¿Qué es un "turboventilador con engranajes de derivación alta" y por qué es mucho más eficiente?

La sección del ventilador de un motor turboventilador es impulsada por el carrete de baja presión (LP). Esto significa que está conectado a dos partes del motor:

• El compresor LP, que debe comprimir el aire antes de que ingrese al compresor de alta presión (HP)
• La turbina LP, que debe recibir el aire después de que sale de la turbina HP

El problema es que la sección HP es eficiente a altas RPM. Pero el ventilador alcanzará límites aerodinámicos a medida que las puntas del ventilador superen la velocidad supersónica. Las aspas del ventilador también son más difíciles de contener en caso de falla, ya que giran más rápido. Entonces, para acomodar el ventilador, la sección LP tiene que girar a una velocidad más lenta, lo que hace que sea más difícil combinarla con la sección HP de altas RPM.

También hay una limitación en el flujo de aire. El ventilador debe poder mover una cantidad máxima de aire, que es la potencia de despegue al nivel del mar. Pero también debe poder funcionar de manera eficiente a nivel de crucero, donde el flujo es más rápido pero mucho menos denso.

Las empresas de motores utilizan diferentes estrategias para hacer frente a estas limitaciones.

GE fabrica principalmente secciones de LP de mayor diámetro. Esto permite que las palas tengan una alta velocidad a RPM más bajas. Esto requiere que el flujo de aire cambie de dirección más rápidamente.

Rolls Royce ha creado un diseño de 3 carretes, que permite que cada sección gire a RPM más óptimas. Esto añade complejidad al diseño.

Pratt and Whitney va con el enfoque de ventilador engranado. Similar a los turbohélices, hay una caja de cambios que permite que el ventilador gire a una velocidad más baja que el carrete del motor que lo impulsa.

Esto permite que el carrete de la turbina funcione a RPM más óptimas y al mismo tiempo permite que el ventilador gire más lentamente. Un ventilador más lento puede ser más grande, lo que permite una relación de derivación más alta.

Una relación de derivación alta permite que un motor turboventilador impulse más aire (produzca más empuje) para que pase menos aire por el núcleo (queme menos combustible). Los aviones grandes modernos tienen motores como el GE90 en el 777 (bypass 9:1), con los últimos motores en el 787 yendo aún más alto con el GEnx (bypass 9.6:1) y Trent 1000 (10.8:1). Los aviones más pequeños como el 737 y el A320 actualmente usan motores como el CFM56 (5.5:1), con el nuevo LEAP yendo más alto (9:1 o 11:1). El PW1000G va aún más alto (hasta 12:1).