¿Por qué la relación de derivación de un turbohélice es más alta que la de un turboventilador?

La relación de derivación es la relación entre el flujo total y el flujo del núcleo (que finalmente pasa por la cámara de combustión). El flujo total es el flujo capturado por la entrada o el que pasa por el disco de la hélice. Incluso para aviones de pistón, es posible definir una relación de derivación si interpreta el aire que fluye a través de los cilindros como el flujo del núcleo.

Básicamente, un turboventilador utiliza una hélice cubierta de alta solidez (o índice de actividad) que ayuda a acelerar el flujo a través de él tanto como sea posible. Necesita producir el mayor empuje del volumen de aire limitado capturado por la entrada de la cubierta. La limitación es necesaria para limitar la velocidad de la punta del ventilador y el tamaño total y el arrastre de la cubierta.

Las hélices, por otro lado, aceleran menos un flujo mayor y necesitan cubrir menos el disco de la hélice para hacer esto. Para mantener constante el empuje, se necesita involucrar un mayor flujo de masa en la aceleración.

_{Gráfico del consumo de combustible específico de empuje en lb de combustible por lb de empuje por hora de diferentes motores sobre el logaritmo de su relación de derivación ( fuente de la imagen ).}

Una comparación solo es sensata si observamos el mismo componente central: si un turboventilador y un turbopropulsor comparten los mismos componentes de alta presión. Un ejemplo sería el Rolls-Royce/Allison 2100 y el Rolls-Royce/Allison 3007 . Wikipedia da el flujo másico del 3007 como 109 - 127 kg/s pero no da información para el 2100. Utilizando la velocidad máxima de vuelo del Alenia C-27J de 167 m/s y su diámetro de hélice de 4,15 m, podemos encontrar un límite inferior para el flujo de masa a través de una de sus hélices si hacemos la suposición heroica de que la velocidad máxima se alcanza en 25000 pies (7620 m) donde la densidad del aire es de 0,55 kg/m³.

El flujo másico a través de la hélice de un 2100 es de al menos 1242,4 kg/s o aproximadamente diez veces el del 3007. El flujo másico a través del núcleo es el mismo porque ambos motores comparten la misma sección caliente. El empuje estático del 2100 es más alto que el del 3007 pero cae más rápido con la velocidad, por lo que a alta velocidad el 3007 produce más empuje.

Existe una limitación a la hora de diseñar un ventilador, la velocidad en la punta para no llegar a condiciones sónicas. Esencialmente, eso significa que es básicamente la velocidad de rotación multiplicada por el diámetro de la hoja. Entonces... en las mismas condiciones, el factor de velocidad de rotación y el diámetro de la hoja serán una condición de diseño.

Eso viene con 2 soluciones de diseño diferentes:

• Diseñamos un ventilador que conectamos directamente el ventilador a la turbina. Por lo tanto, mayor velocidad de rotación del ventilador pero menor diámetro de calva.
• Instalamos un reductor, así reducimos la velocidad de rotación del ventilador y podemos aumentar el diámetro.

Es una simplificación, pero en esencia el primero se llama turboventilador y el segundo turbohélice.

Por diseño, el turbohélice tendrá un diámetro más alto y, por lo tanto, una relación de derivación más alta, pero llevará un engranaje de reducción pesado. Así que... tenemos un intercambio.

Es por eso que algunos aviones subsónicos bajos prefieren turbohélice en comparación con turborreactores.