Какова связь между тягой и оборотами двигателя в турбореактивном двигателе?

Во-первых, давайте посмотрим, как работает тяга. НАСА объясняет это довольно хорошо. Они делают вывод, что для турбовентиляторных двигателей «удельная тяга […] зависит только от разности скоростей, создаваемой двигателем.- Если подумать, разница в скорости газа-это динамическое давление. Итак, сколько тяги двигатель будет генерировать, зависит от того, насколько большой динамический перепад давления он может создать в воздухе между его передней и задней частью. Турбовентиляторный двигатель создает эту разность давлений двумя способами. Одно путем использование вентилятора «нажать» воздух к задней части. Другой-нагрев воздуха, который проходит через горелку и выбрасывает его из сопла (после прохождения его сначала от турбины.)

Теперь перейдем к вашему вопросу. Нам нужно посмотреть, создает ли добавленный RPM добавленную тягу (или если больше тяги нужно больше оборотов в минуту.) Ответ таков: Да, это так. Обеспечение двигателя большим количеством топлива создаст более быстрый выход горячих газов из горелки. Те создадут более большую разницу в динамического давления между горелкой и соплом и турбина повернет более быстро. Мощность от турбины подается на вентилятор, который также будет вращаться быстрее, выталкивая больше воздуха.

См. здесь графическое описание моторных отсеков и того, как между ними образуется давление.

Как связаны частота вращения и общая тяга для модели турбовентиляторного двигателя, показано на странице четыре и семь этого документа . Там вы также можете найти различные уравнения, которые описывают эти графики.

EDIT: турбореактивный двигатель работает почти так же, но вместо того, чтобы использовать мощность, генерируемую турбиной, в основном для перемещения вентилятора, он использует его для перемещения только компрессора. Вся его тяга генерируется из горячих газов, выходящих из сопла.

Соотношение: нелинейное. Я знаю, что, по крайней мере, для ранних реактивных двигателей (да, я так стар.) 90% тяги приходилось на последние 10% оборотов в минуту .

Эти двигатели тоже наматывались медленно. Нам сказали лететь на сближении при 70% оборотах, потому что при этих оборотах тяги практически не было. Чтобы перейти от холостого хода к 100% потребовалось около 5 -6 секунд: большую часть этого времени до 70%.

Перемещение дроссельной заслонки вперед быстро означало, наблюдая, как поток топлива идет вверх, увеличение Тит и смотреть увеличение оборотов на фотографии промежуток времени.

Обходы нужно было планировать заранее.

Турбореактивный двигатель работает, сжимая воздух, нагревая сжатый воздух, сохраняя давление почти постоянным и пропуская этот нагретый воздух через турбину, которая снова расширит его. Работа, проделанная при расширении воздуха в турбине, необходима для запуска компрессора, а нагрев посередине необходим для добавления достаточной энергии, поэтому турбина будет вращаться, а газ, выходящий из двигателя, по-прежнему будет иметь больше импульса/импульса (масса скорости), чем воздух, который вошел в компрессор. В конце этого процесса воздух, выходящий из турбины, превратит оставшееся давление в скорость в выхлопном сопле, поэтому газы покидают двигатель с более высокой скоростью, но тем же давлением, с которым они вошли в двигатель.

Добавление больше топлива к сгоранию увеличит жару и скорость газов входя в турбину, поэтому больше работы можно сделать здесь. Эта избыточная работа ускорит турбину, а вместе с ней и компрессор, так что в процесс сгорания будет закачиваться больше воздуха, пока не будет достигнут новый баланс, где тепловой энергии, добавленной в сгорание, будет достаточно, чтобы двигатель вращался на новой скорости. Обороты и расход топлива идут вверх и вниз вместе, но в строгих пределах, а не линейно. Увеличение потока топлива, когда впуск не может обеспечить больше воздуха, или увеличение его слишком быстро , чтобы позволить раскрутки, приведет к всплеску компрессора, поток отделяется на лопатках компрессора и массовый поток через компрессор рушится. Вскоре после этого турбина начнет плавиться от чрезмерной температуры газа. Чтобы избежать неправильных команд дроссельной заслонки, современные реактивные двигатели фильтруют команды через компьютеризированную систему управления, поэтому у пилота меньше возможностей испортить.

Каждый этап компрессора добавляет увеличение давления, и более быстрая скорость вращения значит больше объем воздуха и увеличенного коэффициента сжатия. Вращаясь быстрее, компрессор может увеличить давление в камере сгорания и увеличить массовый расход, разбавляя топливовоздушную смесь. Теперь воздух, поступающий в турбину, течет быстрее, но холоднее, потому что такое же количество топлива должно нагреваться с большей массой воздуха за раз. Турбина работает как компрессор в обратном направлении: после каждой ступени турбины воздух расширяется и становится холоднее, чем при входе в эту ступень. Турбина закрутит как быстро по мере того как энергия, Котор дали в процессе расширения позволяет ей повернуть компрессор, и массовые подача и температура входа определяют насколько энергии имеющаяся.

Скорость вращения турбины на холостом ходу составляет примерно 50% от скорости на полной тяге. Связь между тягой и RPM довольно сложна, если вы хотите ее изучить, я рекомендую программное обеспечение для моделирования, такое как GasTurb .

Как изменяется частота вращения двигателя в этом процессе?

Можно с уверенностью сказать, что в большинстве рабочих условий скорость вала будет увеличиваться при более высоких настройках тяги. Вот почему:
Когда мы посмотрим на очень упрощенный вариант процессов в реактивном двигателе, увеличение расхода топлива увеличит температуру в камере сгорания. Это подтолкнет точку 4 к более высокому T.

Сначала турбина будет потреблять такое же количество энергии. Это означает, что «расстояние» между точками 4 и 5 останется неизменным. Наконец, это означает, что« расстояние » между точкой 5 и точкой 8 больше. В T-S-диаграмме расстояние является мерой энергии, хранящейся в воздухе, поэтому в воздухе, выходящем из сопла, больше энергии, поэтому струя будет быстрее, и это увеличит скорость полета. Но происходит и другое, на самом деле это происходит одновременно, но немного медленнее: поскольку воздух более горячий на входе в турбину, турбина также будет извлекать больше энергии из горячего воздуха и, следовательно, ускорится. Что приводит к более высокой скорости в компрессоре, а также, что приводит к вашему второму вопросу.

Есть ли уравнение, которое связывает вместе обороты катушки с тягой?

Короткий ответ: Нет
Но, на самом деле это не так просто. Не существует единого уравнения для двигателя, кроме системы уравнений. Характер этой системы нелинейный и содержит большое количество параметров (например, кривые эффективности компрессора и турбины), которые иногда неизвестны и должны быть измерены во время эксперимента.
Однако можно проводить эксперименты и по уменьшению количества параметров, и по построению корреляций. Что сделано регулярно для того чтобы моделировать представление двигателя или контролировать двигатель.
Я не совсем уверен, какие »уравнения« вы имели в виду в своем вопросе. Потому что в принципе корреляции также являются уравнениями, но нужно соответствовать этим корреляциям, основанным на экспериментах, чтобы определить параметры, которые вы не можете знать заранее.

Вышеизложенное представляет собой очень упрощенный вид на реактивный двигатель. В зависимости от типа на реактивном двигателе есть намного больше настроек, которые влияют на поведение двигателя: например, переменный закон приведения в действие направляющей лопасти, или график выпуска воздуха, или система охлаждения корпуса. Все они вносят свой вклад в сложность, которая делает »простое уравнение« невозможным.

Более важное значение для пилота в мониторинге работы двигателя имеет манометр отношения давления двигателя (EPR).EPR-это отношение входного давления компрессора к давлению выхлопных газов, которое показывает эффективность процесса движения вперед-назад. EPR измеряется в процентах, 100% — максимальная тяга, необходимая для безопасного взлета при заданном весе самолета, длине взлетно-посадочной полосы и при преобладающих погодных условиях.

Вторичная забота к пилоту температура газа турбины (TGT) иногда называемая температурой выхлопного газа (EGT) или температурой входа турбины (TIT). Более высокие двигатели жизни покажут более высокое TGT до максимального безопасного предела для жизни лопатки турбины.

Также представляет интерес производительность при заданном расходе топлива, измеренная на расходомере топлива. Контроль RPM относительно незначительного представления обеспеченного максимальные скорости не превышены во время принимает силу. Высокий срок службы почти изношенного двигателя не сможет произвести его необходимый взлет EPR в жаркий день, полностью загруженный самолет на короткой взлетно-посадочной полосе без превышения максимальных пределов TGT или RPM. Тем не менее, тот же двигатель может производить достаточное ЭПР в холодный день, легкий загруженный самолет на длинной взлетно-посадочной полосе. Пилоты двигателей 1970-х годов должны были обращаться к картам при выборе «взлет ЭПР дня». Современные органы управления двигателем FADEC производят все расчеты и регулировки автоматически.