¿Cómo (y por qué) cambia el empuje del motor con la velocidad del aire?

Estoy interesado en cómo se ve afectado el empuje de un motor turboventilador a velocidades aerodinámicas más altas (TAS). Sé (creía) que el empuje del motor (a N1 constante) era relativamente constante como en el siguiente gráfico (solo ligeras desviaciones):

ingrese la descripción de la imagen aquí

Este gráfico suele estar en los libros/manuales que describen el rendimiento del motor con referencia a la velocidad.

Luego me encontré con los datos del motor turboventilador CFM56-5C que establece que el empuje máximo del motor en crucero es de aproximadamente 29 360 Newton, mientras que el empuje máximo cuando está parado es de 140 000 N. Eso es casi 5 veces más potencia en tierra que en crucero. Aquí está el enlace: ¿Cuánto aire, en masa, ingresa a un motor turboventilador CFM56 promedio por minuto?

Estas son afirmaciones aparentemente contradictorias o me estoy perdiendo algo. ¿Cuál es la correcta y por qué? ¿Por qué el empuje del motor cambia con la velocidad? Además, en el gráfico anterior, ¿cuáles son esas dos curvas que, cuando se suman, forman un empuje neto del motor?

Después de hacer algunos cálculos usando la ecuación de empuje (F = flujo de masa * diferencia en las velocidades de escape y entrada indicadas como delta V -> ignoraremos el flujo de masa de combustible y supondremos que la presión de salida es igual a la presión de flujo libre gracias a una boquilla ) y siguiendo los datos mencionados anteriormente en el enlace, descubrí que el término delta V en crucero y en despegue es constante (a plena potencia) y su valor es 295 m/s, lo que indica que la velocidad de escape del motor siempre será 295 m/s más rápido desde la velocidad de entrada (para un ajuste de potencia máxima a cualquier velocidad). Creo que es lógico porque el trabajo realizado por el motor se usa para aumentar la energía cinética (delta Ek) del flujo de aire, lo que aumenta la velocidad siempre en una cantidad constante en la configuración específica de potencia/N1 (por supuesto, menos potencia equivale a menos delta V).

Tenga en cuenta lo siguiente: afirma que el empuje máximo del motor en crucero es de aproximadamente 29 360 Newton, mientras que el empuje máximo cuando está parado es de 140 000 N. Eso es casi 5 veces más potencia en tierra que en crucero ... Eso es incorrecto, porque el empuje no es potencia . Existe una relación entre empuje, velocidad y potencia, pero el caso estacionario es especial...
En cuanto al trabajo útil, mi norte mi r gramo y = F o r C mi ⋅ d i s t a norte C mi , pag o w mi r = F o r C mi ⋅ v mi yo o C i t y (productos escalares vectoriales). A velocidad cero, usar energía para soplar todo ese aire detrás de ti cuesta mucha energía de combustible, pero no está haciendo nada útil. Incluso cuando sueltas los frenos y empiezas a rodar, no es mucha potencia. (Los motores a reacción son muy ineficientes a baja velocidad).

Respuestas (2)

El primer diagrama al que se vincula muestra tres líneas, pero no indica lo que representan. Supongo que la línea en negrita se empuja sobre la velocidad. Entonces este diagrama es correcto para un turborreactor .

Empuje sobre el diagrama de velocidad aerodinámica

Empuje T es la diferencia entre el impulso de salida del motor menos el impulso de entrada:

T = ( metro ˙ a i r + metro ˙ F tu mi yo ) ⋅ v mi X i t − metro ˙ a i r ⋅ v mi norte t r y
la velocidad de salida v mi X i t de un motor turborreactor es casi constante sobre la velocidad de vuelo (en relación con el motor, por supuesto), por lo que a medida que el motor acelera, se debe restar un impulso de entrada más grande de un impulso de salida casi constante. El empuje cae ligeramente sobre la velocidad.

A números de Mach más altos, la precompresión del efecto del ariete en la entrada eleva el nivel de presión (y, por lo tanto, el flujo másico). metro ˙ a i r ) dentro del motor, por lo que desarrollará más empuje que en condiciones estáticas. Este efecto hace que la línea de empuje se doble hacia arriba a mayor velocidad y, dado que la precompresión crece de forma no lineal con la velocidad , la caída inicial del empuje pronto se invierte. Por supuesto, ahora el flujo de masa de combustible metro ˙ F tu mi yo crecerá de la misma manera, por lo que la eficiencia del combustible (empuje por combustible utilizado) seguirá cayendo a medida que aumente la velocidad.

Solo cuando la velocidad de vuelo se acerque a la velocidad de salida del jet, el empuje volverá a bajar. La velocidad de salida típica de un turborreactor es fácilmente supersónica, por lo que este tipo de motor es muy adecuado para vuelos supersónicos .

El empuje máximo del motor en crucero es de aproximadamente 29 360 Newton, mientras que el empuje máximo cuando está parado es de 140 000 N.

Aquí tienes dos efectos que se combinan para reducir el empuje. Uno es la reducción en la diferencia entre la velocidad de entrada y salida. Esto es más pronunciado en un motor turboventilador porque el flujo de derivación se acelerará mucho menos que el flujo del núcleo, y una mayor velocidad de vuelo provocará una caída proporcionalmente mayor en el empuje.

El segundo efecto proviene de la diferencia en la densidad del aire entre tierra y crucero: la densidad del aire a una altitud de crucero típica de 35 000 pies es solo 0,38 kg/m³ o el 31 % de la densidad del aire al nivel del mar . La fuente original para el número de empuje de crucero no dice para qué altitud es válida la cifra, pero puede estar seguro de que es para aproximadamente un tercio de la densidad terrestre. Flujo de masa metro ˙ a i r es directamente proporcional a la densidad ambiental, y ambos efectos se combinan. Sin embargo, la mayoría de las fuentes dan solo una caída a una cuarta parte del empuje estático: la última tabla en la respuesta vinculada parece que alguien mezcló los valores para CFM56-5A y CFM56-5C.

Solo para aclarar, que la velocidad de salida de un turborreactor sea "supersónica" significa que dentro del escape (con una velocidad de sonido más alta porque está caliente) el flujo real es supersónico, o es subsónico pero más rápido que la velocidad del sonido en los alrededores ¿aire?
@Talisker: Sí, supersónico significa más que la velocidad del sonido de este aire caliente. Hay aviones supersónicos con velocidad de salida del motor subsónico , y eso solo funciona debido a la mayor velocidad del sonido en el aire caliente, pero esos son la excepción.
@PeterKämpf cuando dijiste v mi X i t es casi constante, ¿es constante en relación con la aeronave, de modo que cuando la aeronave acelera, la velocidad de escape en realidad disminuye en relación con alguien que está parado en el suelo? ¿O quiere decir que la velocidad de escape es constante independientemente de qué tan rápido vaya el avión y, por lo tanto, en realidad aumenta en relación con el avión?
@AbanobEbrahim: ¡Sí, muy buena pregunta! La velocidad de salida es de aprox. constante en relación con la aeronave, por lo que esto pone un límite superior a la velocidad máxima que se puede alcanzar.
@PeterKämpf: Gracias. Soy nuevo aquí en Aviación y ya admiro sus increíbles respuestas. Pero solo para asegurarme de que te entiendo correctamente, supongamos que la velocidad de escape cuando el motor está parado es 500 metro / s . Ahora por aprox. constante quiere decir que cuando el avión se mueve a 200 metro / s , la velocidad de escape en relación con el avión sigue siendo 500 metro / s pero para alguien que está parado en el suelo, la velocidad de escape es solo 300 metro / s en la dirección opuesta de la aeronave. Entonces, ¿es eso correcto?
@AbanobEbrahim: Sí, eso es correcto. Para los quisquillosos: los números reales pueden variar un poco entre los diferentes escenarios.

La densidad del aire o la altitud de presión deben tenerse en cuenta al comparar las cifras de empuje del motor. En crucero, FL400, la densidad del aire será de aproximadamente una quinta parte. El empuje máximo (o HP máximo para motores de pistón) también será una quinta parte, al igual que la resistencia del aire/arrastre parásito. El flujo de masa de aire será una quinta parte, al igual que el flujo/quema de combustible. Incluso la sustentación será un quinto para una velocidad de aire dada (TAS).

Supongo que quiso decir TAS en su pregunta, sin embargo, si consideramos IAS/CAS, esa es una historia diferente. En FL400, tendría números como Mach 0.82, 470kts TAS y 250kts IAS. Los aviones de pasajeros rara vez realizan vuelos nivelados, excepto en altitud de crucero; sin embargo, sería posible mantener 250 nudos IAS/CAS con un 20 % de empuje estático (más o menos) en altitudes inferiores a la de crucero, como en una bodega.

Jugar con estos podría ser útil:

IAS/TAS frente a altitud: https://aerotoolbox.net/airspeed-conversions/

Potencia del motor frente a altitud: http://www.csgnetwork.com/relhumhpcalc.html

No estoy seguro de que esto responda a la pregunta que se hizo. No es mala información, pero se trata de cómo varía el empuje con la altitud, en lugar de lo que hace la pregunta, que es por qué el empuje varía con la velocidad del aire, per se. Además, cuestionaría su afirmación de que un avión comercial podría mantener la velocidad con solo el 20% de la potencia disponible. Tal vez en un 747 o A-380 increíblemente ligero, pero en los 737 con los que estoy familiarizado, esa afirmación parece insostenible.
Ralph J, me está malinterpretando si dice "20% de la energía disponible". Estoy abordando la pregunta que hace referencia a una quinta parte del empuje estático o 29,360N. Por definición de lo que es IAS y lo que implica, ¿cómo puede alguien estar en desacuerdo con mi declaración? Si el empuje es de 29.360 N en crucero a una determinada velocidad aérea indicada, ambos serán aproximadamente iguales para cualquier otra altitud (excepto, por supuesto, para velocidades y altitudes fuera de los límites).
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