Turboventilador

El turboventilador o fanjet es un tipo de motor a reacción de respiración de aire que se usa ampliamente en la propulsión de aeronaves . La palabra "turboventilador" es un acrónimo de "turbina" y "ventilador": la porción turbo se refiere a un motor de turbina de gas que obtiene energía mecánica de la combustión, [1] y el ventilador , un ventilador con conductos que utiliza la energía mecánica del turbina de gas para forzar el aire hacia atrás. Así, mientras que todo el aire aspirado por un turborreactor pasa por la cámara de combustióny turbinas, en un turboventilador parte de ese aire pasa por alto estos componentes. Por lo tanto, se puede pensar en un turboventilador como un turborreactor que se usa para impulsar un ventilador con conductos, y ambos contribuyen al empuje .

La relación entre el flujo másico de aire que pasa por alto el núcleo del motor y el flujo másico de aire que pasa a través del núcleo se denomina relación de derivación . El motor produce empuje a través de una combinación de estas dos partes trabajando juntas; Los motores que usan más empuje del chorro en relación con el empuje del ventilador se conocen como turboventiladores de derivación baja , por el contrario, aquellos que tienen considerablemente más empuje del ventilador que el empuje del chorro se conocen como de derivación alta . La mayoría de los motores a reacción de aviación comercial que se utilizan hoy en día son del tipo de derivación alta, [2] [3] y la mayoría de los motores de combate militares modernos son de derivación baja. [4] [5] Postcombustiónno se utilizan en motores turboventiladores de paso alto, pero pueden usarse en motores turborreactores o turboventiladores de paso bajo .

Los turboventiladores modernos tienen un ventilador grande de una sola etapa o un ventilador más pequeño con varias etapas. Una de las primeras configuraciones combinaba una turbina de baja presión y un ventilador en una sola unidad montada en la parte trasera.

Los turboventiladores se inventaron para eludir la característica indeseable de los turborreactores que son ineficientes para el vuelo subsónico. Para aumentar la eficiencia de un turborreactor, el enfoque obvio sería aumentar la temperatura del quemador, para lograr una mejor eficiencia de Carnot y colocar compresores y toberas más grandes. Sin embargo, si bien eso aumenta un poco el empuje, el chorro de escape deja el motor con una velocidad aún mayor, lo que a velocidades de vuelo subsónicas se lleva la mayor parte de la energía adicional, desperdiciando combustible.

En cambio, se utiliza un turborreactor para impulsar un ventilador con conductos, y ambos contribuyen al empuje , creando así un turboventilador. Mientras que todo el aire absorbido por un turborreactor pasa a través de la turbina (a través de la cámara de combustión ), en un turboventilador parte de ese aire pasa por alto la turbina, también conocido como relación de derivación .

Debido a que la turbina también tiene que impulsar el ventilador, la turbina es más grande y tiene mayores caídas de presión y temperatura, por lo que las boquillas son más pequeñas. Esto significa que la velocidad de escape del núcleo se reduce. El ventilador también tiene una velocidad de escape más baja, dando mucho más empuje por unidad de energía ( empuje específico más bajo ). La velocidad de escape efectiva global de los dos chorros de escape puede acercarse más a la velocidad de vuelo de un avión subsónico normal. En efecto, un turboventilador emite una gran cantidad de aire más lentamente, mientras que un turborreactor emite una menor cantidad de aire rápidamente, que es una forma mucho menos eficiente de generar el mismo empuje (consulte la sección de eficiencia a continuación).

Animación de turboventilador, que muestra el flujo de aire y el giro de las aspas.
Animación de un turboventilador de derivación alta de 2 carretes
  1. carrete de baja presión
  2. carrete de alta presión
  3. Componentes estacionarios
  1. Góndola
  2. Ventilador
  3. Compresor de baja presión
  4. Compresor de alta presión
  5. Cámara de combustión
  6. turbina de alta presión
  7. Turbina de baja presión
  8. Boquilla central
  9. Boquilla de abanico
Diagrama esquemático que ilustra la instalación de un motor turboventilador de 2 bobinas moderno en una góndola. La corredera de baja presión es de color azul y la de alta presión naranja.
Comparación de eficiencia de propulsión para varias configuraciones de motores de turbinas de gas
Chevrones en un motor Air India Boeing 787 GE GEnx
Turboventilador de derivación baja Rolls-Royce Conway de un Boeing 707 . El aire de derivación sale de las aletas mientras que el escape del núcleo sale de la boquilla central. Este diseño de jetpipe estriado es un método de reducción de ruido ideado por Frederick Greatorex en Rolls-Royce
Motor turboventilador General Electric GEnx-2B de un Boeing 747-8 . Vista de la tobera exterior (propulsora o "fría").
Diagrama esquemático que ilustra un motor turbofan de derivación baja y 2 carretes con un escape mixto, que muestra los carretes de baja presión (verde) y alta presión (púrpura). El ventilador (y las etapas de refuerzo) son accionados por la turbina de baja presión, mientras que el compresor de alta presión es accionado por la turbina de alta presión.
Pratt & Whitney F119 turboventilador de postcombustión en prueba
Diagrama esquemático que ilustra un motor turboventilador de derivación alta de 2 carretes con un escape sin mezclar. El carrete de baja presión es de color verde y el de alta presión de color púrpura. Nuevamente, el ventilador (y las etapas de refuerzo) son impulsados ​​por la turbina de baja presión, pero se requieren más etapas. Un escape mixto se emplea a menudo hoy en día.
Diagrama seccionado del motor General Electric CF6 -6
Turboventilador engranado. La caja de cambios está etiquetada como 2.
Entrada del motor en un Dassault/Dornier Alpha Jet : el perfil del labio de entrada y el conducto interior minimizan las pérdidas de flujo a medida que el aire fluye hacia el compresor