Bypass-Verhältnis – Wikipedia

Schematische Turbofan-Motoren. Der Hochbypass-Motor (oben) verfügt über einen großen Lüfter, der viel Luft um die Turbine leitet. Der Low-Bypass-Motor (Mitte) hat einen kleineren Lüfter, der mehr Luft in die Turbine leitet. Der Turbostrahl (unten) hat keinen Bypass und die gesamte Luft strömt durch die Turbine.

Das Bypass-Verhältnis ((BPR) eines Turbofan-Motors ist das Verhältnis zwischen dem Massenstrom des Bypassstroms und dem in den Kern eintretenden Massenstrom.^[1] Ein Bypass-Verhältnis von 10: 1 bedeutet beispielsweise, dass 10 kg Luft pro 1 kg Luft, die durch den Kern strömt, durch den Bypass-Kanal strömen.

Turbofan-Motoren werden üblicherweise in Form von BPR beschrieben, die zusammen mit dem Motordruckverhältnis, der Turbineneintrittstemperatur und dem Gebläsedruckverhältnis wichtige Konstruktionsparameter sind. Darüber hinaus wird BPR für Turboprop- und nicht abgezogene Lüfterinstallationen angegeben, da sie aufgrund ihres hohen Vortriebswirkungsgrads die Gesamtwirkungsgradeigenschaften von Turbofans mit sehr hohem Bypass aufweisen. Dies ermöglicht es, sie zusammen mit Turbofans auf Parzellen zu zeigen, die Trends zur Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (SFC) mit zunehmendem BPR zeigen. BPR wird auch für Hublüfterinstallationen angegeben, bei denen der Lüfterluftstrom vom Motor entfernt ist und den Motorkern nicht physisch berührt.

Bypass bietet einen geringeren Kraftstoffverbrauch bei gleichem Schub, gemessen als schubspezifischer Kraftstoffverbrauch (Gramm / Sekunde Kraftstoff pro Schubeinheit in kN unter Verwendung von SI-Einheiten). Ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch bei hohen Bypass-Verhältnissen gilt für Turboprops, bei denen ein Propeller anstelle eines Abluftventilators verwendet wird.^[2][3][4][5] Hochbypass-Konstruktionen sind der dominierende Typ für kommerzielle Passagierflugzeuge sowie für zivile und militärische Jet-Transporte.

Business Jets verwenden mittlere BPR-Triebwerke.^[6]

Kampfflugzeuge verwenden Triebwerke mit niedriger Bypass Kompromissverhältnisse zwischen Kraftstoffverbrauch und Kampfanforderungen: hohe Leistungs-Gewichts-Verhältnisse, Überschallleistung und die Möglichkeit, Nachbrenner zu verwenden.

Prinzipien[edit]

Wenn die gesamte Gasleistung einer Gasturbine in einer Antriebsdüse in kinetische Energie umgewandelt wird, ist das Flugzeug am besten für hohe Überschallgeschwindigkeiten geeignet. Wenn alles auf eine separate große Luftmasse mit geringer kinetischer Energie übertragen wird, ist das Flugzeug am besten für die Geschwindigkeit Null (Schweben) geeignet. Bei Geschwindigkeiten dazwischen wird die Gasleistung zwischen einem separaten Luftstrom und dem eigenen Düsenstrom der Gasturbine in einem Verhältnis aufgeteilt, das die erforderliche Flugzeugleistung ergibt. Die ersten Düsenflugzeuge waren Unterschallflugzeuge, und die schlechte Eignung der Antriebsdüse für diese Geschwindigkeiten aufgrund des hohen Kraftstoffverbrauchs wurde bereits 1936 verstanden und ein Bypass vorgeschlagen (UK-Patent 471 368). Das zugrunde liegende Prinzip hinter dem Bypass besteht darin, die Abgasgeschwindigkeit gegen einen zusätzlichen Massenstrom zu tauschen, der zwar den erforderlichen Schub liefert, aber weniger Kraftstoff verbraucht. Frank Whittle nannte es “den Fluss runterfahren”.^[7] Die Energie wird vom Gasgenerator auf eine zusätzliche Luftmasse übertragen, dh einen Treibstrahl mit größerem Durchmesser, der sich langsamer bewegt. Der Bypass verteilt die verfügbare mechanische Leistung auf mehr Luft, um die Geschwindigkeit des Strahls zu verringern.^[8] Der Kompromiss zwischen Massenstrom und Geschwindigkeit wird auch bei Propellern und Hubschrauberrotoren durch Vergleichen der Scheibenbelastung und der Leistungsbelastung gesehen.^[9] Zum Beispiel kann das gleiche Hubschraubergewicht von einem Hochleistungsmotor und einem Rotor mit kleinem Durchmesser oder für weniger Kraftstoff von einem Motor mit geringerer Leistung und einem größeren Rotor mit geringerer Geschwindigkeit durch den Rotor getragen werden.

Bypass bezieht sich normalerweise auf die Übertragung von Gasleistung von einer Gasturbine auf einen Bypass-Luftstrom, um den Kraftstoffverbrauch und das Strahlgeräusch zu reduzieren. Alternativ kann ein Nachverbrennungsmotor erforderlich sein, bei dem die einzige Anforderung für den Bypass darin besteht, Kühlluft bereitzustellen. Dies setzt die Untergrenze für BPR und diese Motoren wurden als “undichte” oder kontinuierlich blutende Turbojets bezeichnet^[10] (General Electric YJ-101 BPR 0,25) und Turbojets mit niedrigem BPR^[11] (Pratt & Whitney PW1120). Für den Pratt & Whitney J58 wurde auch ein niedriger BPR (0,2) verwendet, um eine Überspannungsspanne sowie eine Nachbrennerkühlung bereitzustellen.^[12]

Beschreibung[edit]

Vergleich des Antriebswirkungsgrads für verschiedene Gasturbinentriebwerkskonfigurationen

In einem Null-Bypass-Motor (Turbostrahl) wird das Abgas mit hoher Temperatur und hohem Druck durch Expansion durch eine Antriebsdüse beschleunigt und erzeugt den gesamten Schub. Der Kompressor nimmt die gesamte von der Turbine erzeugte mechanische Leistung auf. Bei einem Bypass-Design treiben zusätzliche Turbinen einen Ventilator an, der die Luft von der Vorderseite des Motors nach hinten beschleunigt. Bei einer Hoch-Bypass-Konstruktion erzeugen der Kanalventilator und die Düse den größten Teil des Schubes. Turbofans sind im Prinzip eng mit Turboprops verwandt, da beide einen Teil der Gaskraft der Gasturbine mithilfe zusätzlicher Maschinen in einen Bypassstrom übertragen, so dass die heiße Düse weniger in kinetische Energie umwandeln kann. Turbofans stellen eine Zwischenstufe zwischen Turbojets dar, die ihren gesamten Schub aus Abgasen ableiten, und Turbostützen, die einen minimalen Schub aus Abgasen ableiten (typischerweise 10% oder weniger).^[13] Das Extrahieren der Wellenleistung und das Übertragen auf einen Bypassstrom führt zu zusätzlichen Verlusten, die durch die verbesserte Antriebseffizienz mehr als ausgeglichen werden. Der Turboprop mit seiner besten Fluggeschwindigkeit spart erheblich Kraftstoff gegenüber einem Turbostrahl, obwohl der verlustarmen Antriebsdüse des Turbostrahls eine zusätzliche Turbine, ein Getriebe und ein Propeller hinzugefügt wurden.^[14] Der Turbofan hat im Vergleich zur Einzeldüse des Turbostrahls zusätzliche Verluste durch zusätzliche Turbinen, Lüfter, Bypasskanal und zusätzliche Antriebsdüse.

Um den Einfluss der Erhöhung des BPR allein auf den Gesamtwirkungsgrad im Flugzeug, dh SFC, zu sehen, muss ein gemeinsamer Gasgenerator verwendet werden, dh keine Änderung der Brayton-Zyklusparameter oder der Effizienz der Komponenten. Bennett^[15] zeigt in diesem Fall einen relativ langsamen Anstieg der Verluste, die die Leistung auf den Bypass übertragen, gleichzeitig mit einem schnellen Abfall der Abgasverluste mit einer signifikanten Verbesserung der SFC. In der Realität geht ein Anstieg des BPR im Laufe der Zeit mit einem Anstieg des Wirkungsgrads des Gasgenerators einher, der in gewissem Maße den Einfluss des BPR maskiert.

Nur die Gewichts- und Materialbeschränkungen (z. B. die Festigkeiten und Schmelzpunkte der Materialien in der Turbine) verringern den Wirkungsgrad, mit dem eine Turbofangasturbine diese Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, während die Abgase möglicherweise noch Energie zur Verfügung haben extrahiert, erhält jeder zusätzliche Stator und jede zusätzliche Turbinenscheibe zunehmend weniger mechanische Energie pro Gewichtseinheit, und eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses des Systems durch Hinzufügen zur Kompressorstufe zur Erhöhung des Gesamtsystemwirkungsgrads erhöht die Temperaturen an der Turbinenfläche. Hochbypass-Motoren haben jedoch einen hohen Vortriebswirkungsgrad, da selbst eine geringfügige Erhöhung der Geschwindigkeit eines sehr großen Volumens und folglich der Luftmasse eine sehr große Änderung des Impulses und des Schubes bewirkt: Der Schub ist der Massenstrom des Motors (die durchströmende Luftmenge) Motor) multipliziert mit der Differenz zwischen Einlass- und Auslassgeschwindigkeit in einer linearen Beziehung, aber die kinetische Energie des Auslasses ist der Massenstrom multipliziert mit der Hälfte des Quadrats der Geschwindigkeitsdifferenz.^[16][17] Eine geringe Scheibenbeladung (Schub pro Scheibenfläche) erhöht die Energieeffizienz des Flugzeugs und reduziert den Treibstoffverbrauch.^[18][19][20]

Der in den frühen 1950er Jahren entwickelte Rolls-Royce Conway-Turbofan-Motor war ein frühes Beispiel für einen Bypass-Motor. Die Konfiguration war ähnlich wie bei einem 2-Spulen-Turbostrahl, aber um daraus einen Bypass-Motor zu machen, war er mit einem übergroßen Niederdruckkompressor ausgestattet: Der Durchfluss durch den inneren Teil der Kompressorschaufeln ging in den Kern, während der äußere Teil der Schaufeln blies Luft um den Kern, um den Rest des Schubes bereitzustellen. Das Bypass-Verhältnis für den Conway variierte je nach Variante zwischen 0,3 und 0,6^[21]

Das Wachstum der Bypass-Verhältnisse in den 1960er Jahren führte zu einer Treibstoffeffizienz der Jetliner, die mit der von kolbengetriebenen Flugzeugen konkurrieren konnte. Heute (2015) haben die meisten Düsentriebwerke einen Bypass. Moderne Triebwerke in langsameren Flugzeugen wie Verkehrsflugzeugen haben Bypass-Verhältnisse von bis zu 12: 1; In schnelleren Flugzeugen wie Jägern sind die Bypass-Verhältnisse mit etwa 1,5 viel niedriger. und Fahrzeuge, die für Geschwindigkeiten bis zu Mach 2 und etwas darüber ausgelegt sind, haben Bypass-Verhältnisse unter 0,5.

Turboprops haben Bypass-Verhältnisse von 50-100,^[2][3][4] obwohl der Antriebsluftstrom für Propeller weniger klar definiert ist als für Lüfter^[22] und der Propellerluftstrom ist langsamer als der Luftstrom von Turbofan-Düsen.^[20][23]

Motor-Bypass-Verhältnisse[edit]

Verweise[edit]