Motore a ciclo variabile - Variable cycle engine

Vista in sezione di un potenziale motore ADVENT

Un motore a ciclo variabile (VCE), noto anche come motore a ciclo adattativo (ACE), è un motore a reazione aeronautico progettato per funzionare in modo efficiente in condizioni di volo miste, come subsonico , transonico e supersonico .

La prossima generazione di trasporto supersonico (SST) potrebbe richiedere una qualche forma di VCE. I motori SST richiedono un'elevata spinta specifica ( spinta netta/flusso d'aria) al supercruise per mantenere al minimo l'area della sezione trasversale del propulsore, in modo da ridurre la resistenza dell'aeromobile . Sfortunatamente, ciò implica un'elevata velocità del getto non solo durante la crociera supersonica, ma anche al decollo, il che rende l'aereo rumoroso.

Un motore ad alta spinta specifica ha per definizione un'alta velocità del getto, come implica la seguente equazione approssimativa per la spinta netta:

${\displaystyle F_{n}={\dot {m}}\cdot (V_{jfe}-V_{a})}$

dove:

${\displaystyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m=\,}$ portata massica in ingresso

${\displaystyle V_{jfe}=\,}$ velocità del getto completamente espanso (nel pennacchio di scarico)

${\displaystyle V_{a}=\,}$ velocità di volo dell'aereo

Riordinando l'equazione di cui sopra, la spinta specifica è data da:

${\displaystyle {\frac {F_{n}}{\dot {m}}}=(V_{jfe}-V_{a})}$

Quindi per la velocità di volo zero, la spinta specifica è direttamente proporzionale alla velocità del getto.

La Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 a Concorde aveva un'elevata spinta specifica nella crociera supersonica e al decollo a secco. Questo da solo avrebbe reso i motori rumorosi, ma il problema era aggravato dalla necessità di una modesta quantità di postcombustione (riscaldamento) al decollo (e Transonic Acceleration). Un VCE SST dovrebbe aumentare sostanzialmente il flusso d'aria del motore al decollo, per ridurre la velocità del getto ad una data spinta (cioè una spinta specifica inferiore)

Esempi

Un concetto SST VCE è il motore Tandem Fan. Il motore è dotato di due ventole, entrambe montate sull'albero di bassa pressione, con un significativo gioco assiale tra le unità. In volo normale, il motore è in modalità serie, con il flusso in uscita dalla ventola anteriore che passa direttamente nella seconda ventola, il motore si comporta in modo molto simile a un normale turbofan. Tuttavia, per il decollo, la salita, la discesa finale e l'avvicinamento, la ventola anteriore può scaricare direttamente attraverso un ugello ausiliario sul lato inferiore della navicella del propulsore. Le prese ausiliarie sono aperte su ciascun lato del propulsore, consentendo all'aria di entrare nella ventola posteriore e avanzare attraverso il resto del motore. Il funzionamento delle ventole in questa modalità parallela aumenta sostanzialmente il flusso d'aria totale del motore a una spinta, determinando una velocità del getto inferiore e un motore più silenzioso. Negli anni '70, Boeing modificò un Pratt & Whitney JT8D in una configurazione Tandem Fan e dimostrò con successo il passaggio dal funzionamento in serie al funzionamento in parallelo (e viceversa) con il motore acceso, anche se a potenza parziale.

Nel concetto Mid Tandem Fan, un ventilatore monostadio ad alta portata specifica è posizionato tra i compressori ad alta pressione (HP) e a bassa pressione (LP) di un nucleo turbogetto. Solo l'aria di bypass può passare attraverso il ventilatore, il flusso di uscita del compressore LP passa attraverso appositi passaggi all'interno del disco del ventilatore, direttamente sotto le pale del rotore del ventilatore. Una parte dell'aria di bypass entra nel motore tramite una presa ausiliaria. Durante il decollo e l'avvicinamento il motore si comporta come un normale turbofan civile, con un livello accettabile di rumorosità del getto (cioè bassa spinta specifica). Tuttavia, per la crociera supersonica , le alette di guida dell'ingresso variabile della ventola e la chiusura dell'aspirazione ausiliaria riducono al minimo il flusso di bypass e aumentano la spinta specifica. In questa modalità il motore si comporta più come un turbogetto "che perde" (ad esempio l' F404 ).

Nel Mixed-Flow Turbofan con il concetto di eiettore, un motore a basso rapporto di bypass è montato davanti a un lungo tubo, chiamato eiettore. Questo dispositivo silenziatore viene utilizzato durante il decollo e l'avvicinamento. I gas di scarico del turbofan inducono aria aggiuntiva nell'eiettore tramite una presa d'aria ausiliaria, riducendo così la spinta specifica/velocità media del getto dello scarico finale. Il design a flusso misto non presenta i vantaggi del design del ventilatore mid-tandem in termini di efficienza a bassa velocità, ma è notevolmente più semplice.

Nei motori degli aerei da combattimento, un concetto emergente è l'architettura a tre flussi, in cui un terzo flusso di bypass può essere utilizzato per aumentare il rapporto di bypass quando è richiesta l'efficienza del carburante, o avere un flusso d'aria aggiuntivo diretto al nucleo per una maggiore potenza. Nell'ambito del programma Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE), l'aeronautica statunitense e i partner del settore hanno sviluppato questo concetto nell'ambito dell'Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) e del successivo Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) e dell'Adaptive Engine Transition Program (AETP). ). Esempi di motori a tre flussi includono General Electric XA100 e Pratt & Whitney XA101 , nonché il sistema di propulsione per Next Generation Air Dominance (NGAD) in fase di sviluppo nell'ambito del programma Next Generation Adaptive Propulsion (NGAP).

Altre applicazioni

Un'altra applicazione che potrebbe trarre vantaggio dall'approccio VCE è l'aereo da combattimento. I progettisti normalmente devono fare un compromesso sulla spinta specifica del motore. Se scelgono una spinta specifica elevata, il consumo di carburante specifico per il riscaldamento (SFC) sarà molto buono, ma l'SFC a secco scarso. Un'elevata spinta specifica implica un elevato rapporto di pressione del ventilatore, che indica un'elevata temperatura dell'ugello in potenza a secco. Di conseguenza, l'aumento di spinta nel riscaldamento è relativamente basso. Per definizione, i livelli di spinta a secco e di riscaldamento sono buoni.

È vero l'opposto per un motore a bassa spinta specifica, ovvero un SFC di preriscaldamento scadente, un SFC a secco e strozzato buono, un buon boost di spinta del riscaldamento successivo e, per definizione, una spinta a secco e riscaldata bassa.

Un motore ad alta spinta specifica favorirebbe un velivolo che richiede una buona durata nel combattimento riscaldato, ma sarebbe penalizzato sulla gittata disponibile in potenza a secco.

D'altra parte, un motore a bassa spinta specifica, favorirebbe un velivolo con la necessità di lungo raggio in potenza a secco, ma comprometterebbe il tempo trascorso in combattimento riscaldato.

Pertanto, i progettisti di motori devono spesso scendere a compromessi sulla spinta specifica del motore.

Tuttavia, il Combat VCE ideale avrebbe l'elevata spinta di riscaldamento/buono SFC di riscaldamento associato a un motore a spinta specifica elevata, ma avrebbe la bassa SFC di un motore a spinta specifica bassa in potenza a secco e strozzata. Ideare un motore del genere è difficile. Tuttavia, la General Electric ha sviluppato un motore a ciclo variabile, noto come GE37 o General Electric YF120 , per la competizione di aerei da combattimento YF-22 / YF-23 , alla fine degli anni '80. GE ha utilizzato una disposizione Double Bypass/Hybrid Fan, ma fino ad oggi non ha mai rivelato con precisione come hanno sfruttato il concetto. Sebbene l'YF120 fosse un buon motore (forse migliore) nel fly-off, l' USAF ha sbagliato per eccesso di cautela e ha selezionato il più convenzionale Pratt & Whitney F119 come propulsore per la produzione Lockheed Martin F-22 Raptor .

Riferimenti