Compresor-Turbina: ¿Por qué un eje y no una especie de "tambor giratorio"?

Hay algunas razones muy prácticas por las que los motores de turbina usan ejes/carretes internos.

En primer lugar, las bobinas de los motores a reacción son piezas giratorias de muy alta velocidad, lo que significa que están sujetas a grandes cantidades de fuerza centrípeta. La fuerza centrípeta se calcula por$F=mr\omega ^2$donde F es Fuerza, m es masa, r es radio de giro y$\omega$es la velocidad angular. Entonces, obviamente, cuanto mayor sea el radio de giro, mayores serán las fuerzas que deben soportar los rotores. Para reducir el radio de giro, los fabricantes intentan empujar la masa de los rotores lo más cerca posible de la línea central del motor. En la imagen de abajo ( fuente ) he marcado con un círculo los rotores HPC, HPT y LPT. Puede ver cómo son muy delgados debajo de las palas y luego tienen un bulbo grande muy cerca de la línea central del motor. Mover toda esta masa hacia la línea central reduce el radio de giro y, por lo tanto, reduce la fuerza centrípeta. Al reducir la fuerza centrípeta, también puede reducir la fuerza de los rotores, ya que no tienen que soportar tanta carga. Esto le permite eliminar masa de los rotores, reduciendo aún más la fuerza centrípeta y el peso total del motor.

A continuación, desea que los cojinetes sean lo más pequeños posible. Esto se debe a que a medida que aumenta el radio de un rodamiento, también aumenta su velocidad lineal, a través de esta ecuación:$v=\omega r$. Cuanto más rápida sea la velocidad lineal, mayor será el desgaste, mayor la fricción y mayor la generación de calor. Por lo tanto, hay un impulso para hacer que los cojinetes sean lo más pequeños posible dadas otras limitaciones. En la imagen a continuación, he rodeado los cojinetes, los círculos rojos están en los cojinetes de carrete de baja presión, mientras que los círculos azules son los cojinetes de carrete de alta presión. Esto no siempre se hace, pero se está volviendo muy común que el cojinete de alta presión de popa se desplace sobre el eje de baja presión. Por lo general, estos ejes giran en la misma dirección, por lo que la velocidad del cojinete se reduce por esta ecuación$\omega_{AftHPbearing}=\omega_{HP}-\omega_{LP}$. La fricción de los cojinetes reduce la eficiencia del motor, y el desgaste de los cojinetes es un importante factor de mantenimiento.

(Esto se está alargando, así que voy a truncar el resto) También habría muchos otros problemas, como el montaje de la hoja (cola de milano en compresión en lugar de tensión), diseño de la hoja (compresión en lugar de tensión), posible aumento en las vías de fuga , contención, diseño de la estructura del estator (ahora todos sus estatores están unidos a un eje estacionario que solo se puede sostener en los extremos), control de las paletas variables del estator, cómo ingresar el combustible a la cámara de combustión, cómo montar el motor, etc.

Editar: solo volví a leer la pregunta y me di cuenta de que también estabas hablando de agrandar la cámara de combustión. Los combustores modernos son cada vez más pequeños y mucho más pequeños de lo que eran en los motores a reacción originales. También puede ver en las imágenes de arriba, que ya no usan todo el espacio disponible y si necesitaran más espacio, el brazo (eje) que conecta el HPT y el HPC podría bajarse un poco más.

Un tambor giratorio tendrá una mayor inercia. Cuando el piloto ordena un aumento de empuje, enrollar el tambor llevará más tiempo que enrollar un eje. Además, un tambor grande es más difícil de equilibrar bien que un eje delgado.

Sin embargo, lo que propone no está tan lejos de la práctica general: el carrete de alta presión en los motores modernos ya es bastante grande, pero todavía está en el interior de las palas. Vea la imagen recortada del motor General Electric Passport , por ejemplo ( fuente ):

Aquí es interesante ver que los componentes centrales son un poco más pequeños que el canal para el aire de derivación, pero el carrete de alta presión usa todo el espacio que deja la cámara de combustión. También puede ver que el carrete de baja presión debe ser delgado para permitir suficiente sección transversal para las primeras etapas del compresor de alta presión. El uso de un tambor aquí no solo aumentaría la inercia del carrete de baja presión, sino también de todo el compresor de alta presión. Poner el tambor en el exterior de las palas lo pondría en el camino de las líneas de aire de purga, los ejes de transmisión de accesorios y las líneas de combustible. Además, hacer que las paletas del estator sean móviles sería mucho más difícil. El corte debería hacer evidente que el diámetro de la sección de alta presión se mantuvo tan pequeño como fuera posible.

Parece que estás describiendo un diseño de turbina exoesquelética . No soy un experto, solo vagamente asociado con la industria. Son atractivos en parte porque los materiales de su rotor solo necesitan ser resistentes a la compresión, por lo que puede usar, por ejemplo, cerámica. Además, el volumen interior hueco se puede reutilizar para una ruta de flujo alternativa o un tipo de motor, lo que abre opciones para opciones sc/ramjet con un turboventilador convencional envuelto alrededor. La NASA lo investigó , con hallazgos importantes de que la tecnología de cojinetes no existía en ese momento y que el equipo de soporte probablemente consumiría cualquier ventaja obtenida, para un rendimiento más o menos equivalente. Las mejoras en los materiales pueden cambiar el equilibrio de cualquier manera.