¿Por qué los turboventiladores grandes generalmente tienen muchas más etapas de turbina LP que etapas de turbina HP?

Porque la turbina LP extrae energía para el ventilador, que requiere la mayor cantidad de energía. Las turbinas HP e IP solo extraen energía para sus compresores conectados; la turbina LP extrae energía para el ventilador y el compresor LP. El ventilador funciona en todo el flujo de aire a través del motor, los compresores solo en una fracción (10:1 para un bypass alto como el Trent 1000). El ventilador produce hasta el 75% del empuje del motor.

De esta presentación : la sección transversal del Trent 1000. Muestra que los rotores LP, IP y HP tienen diferentes velocidades de rotación, pero no las enumera. Otra presentación (más antigua) los enumera como 3600, 6800 y 10200 RPM. La velocidad de rotación disminuye a medida que aumenta el volumen de la corriente de masa.

Un viejo libro de texto mío da la potencia P extraída de una etapa de turbina como:

con

• $\dot{m}$= caudal másico [kg/s]
• u = velocidad tangencial de la pala [m/s]
• v$_{ax}$= velocidad axial del gas [m/s]
• $\alpha_2$y$\alpha_3$ángulos según la figura siguiente.

Entonces, la velocidad tangencial del álabe de la turbina está en la ecuación para la extracción de energía, que se compone de la velocidad de rotación y el radio del álabe. Cuanto más rápido gira la turbina, más energía se puede extraer por etapa y se requieren menos etapas. Entonces, ¿por qué la velocidad de rotación disminuye con la presión? (PV = 10.200; PI = 6.800).

La razón son los límites de construcción de la turbina. A medida que la corriente de gas se expande, los álabes de la turbina se hacen más grandes y se montan a una mayor distancia axial, lo que da como resultado mayores fuerzas centrífugas que son proporcionales a la masa del álabe, la velocidad de rotación y la distancia desde el eje. Para limitar las fuerzas centrífugas, la velocidad de rotación del rotor se reduce: cada etapa subsiguiente gira a RPM más bajas. Tenga en cuenta que las RPM más bajas se pueden compensar montando la hoja más lejos del eje de rotación.

El rotor LP de un motor sin engranajes funciona a la misma velocidad de rotación que el ventilador. Sus RPM óptimas para la turbina pueden ser más altas, y eso puede ser acomodado por el ventilador engranado. A medida que aumenta la relación de derivación, la turbina LP extraerá una fracción mayor de la potencia total de la corriente de aire: los turbopropulsores y los turboejes tienen una caja de engranajes entre el eje LP y la hélice/rotor, y el ventilador de derivación alta se aproxima a las dimensiones relativas de una hélice...

La respuesta proporcionada por Daniel Kiracofe es correcta, solo tengo un par de comentarios adicionales y no tengo la reputación suficiente para agregar esto como un comentario a su respuesta.

1. En los motores de derivación alta, la velocidad del rotor LP suele estar limitada por la velocidad punta del ventilador debido a su gran diámetro.

2. Una de las primeras determinaciones al elegir entre un diseño con engranajes y uno sin engranajes (convencional) es asegurarse de que puede quitar al menos tanto peso de la LPT como el que está agregando con la caja de cambios. Si no puede, entonces el diseño engranado no es una opción viable.

Aquí hay una pregunta aún más interesante. Eche un vistazo a la sección transversal del turboventilador con engranajes de P&W (por ejemplo, este artículo ). ¡Solo tiene tres etapas LPT! Entonces, ¿cómo es que el GTF tiene 3 y todos los demás motores como el RR Trent 900 tienen muchos más? (por ejemplo, un GE90 tiene como 6 o 7).

La respuesta es esta: los ventiladores funcionan mejor cuando funcionan lentamente. Los LPT son más eficientes cuando se ejecutan rápidamente. En un motor como el Trent 900 o GE90, el ventilador y el LPT están en el mismo eje, por lo que deben funcionar a la misma velocidad. Así que tienes que comprometerte. Por lo general, el compromiso tiende a favorecer al aficionado. Entonces, debido a que el eje está funcionando a la velocidad a la que el ventilador quiere funcionar, el LPT es ineficiente. Es decir: cada etapa LPT no extrae mucha energía del aire. Por lo tanto, para obtener la potencia total que necesita, debe tener muchas etapas LPT.

Ahora, en un turboventilador con engranajes, hay una caja de cambios entre el ventilador y el LPT. Eso significa que el ventilador y el LPT no tienen que funcionar a la misma velocidad. El ventilador puede funcionar lentamente como quiera, y el LPT puede funcionar rápido, como quiera. En ese caso, el LPT es mucho más eficiente y solo necesita unas pocas etapas.

Además de la respuesta de Koyovis que analiza los requisitos de salida de las etapas de la turbina, también hay un problema de entrada:

La etapa de turbina HP tiene el mejor lugar: tiene la presión de entrada más alta, por lo que solo necesita una etapa para extraer suficiente energía para hacer funcionar el compresor HP. Las etapas de la turbina LP funcionan con gases de escape de los que ya se ha extraído algo de energía, por lo que una presión más baja -> la etapa es menos eficiente -> necesita más para obtener la potencia requerida.

Me gustan algunas de las respuestas aquí, pero ninguna parece responder la pregunta desde la perspectiva de la mecánica de fluidos.

Una de las razones por las que la región de baja presión tiene más etapas es porque desea evitar la separación del flujo que causa una pérdida de energía para la recirculación en lugar de proporcionar empuje o potencia. La región de baja presión se está comprimiendo; esto provoca un gradiente de presión adverso. En términos sencillos, el flujo básicamente quiere retroceder porque la alta presión tiende a fluir hacia la baja presión.

Las palas de la turbina tienen formas aerodinámicas y funcionan exactamente como las alas de un avión en el sentido de que la sustentación se produce en una dirección de rotación para producir el efecto deseado. Por lo tanto, si intenta cambiar el flujo demasiado drásticamente sin considerar el gradiente de presión adverso, obtendrá una separación del flujo y una caída drástica en su relación de compresión y una caída en la eficiencia de todas las demás partes de la turbina.

Los diseñadores de turbomáquinas quieren girar el flujo en cierta medida, pero no quieren hacerlo con una sola etapa. Entonces, los ingenieros optaron por cambiar el flujo un poco cada uno durante cada etapa, y resulta que el peso adicional de todo ese metal vale la pena.

Por otro lado, la sección de alta presión tiene menos álabes porque el flujo realmente quiere salir, por lo que la recirculación es mucho menos probable. Aquí es donde puedes tomar atajos y poner la mitad de etapas. Mire lo drástico que es el cambio de flujo en este álabe de turbina de alta presión aquí. http://www.technology.matthey.com/wp-content/uploads/articles/39/3/pmr0039-0117-f2.gif

¿Ves cómo las palas de baja presión están casi rectas?

https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_separation

Por dos razones específicas.

1. Toma de mayor potencia : unidad LPT LPC y ventilador juntos en arquitectura de 2 carretes y GTF (y solo ventilador en arquitectura de 3 carretes). En cualquier caso, el ventilador solo o el ventilador + LPC ocuparán una parte significativa de la entrada de trabajo total. Por lo tanto, el LPT debe extraer una gran potencia mecánica.
2. RPM más bajas: pero quizás el factor más importante es que, excepto en GTF, los LPT se ejecutan a una velocidad muy baja en comparación con los HPT en los que funcionan de manera subóptima. Así, la extracción de energía por etapa se reduce significativamente. Por lo tanto, se necesita más número de etapas. Como ya se señaló en otra respuesta, dado que GTF elimina esta restricción, el motor PW1000G solo necesita 3 etapas LPT, ya que ahora giran a ~ 10000 rpm en lugar de ~ 3500 rpm para otros motores.