Die Effizienzprobleme sind wie folgt.

Für eine feste Menge des Massendurchsatzes durch einen thermodynamischen Prozess zur Arbeitsextraktion ist ein großer Motor effizienter als zwei kleinere, da das Paar kleinerer Motoren im Verhältnis zum Massendurchfluss eine größere Innenfläche aufweist sie als der einzelne größere Motor. Je feuchter der Bereich im Motor im Verhältnis zum Massenstrom ist, desto größer sind die Reibungsverluste. Dies treibt den Konstrukteur zu weniger und größeren Motoren und weg von mehr und kleineren Motoren.

Zusätzlich sind mit jeder Triebwerksgondel / Pylon-Baugruppe am Flügel aerodynamische Verluste verbunden, die durch Verringern der Anzahl der pro Flügel installierten Motoren minimiert werden.

Ein größeres Strahltriebwerk ist kraftstoffsparender, da weniger Verluste auftreten durch:

• Kleinerer Grenzschichteffekt.
• Geringere Reibungslagerverluste.

• Geringerer relativer Spitzenverlusteffekt.

  1. Grenzschicht. Der Gasfluss durch ein Stromrohr erfährt einen Energieverlust an der Rohrwand: in Die Fließgeschwindigkeit der Grenzschicht wird aufgrund der Viskosität verringert. Dies verursacht einen effektiven Druckverlust im Gasstrom, und der Wirkungsgrad eines Brayton-Zyklus wie in einer Gasturbine ist hauptsächlich eine Funktion des Druckverhältnisses.

  2. Reibungslagerverluste. Die Spitzendrehzahl von Turbinen und Kompressoren wird durch Kompressibilitätseffekte begrenzt. Eine lineare Geschwindigkeitsbegrenzung führt zu einer niedrigeren Rotationsgeschwindigkeit, wenn längere Schaufeln beteiligt sind, was geringere Reibungsverluste in den Rotationslagern impliziert.

  3. Spitzenverlust. An den Kompressor- und Turbinenschaufelspitzen tritt ein Endverlusteffekt auf, der dem an den Flügel- und Rotorblattspitzen ähnlich ist. Innerhalb des Stromrohrs eines Gasturbinentriebwerks haben die Spitzen einen kleinen Spalt zwischen Schaufelende und Rohrwand. Je kleiner die effektiven Verluste sind, desto geringer sind die effektiven Verluste.

Die drei Verlustfaktoren haben eine bestimmte absolute Größe - proportional zum Gasdurchflussvolumen werden sie kleiner, wenn das Gasdurchflussvolumen größer wird. Und geringeren Verlust bedeutet höhere Kraftstoffeffizienz.

Wie bei jeder Entwurfsentscheidung handelt es sich um ein Gleichgewicht. Es funktioniert aufgrund von Gewichtszunahme und Kanal nur bis zu einem bestimmten Grenzwert Verluste.

Außerdem steuert nicht nur die Lüftergröße das Bypass-Verhältnis (BPR) / den Wirkungsgrad:

Je größer der Lüfter, desto leistungsstärker muss der Kern sein Und für die Effizienz gilt: Je kleiner der Kern, desto besser - ein großer Kern, der die Größe des Bypasskanals verringert, ist nicht so nützlich.

Der begrenzende Faktor war immer der OPR (Gesamtdruckverhältnis). Das erfordert Fortschritte bei Verbrennung und Materialien. Sobald ein höherer OPR erreicht werden kann, kann der BPR größer werden.

Als Paradebeispiel beträgt der CFM56 -Lüfterdurchmesser des A320 173 cm und der BPR 5,4–6,0. Für den CFM LEAP des A320neo beträgt der Lüfterdurchmesser 176 cm und der BPR 9, dank der Fortschritte, die den Kern im Wesentlichen geschrumpft haben.

Illustrationsquelle: Grundlagen zur Effizienz von Antriebssystemen (PDF), Safran, 2017

Das Quadratwürfelgesetz begünstigt große Wärmekraftmaschinen, da die Verluste umso geringer sind, je größer die Maschine ist, da die Verluste im Allgemeinen mit der Oberfläche und die Leistung mit dem Volumen zusammenhängen.

Andere Antworten haben die realen Auswirkungen von Motorgröße und -zahl gut erklärt. Hier ein kurzer Überblick darüber, warum ein idealisierter Motor (oder Propeller) mit größerem Durchmesser im Allgemeinen effizienter ist als ein kleinerer, um den gleichen Schub zu erzeugen. Fahren Sie mit dem Ende fort, wenn Sie sich nicht mit den mathematischen Details befassen.

Betrachten Sie die folgende Situation ( Quelle):

Der Lüfter beschleunigt den Durchfluss und das Streamtube wird verengt. Diese Verengung erfolgt je nach Motortyp in freier Luft oder innerhalb einer Gondel. Angenommen, der Fluss hat eine Geschwindigkeit $ V $ span> am Punkt $ 0 $ span> und eine Geschwindigkeit $ V + v $ span> am Punkt $ 3 $ span>.

Die Antriebseffizienz $ \ eta $ span> ist das Verhältnis des vom Motor erzeugten Nutzschubs und der Arbeitsgeschwindigkeit, die aufgewendet wird, um diesen Schub zu erreichen. Der nützliche Schub wird durch $ \ dot {m} v $ span> gegeben, wobei $ \ dot {m} $ span > ist der Massenstrom durch den Motor. Nach dem Arbeitsenergiesatz ist die Arbeitsgeschwindigkeit gleich der Änderungsrate der kinetischen Energie, die durch $ \ frac {1} {2} \ dot {m gegeben ist } \ big ((V + v) ^ 2-V ^ 2 \ big) \ impliziert \ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ big) $ span>. Daher ist \ begin {Gleichung} \ eta = \ frac {\ dot {m} v} {\ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ groß)} = \ frac {1} {1+ \ frac {v} {2V}} \ ,. \ end {Gleichung} span>

Um die Effizienz bei $ 1 $ span> maximal zu erreichen, soll $ v $ span> sein so klein wie möglich. Das heißt, der effizienteste Motor verleiht dem Luftstrom die geringste Geschwindigkeit . Denken Sie jedoch daran, dass der nützliche Schub $ \ dot {m} v $ span> ist. Wenn wir also die übertragene Geschwindigkeit verringern, aber denselben Schub wünschen, müssen wir die Luftmenge erhöhen durch den Motor fließen. Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, den Lüfter einfach größer zu machen.

Andere Leute gaben sehr detaillierte Antworten, die sicherlich viele Aspekte großer Motoren beschreiben, aber ich denke, die Schlüsselvariable, die hier den größten Einfluss hat, ist das Bypass-Verhältnis . Turbofan-Triebwerke erzeugen einen großen Anteil des Schubes aus der Luft, die durch den Lüfter strömt, aber das Triebwerk umgeht.

Technologische Fortschritte bei den (Kern-) Strahltriebwerken ermöglichten diesen Trend wahrscheinlich, indem sie die Leistung auf der Welle ohne entsprechende Leistung erhöhten Gewichtszunahme. Der beste Weg, diese zusätzliche Leistung unter Einschränkungen des Passagierverkehrs einzusetzen, besteht darin, die Luftmasse zu erhöhen, die den Lüfter, aber nicht den Motor passiert - das Bypass-Verhältnis.

Dies kann nicht durch Erhöhen der Geschwindigkeit des Lüfters erreicht werden Lüfter, wenn Sie anfangen, die Materialgrenzen für Lüfterblätter mit großem Durchmesser zu erreichen. Daher tauchten Turbofan-Konstruktionen mit Getriebe auf, die einen langsam rotierenden Lüfter mit großem Durchmesser ermöglichen, der Schub bietet, und einen Kern mit hoher Drehzahl, der mit maximaler Effizienz arbeitet.

Dies hat auch eine Seite Effekt der Geräuschreduzierung.

Ich werde versuchen, Ihre Frage ohne Gleichungen zu beantworten.

Was definiert die Antriebskraft eines Strahltriebwerks? Masse und Geschwindigkeit der 'ausgestoßenen' Gase und auch die Oberfläche der Gase werden gegen (Atmosphäre) gedrückt, abzüglich des vom Motor auf der Einlassseite erzeugten Luftwiderstands (angesaugte Luft, aber der Motor erzeugt immer noch einen gewissen Widerstand).

Theoretisch haben wir kann Gase schneller drücken, indem die Gasausstoßöffnung verengt wird, aber irgendwann werden wir eine kritische Geschwindigkeit erreichen, wenn die Gase nicht genug Oberfläche haben, um dagegen zu drücken.

Auch können wir die Einlassöffnung nicht zu groß machen - Widerstand wird Starten Sie den Überholwirkungsgrad bei einem bestimmten Grenzwert.

Außerdem sollten wir eine Masse des Strahltriebwerks berücksichtigen - mehr Gewicht bedeutet mehr Belastung des Triebwerks / der Flügel und der Wirkungsgrad nimmt ab (mehr Kraftstoff wird verbrannt, um das Triebwerk selbst zu tragen ).

Die vom Strahltriebwerk erzeugte Kraft ist proportional zur Quadratgeschwindigkeit der 'ausgestoßenen Gase' multipliziert mit der Masse der 'Gase' selbst [I = V ^ 2 * M].

A. Das Gleichgewicht sollte erreicht werden, um das Triebwerk effizienter zu machen.

Zwei Triebwerke sind weniger effizient als eines aufgrund der Gleichung S = Pi * R ^ 2 - die Oberfläche nimmt mit inc schneller zu Radiusreduzierung.

Zwei oder mehr Triebwerke erhöhen die Zuverlässigkeit von Flugzeugen - jedoch auf Kosten der Effizienz. Heutzutage kann ein Flugzeug mit nur einem Motor landen, es wurde in die Konstruktion von Flugzeugen eingebaut.