¿Cómo logran los fabricantes de motores de aviones una relación de derivación más alta sin dejar de cumplir los requisitos de empuje para un avión determinado?

Los primeros turborreactores eran tan ineficientes que se consideró agregar un ventilador, pero no se implementó porque eso habría hecho que los motores fueran aún más lentos y hubiera reducido aún más los límites operativos. Si compara el Jumo 004 con el EJ200 , encontrará que ambos son de tamaño similar, tienen 8 etapas de compresor, pero varían ampliamente en su relación de compresión y empuje (relación de compresión de 3,2 frente a 26 y empuje seco de 9 frente a 60 kN) .

Cuando se entendió mejor el flujo del compresor, las temperaturas de la turbina y las relaciones de presión aumentaron, el exceso de potencia entregado por el núcleo del motor aumentó y permitió impulsar una segunda turbina y eje; inicialmente con relaciones de derivación tan bajas como 0,25 . Si compara la relación de presión general con la relación de derivación, seguramente detectará una tendencia:

Engine             compressor       pressure ratio     bypass ratio
RR Conway        7LP, 9HP stages       14  :1             0.25:1
P&W JT3D      2fan, 6LP, 7HP stages    12.5:1             1.42:1
GE CF6-6      1 fan, 1LP, 16HP stages  25  :1             5.8 :1
RR RB211-535  1 fan, 6IP, 6HP stages   25.8:1             4.3 :1
GE 90         1 fan, 4LP, 9HP stages   42  :1             9   :1
RR Trent XWB  1 fan, 8IP, 6HP stages   52  :1             9.3 :1
RR Ultra Fan                          >70  :1           >15   :1 (projected)

Un núcleo más eficiente permite dejar más energía en el escape más allá de la turbina de alta presión, por lo que la turbina de baja presión puede extraer más energía para impulsar un ventilador más grande.

El generador de gas es el núcleo del motor a reacción: la combinación de compresor - combustor - turbina. La diferencia está en la extracción de energía por la turbina. Si la turbina es más grande, puede extraer más potencia de la corriente de gas para impulsar el compresor + ventilador. Si no hay un ventilador de derivación, la turbina extrae menos energía del flujo de gas y la velocidad de escape es mayor.

La potencia de un generador de gas se convierte en empuje acelerando un flujo de gas. La eficiencia aumenta si se acelera más gas a una velocidad más baja:

• El empuje de un motor a reacción está dado por $$F = \dot m * (v_e - v_0)$$ con$\dot m$= corriente de gas en kg/s,$v_e$= velocidad de salida de la corriente de gas en m/s, y$v_0$= velocidad del aire de la aeronave.
• La eficiencia de propulsión de un motor a reacción (con expansión completa) se define como $$\eta_p = \frac {2}{1 + v_e/v_0}$$

Entonces, para un empuje dado, si$V_e$se reduce y$\dot m$aumenta proporcionalmente, la eficiencia de propulsión aumenta.

Notas:

1. La expansión completa de la corriente de escape tiene lugar si no alcanza la velocidad local del sonido. Si lo hace, significa que hay un escape obstruido y parte del empuje es producido por una presión más alta detrás del escape. Esto se puede explicar calculando un efectivo$v_{e_{off}}$que produciría el mismo empuje.
2. La eficiencia de propulsión es 1 = 100% si$v_e$=$v_0$, pero desafortunadamente ya no hay empuje.