¿Para qué sirve realmente el aire de derivación en un motor turbofan?

En los turborreactores modernos, el aire de derivación proporciona (al menos) dos cosas

1. Empuje

   El aire pasa por alto el núcleo del motor, pero es acelerado por el ventilador N1 y proporciona empuje a medida que es expulsado hacia atrás del motor. El empuje del aire de derivación puede aportar más de la mitad del empuje total producido por el motor (más del 80 % del empuje total para algunos motores en ciertas fases del vuelo). Parte de la razón por la que el aire de derivación es tan eficiente es que se extrae mucha energía del escape del núcleo para hacer girar las turbinas de alta y baja presión (carrete doble) que impulsan el ventilador N1 y las etapas del compresor N2.

2. Refrigeración del motor y reducción de ruido

   El aire de derivación frío se puede mezclar con el aire caliente que atravesó el núcleo en la parte trasera del motor. Esta mezcla enfría el escape del motor y reduce el ruido del motor a reacción que resulta de la rápida expansión de ese aire una vez que sale del motor. El aire de derivación frío que fluye alrededor del núcleo del motor también se puede usar para el enfriamiento general del motor.

El motor de un avión proporciona empuje al acelerar el aire (más algunos productos de combustión) hacia atrás. A medida que el aire se acelera hacia atrás, el avión se acelera hacia adelante gracias a la conservación del impulso.

El momento es proporcional a la velocidad, pero la energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado. El resultado de esto es que teóricamente es más eficiente acelerar una cantidad mayor de aire a una velocidad baja que una cantidad menor a una velocidad mayor.

En la práctica, esto se complica por el hecho de que el aire ya se está moviendo en relación con el avión. Es difícil agregar eficientemente una pequeña cantidad de velocidad adicional al aire que ya se mueve rápidamente. Entonces, la mejor velocidad de escape depende de la velocidad a la que volará el avión.

La velocidad de escape del núcleo de una turbina de gas es más alta de lo deseable para la mayoría de los aviones. Por lo tanto, se utilizan una turbina y un ventilador para capturar la energía de los gases de escape y utilizarlos para acelerar el aire de derivación, lo que da como resultado un turboventilador.

Para los aviones que pasan mucho tiempo a bajas velocidades, los diseñadores pueden usar una caja de cambios y una hélice en lugar del ventilador, lo que da como resultado un turbohélice.

El aire de derivación es en realidad lo que le da al motor a reacción la mayor parte de su empuje. A medida que el aire ingresa al motor, parte de él va al núcleo de la turbina y hace funcionar todo el motor. Pero la mayor parte del aire pasa y es acelerado por el gran ventilador que lo empuja. Hacerlo de esta manera aumenta la eficiencia porque el motor mueve más aire, aunque a una velocidad ligeramente menor, que un motor de derivación baja que mueve algo de aire a alta velocidad.

Esencialmente, es más eficiente desde el punto de vista de la propulsión.

Permítanme explicar esto con un ejemplo muy simple. Imagina que estás sobre una patineta y te gustaría impulsarte usando tus manos para darte el impulso.

Tienes 2 opciones, o usas tus manos sobre otra persona sobre una patineta o te impulsas usando un escritorio pesado?

Como te imaginarás, si usas al otro tipo con la patineta, irá en la otra dirección con una velocidad similar, y el escritorio se moverá ligeramente.

Pero... tienes claro que es más eficiente usar el escritorio, además, preferirás usar una pared.

¿Lo que está sucediendo?

Cuando estás tratando de impulsarte (tercera ley de Newton), creas la misma fuerza en el otro lado, pero cuando usas un cuerpo más grande y pesado, ese cuerpo irá más lento. Esencialmente es más eficiente "propulsar" usando una masa más pesada a menor velocidad que una masa más liviana a mayor velocidad.

Es exactamente el mismo principio que usas en el agua, cuando usas aletas de buceo obtienes velocidades más rápidas a medida que mueves las piernas más lentamente pero mueves una mayor cantidad de agua, exactamente como la patineta.

El mismo principio se aplica a los turboventiladores en lugar de agua, utilizan aire. En lugar de aletas de buceo, usan cuchillas.

Al crear un bypass, también utilizan el aire que pasa por el bypass para obtener propulsión. Es más eficiente que tener un solo núcleo a muy alta velocidad.

Los aviones a reacción, como los aviones de combate, tienen su geometría diseñada para una velocidad supersónica que generalmente se logra con el escape del avión quemado de alta velocidad del motor a reacción. Esto consume mucho combustible en la sección del compresor de alta presión.

Los aviones de pasajeros, por otro lado, no están diseñados para volar a velocidad supersónica, por lo que no se desean escapes de chorro de alta velocidad con una alta tasa de consumo de combustible. La forma óptima de combustible para lograr esto es extraer la energía cinética del escape del jet quemado y transformarla nuevamente en energía mecánica. Esta energía se utiliza para impulsar el turboventilador que solo comprime el aire de derivación a través de la sección de derivación del motor hasta el escape para lograr todos los beneficios del motor a reacción de derivación como se describe en muchos otros comentarios o artículos. Tenga en cuenta que aquí no hay consumo de combustible en la sección de derivación, pero solo se extrae el exceso de energía cinética del escape caliente y se utiliza para hacer funcionar los ventiladores de derivación.

Es posible diseñar un mecanismo de motor diferente para hacer lo mismo que un motor a reacción de derivación (alta) aquí, pero puede ser más complicado y tiene la penalización de un motor más pesado; por lo tanto, menos eficiente que la implementación actual.