Защо никога не виждаме високо байпасни турбовентилаторни двигатели, използвани в големи търговски самолети и

Говоря за нещо подобно (това е измисленият самолет на Casino Royale), а не два (или повече) двигателя на крило в отделни гондоли:

Ако пренебрегнем странните „падащи резервоари“ на външните пилони, какво прави този дизайн по-нисък от този с отделни гондоли? Мога да измисля някои силно спекулативни предимства и недостатъци и за двете оформления:

Предимства за споделените гондоли:

Общата гондола и пилон могат да означават по-малко челна и влажна площ на двигател, което потенциално може да намали общото съпротивление.
Като цяло тази схема изглежда позволява "центърът на тягата" за всички двигатели на крилото да бъде по-близо до централната линия на самолета. При някои конструкции, като A380, които изискват масивна вертикална перка, за да се поддържа властта на наклон в ситуация без двигател, намаляването на размера на вертикалната перка може да спести малко тегло и влачене.

Недостатъци на споделените гондоли:

Очевидно има повишен риск неизправността на двигателя, която не е включена, като тази на A380 отпреди няколко години, да доведе до каскадни повреди в своя „съсед“. Не съм сигурен как да определям количествено този риск, но изглежда значим.
Освен това, структурна повреда в пилон/гондола (изключително рядко, но всъщност се получава IIRC) засяга два двигателя вместо един.
Поддръжката вероятно ще бъде по-трудна, тъй като ще трябва да се справите с два двигателя, за да получите един.
Очаквам, че поради конструктивните изисквания за поддържане на два двигателя на пилон, едва ли ще спестите много тегло и всъщност ще имате по-тежък самолет, при равни други условия.
Може би ще загубите известна ефективност при взаимодействието между отработените газове от двата двигателя в гондола?
Може да се окаже, че не можете да поставите два големи турбовентилатора с висок байпас в гондолата, без да избирате между проблемите с разделяне на потока и значително увеличената предна част.

Обаче всичко това е спекулация. От гледна точка на инженера, изборът на едно оформление очевиден ли е за другия? Защо или защо не?

отговор

Кратък отговор

Твърде различните условия на потока от статичен до крейсерски изискват отделно разположение на двигатели с високо съотношение на байпаса. Те биха създали по-малко тяга и повече съпротивление при сдвояване.

Защо изобщо имаше сдвоени двигатели?

В ранните джетове двигателите са били монтирани директно под или в крилото, а сравненията между отделно монтирани и двойни двигатели показват леко предимство за последното поради по-малката мокра повърхност и по-малкото въздействие върху крилото.

Arado построи два прототипа с четири двигателя на своя реактивен самолет Ar-234, един с отделни двигатели (V6, вижте директно по-долу) и един със сдвоени двигатели (V8, по-долу). V8 стана прототип на C версията на Ar-234.

Въпреки това, тъй като въздушният поток от двигателите с високо байпасно съотношение се увеличава, сдвояването става неблагоприятно поради интерференцията между двете. По време на движение се вдига само централната силова тръба, която тече към двигателя, а останалата част се излива върху смукателната устна. Поставянето на втори двигател точно до първия ще блокира въздушния поток от тази страна и ще увеличи въздушния поток от противоположната страна. Това най-вероятно ще доведе до масивно разделяне там, ако приемът не се промени значително, което ще доведе до забележимо увеличение на съпротивлението. В допълнение, сега асиметричният поток във входа ще намали ефективността на вентилатора - в днешните двигатели той изисква много хомогенен поток през цялото напречно сечение.

И обратно, при ниска скорост двигателят ще засмуква въздух отвсякъде и ще се изправи срещу конкуренция от втори двигател, така че и двамата не могат да поемат толкова въздух, колкото ако са монтирани отделно. Резултатът от сдвояването ще бъде намалена тяга по време на излитане.

Първоначалният недостатък на отделните двигатели, техният колективен ефект върху аеродинамиката на крилото, сега е значително намален, като се монтират на пилони, така че да са пред и под крилото.

Както открихте, голяма част от това вероятно е свързано с поддръжка. В момента двигателите обикновено се отстраняват директно от пилона. Ако бяха сдвоени на пилон, те или трябваше да бъдат отстранени заедно (което ги прави по същество наполовина по-надеждни), или по друг начин да бъдат прикрепени.

С модерните реактивни двигатели има смисъл само най-големият самолет с 4 двигателя, тъй като двумоторните самолети са по-ефективни. Това означава, че самолети като 747 и A380 ще бъдат кандидати за този дизайн. Всъщност структурно предимство е да имате двигател по-навън на крилото. По време на полета теглото на двигателя спомага за намаляване на огъващия момент на крилото. Както видяхте, това затруднява контрола на повредата на двигателя. Поставянето на два двигателя на едно крило е компромис между конструкцията и контрола на повредата на двигателя.

Това също би повлияло на мощността, от която се нуждае самолетът. Двудвигателните самолети трябва да имат достатъчно мощност за излитане, ако един двигател се повреди след V1. Това означава, че трябва да започнете с 50% мощност. Четиримоторните самолети трябва да отговарят на същите изисквания, но това означава, че те трябва да продължат да излитат при 75% мощност. Чрез сдвояване на двигателите обаче е много по-вероятно провалът в единия да повлияе на другия. Това означава, че самолетът може да се наложи да лети с 50% мощност, което прави самолета още по-малко ефективен.

Друг потенциален проблем е обратната тяга. В момента двигателите могат да използват места по периметъра на гондолата, за да изхвърлят този въздух. Ако двигателите бяха комбинирани, всеки щеше да има само част от обиколката, така че това може да създаде проблеми с потока.

Случаите на отказали двигатели или реверсори биха приложили въртящ момент към пилона и изискват допълнително тегло за здравина.

Комбинацията от моторни системи може да донесе някои ползи, но би намалила излишъка.

Това би намалило площта от външната страна на гондолата, но би увеличило предната площ. Ако имате предвид два двигателя с диаметър 120 инча, които са комбинирани от права връзка отгоре и отдолу, намалете обиколката от 750 "на 615", но увеличете фронталната площ от 22600 в ^ 2 на 25700 в ^ 2. Ако Ако донесете профила между двигателите (както е на снимката по-горе), предната площ се намалява, но обиколката също се увеличава.

За да бъде двигателят ефективен от гледна точка на задвижването, "трябва да се движи голям дебит със същата енергия". Тоест, по-големият вентилатор е възможен за конкретно ядро. От гледна точка на задвижването този дизайн е по-малко ефективен от конфигурацията, подобна на A380. Повече информация за ефективността на задвижването можете да намерите тук .

Не се спестява много в мокрия участък, но ще има известна намеса между двата двигателя в намаляването на емисиите, в допълнение към ефективността. Връзката между двата двигателя също създава нарастващ граничен слой, което прави връзката по-бавна. Не мога да определя количествено общото съпротивление, но не осъзнавам, че спестяването на плъзгане, когато повърхността е мокра, компенсира увеличаването на интегрирането на вискозен (граничен слой) плъзгане и задвижване или не.

Двигателят е основно аспирационна машина, която се опитва да абсорбира потока около двигателя. Това е по-малко важно при пътуване, но при излитане и двата двигателя се състезават за въздух, което ги кара да произвеждат по-малка тяга. Началото на критична повреда на двигателя обикновено е условие за оразмеряване на размера на двигателя. Следователно в най-критичното състояние имаме по-ниско ниво на ефективност. От гледна точка на глобалните самолети това прави двигателя по-голям.

Вашата точка за вертикалната перка е вярна.

По отношение на риска от неконтролирана повреда на двигателя, двигателите обикновено са проектирани да избягват тази ситуация. Обичам това видео за теста.

Що се отнася до структурата, имайте предвид, че в случай на повреда на двигателя, трябва да вземете предвид момента на отклонение, когато единият двигател работи, а другият не. Така че е много вероятно пилонът да е по-тежък от 2 пилона (макар и по-малко влачене).

Освен това тази конфигурация няма смисъл и обикновено е по-евтино да се добави резервоар за подреждане, отколкото да се използват външни, изтеглящи резервоари за гориво.

Като пример за компромисните двигатели, които всъщност не правят бизнес, само гледайки всички самолети със смесени крила, всички те имат двигатели, разделени в горната част на самолета между тях (като X48).

Като правило бих казал „колкото е възможно по-малко двигатели“.

През последните дни се правеше опит за присъединяване на двигатели с прави турбо джети - Iluyshin Il-62 и Vickers VC-10 използваха тази конфигурация, както и Lockheed JetStar Business Jet; Това се случи поради лошото представяне на тягата на по-ранните турбореактивни двигатели. Съвременните турбовентилатори осигуряват достатъчно тяга, за да не се налага да сдвоявате двигатели. Всъщност е направено предложение до USAF да сменят сдвоените турбореактивни двигатели на мачтите на B-52 с индивидуални турбовентилатори RB-211 (като по този начин осем турбореактивни бомбардировачи се превръщат в бомбардировач с четири турбовентилатора). Това беше отхвърлено поради предварителните разходи; Икономията на гориво обаче би била значителна поради възможността да се използват наполовина по-малко двигатели и подобрената специфична икономия на гориво на турбовентилаторите.

Друг проблем със сдвоените двигатели на пилон е безопасността - ЛОТ 5055 трагично демонстрира това, когато един от неговите турбовентилатори D-30 на Соловьев получи неконтролирана повреда, която предизвика пожар на двигателя и сериозни повреди на другия двигател от тази страна. Ако Il-62 използваше по-традиционно оформление, подобен инцидент би представлявал много по-малък проблем, тъй като моделът на пожар и щети би бил много по-строг.

Част от това, което прочетох за „Дискусията за преобразуване“, B-52 има по-малко общо с надстройката до по-модерни двигатели (по-добра икономия на гориво, наличност на резервни части и др.) И повече за ефектите от „управлението на кормилото“.

Ако BUFF трябваше да премине от 8 на 4 двигателя, ефектите от загубата на 1/4 или 2/4 двигатели от същата страна биха означавали, че сегашното руле и хоризонтален стабилизатор B-52 може да не са достатъчни, за да запазят самолета в безопасност за кацане на положение 3/4 или 2/4 на двигателя. Замяната на осем мотора с четири може да изисква обширен (скъп) основен ремонт на руля и вертикалния стабилизатор.

Когато сдвоите такива двигатели, е по-вероятно отказът на единия двигател да се разпространи в другия. Това се е случило например с F-18, където единият двигател е имал неконтролирана повреда, в резултат на което части от двигателя (вярвам, че това са лопатките на турбините) са унищожили другия.

Ако имате лопатъчни двигатели, разстилането на крилата ще намали огъващите моменти на крилата, което има тенденция да намалява теглото на крилото.