¿Por qué los motores a reacción de rotación contraria son tan raros?

Si el carrete de alta y baja velocidad gira en la misma dirección, la velocidad relativa entre ellos es baja. La rotación contraria significa que debe duplicar las velocidades individuales para llegar a la velocidad relativa, y esto aumentará considerablemente las pérdidas en los rodamientos. Tanto la fricción como el desgaste aumentarán con pocos beneficios en el funcionamiento normal. Una excepción notable es el motor Rolls-Royce Pegasus para el jet de salto Harrier.

Los estatores entre las etapas giratorias aseguran que el flujo de aire dentro del motor sea principalmente en dirección axial, por lo que aerodinámicamente una dirección de rotación diferente entre dos bobinas hará poca diferencia. Sin embargo, la contrarrotación hará obsoleto el estator entre la última etapa de la turbina de alta y la primera etapa de la turbina de baja presión. El video vinculado por @Moo cita una reducción del 10 % en el recuento de piezas como ventaja. Además, la primera etapa de la turbina de baja presión debería mostrar una eficiencia mejorada (como la segunda hélice de una hélice contrarrotante ).

Rolls Royce introdujo por primera vez la rotación contraria en los motores de turbina civil en el Trent 900, donde su carrete de alta presión giraba en dirección opuesta a los otros carretes.

http://www.prnewswire.co.uk/news-releases/rolls-royce-trent-900-engines-provide-power-for-first-a380-154499805.html

La familia de motores GEnx utiliza bobinas contrarrotantes: el compresor de alta presión se acciona en el sentido de las agujas del reloj mientras que el compresor de baja presión se acciona en el sentido contrario a las agujas del reloj.

La familia de motores Trent XWB es la continuación del Trent 900 y también utiliza bobinas contrarrotantes: el compresor de alta presión se acciona en el sentido de las agujas del reloj, mientras que los compresores de baja presión y presión intermedia se accionan en el sentido contrario a las agujas del reloj.

http://www.easa.europa.eu/system/files/dfu/EASA-TCDS-E.111_Rolls--Royce_plc_Trent_XWB_Series_engines-01-07022013.pdf

Me parece que las partes que giran en sentido contrario serían más eficientes para extraer energía o comprimir aire.

Con la hélice, las hélices contrarrotantes son la única forma de detener la rotación de la estela. Sin embargo, los motores a reacción tienen paletas guía estáticas que detienen la rotación de manera casi tan eficiente con una fracción de la complejidad de la contrarrotación real.

Otro beneficio sería la reducción o eliminación de las fuerzas giroscópicas que dificultan la guiñada o el par de cabeceo.

Estos son insignificantes en comparación con las fuerzas aerodinámicas en vuelo. El único avión en el que importa es el Hawker Siddeley Harrier y que, de hecho, tiene un motor con bobinas contrarrotantes .

Si está hablando de hacer carretes de rotación contraria en un motor a reacción de flujo axial, la principal ventaja sería la reducción del par. Sin embargo, tenga en cuenta que el par aplicado a cada carrete puede tener una disparidad considerable en magnitud, eliminando efectivamente gran parte del beneficio.

Hacer que las etapas individuales giren en sentido contrario tendría una complejidad de pesadilla en términos de engranajes y sistemas asociados para impulsar esto, además de un importante aumento de peso y una confiabilidad reducida. Por esas razones, tal diseño nunca se consideró seriamente.

Ahora se han considerado de vez en cuando ventiladores contrarrotativos. Algunos ejemplos que vienen directamente a la mente son el diseño del ventilador sin conducto de popa UDF de General Electric en la década de 1970 como un intento de aumentar la eficiencia del motor. Y SENECMA aparentemente está trabajando en un ventilador turboventilador de rotación contraria para aumentar la eficiencia y reducir las firmas IR para UAV.

La reducción de par NO IMPORTA y NO es un factor de ninguna manera. Lo que hace la contrarrotación para un turboventilador (en los diseños actuales sin engranajes) es

1. Aumente la eficiencia del compresor cambiando la 'dirección de remolino' entre el ventilador y la primera etapa del compresor. Esto tiene el efecto de hacer que el compresor sea casi inestable, lo que significa que puede ejecutar relaciones de compresión MUCHO más altas, lo que aumenta la eficiencia.
2. Entre las etapas de escape de alta y baja presión, las aspas que giran en sentido contrario extraen más energía de los gases de escape y, por lo tanto, entregan más torque al ventilador de derivación. Por ejemplo, el GE genx.

Los beneficios reales de los motores a reacción de bobina contrarrotante son los siguientes:

• Aumente la eficiencia mediante el aumento de la relación de compresión del compresor, debido a la contrarrotación en la intersección entre las etapas de baja y alta presión. Y justo ahí. Entre la última etapa de la bobina de baja presión y la primera etapa de la alta, no hay necesidad de un estator, debido a la orientación opuesta de las palas que giran en sentido contrario. Las palas que giran en sentido contrario, según lo que gira delante de ella (pero en sentido contrario) actuando como un estator.

  ¿Cómo se acumula el paso de presión en una etapa de compresor? Tiene un rotor que acelera el flujo de aire y un estator que lo ralentiza, pero mientras tanto aumenta la presión. Entonces, si tiene un rotor con, por ejemplo, 10000 RPM, el estator "RPM" es cero, en comparación con él.

  Ahora, si tiene un eje contrarrotante, su rotor con otras 10000 RPM significa que la velocidad de rotación relativa será de 20000 RPM. Entonces, el paso hacia arriba será mucho mayor, la relación de presión allí aumenta. Pero sólo en allí. En las otras etapas de los compresores LP y HP debe contener un estator. Esta es la misma regla de la turbina también, con el mismo beneficio.

• El segundo beneficio no es la reducción del par. Esto no tendría sentido en el mundo de los motores a reacción, solo en el mundo de los motores de hélice (motor de pistón o turbohélice).

  Sin embargo, lo real es la reducción de precesión , que es esencial para las maniobras de alto AoA. La masa giratoria tiene su propia precesión, que trata de girar alrededor del eje de la masa giratoria.

  Esto es obvio si tiene una carrera a baja velocidad en la pista y pisa el acelerador en un avión de hélice. El par de la hélice es solo una cosa, porque le gustaría girar su avión alrededor del eje longitudinal (pero los engranajes lo sostienen). La precesión le gustaría sacarlo de la pista.

  Esta actitud de salida depende de la masa giratoria y de los cambios de RPM. Lo único que podría estabilizarlo es el flujo de aire alrededor del avión, cuando aumenta la velocidad. Pero dentro de un avión de combate (F-22 o F-35), la masa giratoria de los ejes querría romper el avión durante una maniobra de ángulo de ataque alto y velocidad extremadamente baja, debido al eje giratorio y al movimiento. el vector no apunta en la misma dirección.

  Es una situación crítica. Si revisas los videos del Su-30MKI...SM ruso o del Su-35S, o del Su-57, verás claramente cómo los enormes timones y las toberas TVC intentan salvar el día del piloto, durante una maniobra posterior a la pérdida. impulsado por el muy sofisticado sistema Fly By Wire. Y muy a menudo, se pueden ver muchos deslizamientos no deseados, especialmente en la parte superior de estas maniobras a baja velocidad, debido a los carretes de dirección similares de los motores AL-31FP o AL-41F1S. Más sobre esto, en esos aviones, los motores están bastante lejos del eje longitudinal (a diferencia del F-22), por lo que también tienen un momento de rotación (par) bastante grande.

Y por supuesto, por el tema de la precesión, todas las aeronaves VTOL tienen carretes contrarrotativos, ya que podría evitar que la aeronave comience a girar lentamente alrededor del eje vertical. Y no, no es el mismo fenómeno que tienen los helicópteros, por el par del rotor principal. No es del par. Es la precesión.

El NK-12 es un turbohélice de un solo eje con una caja de cambios contrarrotante que impulsa la hélice coaxial. Sin embargo, hay algunos motores a reacción contrarrotativos reales. Por ejemplo, el P&W F119PW100 del F-22 Raptor, el F135 de la familia F-35, el Soyuz R-79V-300 del Yak-141, el AL-41F del MiG 1.44 y también el motor Pegasus del Harrier. Estos son motores de dos bobinas. Hay dos grandes beneficios principales: - Mayor relación de compresión por la mayor velocidad relativa del flujo de aire en el punto de encuentro de los dos carretes; - Fuerza de precesión casi nula debido al par equilibrado de cada rotor. Este es especialmente bueno para los aviones VTOL porque a velocidad cero no hay momento de rotación.

Por cierto, el RB199 de tres carretes en los jets Tornado también tiene ejes contrarrotativos.