¿Se puede aumentar el empuje de un turboventilador aumentando la relación de derivación?

GE usó el núcleo del motor F101 como el núcleo del CFM56 (presumiblemente con algunas modificaciones). El núcleo de un turbofan consiste en el compresor de alta presión, la cámara de combustión y la turbina de alta presión. En este caso hablamos de un HPC de 9 etapas y un HPT de una etapa. Todo lo demás se desarrolló recientemente para el turboventilador de derivación alta.

A diferencia de simplemente colocar un ventilador más grande en el eje de baja presión, esto es posible porque los componentes de alta presión y los componentes de baja presión son relativamente independientes en un turboventilador, es decir, el núcleo del motor no se ve demasiado afectado por el tamaño de el ventilador, la relación de derivación u otros cambios en el área de baja presión.

La nueva turbina de baja presión (4 etapas en lugar de 2 etapas) puede operar a menos rpm y transmitir más energía de los gases de escape desde el núcleo del motor al ventilador más grande (los gases de escape que salen del nuevo LPT probablemente estén más fríos). y más lento que el que sale del F101 LPT). El nuevo compresor de baja presión aumenta la relación de presión general y, por lo tanto, aumenta la cantidad de energía que va al compresor de baja presión y al ventilador, mejorando así la eficiencia general. Probablemente esto sea posible porque la envolvente operativa no supersónica del CFM56 significa que las temperaturas totales del aire de admisión serán mucho más bajas, de modo que se puede lograr el mismo margen de EGT con una relación de presión más alta. En otras palabras, debido a que el aire que ingresa es más frío, se puede comprimir más sin dañar la turbina de alta presión porque está demasiado caliente.

El empuje estático del CFM56 es de 19 500 lbf, que es aproximadamente un 15 % superior a los 17 000 lbf del F101 sin el dispositivo de poscombustión. Si bien una pequeña parte de esto es probablemente una pérdida aerodinámica debido a la cámara de poscombustión no utilizada, la mayor parte tiene que provenir de un mejor uso de la energía que ofrece el escape del núcleo del motor en el ventilador más grande. La diferencia podría ser incluso mayor porque el empuje máximo del F101 podría ajustarse para un tiempo medio mucho menor entre visitas a la tienda. Aunque no estoy seguro de eso.

Esto muestra que el principal beneficio de la sección de baja presión de derivación alta del motor es una eficiencia de combustible significativamente mayor, un aumento en el empuje estático y niveles de ruido (mucho) más bajos. El F101, por otro lado, puede operar a velocidades más altas, producir más empuje a altas velocidades, es más liviano y tiene una sección transversal mucho más pequeña.

(Editado por comentario de pie, gracias por encontrar la fuente).

La instalación de un ventilador más grande afecta dos cosas al empuje de un motor:

1. Se aumenta el empuje estático. El empuje estático es el empuje producido cuando el motor no está en movimiento.
2. El gradiente de empuje sobre la velocidad se vuelve más negativo, lo que significa que el empuje disminuirá más con la velocidad cuando se incremente la relación de derivación.

Pero hay más: las velocidades de salida en la boquilla se reducen y se requiere una mayor entrada, ya que el ventilador más grande necesitará más aire. Aumentar la relación de derivación significa tomar parte de la energía cinética del flujo del núcleo y convertirla en un flujo másico del ventilador más alto.

Si nos fijamos en la fórmula de la eficiencia propulsora$\eta_p$de un motor de respiración de aire:

$$\eta_p = \frac{v_{\infty}}{v_{\infty} + \frac{\Delta v}{2}}$$ donde $v_{\infty}$es la velocidad del motor y $\Delta v$el aumento de la velocidad del gas que fluye a través del motor, la dependencia de la velocidad se vuelve clara: cuando $v_{\infty}$es bajo, más pequeño $\Delta v$actuar sobre un flujo másico más alto hace que el motor sea más eficiente. Cuándo $v_{\infty}$es alto, sin embargo, este efecto desaparece, y ahora el motor más pequeño con una admisión más pequeña y liviana se vuelve más atractivo.

Cuando el núcleo del motor se mantiene igual, su consumo de combustible también se mantendrá igual, pero el ventilador más grande generará más empuje, especialmente a baja velocidad. El flujo másico del núcleo será el mismo, independientemente del tamaño del ventilador, y la cantidad de combustible para calentar este flujo másico tampoco cambiará.

Dado que la eficiencia se define como el empuje por unidad de combustible consumido, el ventilador más grande también aumentará la eficiencia.

El motor a reacción impulsa la aeronave basándose en el movimiento del aire detrás de la aeronave a una velocidad mayor que la de la aeronave. Turbofan trata de mover una mayor cantidad de aire a menor velocidad que es más eficiente. Eso es lo que se llama eficiencia de propulsión.

Esto se puede entender fácilmente pensando en cómo puedes impulsarte cuando estás en una patineta, ¿será más eficiente si usas tus manos sobre una pared o sobre algo que pueda resbalar en el piso? Cuanto más pesada sea esa "cosa", mejor será su propulsión para llegar a la pared del edificio.

Ok, ese es un buen concepto, pero tienes que hacerlo!!! Para poder hacer eso es necesario conectar una turbina en el escape de la turbina anterior conectada mecánicamente al nuevo ventilador del motor.

Fácil pero no tan bueno...

• Está agregando una nueva etapa del compresor (el ventilador) frente a las etapas anteriores. Por lo tanto, debe asegurarse de que todos sus materiales estén preparados para ello.
• Es posible que el escape del núcleo no esté debidamente preparado para las nuevas condiciones.
• Probablemente la forma externa del motor anterior no esté preparada para un flujo secundario.
• Hay que revisar los sistemas.

En principio, con algunas modificaciones, esa operación que sugieres funcionará, pero solo si estamos hablando de pequeñas modificaciones y no vamos a una relación de derivación significativa, donde las modificaciones tendrán el mismo costo que un diseño de motor completamente nuevo.

También veo dificultades económicas, en el contexto actual hay mucha competencia por hacer el menor consumo. Si realizas lo que te propones tendrás un motor optimizado para no tener flujo secundario adaptado para flujo secundario compitiendo con motores optimizados para trabajar con flujo secundario. El motor será poco eficiente en comparación con los competidores.

Finalmente, aumentarás el peso y el empuje.