¿Qué proporciona el mayor empuje en un motor turboventilador de derivación alta?

Analicé un turboventilador Pratt & Whitney F100 el semestre pasado en mi curso de aerotermodinámica, así que permítanme responder esta pregunta. La respuesta corta: el aire sin comprimir proporciona la mayor parte del empuje total de un motor, ya que el aire comprimido alimenta el motor.

Corrección : olvidé mencionar que los ventiladores también comprimen el aire que ingresa. Es decir, todo el aire que ingresa a un motor es comprimido un poco por el ventilador. Parte de este aire comprimido ingresa al núcleo del turborreactor y el resto del aire comprimido del ventilador pasa por alto el núcleo del motor. Ignoré esto por simplicidad, pero debería haberlo explicado ya que usted preguntó directamente sobre la compresión de aire en un turboventilador.

Respuesta larga: ver más abajo!

1. Los fanáticos

El aire ingresa al motor a través de un ventilador (o ventiladores en el caso del motor F100). Estos son los ventiladores gigantes con una insignia giratoria en el medio que ves dentro de un motor.

Actualización: la insignia giratoria muestra claramente si el ventilador está girando para que los trabajadores no se lesionen.

Los ventiladores aumentan la presión del aire que ingresa al motor. Parte de este aire comprimido se desvía alrededor del resto del motor y se dirige directamente fuera del motor. La relación de derivación es una medida de cuánto aire pasa por alto el núcleo de "chorro" (aire de derivación/aire del núcleo).

2. Los compresores

Luego, el resto de este aire se comprime a través de una combinación de más ventiladores y un conducto convergente. Los datos de mi proyecto térmico me dicen que esta etapa aumenta la presión del aire del núcleo en más de un 10 000 %, pero no estoy muy seguro de eso*. Basta con decir que este core air ahora tiene mucha energía -- agreguemos un poco más :D

Nota rápida: el aire comprimido ahora tiene una velocidad insignificante en relación con el aire de derivación . La mayor parte de la energía del aire comprimido está "en" su presión (miembros senior de SE, corríjanme si me equivoco).

3. La cámara de combustión (también conocida como cámara de combustión, también conocida como cámara mágica)

Ahora el aire del núcleo entra en la cámara de combustión. Aquí el aire entra en pequeñas cámaras, se mezcla con combustible para aviones y se enciende. El diagrama de las partes principales de un motor que publiqué hace que parezca que la cámara de combustión es una gran parte de un motor a reacción, pero en realidad la cámara de combustión consiste en un grupo de cámaras más pequeñas que rodean el eje principal del motor. Aquí hay un gif que muestra lo que quiero decir:

Cómo funciona la cámara de combustión está más allá de mi alcance de comprensión, pero considere que una cámara de combustión está esencialmente tratando de mantener una vela encendida en medio de un huracán. Impresionante ingeniería se dedica a diseñar cámaras mejores y más eficientes (de combustión más caliente).

4. La turbina (también conocida como sección más mágica)

Ahora ese aire caliente y aún más energético entra en la sección de la turbina que consta de un conducto divergente (que aumenta de área) y más ventiladores. Mientras que la compresa "inserta" energía en el aire, las turbinas extraen energía del aire. A medida que el aire ingresa al área de la turbina más grande (en volumen), se expande y hace girar los ventiladores de la turbina que alimentan los compresores y el ventilador . Esta relación de trabajo posterior (BWR) es una medida de cuánta potencia de turbina se necesita para hacer girar los compresores.

5. La boquilla

El aire central todavía enérgico se concentra una vez más antes de salir disparado por la parte trasera del motor. Este empuje, junto con el empuje del aire de derivación, impulsa el aire hacia adelante siguiendo este modelo:

$F_{thrust} = \dot{m}_{bypass} \times \Delta v_{bypass} + \dot{m}_{core} \times \Delta v_{core}$

Dónde$\dot{m}_{bypass}$es el caudal másico de aire que se desvía y$\Delta v_{bypass}$es el cambio en la velocidad de ese aire como resultado del ventilador.

Y$\dot{m}_{core}$es el caudal másico de aire que se quema y$\Delta v_{core}$es el cambio en la velocidad del aire del núcleo como resultado del ventilador, el compresor, la cámara de combustión y la turbina.

El aire sin comprimir aporta alrededor del 60% del empuje total. El aire "procesado" pierde una parte significativa de su energía para impulsar el motor. Sin embargo, el aire comprimido todavía proporciona alrededor del 40% del empuje total . Agregar un dispositivo de poscombustión puede aumentar esta contribución al 50%. ¿Cómo es esto posible? Algas muertas de hace mil millones de años.

Los hidrocarburos en el combustible para aviones contienen mucha energía en un espacio y una masa pequeños (dos conceptos completamente diferentes). Quemar esos hidrocarburos libera mucha energía que alimenta el ventilador, los compresores y los generadores eléctricos de un avión antes de empujar el avión hacia adelante. Esta alta energía en un lugar/espacio pequeño también es la razón por la que los coches eléctricos/cualquier cosa no eran prácticos hasta las baterías LiPo (historia para otro artículo).

Lo aplaudo por notar que el aire sin comprimir contribuye al empuje de un motor. Creo que el término "bypass" confunde a algunas personas al pensar que este aire se "tira". no es. El aire desviado en realidad es acelerado por una serie de ventiladores e imparte un impulso hacia adelante a la aeronave.

Estoy estudiando ingeniería aeroespacial en este momento (¡Vaya!), por lo que mi entusiasmo por poder responder a esta pregunta me distrajo de su pregunta original, pero espero que disfrute de la información adicional sobre cómo funciona un turboventilador.

información adicional

Cuanto más caliente se quema una cámara de combustión, más caliente se vuelve el aire del núcleo y más energía puede proporcionar para el funcionamiento del motor. Además, las cámaras más calientes desperdician menos combustible para aviones y producen humos relativamente más limpios y seguros. El aumento de las temperaturas máximas de CC y el diseño del resto del motor (es decir, los álabes de la turbina) para manejar el aumento de la temperatura es la vanguardia de la investigación de motores. Este es uno de los problemas de ciencia/ingeniería de materiales más desafiantes y lucrativos del mundo, ya que la eficiencia es primordial en la industria de la aviación actual y futura.

Aquí hay un buen artículo que describe cómo GE, Rolls-Royce y otras compañías de motores venden empuje, no motores. Es muy largo, por lo que puede leerlo en su próximo vuelo :)