¿Se podrían apagar las etapas de turbina o compresor de un motor a reacción para mejorar la eficiencia del combustible?

No se puede "apagar" una etapa de un motor de turbina.

Como se ve en otros lugares , los motores a reacción son un solo bloque bloqueado mecánicamente: todas las etapas (compresor Y turbina) conectadas al mismo eje. Si el eje gira, todas las etapas conectadas giran con él.

Puede tener diseños con varios ejes, pero esto aumenta considerablemente la complejidad (diseño y mantenimiento).

Incluso si asumimos por un momento que podría tener 1 eje por etapa, detener uno de estos sería generalmente una mala idea. Por razones acústicas el número de palas en la parte fija del escenario y las de la parte rotatoria deben ser primos entre sí (ejemplo: 37 paletas en la parte fija y 39 en la rotatoria); esto significa que cuando la parte giratoria se detiene, no puede alinear todas las palas con las estacionarias, creando arrastre y pérdidas dentro del motor, reduciendo así la eficiencia.

¿Cómo cambiaría la eficiencia de un motor a reacción, si asumimos por un segundo que es posible detener algunas etapas (convertirlas en libres en lugar de bloqueadas)?

Todavía disminuiría la eficiencia: las etapas del compresor son las que realmente empujan el avión hacia adelante (entonces produciría menos empuje *) y las etapas de la turbina son las que extraen energía del escape.

*: incluso podría correr el riesgo de que la llama vaya hacia arriba si detiene demasiadas etapas del compresor y no tiene suficiente presión en la entrada de la cámara de combustión.

Se puede hacer?

Sí

¿Se ha hecho?

Sí

¡¿Esperar lo?! donde que como

El Pratt and Whitney J58 fue diseñado para permitir el apagado parcial del compresor. Lo hace colocando una punta distintiva frente al conjunto del compresor.

Sin embargo, el propósito de la transición a ramjet que es distintivo del J58 fue permitirle evitar el sobrecalentamiento de la turbina durante el vuelo supersónico, donde el aumento de la velocidad de entrada se tradujo en un calentamiento adicional del aire.

Sin embargo, esto no aumenta en absoluto la eficiencia del motor a reacción.

En general, realmente desea tantas etapas como sea posible para el vuelo subsónico. Esto se debe a que las etapas múltiples permiten que el gas se comprima/expanda más adiabáticamente, lo que conduce a una mejor eficiencia de Carnot.

Respuesta corta: no.

Respuesta más larga: los motores a reacción están diseñados con múltiples compresores y discos de turbina unidos mecánicamente a un solo eje, llamado carrete. Por lo general, hay 2 (oa veces 3) de estos carretes dentro del motor, debido a la necesidad de que el compresor de alta presión y el ventilador de admisión principal giren a diferentes velocidades. Cada carrete gira libremente y es impulsado por el aire comprimido en el núcleo del motor que se empuja a través de las etapas de la turbina unidas a ese carrete.

Diagrama de un motor a reacción Turbofan

Fuente: Wikipedia

No hay forma de "apagar" un carrete en particular. Siempre que la presión en el núcleo del motor sea mayor que la presión detrás de la boquilla, las turbinas girarán e impulsarán el carrete. Si desconecta una de las etapas de la turbina o una de las etapas del compresor de un carrete de modo que "ruede libremente", es probable que los discos de la turbina se sobrevelocen debido a la disminución de la carga. Además, una etapa de compresor no impulsada experimentaría una parada del compresor , que es esencialmente una parada aerodinámica de las palas de la etapa del compresor.

Finalmente, esto es completamente innecesario por un par de razones:

En primer lugar, aparte de los problemas que causaría, no se ganaría nada apagando una etapa del compresor. Como Andy mencionó correctamente en un comentario, los motores a reacción no tienen un consumo constante de combustible por revolución, a diferencia de los motores de pistón. Si un motor a reacción no necesita producir tanta potencia, simplemente puede inyectar menos combustible en la cámara de combustión. A medida que cae la presión en la cámara de combustión, los carretes girarán por sí solos (debido a la menor presión que impulsa las etapas de la turbina).

En segundo lugar, los perfiles de potencia de salida de la operación de un avión a reacción no se parecen en nada a los de un automóvil. Para un automóvil, la alta potencia del motor generalmente se usa solo en breves ráfagas para acelerar y el crucero usa una pequeña fracción de esa cantidad de potencia. En un avión a reacción, por otro lado, los motores funcionarán a un porcentaje bastante alto de sus RPM máximas durante la mayor parte del vuelo. Esto se debe a que la potencia adicional les permite volar más alto, lo que en realidad aumenta la eficiencia. Ver las respuestas a la pregunta anterior ¿ Qué distancia puede volar un 777 con un solo motor en altura? A diferencia de un automóvil, la reducción significativa de la potencia durante el vuelo de crucero en realidad reduce la eficiencia de combustible de un avión comercial.

Si amplía un poco la idea de "apagarse", esto ya se hace de varias maneras diferentes.

Las aeronaves de vigilancia pueden estar diseñadas para merodear sobre su área objetivo con algunos motores apagados por completo. No se trata solo de apagar los motores; por ejemplo, si va a holgazanear a gran altura durante varias horas a temperaturas inferiores a -50 ° C, es probable que necesite sistemas especiales para calentar el aceite en los motores apagados. para evitar daños cuando los reinicie.

Muchos motores a reacción contienen paletas de estator variables en los compresores, que se ajustan automáticamente para mejorar la eficiencia en diferentes condiciones de trabajo.

En los motores multieje, las velocidades relativas de los diferentes ejes cambian según las condiciones de trabajo. Eso es más eficiente que obligar a todas las etapas del compresor y la turbina a funcionar a la misma velocidad en un solo eje. En un turboventilador de ejes múltiples, la relación de derivación (es decir, la fracción del aire que se comprime en el núcleo del motor y se utiliza para la combustión, en lugar de simplemente ser soplado por el ventilador para generar empuje) también cambiará.

La eficiencia del combustible no mejora al apagar las etapas de un compresor o una turbina. La eficiencia del combustible es una función de la relación de presión general, reduzca esto y se reduce la eficiencia.