Weil die LP-Turbine dem Lüfter Strom entzieht, der am meisten Strom benötigt. Die HP- und IP-Turbine ziehen nur Strom für ihre angeschlossenen Kompressoren - die LP-Turbine entzieht dem Lüfter und dem LP-Kompressor Strom. Der Lüfter arbeitet mit dem gesamten Luftstrom durch den Motor, die Kompressoren nur mit einem Bruchteil (10: 1 für einen hohen Bypass wie den Trent 1000). Der Lüfter erzeugt bis zu 75% des Motorschubs.

Aus dieser Präsentation: dem Querschnitt des Trent 1000. Es zeigt, dass die LP-, IP- und HP-Rotoren unterschiedliche Drehzahlen haben, diese aber nicht auflisten. Eine andere (ältere) Präsentation listet sie als 3600 auf. 6800 und 10200 U / min. Die Drehzahl nimmt ab, wenn das Volumen des Massenstroms steigt.

Ein altes Lehrbuch von mir gibt die Leistung P an, die aus a extrahiert wird Turbinenstufe als:

$$ P = \ dot {m} \ cdot u \ cdot v_ {ax} \ cdot [tan (\ alpha_2) + tan (\ alpha_3)] $$

mit

Die Tangentialgeschwindigkeit des Turbinenschaufels ist also in der Gleichung für die Leistungsentnahme enthalten, die sich aus Rotationsgeschwindigkeit und Schaufelradius zusammensetzt. Je schneller sich die Turbine dreht, desto mehr Leistung kann pro Stufe entnommen werden und desto weniger Stufen sind erforderlich. Warum sinkt dann die Rotationsgeschwindigkeit mit dem Druck? (HP = 10.200; IP = 6.800).

Der Grund sind die Konstruktionsgrenzen der Turbine. Wenn sich der Gasstrom ausdehnt, werden die Turbinenschaufeln größer und in einem größeren axialen Abstand montiert, was zu größeren Zentrifugalkräften führt, die proportional zur Schaufelmasse, der Drehzahl und dem Abstand von der Achse sind. Um die Zentrifugalkräfte zu begrenzen, wird die Drehzahl des Rotors verringert: Jede nachfolgende Stufe dreht sich mit einer niedrigeren Drehzahl. Beachten Sie, dass eine niedrigere Drehzahl ausgeglichen werden kann, indem das Blatt weiter von der Drehachse entfernt montiert wird.

Der LP-Rotor eines Motors ohne Getriebe läuft mit der gleichen Drehzahl wie der Lüfter. Die optimale Drehzahl für die Turbine kann höher sein, und diese kann vom Getriebelüfter aufgenommen werden. Wenn das Bypass-Verhältnis höher wird, entzieht die LP-Turbine dem Luftstrom einen höheren Anteil der Gesamtleistung - Turboprops und Turbowellen haben ein Getriebe zwischen der LP-Welle und dem Propeller / Rotor, und der Hochbypass-Lüfter nähert sich den relativen Abmessungen von ein Propeller ...

Die Antwort von Daniel Kiracofe ist richtig. Ich habe nur ein paar zusätzliche Kommentare und ich habe nicht genug Ruf, um dies als Kommentar zu seiner Antwort hinzuzufügen.

1. Bei Motoren mit hohem Bypass wird die Drehzahl des LP-Rotors aufgrund seines großen Durchmessers normalerweise durch die Drehzahl des Lüfters begrenzt.

2. Eine der ersten Bestimmungen bei der Auswahl zwischen a Das (konventionelle) Design mit und ohne Getriebe soll sicherstellen, dass Sie mindestens so viel Gewicht vom LPT entfernen können, wie Sie mit dem Getriebe hinzufügen. Wenn Sie dies nicht können, ist das Getriebedesign keine praktikable Option.

ol>

Hier ist eine noch interessantere Frage. Schauen Sie sich den Querschnitt des P&W-Getriebefans an (z. B. dieser Artikel). Es hat nur drei LPT-Stufen! Wie kommt es, dass der GTF 3 hat und alle anderen Motoren wie der RR Trent 900 viel mehr haben? (z. B. ein GE90 hat 6 oder 7).

Die Antwort lautet: Fans sind am besten, wenn sie langsam laufen. LPTs sind am effizientesten, wenn sie schnell laufen. Bei einem Motor wie dem Trent 900 oder GE90 befinden sich Lüfter und LPT auf derselben Welle, sodass sie mit derselben Drehzahl laufen müssen. Sie müssen also Kompromisse eingehen. Normalerweise tendiert der Kompromiss dazu, den Lüfter zu bevorzugen. Da die Welle mit der Geschwindigkeit läuft, mit der der Lüfter laufen möchte, ist das LPT ineffizient. Das heißt: Jede LPT-Stufe entzieht der Luft nicht viel Strom. Um die benötigte Gesamtleistung zu erzielen, müssen daher viele LPT-Stufen vorhanden sein.

Bei einem Turbofan mit Getriebe befindet sich nun ein Getriebe zwischen Lüfter und LPT. Das bedeutet, dass der Lüfter und das LPT nicht mit der gleichen Geschwindigkeit laufen müssen. Der Lüfter kann langsam laufen, wie er möchte, und der LPT kann schnell laufen, wie er möchte. In diesem Fall ist das LPT viel effizienter und Sie benötigen nur wenige Stufen.

Zusätzlich zu Koyovis 'Antwort, in der die Leistungsanforderungen der Turbinenstufen erörtert werden, gibt es auch ein Eingangsproblem:

Die HP-Turbinenstufe hat den besten Punkt: Sie hat also den höchsten Eingangsdruck Sie benötigen nur eine Stufe, um genügend Strom für den Betrieb des HP-Kompressors zu gewinnen. Die LP-Turbinenstufen werden mit Abgasen betrieben, denen bereits etwas Energie entzogen wurde. Daher ist eine niedrigere Druckstufe> weniger effizient -> Sie benötigen mehr davon, um die erforderliche Leistung zu erhalten.

Ich mag einige der Antworten hier, aber keine scheint die Frage aus Sicht der Strömungsmechanik zu beantworten.

Einer der Gründe, warum der Niederdruckbereich mehr Stufen hat, ist, dass Sie den Durchfluss vermeiden möchten Trennung, die einen Energieverlust bei der Rezirkulation verursacht, anstatt Schub oder Kraft bereitzustellen. Der Niederdruckbereich komprimiert; Dies verursacht einen nachteiligen Druckgradienten. In Laienbegriffen möchte die Strömung im Grunde genommen rückwärts gehen, da hoher Druck dazu neigt, in Richtung niedrigen Druck zu fließen.

Die Turbinenschaufeln haben Tragflächenformen und funktionieren genau wie Flugzeugflügel, wobei der Auftrieb in einer Umdrehung erzeugt wird Richtung, um einen gewünschten Effekt zu erzeugen. Wenn Sie daher versuchen, die Strömung zu drastisch zu drehen, ohne den nachteiligen Druckgradienten zu berücksichtigen, erhalten Sie eine Strömungstrennung und einen drastischen Abfall Ihres Verdichtungsverhältnisses sowie einen Wirkungsgradabfall für alle anderen Turbinenteile.

Konstrukteure von Turbomaschinen möchten den Durchfluss um einen bestimmten Betrag drehen, aber nicht mit einer Stufe. Daher entscheiden sich die Ingenieure dafür, den Durchfluss in jeder Phase jeweils ein wenig zu drehen, und es stellt sich heraus, dass sich das zusätzliche Gewicht des gesamten Metalls lohnt.

Auf der anderen Seite der Hochdruckabschnitt hat weniger Schaufeln, weil die Strömung wirklich schon gehen will, so dass eine Rückführung viel weniger wahrscheinlich ist. Hier können Sie Ecken schneiden und halb so viele Stufen setzen. Sehen Sie, wie drastisch die Strömungsdrehung an dieser Hochdruckturbinenschaufel hier ist. http://www.technology.matthey.com/wp-content/uploads/articles/39/3/pmr0039-0117-f2.gif

Sehen Sie, wie die Niederdruckschaufeln fast gerade sind?

https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_separation

Aus zwei spezifischen Gründen.

1. Höheres Ausschalten - LPT-Laufwerk LPC und Lüfter zusammen in 2-Spulen- und GTF-Architektur (und nur Lüfter in 3- Spulenarchitektur). In jedem Fall nimmt der Lüfter allein oder Lüfter + LPC einen erheblichen Teil des gesamten Arbeitsaufwands ein. Daher muss dem LPT eine hohe mechanische Leistung entzogen werden.
2. Niedrigere Drehzahl: Der vielleicht wichtigere Faktor ist jedoch, dass die LPT mit Ausnahme von GTF mit einer im Vergleich zu sehr niedrigen Geschwindigkeit betrieben werden das HPT, bei dem sie nicht optimal arbeiten. Dadurch wird die Energiegewinnung pro Stufe erheblich reduziert. Daher wird mehr Anzahl von Stufen benötigt. Wie bereits in einer anderen Antwort ausgeführt, benötigt der PW1000G-Motor nur 3 LPT-Stufen, da GTF diese Einschränkung aufhebt, da sie sich jetzt mit ~ 10000 U / min anstatt mit ~ 3500 U / min für andere Motoren drehen.
ol>