Motor med variabel cykel

Utskuren vy av en blivande ADVENT-motor

En motor med variabel cykel (VCE), även kallad adaptiv cykelmotor (ACE), är en jetmotor för flygplan som är designad för att fungera effektivt under blandade flygförhållanden, såsom subsonic , transonic och supersonic .

Nästa generation av supersonic transport (SST) kan kräva någon form av VCE. För att hålla flygplanets motstånd vid supercruise nere, kräver SST-motorer en hög specifik dragkraft (nettodragkraft/luftflöde) för att hålla kraftverkets tvärsnittsarea till ett minimum. Detta innebär en hög jethastighet inte bara vid överljudskryssning, utan vid start, vilket gör flygplanet bullrigt.

En motor med hög specifik dragkraft har en hög jethastighet per definition, vilket följande ungefärliga ekvation för nettodragkraft antyder:

$F_{\text{n}}={\dot {m}}\left(V_{\text{jfe}}-V_{\text{a} }\höger)$

var:

${\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,} intagsmassflödeshastighet$ V

$\displaystyle V_{\text{jfe }},\,}$ helt expanderad jethastighet (i avgasplymen)

$V_{\text{a}},\,$ flygplanets flyghastighet

Om du arrangerar om ekvationen ovan ges specifik dragkraft av:

${\frac {F_{\text{n}}}{\dot {m}}}=V_{\text{jfe}}-V_{\text{a }}$

Så för noll flyghastighet är specifik dragkraft direkt proportionell mot jethastigheten.

Rolls -Royce/Snecma Olympus 593 i Concorde hade en hög specifik dragkraft i överljudsfart och vid torr startkraft. Bara detta skulle ha gjort motorerna bullriga, men problemet förvärrades av behovet av en blygsam mängd efterförbränning (återuppvärmning) vid start (och transonisk acceleration). En SST VCE skulle behöva öka motorns luftflöde avsevärt vid start för att minska jethastigheten vid en given dragkraft (dvs en lägre specifik dragkraft)

Exempel

Ett SST VCE-koncept är tandemfläktmotorn. Motorn har två fläktar, båda monterade på lågtrycksaxeln, med ett betydande axiellt gap mellan enheterna. Vid normal flygning är motorn i serieläge, med flödet som lämnar den främre fläkten som går direkt in i den andra fläkten, motorn beter sig ungefär som en vanlig turbofläkt. För start, utstigning, sista nedstigning och inflygning tillåts dock den främre fläkten tömmas direkt genom ett extra munstycke på undersidan av motorgondolen. Hjälpintag öppnas på varje sida av kraftverket, vilket gör att luft kommer in i den bakre fläkten och går genom resten av motorn. Att driva fläktarna i detta parallella läge ökar avsevärt motorns totala luftflöde vid en dragkraft, vilket resulterar i en lägre jethastighet och en tystare motor. Tillbaka på 1970-talet modifierade Boeing en Pratt & Whitney JT8D till en tandemfläktkonfiguration och demonstrerade framgångsrikt bytet från seriedrift till parallelldrift (och vice versa) med motorn igång, om än med deleffekt.

I mitt-tandemfläktkonceptet är en enstegsfläkt med högt specifikt flöde placerad mellan högtryckskompressorerna (HP) och lågtryckskompressorerna (LP) i en turbojetkärna. Endast bypass-luft tillåts passera genom fläkten, LP-kompressorns utgångsflöde passerar genom speciella passager i fläktskivan, direkt under fläktens rotorblad. En del av bypassluften kommer in i motorn via ett hjälpintag. Under start och inflygning beter sig motorn ungefär som en vanlig civil turbofläkt, med en acceptabel jetljudnivå (dvs låg specifik dragkraft). Men för överljudsfart stänger fläktens variabla inloppsledskovlar och extraintag för att minimera bypassflödet och öka den specifika dragkraften. I detta läge fungerar motorn mer som en "läckande" turbojet (t.ex. F404 ).

I mixed-flow turbofläkt med ejektorkoncept är en motor med lågt bypass-förhållande monterad framför ett långt rör, kallat ejektor. Denna ljuddämpare används under start och inflygning. Turbofan-avgaser inducerar ytterligare luft i ejektorn via ett extra luftintag, vilket minskar den specifika dragkraften/medelstrålehastigheten för det slutliga avgaserna. Mixed-flow designen har inte fördelarna med mid-tandem fläktdesignen när det gäller låghastighetseffektivitet, men är betydligt enklare.

I stridsflygmotorer är ett framväxande koncept treströmsarkitekturen, där en tredje bypassström kan användas för att öka bypassförhållandet när bränsleeffektivitet krävs, eller ha ytterligare luftflöde riktat till kärnan för större kraft. Under programmet Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE) utvecklade det amerikanska flygvapnet och industripartner detta koncept under Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) och uppföljningsprogrammet Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) och Adaptive Engine Transition Program (AETP) ). Exempel på treströmsmotorer inkluderar General Electric XA100 och Pratt & Whitney XA101 , såväl som framdrivningssystemet för Next Generation Air Dominance (NGAD) som utvecklas under programmet Next Generation Adaptive Propulsion (NGAP).

Andra applikationer

En annan applikation som kan dra nytta av VCE-metoden är stridsflygplan. Konstruktörer måste normalt göra en kompromiss om specifik dragkraft hos motorn. Om de väljer en hög specifik dragkraft blir den eftervärmningsspecifika bränsleförbrukningen (SFC) mycket bra, men den torra SFC:n dålig. En hög specifik dragkraft innebär ett högt fläkttrycksförhållande, vilket indikerar en hög munstyckstemperatur i torr effekt. Följaktligen är tryckförstärkningen vid återuppvärmning relativt låg. Per definition är både torr- och återuppvärmningskraftsnivåerna bra.

Motsatsen är sant för en motor med låg dragkraft; dvs dålig eftervärmnings-SFC, bra torr och strypt SFC, bra uppvärmningskraftförstärkning och, per definition, låg torr och återuppvärmd dragkraft.

En motor med hög specifik dragkraft skulle gynna ett flygplan som kräver god varaktighet i upphettad strid, men det skulle bestraffas på den tillgängliga räckvidden i torr kraft.

Å andra sidan skulle en motor med låg dragkraft gynna ett flygplan med behov av lång räckvidd i torr kraft, men äventyra tiden som spenderas i återuppvärmd strid.

Därför måste motorkonstruktörer ofta göra en kompromiss om motorspecifik drivkraft.

Emellertid skulle den ideala strids-VCE ha den höga återuppvärmningskraften/god återuppvärmnings-SFC förknippad med en motor med hög dragkraft, men skulle ha den låga SFC-nivån för en motor med låg dragkraft i torr effekt och strypt tillbaka. Att utforma en sådan motor är svårt. General Electric utvecklade en motor med variabel cykel, känd som GE37 eller General Electric YF120 , för YF-22 / YF-23 stridsflygplanstävlingen, i slutet av 1980-talet. GE använde ett dubbelbypass/hybridfläktarrangemang, men har hittills aldrig avslöjat exakt hur de utnyttjade konceptet. Även om YF120 var en bra (möjligen bättre) motor i avfyrningen, USAF att vara försiktig och valde den mer konventionella Pratt & Whitney F119 som drivkraft för produktionen av Lockheed Martin F-22 Raptor .