Dado el mismo motor, ¿por qué instalar una caja de cambios en un turbohélice pero no en un turboventilador?

Cuanto mayor sea el diámetro, menor será la velocidad óptima. En general, las aspas del ventilador y la hélice deben funcionar a una presión dinámica alta, pero aún a velocidades subsónicas para evitar las mayores pérdidas que implica el flujo supersónico. Dado que la punta será la parte con la velocidad más alta y las hélices tienen diámetros más grandes que los ventiladores, las hélices funcionan a velocidades más bajas.

El compresor de alta presión y las turbinas del motor de un avión comercial funcionarán a más de diez mil RPM, mientras que la hélice debe funcionar entre 1800 y 2200 RPM. Las hélices del Tu-95 incluso funcionan a solo 750 RPM . Tanto el ventilador como la hélice están accionados por turbinas de baja presión separadas que también tienen una velocidad óptima, y ​​cuanto más rápido funcione la turbina, más par producirá para un tamaño determinado. Por eso, la turbina de baja presión y el eje de un gran motor de avión de pasajeros giran entre 2500 y 4000 RPM, y la turbina del PT-6 , un clásico motor turbohélice, a 30.000 RPM. Dado que la potencia es par multiplicado por RPM, un eje que funcione más rápido será más liviano que uno que funcione a baja velocidad, por lo que la velocidad solo se reduce directamente en el soporte de la hélice.

La velocidad óptima de un ventilador está entre la del compresor y la hélice e idealmente también necesitaría una caja de cambios , pero aquí la potencia transmitida es tan alta que una caja de cambios compacta será difícil de diseñar. Incluso si funciona con una eficiencia del 98%, producirá calor residual del orden de varios cientos de kilovatios en el caso de un motor de avión grande. Algunos motores pequeños con una sola turbina ya utilizan cajas de cambios (por ejemplo, el Lycoming ALF507 ), y ahora la próxima generación de motores de ventilador eficientes también está introduciendo cajas de cambios. Pero hasta ahora, la mayoría de los diseños de motores han preferido hacer funcionar el ventilador más rápido de lo que sería ideal. Tenga en cuenta que la velocidad máxima de un ventilador moderno sin engranajes ya está muy por encima de Mach 1 .

Su mayor diámetro hace que las hélices sean más eficientes . Cuanta más masa de aire esté involucrada en la creación de empuje, mayor será la eficiencia de propulsión. Los ventiladores deben ser más pequeños precisamente porque funcionarán con la velocidad de la turbina de baja presión, y para convertir la potencia disponible en empuje, necesitan una relación de solidez mucho mayor , lo que se traduce en una mayor superficie mojada, lo que aumenta las pérdidas por fricción.

Allí dice "velocidad de rotación óptima". esa es la velocidad del compresor? ¿La velocidad del ventilador?

Ambos. Cada uno tiene su propia velocidad óptima (que no es la misma) y el engranaje les permite trabajar a esa velocidad. Definir qué es "óptimo" es parte del trabajo de los ingenieros; por lo general, "óptima" es lo que brinda la máxima eficiencia, pero según las restricciones de diseño, se puede seleccionar una velocidad diferente.

¿Cómo sabe la caja de cambios cuál es esa "velocidad óptima"?

No "sabe", simplemente está construido para que todo funcione sin problemas. En esta pregunta se ha explicado por qué no hay transmisión manual en los aviones: la relación de transmisión es fija. Esto también responde a su pregunta, es fijo y la relación de transmisión se selecciona durante la fase de diseño.

¿Por qué habría una caja de cambios en el turbohélice pero no en el turboventilador?

Porque la hélice funciona a velocidades mucho más lentas. El ventilador se puede conectar directamente a la turbina de baja presión, mientras que una hélice giraría demasiado rápido.

La hélice gira mucho más despacio que el ventilador porque funciona según un principio diferente: el ventilador acelera una cantidad menor de aire en una cantidad mayor.$\Delta V$(tiene que actuar también como una primera etapa para el compresor) mientras que la hélice acelera una mayor cantidad de aire por un menor$\Delta V$. Esta diferencia se nota también en otros tres aspectos: el ventilador es canalizado y tiene muchas más palas (recuerde, es una primera etapa para el compresor), mientras que la hélice tiene pocas palas y no es canalizada; además, como menciona Peter en su respuesta, la hélice generalmente tiene un diámetro mayor que un ventilador.

Por favor, también eche un vistazo a esta pregunta donde se discuten las diferencias entre turboventilador y turbopropulsor.

Los motores turboventiladores se beneficiarían de una caja de cambios entre la turbina LP y el ventilador, al igual que los turbohélices. El problema es doble:

1. La escala de la caja de cambios. Un B777 ofrece más de 100 000 hp de potencia (torque multiplicado por la velocidad de rotación del ventilador). El turboventilador con engranajes más grande actualmente en producción e instalado en aeronaves en servicio regular, el PW1000G , produce 30,000 hp.
2. El entorno al que está expuesta la caja de cambios. Las maniobras, las ráfagas, los golpes de aterrizaje, la turbulencia del aire crean grandes problemas para mantener el ventilador engranado girando dentro de tolerancias estrechas con la góndola.

Rolls Royce está actualmente desarrollando y probando el Ultrafan y lo ha probado con éxito a 70.000 hp. El Trent 1000 actual tiene la turbina de LP funcionando a las mismas RPM que el ventilador, y esto hace que la turbina de LP funcione con relativa lentitud. El problema se resuelve parcialmente expandiendo el radio de la turbina LP, de modo que las velocidades de los álabes de la turbina lineal sean más altas.

Expandir aún más la turbina LP no es una opción, debido a las mayores penalizaciones por arrastre y peso que implicaría. Una caja de engranajes aceleraría la turbina LP y permitiría un diámetro LP más pequeño, con un peso menor asociado.

Fuente: una conversación con un ingeniero de Rolls Royce en el Salón Aeronáutico de Singapur.

Los motores turbohélice son (generalmente) propulsados ​​por motores de flujo centrífugo o axial/centrífugo. Estos son más pequeños (nuevamente, generalmente) que un motor de flujo axial. Este pequeño tamaño permite que los componentes giren a velocidades realmente ridículas, hasta 50 000 rpm (quizás más). Hacer girar una hélice incluso a 5000 rpm es muy ineficiente durante los pocos segundos que las palas permanecerían juntas. La caja de cambios reduce las rpm a velocidades lo suficientemente lentas como para diseñar una hélice.

Una hélice tiene un diámetro mayor que un ventilador, y debido a eso, la estructura de la pala en una hélice sostiene más 'g' (más fuerza centrífuga si se quiere) por lo que la pala de una hélice eventualmente explotará si gira demasiado rápido. , debido a que hay más masa lejos del centro de rotación, 'jala' todo hacia afuera. Es la inercia rotacional. (y necesita un diámetro de hélice grande porque debe proporcionar suficiente empuje para que el avión vuele).

La eficiencia dicta la velocidad de rotación óptima de las hélices y las turbinas, por lo que una caja de cambios mantendrá a ambos en su mejor momento.

Como han dicho otros, las velocidades óptimas de la turbina (más pequeña) y la hélice de un turbohélice son totalmente incompatibles, ya que la turbina debe moverse varias veces más rápido, mientras que en los turboventiladores, aunque no son óptimos, suelen estar lo suficientemente cerca de su velocidad óptima. que el aumento de peso, costo, complejidad y la posibilidad de falla de una caja de engranajes para transmitir la gran cantidad de energía que va al ventilador no vale la pena, por lo que se usa un eje directo.

Algunos turboventiladores más pequeños están engranados , lo que permite una turbina más rápida y eficiente y un ventilador más lento y silencioso, pero solo recientemente se ha producido un turboventilador engranado lo suficientemente grande para un A320, por lo que espero que todavía estén un poco lejos para los aviones de fuselaje ancho.