Fordi LP-turbinen trekker ut strøm til viften, noe som krever mest kraft. HP- og IP-turbinen trekker bare ut strøm til sine tilkoblede kompressorer - LP-turbinen trekker ut strøm til viften og LP-kompressoren. Viften fungerer på all luftstrøm gjennom motoren, kompressorene bare på en brøkdel (10: 1 for en høy bypass som Trent 1000). Viften produserer opptil 75% av motorens drivkraft.

Fra denne presentasjonen: tverrsnittet av Trent 1000. Det viser at LP, IP og HP rotorer har forskjellige rotasjonshastigheter, men viser dem ikke. En annen (eldre) presentasjon viser dem som 3600. 6800 og 10200 RPM. Rotasjonshastigheten går ned når volumet av massestrømmen øker.

En gammel lærebok av meg gir kraften P ekstrahert fra en turbinstadiet som:

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

med

• $ \ dot {m} $ = massestrøm [kg / s]
• u = tangential bladhastighet [m / s]
• v $ _ {ax} $ = aksial gasshastighet [m / s]
• $ \ alpha_2 $ og $ \ alpha_3 $ vinkler i henhold til figuren nedenfor.

Så tangentialhastigheten til turbinbladet er i ligningen for kraftuttak, som består av rotasjonshastighet og bladradius. Jo raskere turbinen svinger, jo mer kraft kan trekkes ut per trinn, og jo færre trinn kreves. Hvorfor går rotasjonshastigheten da ned med trykk? (HP = 10.200; IP = 6800).

Årsaken er turbinens konstruksjonsgrenser. Etter hvert som gassstrømmen utvides, blir turbinbladene større og monteres med større aksial avstand, noe som resulterer i større sentrifugalkrefter som er proporsjonal med bladmasse, rotasjonshastighet og avstand fra aksen. For å begrense sentrifugalkrefter reduseres rotorens rotasjonshastighet: hvert påfølgende trinn svinger ved et lavere turtall. Legg merke til at en lavere turtall kan kompenseres ved å montere bladet lenger borte fra rotasjonsaksen.

LP-rotoren til en ikke-giret motor går med samme rotasjonshastighet som viften. Den optimale turtallet for turbinen kan være høyere, og den kan tilpasses av den utstyrte viften. Når bypass-forholdet blir høyere, vil LP-turbinen trekke ut en høyere brøkdel av total kraft fra luftstrømmen - turboprops og turboskafter har en girkasse mellom LP-akselen og propellen / rotoren, og den høye bypass-viften nærmer seg de relative dimensjonene av en propell ...

Svaret fra Daniel Kiracofe er riktig, jeg har bare et par ekstra kommentarer, og jeg har ikke nok rykte til å legge dette til som en kommentar til svaret hans.

1. På motorer med høy bypass er LP-rotorens hastighet vanligvis begrenset av viftehodet på grunn av dens store diameter.

2. En av de første bestemmelsene i å velge mellom en giret og anon-utstyrt (konvensjonell) design er å sørge for at du kan fjerne minst så mye vekt fra LPT som du legger til med girboksen. Hvis du ikke kan det, er ikke det girbare designet et levedyktig alternativ.

Her er et enda mer interessant spørsmål. Ta en titt på tverrsnittet P&W giret turbofan (f.eks. denne artikkelen). Den har bare tre LPT-scener! Så hvorfor kommer GTF med 3, og alle de andre motorene som RR Trent 900 har mye mer? (f.eks. en GE90 har som 6 eller 7).

Svaret er dette: fans er best når de løper sakte. LPT er mest effektive når de kjører raskt. På en motor som Trent 900 eller GE90 er viften og LPT på samme aksel, så de må kjøre i samme hastighet. Så du må gå på akkord. Vanligvis pleier kompromisset å favorisere fanen. Så fordi akselen går med den hastigheten viften ønsker å kjøre i, er LPT ineffektiv. Det vil si: hvert LPT-trinn utvinner ikke mye kraft fra luften. Derfor, for å få ut den totale kraften du trenger, må du ha mange LPT-trinn.

Nå, på en giret turbofan, er det girkasse mellom viften og LPT. Det betyr at viften og LPT ikke trenger å kjøre i samme hastighet. Viften kan kjøre sakte som den vil, og LPT kan kjøre fort, som den vil. I så fall er LPT mye mer effektiv, og du trenger bare noen få trinn.

I tillegg til Koyovis 'svar som diskuterer utgangskravene til turbinetrinnene, er det også et inputproblem:

HP turbintrinn har den beste plassen: den har det høyeste inngangstrykket, så du trenger bare ett trinn for å trekke ut nok kraft til å kjøre HP-kompressoren. LP-turbinetrinnene kjøres på eksosgasser som allerede har utvunnet noe energi fra dem, så lavere trykk-> trinn er mindre effektivt-> du trenger flere av dem for å få den nødvendige kraften.

Jeg liker noen av svarene her, men ingen ser ut til å svare på spørsmålet fra fluidmekanikkens perspektiv.

En av grunnene til at lavtrykksregionen har flere trinn, er fordi du vil unngå flyt separasjon som fører til tap av energi til resirkulering i stedet for å gi kraft eller kraft. Lavtrykksregionen komprimerer; dette forårsaker en ugunstig trykkgradient. I lekmannsbetingelser vil strømmen i utgangspunktet gå bakover fordi høyt trykk har en tendens til å strømme mot lavtrykk.

Turbinbladene har bæreform, og de fungerer akkurat som flyvinger i at heisen er produsert i en rotasjon retning for å gi en ønsket effekt. Derfor, hvis du prøver å snu strømmen for drastisk uten å ta i betraktning den ugunstige trykkgradienten, vil du få flyteseparasjon og et drastisk fall i kompresjonsforholdet og et fall i effektivitet for alle de andre turbindelene.

Turbomachinedesignere vil gjøre strømmen et visst beløp, men de vil ikke gjøre det med ett trinn. Så ingeniørene velger å vri strømmen litt i løpet av hvert trinn, og det viser seg at den ekstra vekten fra alt det metallet er verdt det.

På baksiden er høytrykksdelen har færre kniver fordi strømmen egentlig bare vil gå, så resirkulering er mye mindre sannsynlig. Det er her du kan kutte hjørner og sette halvparten så mange etapper. Se hvor drastisk strømningssvingingen er på dette høytrykksturbinbladet her. http://www.technology.matthey.com/wp-content/uploads/articles/39/3/pmr0039-0117-f2.gif

Se hvordan lavtrykksbladene er nesten rette?

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

Av to spesifikke grunner.

1. Høyere strømavbrudd - LPT-stasjon LPC og vifte sammen i 2-spole og GTF-arkitektur (og bare vifte i 3 - spolearkitektur). I alle fall vil Fan alene eller Fan + LPC ta opp en betydelig del av den totale arbeidsinnsatsen. Dermed må høy mekanisk kraft hentes ut av LPT.
2. Lavere RPM: Men kanskje den viktigste faktoren er bortsett fra i GTF, kjøres LPT med veldig lav hastighet sammenlignet med HPT som de jobber suboptimalt med. Dermed reduseres energiutvinning per trinn betydelig. Derfor flere trinn trengs. Som allerede påpekt i et annet svar, siden GTF fjerner denne begrensningen, trenger PW1000G-motoren bare 3 LPT-trinn, siden de roterer ved ~ 10000 o / min i stedet for ~ 3500 o / min for andre motorer.