가변 사이클 엔진

예상 ADBENT 엔진의 컷어웨이 뷰

가변 사이클 엔진(VCE)은 아음속, 트랜스오닉, 초음속과 같은 혼합 비행 조건에서 효율적으로 작동하도록 설계된 항공기 제트 엔진이다.

차세대 초음속 운송(SST)에는 어떤 형태의 VCE가 필요할 수 있습니다.초크루즈 다운 상태에서 항공기 항력을 유지하기 위해 SST 엔진은 발전소의 단면적을 최소한으로 유지하기 위해 높은 비추력(순 추력/공기 흐름)을 요구한다.불행히도 이는 초음속 크루즈뿐 아니라 이륙 시 제트속도가 높아 항공기 소음이 심하다는 것을 의미한다.

고비추력 엔진은 다음과 같은 순추력 방정식이 ^[1]시사하는 바와 같이 정의상 제트 속도가 높다.

({displaystyle F_{\text{n}}={m}}\left(V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}\right)})

여기서:

{\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}

{\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}

d

{\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}

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m ,

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textstyle

{dot

{

m}} =

specfrac {d}{dt}}m,}

섭취

{\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}

질량 유량

V_{\text{jfe}},\,

V_{\text{jfe}},\,

, {\

displaystyle V_{\text{jfe}},}

제트

V_{\text{jfe}},\,

속도가 완전히 확장됨(배기 플룸 내)

V_{\text{a}},\,

a

,\

항공기 비행

V_{\text{a}},\,

속도

위의 방정식을 재정렬하면, 구체적인 추력은 다음과 같이 주어진다.

{F_{\text{n}}{\dot {m}}=V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}

따라서 비행 속도가 0인 경우 특정 추력은 제트 속도에 정비례합니다.

콩코드에 있는 롤스로이스/스넥마 올림푸스 593은 초음속 순항과 건조 이륙 동력에서 높은 특수 추진력을 보였다.이것만으로도 엔진 소음이 발생했지만 이륙 시 약간의 애프터 연소(재히트)와 트랜스오닉 가속이 필요하기 때문에 문제가 더욱 심각해졌습니다.SST VCE는 주어진 추력(즉, 낮은 비추력)에서 제트 속도를 줄이기 위해 이륙 시 엔진 공기량을 상당히 증가시켜야 합니다.

예

SST VCE의 개념 중 하나는 탠덤팬 엔진입니다엔진에는 두 팬 모두 저압축에 장착되며, 장치 사이에 상당한 축 간극이 있습니다.정상 비행 시 엔진은 직렬 모드이며, 프론트 팬에서 나오는 흐름이 두 번째 팬으로 직접 전달되고 엔진은 일반 터보 팬과 거의 비슷하게 작동합니다.단, 이륙, 상승, 최종 하강 및 접근의 경우 전면 팬은 발전소 나셀 하부에 있는 보조 노즐을 통해 직접 배출할 수 있다.발전소의 각 측면에는 보조 흡입구가 열려 있어 공기가 리어 팬으로 유입되어 엔진의 나머지 부분을 통과할 수 있습니다.이 병렬 모드에서 팬을 작동시키면 추력 시 엔진의 총 공기 흐름이 크게 증가하여 제트 속도가 낮아지고 엔진이 조용해집니다.1970년대에 Boeing은 Pratt & Whitney JT8D를 탠덤 팬 구성으로 변경하여 엔진이 가동하고 있는 상태에서 직렬에서 병렬로(및 그 반대) 전환에 성공하였습니다.

미드 탠덤 팬 개념에서는 터보젯 코어의 고압(HP) 및 저압(LP) 압축기 사이에 고비류 1단 팬이 배치되어 있습니다.팬은 바이패스 공기만 통과할 수 있으며, LP 컴프레서 출구 흐름은 팬 로터 블레이드 바로 아래 팬 디스크 내의 특수 통로를 통과합니다.일부 바이패스 공기는 보조 흡입구를 통해 엔진으로 들어갑니다.이륙 및 접근 중에 엔진은 일반적인 민간 터보팬과 매우 유사하게 작동하며, 제트 소음 수준이 허용됩니다(즉, 낮은 비추력).그러나 초음속 순항 시 팬 가변 흡기 가이드는 바이패스 흐름을 최소화하고 비추력을 증가시키기 위해 베인과 보조 흡기 폐쇄된다.이 모드에서는 엔진이 '누출' 터보젯(예: F404)처럼 작동합니다.

이젝터 개념의 혼합류 터보팬에서는 이젝터라고 불리는 긴 튜브 앞에 낮은 바이패스 비율 엔진이 장착되어 있습니다.이 소음기 장치는 이륙 및 접근 중에 전개됩니다.터보팬 배기가스는 보조 공기 흡입구를 통해 이젝터로 추가 공기를 유도하여 최종 배기가스의 비추력/평균 제트 속도를 감소시킵니다.혼합 흐름 설계는 저속 효율 면에서 미드 탄뎀 팬 설계의 장점은 없지만 상당히 단순합니다.

전투기 엔진에서 새로운 개념은 3스트림 아키텍처로, 3번째 바이패스 스트림을 사용하여 연료 효율이 필요할 때 바이패스 비율을 높이거나 더 큰 출력을 위해 노심으로 향하는 추가 기류를 가질 수 있다.VAATE(Versatile Affordable Advanced Turner Engine) 프로그램 하에서 미 공군과 업계 파트너들은 어댑티브 다목적 엔진 기술(ADVENT)과 후속 어댑티브 엔진 기술 시연기(AETD) 및 어댑티브 엔진 전환 프로그램(ADPATE)^[2]으로 이 개념을 개발했습니다.General Electric XA100 및 Pratt & Whitney XA101 및 차세대 적응 추진(^[3]NGAP) 프로그램으로 개발 중인 차세대 항공 우위(NGAD) 추진 시스템 등이 3스트림 엔진의 예입니다.

기타 응용 프로그램

VCE 접근법의 혜택을 받을 수 있는 또 다른 애플리케이션은 전투 항공기이다.설계자는 일반적으로 엔진의 특정 추력을 절충해야 합니다.높은 비추력을 선택할 경우 재열 비연료 소비량(SFC)은 매우 양호하지만 건조한 SFC는 불량합니다.높은 비추력은 높은 팬 압력비를 의미하며, 이는 건조 전력에서 높은 노즐 온도를 나타냅니다.그 결과, 재열시의 추력 부스트는 비교적 낮다.정의에 따르면 건조 및 재가열 추력 수준은 모두 양호합니다.

저비 추력 엔진의 경우, 즉 낮은 재열 SFC, 양호한 건조 및 스로틀 SFC, 양호한 재열 추력 부스트 및 정의상 낮은 건조 및 재열 추력이다.

높은 비추력 엔진은 재가열 전투 시 오랜 시간이 필요한 항공기를 선호하지만 건조 동력에서 사용 가능한 범위에서 불이익을 받을 수 있다.

반면, 낮은 비추력 엔진은 건조한 동력에서 장거리 비행이 필요한 항공기를 선호하지만, 재열 전투의 시간을 단축할 수 있다.

따라서 엔진 설계자는 종종 엔진 고유의 추력을 절충해야 합니다.

그러나 이상적인 전투 VCE는 높은 비추력 엔진과 관련된 높은 재열 추력/좋은 재열 SFC를 가지지만, 낮은 비추력 엔진의 낮은 SFC를 건식 출력 및 스로틀백한다.그런 엔진을 고안하는 것은 어렵다.하지만 제너럴 일렉트릭은 80년대 후반에 YF-22/YF-23 전투기 경쟁을 위해 GE37 또는 GE120으로 알려진 가변 사이클 엔진을 개발했습니다.GE는 이중 바이패스/하이브리드 팬 어레인지먼트를 사용했지만, 지금까지 이 개념을 어떻게 이용했는지는 정확하게 공개되지 않았습니다.YF120은 비행에서는 우수한 엔진(아마도 더 나은 엔진일 수 있음)이었지만, USAF는 주의를 기울여 보다 전통적인 프랫 & 휘트니 F119를 록히드 마틴 F-22 랩터의 동력 장치로 선택했습니다.

레퍼런스

^ "Thrust equation". Archived from the original on 23 August 2006. Retrieved 20 March 2011.
^ Thomson, Daniel E. (14 April 2010). Versatile Affordable Advanced Turbine Engines Provide Game Changing Capability with Superior Fuel Efficiency (PDF). 11th Annual Science & Engineering Technology Conference/DoD Tech Expo. Charleston, South Carolina.
^ Mathews, Jim (26 June 2017). "Engines of Innovation". Air Force Magazine. Retrieved 11 January 2020.

[1] "Thrust equation". Archived from the original on 23 August 2006. Retrieved 20 March 2011.

[2] Thomson, Daniel E. (14 April 2010). Versatile Affordable Advanced Turbine Engines Provide Game Changing Capability with Superior Fuel Efficiency (PDF). 11th Annual Science & Engineering Technology Conference/DoD Tech Expo. Charleston, South Carolina.

[3] Mathews, Jim (26 June 2017). "Engines of Innovation". Air Force Magazine. Retrieved 11 January 2020.

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