¿Por qué muchos turboventiladores grandes tienen un espacio (de palas de turbina) entre la turbina LP y la turbina HP?

( Fuente ) Corte para el GE9X.

El espacio que ves no está vacío. Marcado arriba está uno de los álabes guía de la boquilla (se han quitado la mayoría de ellos con fines ilustrativos). Esas paletas son análogas a las etapas del estator del compresor.*

Las etiquetas 91 y 99 a continuación son esas paletas; lamentablemente, los estatores y las paletas casi siempre se omiten en los 'dibujos', pero son igual de importantes.

( Fuente ) Etapas de turbina del RR Trent 500.

La razón por la que la diferencia de diámetro es más pronunciada en el GE en comparación con el RR es porque el RR Trent 500 es un motor de 3 bobinas.

En resumen, las paletas en ambos motores cuando se omiten de los dibujos, dan la ilusión de que hay un espacio (espacio desperdiciado).

* Las paletas de guía de la boquilla no tienen nada que ver con la boquilla de propulsión en la parte trasera. En la jerga de las turbinas, tobera significa la etapa del estator de la turbina.

En el lado divertido, aquí hay una miniatura del propio canal de YouTube de RR , absolutamente loco . No confíes en las ilustraciones.

@ymb1 tiene razón en que hay una función aerodinámica de la boquilla LPT en ese espacio, pero también hay una función mecánica. Observó correctamente que habrá cojinetes que soportan el eje. Pero, ¿qué soporta los rodamientos? No están simplemente flotando en el espacio. Los rodamientos están soportados por un marco.

En el GP7200 y CFM LEAP, hay un marco entre el HPT y el LPT que se denomina "marco central de la turbina". La función del bastidor es proporcionar una trayectoria de carga rígida desde el cojinete que sostiene el extremo posterior del eje HP hasta la estructura principal del motor que se conecta a la aeronave. Si revisa esta publicación , verá muchos ejemplos para los marcos.

Respuesta corta

Este espacio forma parte del conducto entre turbinas (ITD), conducto que se requiere para mantener una continuidad de flujo satisfactoria entre HPT y LPT que giran a diferentes velocidades (en la relación 1:3) y tienen diferentes diámetros. El conducto está formado por el espacio y las paletas LPT etapa 1 más grandes (en la dirección del eje).

Tenga en cuenta que este conducto es un difusor ya que el área anular crece a lo largo de la trayectoria del flujo. No se sabe muy bien lo que ocurre en este difusor y su diseño ha sido hasta cierto punto empírico, utilizando guías como esta:

^{Recuperación de presión vs fricción. Fuente}

Algunas simulaciones numéricas demostraron que el diseño sí influye en la LPT (pérdida de presión en el conducto), pero también en la HPT y la combustión. En los días en los que es importante ahorrar un 1% de combustible (por lo tanto, un 1% de CO2), ahora se hace un esfuerzo en la optimización del conducto entre turbinas.

Los ITD abreviados son complejos de diseñar y se conocen con el nombre de ITD agresivos .

Detalles

Tomando el CFM56-7B (Boeing 737 NG) como ejemplo. Este motor tiene un HPT de una sola etapa y un LPT de 4 etapas.

Cada rotor está precedido por un estator (boquilla). El papel de las paletas del estator es convertir la presión en velocidad y hacer que el flujo sea más perpendicular a la superficie de las palas del rotor. Esto es opuesto a las etapas del compresor donde las paletas están aguas abajo de las paletas para convertir la velocidad agregada por las paletas en presión, mantener la velocidad constante y enderezar el flujo.

Gap y paletas más grandes

Todo es globalmente continuo, aunque hay un espacio adelante de la boquilla LPT etapa 1 ubicada en la carcasa HPT. Las propias paletas son más grandes axialmente.

^{CFM56-7B, pequeño espacio antes de las paletas LPT Etapa 1}

Esta ubicación se denomina conducto entre turbinas (transición) , corresponde a la interfaz entre HPT y LPT que giran a diferentes velocidades.

El conducto tiene un área cada vez mayor debido al mayor diámetro y tamaño del rotor LPT etapa 1 (existe un conducto similar entre LPC y HPC por las mismas razones).

^{Geometría de conductos entre turbinas. Fuente}

El espacio se elige para establecer (empíricamente) la pendiente adecuada del conducto, la relación de aspecto, etc. para una pérdida de presión aceptable entre las turbinas.

Para aumentar el rendimiento del motor, los fabricantes están tratando de reducir la longitud del conducto, pero hay una falta de conocimiento en este ámbito .

Los conductos más cortos se conocen como conductos agresivos entre turbinas (AITD). Ver este documento .

Aspectos

Con respecto a la razón mencionada en otra respuesta, un posible problema con un cojinete o un soporte de cojinete en el camino: esto no es real, los cojinetes son mucho más pequeños que las etapas de la turbina:

^{CFM56-7B, ubicación de los rodamientos traseros}

• El rodamiento No. 4 está entre el eje HPT y el eje LPT.
• El soporte exterior No. 5 está dentro del colector de aceite, y el propio rodamiento está dentro de su soporte.