Das Problem ist, dass bei Bypass-Motoren die Lüfterblätter viel länger sind als die Turbinenblätter, die sie antreiben. Sowohl Kompressoren als auch Turbinen sollten sich so schnell wie möglich drehen, ohne dass Stoßwellen an der Spitze auftreten. Die lineare Drehzahl der Spitze hat also eine Obergrenze, was bedeutet, dass der Kompressor mit längeren Schaufeln viel langsamer drehen muss als die Turbine, die ihn antreibt.

Dies ist, was der Getriebefan tut, der die Drehzahl relativ zu der der Turbine reduziert, so dass sich beide mit ihrer optimalen Winkelgeschwindigkeit drehen können. Die beteiligten Kräfte und die erforderliche Zuverlässigkeit machen es nicht zu einer einfachen Konstruktionsaufgabe, wie in dieser Antwort,

angegeben. Verbessert es die Kraftstoffeffizienz?

Dies ist der Fall, wenn sich sowohl der Lüfter als auch der Kompressor mit ihrer optimalen Drehzahl drehen können und wenn das Getriebe nicht viel Reibung erzeugt.

Das Getriebe befindet sich zwischen dem vorderen Lüfter und dem Rest des Motors. Der vordere Lüfter dreht sich mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Hauptwelle.

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Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass der Frontlüfter längere Schaufeln haben kann, um eine größere Querschnittsfläche abzudecken, während sich die Niederdruckkompressor- und Turbinenschaufeln im Kern schneller drehen können Verbesserung der Kraftstoffeffizienz.

^{Bildquelle: www.aviationpros.com sup>}

Der Zweck des Untersetzungsgetriebes besteht darin, den Motorwirkungsgrad zu verbessern.

Normalerweise sind bei einem Turbofan-Motor die Turbine und der Lüfter mit niedriger Drehzahl durch eine direkt angetriebene Turbinenwelle verbunden, bei der die niedrige Turbine und der Lüfter laufen müssen mit der gleichen Geschwindigkeit. Bei einem Getriebemotor ermöglicht das Getriebe, dass sowohl der Lüfter als auch die Turbine mit ihren optimalen Drehzahlen laufen. In diesem Fall kann die Turbine mit weniger Stufen und Tragflächen schneller laufen, was den Wirkungsgrad erhöht. Der Lüfter kann mit einer langsameren Geschwindigkeit, aber mit einem größeren Durchmesser laufen, um größere Luftmengen mit einer langsameren Geschwindigkeit zu drücken.

Eine einfache Formel für die Antriebseffizienz lautet:

$$ N = \ frac {2} {1 + V_e / V_o} $$ span>

Wobei $ V_e $ span> ist die Abgasgeschwindigkeit des Triebwerks und $ V_o $ span> ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs oder des Einlasses des Triebwerks.

Wenn $ V_e $ span> bis zu dem Punkt abfällt, an dem es der Geschwindigkeit des Flugzeugs entspricht, nähert sich der Wirkungsgrad N 100%. Der größere langsam laufende Lüfter in einem Getriebemotor ermöglicht einen großen Massenstrom bei geringer Geschwindigkeit, was den Wirkungsgrad verbessert. Die niedrige Geschwindigkeit macht den Lüfter auch leiser.

Um den Antriebswirkungsgrad zu erhöhen (der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt aus thermodynamischem und Antriebswirkungsgrad der Gasturbine), müssen wir mehr Massenstrom weniger schnell beschleunigen: Dies erfordert größere Gebläsedurchmesser. Siehe z. diese Antwort, die beschreibt, wie die Bypassluft Schub liefert. Die Formel:

$$ F = \ frac {\ text {d}} {\ text {d} t} p = m \ frac {\ text { d}} {\ text {d} t} v = m \ cdot a $$ span>

zeigt, dass die Erhöhung des Massenflusses $ m $ erfordert bei gleichem Schub weniger Beschleunigung $ a $ span>.

Dies kann möglicherweise den Kraftstoffverbrauch verbessern, aber es gibt eine Grenze. Wenn Sie die Frontfläche vergrößern, erhöht sich auch der Luftwiderstand.

Wie in dieser Antwort a gesagt > Die Geschwindigkeit der Spitze ist ein begrenzender Faktor, daher müssen wir die Spulengeschwindigkeit reduzieren. Das Problem beim Verringern der Spulendrehzahl besteht darin, dass die in der Niederdruckturbine (die über eine Welle mit dem Lüfter verbunden ist) erzeugte Arbeit einen großen Durchmesser und mehr Stufen benötigt, um vom Gas genügend Leistung zu erhalten, um den Lüfter anzutreiben (lassen Sie uns nicht bekommen zu technisch bei der Erörterung der Klingenbelastung). Ein großer niedriger Turbinendurchmesser ist für den Bypassstrom des Motors nicht sehr effektiv (wie erhält man die Bypassluft um ihn herum), daher wird die Spulendrehzahl der Niederdruckturbine erhöht, um einen kleineren Durchmesser verwenden zu können. Diese Nichtübereinstimmung der Spulendrehzahl erfordert eine Getriebelösung.

Beachten Sie, dass sehr große Energiemengen über das Getriebe übertragen werden, auch bei sehr hohen Wirkungsgraden muss viel Wärme abgeführt werden. Die Abwärme und die große Ladung loszuwerden, hat sich als sehr schwierige Entwurfsaufgabe erwiesen.

Die vorhergehenden Erklärungen sind gut.

Aber - eine interessante Ergänzung ist die Vorstellung, dass das Getriebe einer Turbine kaum ein neues Konzept ist - es gibt es seit Jahrzehnten in Form von Turboprop-Motoren.

Der Allison T56 ist ein Beispiel für einen Turboprop-Getriebemotor. Vereinfacht ausgedrückt ist der Unterschied zwischen früheren Turboprop-Konstruktionen und neueren GTF-Konstruktionen der Unterschied zwischen einem Abluftventilator und einem nicht abgezogenen Propeller.