расхода горючего на единицу перевозимого груза.
Рост экономичности вентилятора обеспечивается ростом его габаритов с соответствующим ростом массы. В какой–то момент наступает положение, когда прирост экономичности приводит к ещё большему росту массы конструкции, чем экономит запас топлива на борту за рейс.
Это создаёт экстремум на графике экономичности.
Экстремум- это такая точка на графике экономичности, когда рост КПД движителя при росте размера вентилятора приводит к опережающему росту собственной массы двигателя над ростом массы сэкономленного топлива.
В точке экстремума достигается предел экономичности применения двигателя на данном самолёте, а дальнейшее наращивание КПД приведёт к снижению экономичности авиаперевозки с данным двигателем на данном маршруте у конкретного самолёта.
Начиная с этого момента дальнейшее наращивание КПД двигателя за счёт прироста его габаритов и массы становится экономически бессмысленым.
То есть масса сэкономленного за рейс топлива становится меньше, чем потерянная грузоподъёмность самолёта, отданная на лишний вес мотора.
Посчитаем расход топлива за рейс на 2000км для нашего самолёта полной массой 18 тонн на двигатель.
Полёт будет происходить 3 часа. Примем расход топлива 330г/кВт*ч (хороший показатель потребления для турбин)
Тогда экономичный вентилятор с мотором 2,5МВт сожрёт 0,33*2500*3=2500кг топлива
Более мощный мотор 3,485 МВт съест уже 0,33*3,485*3=3485кг.
Если же предположить грузоподъёмность самолёта такого класса всего около 1/3 от полной взлётной массы в 18 тонн, то на груз + топливо остаётся всего 6 тонн, из которых на топливо придётся отдать 2500кг или 3485кг соответственно, в итоге полезная грузоподъёмность составит 3500 кг против 2500кг
Стоимость единицы груза по расходу топлива составит 3,5/2,5=1,4 тонны груза на тонну топлива
И 2500/3485=0,714 груза/топливо. То есть разница уже практически в 2 раза.
А ведь ещё на каждую тонну груза в 1,4 раза возрастёт финансовая нагрузка от амортизации техники.
Становится понятно почему грузовые перевозки до сих пор совершают турбовинтовые самолёты, а рекордные дальности завоза бомб осуществляют турбовинтовые бомбардировщики родом из 1950-х годов.
Зачем же тогда нужны турбовентиляторные двигатели, если всё так хорошо с турбовинтовыми?
Ответ кроется в диаметре турбовентиляторов, которые в два раза меньше, чем у сопоставимых по мощности винтовых двигателей.
Снижение диаметра обеспечивает снижение окружной скорости лопастей, что обеспечивает возможность поднять скорость вращения, что позволит развивать более высокие скорости полёта самолётов с турбовентиляторными двигателями.
Если же сравнивать механику вентиляторного и винтового двигателя, то она по сути одинакова: лопасть отбрасывает назад порцию воздуха, тем самым создаёт тяговое усилие на себе.
Апофеоз развития экономичных турбовинтовых и турбовентиляторных двигателей выразился в создании турбо-винто-вентиляторного двигателя НК-93.
НК-93 – это сильно модернезированный старый двигатель НК-12 (от бомбардировщика Ту-95), которому обрезали лопасти с диаметра 5,6 м до диаметра вентилятора 2,9м, а затем увеличили в 2 раза число лопастей и закапотировали всё это в кольцевую обечайку (см.рис.3). Обечайка позволяет перестать бороться со сносом потока воздуха в радиальном направлении с лопасти вращающегося пропеллера и равномерно загрузить давлением укороченную лопасть постоянного сечения.
При этом НК-93 показывает экономичность расхода топлива 0,49 кг/кгс*ч или на 20% меньший расход топлива на единицу тяги двигателя , чем его турбовентиляторный конкурент ПД-14 (0,6 кг/кгс*ч) с почти равными показателями тяги.
Правда, за это приходится платить избыточным размером винто-вентиляторного НК-93 с диаметром вентилятора 2,9м, который не помещается ни на один перспективный пассажирский самолёт, и с трудом влезает под огромный транспортник Ил-76 (см.рис.4.). При этом диаметр вентилятора ПД-14 составляет 1,9м.
Рядом с НК-93 и ПД-14 на фото (см.рис.4-5.) можно для сравнения оценить штатный турбовентиляторный двигатель Д-30КП с тягой 11 тс на взлёте и 3 тс на крейсерском режиме. При этом диаметр вентилятора у штанного двигателя 1455мм, а экономичность 0,7кг кг/кгс*ч.
Таким образом для этих трёх двигателей можно выстроить линейку экономичности с привязкой к размерам.
Так экономичность между НК-93 и Д-30КП возросла в 1.4 раза (-40% расхода) при увеличении диаметра в 2 раза (объём прокачиваемого воздуха в 4 раза).
Для НК-93 по сравнению с ПД-14 экономичность возросла в 1,2 раза (-20% расхода) при этом диаметр вентилятора вырос ровно на 1 метр: от Ф 1, 9м у ПД-14 до Ф2,9м у НК-93, а расход воздуха вырос в 2,33раза.
Это соотношение роста фактической экономичности с ростом размеров вентилятора подтверждает ранее полученную аналогичную зависимость, вычисленную из теоретических предпосылок.
Недостатком крупных вентиляторов на самолётах является как раз их очень большой расход воздуха при взлёте, что при низком расположении к земле нижней кромки воздухозаборника превращает самолёт в гигантский пылесос, поднимающий мощным потоком воздуха с уже очень близкой земли всякий мусор, после чего этот мусор засасывается прямиком в лопатки двигателя, выводя его из строя. (см. рис.6)
У более высоко подвешенных турбовентиляторных двигателей с меньшим расходом воздуха такой проблемы почти не возникает.