Prečo nikdy nevidíme turbofanové motory s vysokým obtokom používané vo veľkých komerčných lietadlách a

Hovorím o niečom takom (toto je fiktívne lietadlo Casino Royale) a nie o dvoch (alebo viacerých) motoroch na krídlo v jednotlivých gondolách:

Ak ignorujeme podivné „prídavné nádrže“ na vonkajších stožiaroch, čo robí tento dizajn horším ako ten s jednotlivými gondolami? Napadajú ma niektoré vysoko špekulatívne výhody a nevýhody pre obe usporiadania:

Výhody zdieľaných gondol:

Spoločná gondola a pylón môžu znamenať menšiu čelnú a zmáčaciu plochu na motor, čo by mohlo potenciálne znížiť celkový odpor.
Celkovo sa zdá, že táto schéma umožňuje, aby sa „prítlačný stred“ pre všetky motory na krídle nachádzal bližšie k stredovej čiare lietadla. U niektorých konštrukcií, ako napríklad A380, ktoré vyžadujú veľkú vertikálnu plutvu, aby si udržali oprávnenie pri vybočení v situácii bez motora, môže zmenšenie veľkosti vertikálnej plutvy ušetriť určitú váhu a odpor.

Nevýhody zdieľaných gondol:

Je zrejmé, že existuje zvýšené riziko, že porucha motora, ktorá tu nie je zahrnutá, ako napríklad porucha A380 pred niekoľkými rokmi, môže viesť k poruchám kaskády u „suseda“. Nie som si istý, ako toto riziko vyčísliť, ale zdá sa mi významné.
Okrem toho štrukturálna porucha v stožiari/gondole (extrémne zriedkavá, ale v skutočnosti sa vyskytne IIRC) ovplyvňuje dva motory namiesto jedného.
Údržba bude pravdepodobne náročnejšia, pretože na získanie jedného budete musieť pracovať s dvoma motormi.
Očakával by som, že kvôli konštrukčným požiadavkám na podporu dvoch motorov na pylóne pravdepodobne neušetríte veľa hmotnosti a budete mať skutočne ťažšie lietadlo, keď sú všetky ostatné veci rovnaké.
Možno by ste stratili určitú účinnosť v interakcii medzi výfukovými plynmi z oboch motorov v gondole?
Mohlo by sa ukázať, že nemôžete dať dva veľké turbo ventilátory s vysokým obtokom do gondoly bez toho, aby ste si vybrali medzi problémami s oddelením toku a výrazne zväčšenou čelnou plochou.

Všetko sú to však laické špekulácie. Je z pohľadu inžiniera voľba jedného rozloženia zrejmá pre druhé? Prečo áno alebo prečo nie?

odpovedať

Stručná odpoveď

Sú to veľmi odlišné podmienky prietoku od statického po cestovný prúd, ktoré si vyžadujú samostatné umiestnenie motorov s vysokým pomerom obtoku. Pri spárovaní by vytvorili menší ťah a väčší odpor.

Prečo tam vôbec boli spárované motory?

V prvých tryskách boli motory namontované priamo pod alebo v krídle a porovnania medzi samostatne namontovanými a zdvojenými motormi ukázali pre druhý motor miernu výhodu v dôsledku menšej mokrej povrchovej plochy a menšieho nárazu na krídlo.

Arado skonštruoval dva štvormotorové prototypy svojho prúdového lietadla Ar-234, jeden so samostatnými motormi (V6, pozri priamo dole) a jeden so spárovanými motormi (V8, dole). V8 sa stal prototypom verzie Ar-234 vo verzii C.

Keď sa však zvýši prietok vzduchu z motorov s vysokým obtokovým pomerom, párovanie sa stane nevýhodným z dôvodu vzájomného rušenia. Počas jazdy sa zachytí iba centrálne energetické potrubie, ktoré prúdi k motoru, a zvyšok sa vyleje cez nasávací okraj. Umiestnenie druhého motora hneď vedľa prvého zablokuje prúdenie vzduchu na tejto strane a zvýši prúdenie vzduchu na opačnej strane. To tam s najväčšou pravdepodobnosťou povedie k masívnej separácii, ak sa výrazne nezmení nasávanie, čo povedie k znateľnému zvýšeniu odporu vzduchu. Navyše teraz asymetrický prietok na vstupe by znížil účinnosť ventilátora - u dnešných motorov vyžaduje veľmi homogénny prietok po celom priereze.

Naopak, pri nízkych otáčkach bude motor nasávať vzduch odkiaľkoľvek a bude čeliť konkurencii druhého motora, takže oba nemôžu nasávať toľko vzduchu, ako keby boli namontované osobitne. Výsledkom párovania by bol znížený ťah pri štarte.

Počiatočná nevýhoda samostatných motorov, ich spoločný vplyv na aerodynamiku krídla, sa teraz výrazne znižuje ich namontovaním na pylóny tak, aby boli pred a pod krídlom.

Ako ste zistili, veľká časť z toho pravdepodobne súvisí s údržbou. V súčasnosti sa motory spravidla demontujú priamo z pylónu. Ak by boli pripútané na pylón, museli by byť odstránené spolu (čo ich robí v podstate spoľahlivými na polovicu) alebo inak pripevnené.

Pri moderných prúdových motoroch má zmysel iba najväčšie lietadlo so 4 motormi, pretože dvojmotorové lietadlá sú efektívnejšie. To znamená, že kandidátmi na tento dizajn by boli lietadlá ako 747 a A380. V skutočnosti je štrukturálnou výhodou mať motor ďalej na krídle. Počas letu pomáha hmotnosť motora znížiť ohybový moment na krídle. Ako ste videli, je ťažké riadiť poruchu motora. Umiestnenie dvoch motorov na jedno krídlo je kompromisom medzi konštrukciou a riadením porúch motora.

To by tiež ovplyvnilo výkon, ktorý lietadlo potrebuje. Dvojmotorové lietadlo musí mať dostatok energie na vzlet, ak zlyhá jeden motor po V1. To znamená, že musíte začať s 50% výkonom. Štvormotorové letúny musia spĺňať rovnaké požiadavky, čo však znamená, že musia pokračovať vo vzlete pri 75% výkone. Avšak spárovaním motorov je oveľa pravdepodobnejšie, že porucha jedného ovplyvní druhý. To znamená, že lietadlo možno bude musieť letieť s 50% výkonom, čo robí lietadlo ešte menej efektívnym.

Ďalším potenciálnym problémom je spätný ťah. V súčasnosti môžu motory na vytlačenie tohto vzduchu používať miesta po obvode gondoly. Keby boli motory kombinované, každý by mal iba časť obvodu, čo by mohlo spôsobiť problémy s prietokom.

Prípady zlyhania motora alebo reverzora ťahu by na pylón priviedli krútiaci moment a pre pevnosť by si vyžadovali ďalšiu váhu.

Kombinácia motorových systémov by mohla priniesť určité výhody, ale znížila by sa nadbytočnosť.

Tým by sa zmenšila plocha vonkajšej strany gondoly, ale zväčšila by sa predná plocha. Ak sa pozeráte na dva motory s priemerom 120 palcov, ktoré sú kombinované priamym spojením hore a dole, zmenšite obvod zo 750 na 615 ", ale zväčšte čelnú plochu z 22600 in ^ 2 na 25700 in ^ 2. Ak Ak prenesiete profil medzi motory (ako na fotografii vyššie), predná plocha sa zmenší, ale tiež sa zväčší obvod.

Aby bol motor účinný z hnacieho hľadiska, „musí sa pohybovať veľkým prietokom s rovnakou energiou“. To znamená, že pre konkrétne jadro je možný väčší ventilátor. Z hľadiska pohonu je táto konštrukcia menej efektívna ako konfigurácia podobná modelu A380. Viac informácií o efektívnosti pohonu nájdete tu .

Vo vlhkej oblasti sa toho až tak veľa nešetrí, ale medzi dvoma motormi bude okrem účinnosti aj určité rušenie. Spojenie medzi týmito dvoma motormi tiež vytvára rastúcu hraničnú vrstvu, vďaka ktorej je spojenie pomalšie. Nemôžem vyčísliť celkový odpor, ale neuvedomujem si, že úspory odporu, keď je povrch mokrý, budú alebo nebudú kompenzovať zvýšenie viskóznej (medznej vrstvy) integrácie systému drag and drive.

Motor je v podstate aspiračný stroj, ktorý sa snaží absorbovať tok okolo motora. To je menej dôležité pri plavbe, ale pri štarte oba motory súťažia o vzduch, vďaka čomu produkujú menší ťah. Začiatok kritickej poruchy motora je zvyčajne rozmerovou podmienkou pre veľkosť motora. Preto máme v najkritickejších podmienkach nižšiu účinnosť. Z pohľadu globálneho lietadla to robí motor viac predimenzovaným.

Váš bod o zvislej plutve je správny.

Pokiaľ ide o riziko nekontrolovanej poruchy motora, sú motory obvykle konštruované tak, aby sa zabránilo tejto situácii. Páči sa mi toto video o teste.

Pokiaľ ide o štruktúru, nezabudnite, že v prípade poruchy motora musíte brať do úvahy moment vybočenia, keď je jeden motor funkčný a druhý nie. Je teda veľmi pravdepodobné, že stožiar je ťažší ako 2 stožiare (hoci sa tiahne menej).

Táto konfigurácia tiež nedáva zmysel a je zvyčajne lacnejšie doplniť ju upravovacou nádržou, než použiť externé palivové nádrže na odvoz paliva.

Ako príklad kompromisných motorov, ktoré v skutočnosti nepodnikajú iba pri pohľade na všetky lietadlá so zmiešanými krídlami, majú všetky motory oddelené v hornej časti lietadla medzi nimi (napríklad X48).

Spravidla by som povedal „menej veľkých motorov ako je to možné“.

O spojenie motorov sa v minulých dňoch pokúšali priame turboprúdové motory - Iluyshin Il-62 a Vickers VC-10 používali túto konfiguráciu, rovnako ako Lockheed JetStar Business Jet; Stalo sa tak kvôli zlému ťahovému výkonu predchádzajúcich prúdových motorov. Moderné turbodúchadlá poskytujú dostatočný ťah, aby ste nemuseli spájať motory. V skutočnosti bol USAF predložený návrh na výmenu párových prúdových motorov na stožiaroch motora B-52 za jednotlivé turboventilátory RB-211 (čím sa z osemprúdového bombardéra stal štvormotorový bombardér). To bolo zamietnuté kvôli počiatočným nákladom; Úspora paliva by však bola významná z dôvodu schopnosti používať o polovicu viac motorov a zlepšenej špecifickej spotreby paliva turbodúchadiel.

Ďalším problémom spárovaných motorov na pylóne je bezpečnosť - LOT 5055 to tragicky demonštroval, keď jeden z jeho turboventilov D-30 Soloviev utrpel nekontrolovanú poruchu, ktorá spôsobila požiar motora a vážne poškodenie druhého motora na tejto strane. Keby bol Il-62 použil tradičnejšie usporiadanie, bol by takýto incident oveľa menším problémom, pretože vzorec požiaru a poškodenia by bol oveľa prísnejší.

Niektoré z toho, čo som čítal o diskusii o prestavbe modelu B-52, má menej spoločného s upgradom na modernejšie motory (lepšia spotreba paliva, dostupnosť náhradných dielov atď.) A viac o účinkoch „smerovej autority“.

Ak by BUFF mal ísť z 8 na 4 motory, účinky straty motorov 1/4 alebo 2/4 na tej istej strane by znamenali, že súčasné kormidlo B-52 a vodorovný stabilizátor nemusia stačiť na zaistenie bezpečnosti lietadla na pristátie so situáciou motora 3/4 alebo 2/4. Výmena ôsmich motorov za štyri môže vyžadovať rozsiahlu (nákladnú) opravu kormidla a vertikálneho stabilizátora.

Keď spárujete takéto motory, je pravdepodobnejšie, že porucha jedného motora sa rozšíri na druhý. To sa stalo napríklad s F-18, kde jeden motor mal nekontrolovanú poruchu, v dôsledku ktorej časti motora (myslím, že to boli lopatky turbíny) zničili druhý.

Ak máte lamelové motory, roztiahnutie krídel zníži ohybové momenty krídel, čo má tendenciu znižovať hmotnosť krídla.