Han hablado durante años sobre la reingeniería del B-52 con algo más moderno que sus turboventiladores TF33-P-3/JT3D, que tienen un bypass bastante bajo (1,42:1 para el JT3D).
Los motores modernos tienen un bypass mucho más alto, como el GE Passport a 5,6:1, similar al CF34, en la misma clase de peso y empuje que el TF33. Un motor más grande como el LEAP tiene una relación de derivación aún mayor, por ejemplo, 11:1.
Ahora, el B-52 tiene un techo operativo publicado de 50,000 pies. Los 737, A320, Bombardier RJ, etc. tienen un techo de 41.000.
Sin embargo, los KC-135, rediseñados con turboventiladores de derivación alta CFM56 semimodernos, tienen un techo de 50,000 pies.
Así que estoy confundido. ¿La relación de derivación tiene un impacto en el techo práctico de la aeronave? ¿Podría el B-52 volar con las especificaciones actuales con motores como el GE Passport?
Una pregunta adicional... el TF33 afirma un consumo de combustible específico de 0,56 lb(lbf-h). Parece que no puedo encontrar esa cifra en los turboventiladores de derivación alta más recientes. ¿Es inaplicable a los turboventiladores de alto by-pass? Si no, ¿hay alguna forma viable de averiguar qué haría un motor moderno con el alcance del B-52?
En principio sí, pero son recomendables algunas modificaciones.
Lo que limita la altitud máxima de funcionamiento de un motor a reacción (además del empuje necesario para subir allí) es la longitud de la cámara de combustión y la presión absoluta del aire que entra. Como la presión atmosférica cae con la altitud y la relación de compresión del compresor se mantiene constante , la presión absoluta en la cámara de combustión cae con la altitud.
Para que se produzca la combustión, primero es necesario que se evaporen las gotas de combustible inyectadas en la corriente de aire. Esto se facilita con una temperatura y una presión más altas, y cuanto más bajas sean ambas, más tiempo de residencia de la mezcla de aire y combustible (precaución, enlace PPT) en la cámara de combustión se requiere para una buena combustión. Las cámaras de combustión más largas tienen mayores pérdidas de presión y pesan más, por lo que los diseñadores de motores tratan de limitar su longitud.
El simple hecho de reducir la velocidad ya puede hacer que el encendido se detenga a gran altura. Si se apaga el motor, el motor se enfría rápidamente y es posible que no sea posible reiniciarlo a una altitud más baja . Los turboventiladores adecuados para operaciones a gran altura utilizan medidas especiales para estabilizar la llama . Cuando están en su lugar, no hay razón para que el B-52 no pueda continuar volando a 50,000 pies.
Si definimos el empuje T de un turboventilador como
con:
podemos ver que el empuje es proporcional al flujo másico. A mayor altitud, la densidad del aire es menor, por lo que el flujo de masa a través del motor es menor, pero mientras se pueda mantener la combustión, el motor en altitud aún puede entregar una fracción de su empuje a nivel del mar. Esta fracción debe ser suficiente para propulsar la aeronave a la velocidad de crucero, por supuesto, más el exceso de potencia de ascenso para alcanzar la altitud de crucero, por lo que el empuje TO debe ser suficiente para esto. Solo es cuestión de dimensionar el motor.
El techo operativo de una aeronave es una función de la geometría del ala: carga alar, relación de aspecto, perfil del ala, relación de conicidad, torsión. Para una aeronave dada que se vuelve a diseñar, el techo operativo no cambiaría.
El motor de derivación es alimentado por un generador de gas, idéntico a un turborreactor de flujo único: los límites operativos más altos del motor de derivación son los mismos que los de un turborreactor de flujo único.
Aunque, por supuesto, los motores serán importantes para permitir que una aeronave alcance su techo de servicio, la elección del techo de servicio tiene más que ver con la aeronave que con los motores en este caso.
Los aviones de pasajeros están diseñados para ser económicos de operar. Volar más alto ejerce más presión sobre el fuselaje para mantener la misma presión en la cabina. Para protegerse contra los riesgos más altos en el caso de descompresión, las regulaciones relacionadas con los suministros de oxígeno de emergencia pueden tener requisitos más altos para las aeronaves que vuelan a esta altura. Peter analiza los problemas en el diseño de motores para estas altitudes. Todos estos costos simplemente no valen los beneficios de volar más alto. Ver también: ¿Por qué muchos aviones a reacción están diseñados para navegar alrededor de FL350-370? , incluyendo otra buena respuesta de Peter.
Los aviones militares están diseñados para diferentes requisitos. No acumularán ciclos de vuelo tan rápido como un avión comercial, lo que reduce la tensión ejercida sobre el fuselaje. En el caso del B-52, solo se presurizan las áreas tripuladas en el fuselaje delantero, lo que reduce la cantidad de refuerzo necesario. Por lo tanto, los costos son más bajos y los aviones militares tienen más énfasis en el rendimiento, lo que proporciona el incentivo para techos más altos. Los jets de negocios tienen los mismos requisitos de alto rendimiento de ciclo bajo.
Mencionas el CFM56 y GE Passport. Como nota, el 737 y el A320 usan el motor CFM56 y tienen techos más bajos, mientras que el KC-135R tiene un techo de 50,000 pies. El GE Passport impulsa el Bombardier Global 7000/8000 que tiene techos de servicio de 51,000 pies. Por lo tanto, no hay razón para dudar de que los turboventiladores de derivación alta puedan funcionar a estas altitudes.
El consumo de combustible específico de empuje (TSFC) depende mucho de las condiciones. Está disponible si dedica un tiempo a buscar, pero debe tener cuidado de estar comparando las mismas condiciones. Este sitio enumera motores de aviones militares. El JT3D/TF33 del KC-135 original y el B-52 pesa alrededor de 0,535 lb (lbf-h). El F108-CF-100 en el KC-135R está listado en 0.363 lb (lbf-h).
Esta tabla enumera las especificaciones de los motores a reacción comerciales.