Por que os grandes turbofans geralmente possuem muito mais estágios de turbina LP que os estágios de turbinas HP?

Porque a turbina LP extrai energia para o ventilador, o que requer o máximo de energia. A turbina HP e IP apenas extrai energia para seus compressores conectados - a turbina LP extrai energia para o ventilador e o compressor LP. O ventilador funciona em todo o fluxo de ar através do motor, os compressores somente em uma fração (10: 1 para um bypass alto como o Trent 1000). O ventilador produz até 75% do impulso do motor.

De esta apresentação : a seção transversal do Trent 1000. Ela mostra que os rotores LP, IP e HP têm diferentes velocidades de rotação, mas não os listam. Outra (mais antiga) apresentação lista-os como 3600. 6800 e 10200 RPM. A velocidade de rotação diminui conforme o volume do fluxo de massa aumenta.

Um antigo livro meu dá o poder P extraído de um estágio de turbina como:

$$ P = \ ponto {m} \ cdot \ v \ {ax} \ cdot [tan (\ alpha_2) + tan (\ alpha_3)] $$

com

• $ \ dot {m} $ = fluxo de massa [kg / s]
• u = velocidade da lâmina tangencial [m / s]
• v $ _ {ax} $ = velocidade do gás axial [m / s]
• $ \ alpha_2 $ e $ \ alpha_3 $ ângulos de acordo com a figura abaixo.

Assim, a velocidade tangencial da pá da turbina está na equação de extração de potência, que é composta de velocidade de rotação e raio da pá. Quanto mais rápido a turbina gira, mais potência pode ser extraída por estágio e menos estágios são necessários. Por que então a velocidade rotacional diminui com a pressão? (HP = 10.200; IP = 6,800).

A razão é os limites construtivos da turbina. À medida que a corrente gasosa se expande, as pás da turbina tornam-se maiores e são montadas a uma distância axial maior, o que resulta em maiores forças centrífugas que são proporcionais à massa da pá, à velocidade de rotação e à distância do eixo. A fim de limitar as forças centrífugas, a velocidade de rotação do rotor é reduzida: cada estágio subsequente gira a uma RPM mais baixa. Observe que uma rotação mais baixa pode ser compensada com a montagem da lâmina mais longe do eixo de rotação.

O rotor LP de um motor sem engrenagem roda na mesma velocidade rotacional do ventilador. Sua rotação ideal para a turbina pode ser maior, e isso pode ser acomodado pelo ventilador. À medida que a relação de bypass aumenta, a turbina LP estará extraindo uma fração mais alta da energia total da turbina - os turboélices e os turboshafts têm uma caixa de câmbio entre o eixo LP e a hélice / rotor, e o ventilador de bypass se aproxima das dimensões relativas uma hélice ...

A resposta fornecida por Daniel Kiracofe está correta, eu só tenho alguns comentários adicionais e não tenho reputação suficiente para adicionar isso como um comentário à sua resposta.

1. Em motores de alto desvio, a velocidade do rotor LP geralmente é limitada pela velocidade da ponta do ventilador devido ao seu grande diâmetro.

2. Uma das primeiras determinações na escolha entre uma engrenagem e uma design não-orientado (convencional) é ter certeza de que você pode remover menos tanto peso do LPT como você está adicionando com o caixa de velocidade. Se você não puder, então o design orientado não é uma opção viável.

Aqui está uma pergunta ainda mais interessante. Dê uma olhada na seção transversal do turbofan com engrenagens P & W (por exemplo, neste artigo ). Só tem três estágios LPT! Então como é que o GTF tem 3 e todos os outros motores como o RR Trent 900 têm muito mais? (por exemplo, um GE90 tem como 6 ou 7).

A resposta é esta: os fãs são melhores quando correm devagar. Os LPTs são mais eficientes quando são executados rapidamente. Em um motor como o Trent 900 ou o GE90, o ventilador e o LPT estão no mesmo eixo, portanto, eles precisam funcionar na mesma velocidade. Então você tem que comprometer. Geralmente o compromisso tende a favorecer o ventilador. Então, como o eixo está funcionando na velocidade que o ventilador quer rodar, o LPT é ineficiente. Ou seja: cada estágio LPT não extrai muita energia do ar. Portanto, para obter a potência total de que você precisa, você precisa ter muitos estágios LPT.

Agora, em um turbofan com engrenagem, há uma caixa de engrenagens entre o ventilador e o LPT. Isso significa que o ventilador e o LPT não precisam correr na mesma velocidade. O ventilador pode correr devagar como quiser, e o LPT pode correr rápido, como quer. Nesse caso, o LPT é muito mais eficiente e você precisa apenas de alguns estágios.

Além da resposta de Koyovis, que discute os requisitos de saída dos estágios da turbina, também há um problema de entrada:

O estágio de turbina HP tem o melhor ponto: ele tem a pressão de entrada mais alta, então você só precisa de um estágio para extrair energia suficiente para operar o compressor HP. Os estágios da turbina LP são executados em gases de exaustão que já tiveram alguma energia extraída deles, então um estágio de pressão > é menos eficiente - > você precisa de mais deles para obter a energia necessária.

Eu gosto de algumas das respostas aqui, mas nenhuma parece responder à pergunta da perspectiva da mecânica dos fluidos.

Uma das razões pelas quais a região de baixa pressão tem mais estágios é porque você deseja evitar a separação do fluxo, o que causa uma perda de energia para a recirculação, em vez de fornecer impulso ou potência. A região de baixa pressão está comprimindo; isso causa um gradiente de pressão adverso. Em termos leigos, o fluxo basicamente quer ir para trás porque a alta pressão tende a fluir para baixa pressão.

As pás da turbina têm formato aerodinâmico e funcionam exatamente como as asas da aeronave, pois a elevação é produzida em uma direção de rotação para produzir o efeito desejado. Portanto, se você tentar alterar drasticamente o fluxo sem considerar o gradiente de pressão adverso, obterá uma separação de fluxo e uma queda drástica na taxa de compressão e uma queda na eficiência de todas as outras peças da turbina.

Os projetistas de turbomáquinas querem transformar o fluxo em uma certa quantidade, mas eles não querem fazer isso com um estágio. Então, os engenheiros optam por transformar o fluxo um pouco cada um durante cada estágio, e verifica-se que o peso extra de todo esse metal vale a pena.

Por outro lado, a seção de alta pressão tem menos lâminas, porque o fluxo realmente quer sair, já que a recirculação é muito menos provável. É aqui que você pode cortar os cantos e colocar metade dos estágios. Veja como a rotação do fluxo é drástica nesta turbina de alta pressão lâmina aqui. http://www.technology.matthey.com/wp-content/uploads/articles/39/3/pmr0039-0117-f2.gif

Veja como as lâminas de baixa pressão estão quase retas?

link

Por dois motivos específicos.

1. Aumento de potência maior - LPT e LPT do drive LPT juntos em arquitetura de 2 spool e GTF (e somente Fan em arquitetura de 3 spool). Em qualquer caso, o Fan sozinho ou o Fan + LPC ocuparão uma parte significativa da entrada de trabalho total. Assim, a alta potência mecânica precisa ser extraída pelo LPT.
2. RPM mais baixa: Mas talvez o fator mais importante seja, exceto no GTF, o LPT é executado em velocidade muito baixa em comparação com o HPT no qual eles trabalham abaixo do ideal. Assim, a extração de energia por estágio é reduzida significativamente. Daí mais um número de estágios necessários. Como já indicado em outra resposta, como o GTF remove essa restrição, o mecanismo PW1000G precisa apenas de três estágios LPT, já que agora eles rotacionam a ~ 10000rpm em vez de ~ 3500rpm para outros mecanismos.