Un propfan , también llamado motor de rotor abierto , o ventilador no conducido (a diferencia de un ventilador con conductos ), es un tipo de motor de avión relacionado en concepto con el turbohélice y el turbofan , pero distinto de ambos. El diseño está destinado a ofrecer la velocidad y el rendimiento de un turboventilador, con la economía de combustible de un turbohélice. Un ventilador propulsor se diseña típicamente con una gran cantidad de palas cortas y muy retorcidas, similar al compresor de derivación de un turboventilador (el ventilador en sí). Por esta razón, el propfan se ha descrito de diversas formas como un "ventilador no conducido" o un "turbofan de derivación ultra alta (UHB)".
Definición
En la década de 1970, Hamilton Standard describió su propfan como " un propulsor de paso variable de palas múltiples de diámetro pequeño, altamente cargado que tiene palas barridas con secciones delgadas de perfil aerodinámico avanzado , integrado con una góndola contorneada para retardar el flujo de aire a través de las palas reduciendo así las pérdidas de compresibilidad y diseñado operar con un motor de turbina y usar un engranaje de reducción de una sola etapa que resulta en un alto rendimiento " . [1] En 1982, la revista semanal de aviación Flight International definió el propfan como una hélice con 8-10 palas muy barridas que navegaban a una velocidad de 390 –480 nudos (450–550 millas por hora; 720–890 kilómetros por hora), [2] aunque su definición evolucionó unos años más tarde con la aparición de propfans contrarrotantes . [3]
En 1986, el fabricante de motores británico Rolls-Royce utilizó el término rotor abierto como sinónimo del significado original de propfan. Esta acción fue para delinear el tipo de motor propfan de una serie de propuestas de motores con conductos en el momento que tenían propfan en sus nombres. [4] En la década de 2000, el rotor abierto (OR) se convirtió en un término preferido para la tecnología propfan en la investigación y los informes de noticias, y el rotor abierto contrarrotatorio (CROR) también se utiliza ocasionalmente para distinguir entre propfan de una sola rotación. A partir de 2015, la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA) definió un rotor abierto de manera concreta (pero amplia) como " una etapa de ventilador de motor de turbina que no está encerrada dentro de una carcasa " ; por el contrario, solo tenía una definición de trabajo de rotor abierto. del motor (el término usado más comúnmente para propfan en el siglo 21), llamándolo " un motor de turbina con etapas de ventilador de rotación contraria no encerrada dentro de una carcasa. " el motor utiliza una turbina de gas para impulsar un unshrouded (abierto) contra-rotativo hélice como un turbohélice, pero el diseño de la hélice en sí está más estrechamente acoplado al diseño de la turbina, y los dos están certificados como una sola unidad. [5]
El-Sayed diferencia entre turbohélices y propfans según 11 criterios diferentes, que incluyen el número de palas, la forma de las palas, la velocidad de punta, la relación de derivación , el número de Mach y la altitud de crucero . [6]
Desarrollo
Aproximadamente una década después de que los ingenieros aeroespaciales alemanes comenzaran a explorar la idea de usar alas en flecha para reducir la resistencia de los aviones de velocidad transónica , Hamilton Standard en la década de 1940 intentó aplicar un concepto similar a las hélices del motor. Creó palas de hélice de gran barrido con velocidades de punta supersónicas , de modo que los motores con hélices expuestas pudieran impulsar aviones a velocidades y altitudes de crucero solo alcanzadas por nuevos motores turborreactores y turbofán . Las primeras pruebas de estas palas revelaron problemas de aleteo y tensión de las palas que no se podían resolver en ese momento, y los altos niveles de ruido se consideraron otro obstáculo. La popularidad de los turborreactores y turbofán redujo la investigación en hélices, pero en la década de 1960, el interés aumentó cuando los estudios mostraron que una hélice expuesta impulsada por una turbina de gas podía impulsar un avión de pasajeros que volaba a una velocidad de Mach 0,7 a 0,8 y a una altitud de 35.000 pies. (11.000 metros). El término propfan fue creado durante este tiempo. [7]
Uno de los primeros motores que se asemejaba al concepto de propfan fue el Metrovick F.5 de 4,710 libras de fuerza (21,0 kilonewtons) , que contaba con ventiladores gemelos contrarrotantes: 14 aspas en el ventilador delantero (delantero) y 12 aspas en la popa (trasera). ) ventilador: en la parte trasera del motor y se puso en funcionamiento por primera vez en 1946. Sin embargo, la mayoría de las aspas no estaban barridas. [8] Hubo otra contra-rotación de motores de hélice que se ofrecen en los aviones comunes, tales como los cuatro poderosos Kuznetsov NK-12 motores (cada una de encender su propio conjunto de hélices giran en sentidos opuestos coaxiales) en la Unión Soviética Tupolev Tu-95 Oso de alta -bombardero militar de alta velocidad y avión de transporte militar Antonov An-22 , y los motores Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (ambos conectados a un solo conjunto de hélices coaxiales contrarrotativas) en el avión antisubmarino británico Fairey Gannet . Ambas configuraciones tenían cuatro palas en la hélice delantera y la hélice trasera, pero también estaban en gran parte sin barrer.
1970-1980
Cuando la crisis del petróleo de 1973 provocó los picos del precio del petróleo a principios de la década de 1970, el interés en los propfans se disparó y la investigación financiada por la NASA comenzó a acelerarse. [9] El concepto propfan fue delineado por Carl Rohrbach y Bruce Metzger de la división Hamilton Standard de United Technologies en 1975 [10] y fue patentado por Rohrbach y Robert Cornell de Hamilton Standard en 1979. [1] Trabajo posterior de General Electric en propulsores similares se hicieron bajo el nombre de ventilador no conducido , que era un motor turboventilador modificado , con el ventilador colocado fuera de la góndola del motor en el mismo eje que las palas del compresor .
Durante esta era, los problemas de la hélice encontrados unas décadas antes se volvieron reparables. Se hicieron avances en materiales estructurales, como titanio metálico y compuestos de grafito y fibra de vidrio infundidos con resina . Estos materiales reemplazaron el aluminio y los metales de acero en la construcción de las hojas, lo que permitió que las hojas se hicieran más delgadas y más fuertes. [11] El diseño asistido por computadora también fue útil para refinar las características de la hoja. Dado que las palas se doblan y desvían con mayor carga de potencia y fuerza centrífuga , los diseños iniciales debían basarse en la forma en movimiento. Con la ayuda de computadoras, los diseñadores de palas trabajarían hacia atrás para encontrar la forma descargada óptima para fines de fabricación. [12]
Programas de prueba de vuelo
Hamilton Standard, el único gran fabricante estadounidense de hélices de aviones que queda, desarrolló el concepto de propfan a principios de la década de 1970. [13] En esta década , Hamilton Standard, junto con la NASA , probó numerosas variaciones de diseño del propfan . [14] [15] Esta prueba condujo al programa Propfan Test Assessment (PTA), donde Lockheed-Georgia propuso modificar un Gulfstream II para que actúe como banco de pruebas en vuelo para el concepto de propfan, mientras que McDonnell Douglas propuso modificar un DC-9 para el mismo propósito. [16] NASA eligió el Lockheed propuesta, en el que el avión tenía una góndola añadido a la izquierda, que contiene un (4.500 kilovatios) 6000 caballos de fuerza Allison 570 motor turbohélice (derivado de la XT701 turboeje desarrollado para el Boeing Vertol XCH-62 de carga pesada helicóptero ). El motor utilizaba como propulsor un ventilador de propulsión Hamilton Standard SR-7 de ocho palas y 9 pies de diámetro (2,7 metros; 110 pulgadas; 270 centímetros) de rotación única . El motor de prueba, que fue nombrado Allison 501-M78, [17] tenía un índice de empuje de 9,000 lbf (40 kN), [18] y se hizo funcionar por primera vez en vuelo el 28 de marzo de 1987. [19] La prueba extensa El programa, que costó alrededor de $ 56 millones, [20] acumuló 73 vuelos y más de 133 horas de tiempo de vuelo antes de finalizar el 25 de marzo de 1988, aunque la mayoría de las pruebas de vuelo se realizaron en 1987. [21] En 1989, sin embargo, el Los aviones del banco de pruebas regresaron al aire del 3 al 14 de abril para medir los niveles de ruido del suelo durante el vuelo en ruta. [22] [23] El motor se quitó después de eso, y el avión se convirtió en un avión de entrenamiento del transbordador espacial más tarde ese año. [24]
El ventilador no inducido GE36 (UDF), del fabricante de motores estadounidense General Electric (GE) con una participación del 35 por ciento del socio francés Snecma (ahora Safran ), era una variación del concepto original de propfan y se parecía a un motor de pistón con configuración de empujador . El UDF de GE tenía una nueva disposición de transmisión directa, donde la caja de engranajes de reducción fue reemplazada por una turbina libre de siete etapas de baja velocidad. Un conjunto de rotores de turbina impulsaba el conjunto de hélices de avance, mientras que el conjunto trasero era impulsado por el otro conjunto de rotores que giraban en la dirección opuesta. La turbina tenía 14 hileras de palas con siete etapas. Cada etapa era un par de filas contrarrotantes. [25] A los Airframers, que habían sido cautelosos con las cajas de cambios propensas a problemas desde la década de 1950, les gustó la versión sin engranajes del propfan de GE: [12] Boeing tenía la intención de ofrecer el motor UDF de empuje de GE en la plataforma 7J7 (que habría tenido una velocidad de crucero de Mach 0,83), [26] y McDonnell Douglas iban a hacer lo mismo en su avión MD-94X . El GE36 fue probado por primera vez en vuelo montado en la estación de motor n. ° 3 de un Boeing 727-100 el 20 de agosto de 1986. [27] Se planeó que el GE36 UDF para el 7J7 tuviera un empuje de 25,000 libras-fuerza (110 kN), pero GE afirmó que en general su concepto de UDF podría cubrir un rango de empuje de 9,000 a 75,000 lbf (40 a 334 kN), [28] por lo que un motor UDF posiblemente podría igualar o superar el empuje del CF6 , la familia de motores de fuselaje ancho de GE en ese momento.
McDonnell Douglas desarrolló un avión de prueba de concepto mediante la modificación de su MD-80 de propiedad de la compañía , que es adecuado para propfans debido a sus motores montados en el fuselaje de popa (como su antepasado DC-9), en preparación para el posible propfan propulsado Derivados MD-91 y MD-92 y una posible aeronave MD-94X con hoja limpia. Quitaron el motor turbofan JT8D del lado izquierdo del fuselaje y lo reemplazaron con el GE36. Los vuelos de prueba comenzaron en mayo de 1987, [29] inicialmente desde Mojave, California, lo que demostró la aeronavegabilidad, las características aerodinámicas y la firma de ruido del diseño. Después de las pruebas iniciales, se instaló una cabina de primera clase dentro del fuselaje de popa y se ofreció a los ejecutivos de las aerolíneas la oportunidad de experimentar de primera mano la aeronave propulsada por UDF. Los vuelos de prueba y comercialización de la aeronave de demostración equipada con GE concluyeron en 1988, mostrando una reducción del 30% en el consumo de combustible en comparación con el MD-80 con turboventilador, cumplimiento de ruido de etapa 3 completo y bajos niveles de ruido / vibración interior. El GE36 tendría el mismo empuje de 25,000 lbf (110 kN) en el MD-92X, pero el mismo motor se reduciría a 22,000 lbf (98 kN) de empuje para el MD-91X más pequeño. El MD-80 también se probó con éxito en vuelo en abril de 1989 con el propfan 578-DX , que era un prototipo de Allison Engine Company (una división de General Motors ) que también se derivaba del Allison XT701 y se construía con hélices Hamilton Standard. El programa de motores fue desarrollado conjuntamente entre Allison y otra división de United Technologies, el fabricante de motores Pratt & Whitney . A diferencia del GE36 UDF de la competencia, el 578-DX era bastante convencional, con una caja de cambios reductora entre la turbina LP y las palas del ventilador propulsor. Debido a las caídas del precio del combustible para aviones y las prioridades de marketing cambiantes, Douglas archivó el programa propfan más tarde ese año.
Otras aplicaciones propuestas
Aparte de la aeronave mencionada anteriormente, hubo varios otros anuncios de futuros aviones propfan propulsados, tales como:
- El Fokker FXX, un avión propfan de 100-120 asientos que fue estudiado en 1982 [30]
- El MPC-75 , un avión regional de 80 asientos, Mach 0,76 velocidad de crucero, alcance de 1.500 millas náuticas (1.700 millas; 2.800 km) concebido por Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) de Alemania Occidental y la Corporación China de Exportación / Importación de Tecnología Aero ( CATIC); utilizados como el motor de base dos de accionamiento directo de General Electric GE38 motores -B5 UDF entrega de 9.644 y 2.190 lbf (4.374 y 993 kgf; 42,90 y 9,74 kN) de empuje estático y el crucero con un consumo de combustible de empuje específico (TSFC) de 0.240 y 0,519 lb / (lbf⋅h) (6,8 y 14,7 g / (kN⋅s)), respectivamente, a través de un propfan de 85 pulgadas (2,1 m) de diámetro con 11 y 9 palas en las hélices contrarrotantes; propuesto como un motor alternativo el 14.500 lbf (6,600 kgf; 64 kN) de empuje estático, PW-Allison 501-M80E orientado motor propfan, que se deriva de la turboeje 501-M80C que fue elegido al poder el Unidos Armada de los Estados 's Osprey tiltrotor aeronave; [31] más tarde describió el motor propfan como uno con el núcleo del T406 (la designación militar para el motor del Osprey), que contiene un propfan de 108 de diámetro (2,7 m) que proporciona 2.450 lbf (1.110 kgf; 10,9 kN) de empuje en crucero con un TSFC de 0.51 lb / (lbf⋅h) (14 g / (kN⋅s)) [32] : 1090
- El ATR 92 , una velocidad de crucero de 400 nudos (460 millas por hora; 740 kilómetros por hora), cinco o seis aviones al día, 100 asientos de Avions de Transport Regional (ATR, una empresa conjunta entre la francesa Aerospatiale y la italiana Aeritalia ) [33] y la española Construcciones Aeronáuticas SA (CASA), [34] que posiblemente sería impulsada por la UDF [35]
- El Aerospatiale AS.100, un avión regional con un alcance de 1.500 millas náuticas (1.700 millas; 2.800 km), una velocidad de crucero de 0,74 a 0,78 Mach a una altitud de 30.000 pies (9.100 m), [36] y una capacidad de 80 a 100 asientos, que pueden ser propulsados por el UDF [35] o por una versión propfan del motor de rotor basculante Allison T406 [34]
- El ATRA-90 (Aeronave Regional de Tecnología Avanzada), una aeronave de 83 a 115 asientos con un alcance de 1.500 a 2.100 millas náuticas (1.700 a 2.400 millas; 2.800 a 3.900 km) y una velocidad de crucero de Mach 0,8 a 30.000 pies (9.100 m) altitud, que iba a ser construida por una empresa conjunta multinacional formada por Industri Pesawat Terbang Nusantara ( IPTN ) de Indonesia, Boeing (EE.UU.), MBB (Alemania Occidental) y Fokker (Países Bajos) [36]
- El Tupolev Tu-334 , un avión de 126 asientos que puede viajar 1.860 millas náuticas (2.140 millas; 3.450 km) con una carga útil de 11.430 kg (25.200 libras; 11,43 t; 12,60 toneladas cortas), que está propulsado por dos Progress (también conocidos como Lotarev) D-236 propfans [37] con un consumo de combustible específico de 0,46 kg / kg de empuje / hora, un empuje de crucero de 1,6 toneladas-fuerza (3500 lbf; 16 kN) y un empuje estático de 8 a 9 tf (18.000 a 20.000 lbf; 78 a 88 kN) [38]
- El Ilyushin Il-88 , sucesor del transportador táctico Antonov An-12 de cuatro turbohélice que estaría propulsado por dos propfans Progress D-236 de 11.000 hp (8.200 kW) [39]
- El Ilyushin Il-118, una mejora del avión de pasajeros Ilyushin Il-18 de cuatro turbohélice ; [40] propuesto en 1984, el avión sería propulsado por dos propfans D-236, con la hélice delantera de ocho palas en cada motor girando a una velocidad de 1.100 rpm y la hélice trasera de seis palas girando a 1.000 rpm para bajar ruido y vibración [41]
- Un Antonov An-124 rediseñado , con los cuatro turboventiladores Progress D-18T reemplazados por propfans Kuznetsov NK-62 de 55.100 lbf de empuje (245,2 kN) [42]
Disminución
Sin embargo, ninguno de estos proyectos se llevó a cabo, principalmente debido al ruido excesivo de la cabina (en comparación con los turboventiladores) y los bajos precios del combustible. [43] Para General Electric, el GE36 UDF estaba destinado a reemplazar el turboventilador de alto bypass CFM56 que producía con el socio igual Snecma en su empresa conjunta CFM International , ya que en la década de 1980 el motor inicialmente no era competitivo contra la oferta rival de International Aero Engines. , el IAE V2500 . En diciembre de 1986, el presidente de Snecma declaró que el CFM56-5S2 en desarrollo sería el último turboventilador creado para la familia CFM56, y que "no tiene sentido gastar más dinero en turboventiladores. UDF es el futuro". [44] Sin embargo, el V2500 tuvo problemas técnicos en 1987 y el CFM56 ganó un impulso de ventas importante. A General Electric no le interesó que el GE36 canibalizara al CFM56, que también pasó cinco años antes de que recibiera su primer pedido en 1979, y aunque "el UDF podía hacerse confiable con estándares anteriores, los turboventiladores se estaban volviendo mucho, mucho mejores que eso". General Electric agregó la tecnología de palas de UDF directamente en el GE90 , el motor a reacción más poderoso jamás producido, para el Boeing 777 . [45]
Década de 1990 hasta la actualidad
A principios de la década de 1990, la Unión Soviética / Rusia realizó pruebas de vuelo en el Progress D-236 , un motor de propfan contrarrotatorio con engranajes basado en el núcleo del turbofan Progress D-36 , con ocho palas en la hélice delantera y seis palas en la hélice trasera. Un banco de pruebas fue un propfan de 10.100 hp (7.500 kW) montado en un Ilyushin Il-76 y volado al espectáculo aéreo de Hannover ILA 90, que estaba destinado a un avión de cuatro propfan no identificado. [46] El D-236 voló 36 veces para un total de 70 horas de prueba de vuelo en el Il-76. [47] El otro banco de pruebas fue una unidad de 10,990 hp (8,195 kW), 14 pies (4,2 m; 170 pulgadas; 420 cm) montada en un Yakovlev Yak-42 E-LL y volada al Salón Aeronáutico de París de 1991 , como demostración. para el avión Yak-46 planeado con motores gemelos propfan, [48] que en su versión base de 150 asientos tendría un alcance de 1.900 millas náuticas (2.200 millas; 3.500 km) y navega a una velocidad de 460 nudos (530 millas por hora; 850 km / h; 780 pies / s; 240 m / s) [49] (Mach 0,75). [50] Los soviéticos afirmaron que el D-236 tenía una verdadera eficiencia aerodinámica del 28 por ciento y un ahorro de combustible del 30 por ciento sobre un turbohélice equivalente . También revelaron planes para propfans con potencias de 14 100 y 30 200 hp (10 500 y 22 500 kW). [46]
Al igual que el Progress D-236, el motor propfan Progress D-27 más potente es un propfan contrarrotante con ocho palas delanteras y seis traseras, [50] pero el D-27 tiene palas compuestas avanzadas con un espesor reducido para relación de cuerda y una curvatura más pronunciada en el borde de ataque . [51] Un motor que fue lanzado en 1985, el D-27 [52] entrega 14,000 hp (10,440 kW) de potencia con 27,000 lbf (119 kN) de empuje en el despegue. [53] Dos propfans D-27 montados en la parte trasera impulsaron el Antonov An-180 ucraniano , que estaba programado para un primer vuelo en 1995 y una entrada en servicio en 1997. [54] En enero de 1994, Antonov lanzó el primer prototipo del avión de transporte militar An-70 , propulsado por cuatro Progress D-27 unidos a alas montadas en la parte superior del fuselaje. [53] La Fuerza Aérea de Rusia realizó un pedido de 164 aviones en 2003 , que posteriormente fue cancelado. A partir de 2013, todavía se pensaba que el An-70 tenía un futuro prometedor como carguero. [55] Sin embargo, dado que el componente propulsor del Progress D-27 está fabricado por la SPE Aerosila de Rusia , el An-70 no se puede construir debido al conflicto político de Ucrania con Rusia . En cambio, Antonov comenzó a trabajar con Turquía en 2018 para volver a desarrollar el An-70 como el An-77 renombrado , de modo que el avión pueda cumplir con los requisitos actuales sin la participación de proveedores rusos. [56]
En la primera década del siglo XXI, los precios del combustible para aviones comenzaron a subir nuevamente, y hubo un mayor énfasis en la eficiencia del motor / fuselaje para reducir las emisiones, lo que renovó el interés en el concepto de propfan para aviones de línea que podrían entrar en servicio más allá del Boeing 787 y Airbus A350 XWB. Por ejemplo, Airbus ha patentado diseños de aviones con dos ventiladores de propulsión contrarrotantes montados en la parte trasera. [57] Mientras Rolls-Royce era tibio con la tecnología propfan en la década de 1980 [58] (aunque tenía la parte trasera (empujador) configurada RB.509-11 y la parte delantera (tractor) configurada RB.509-14 diseños propfan con engranajes, que producían 15.000-25.000 lbf de empuje (6.800-11.300 kgf; 67-111 kN) utilizando el generador de gas de su motor XG-40 [59] con 13.000 hp (9.700 kW) de potencia del eje), [60] ahora había desarrollado un diseño de motor de rotor que se pensó que sería finalista para el nuevo avión de fuselaje estrecho Irkut MS-21 . [61] El motor Rolls-Royce RB3011 tendría un diámetro de aproximadamente 170 pulgadas (430 cm; 14 pies; 4,3 m) y requeriría una caja de cambios de 16.000 caballos de fuerza (12.000 kW) . [62]
La Comisión Europea lanzó en 2008 una demostración de Open Rotor dirigida por Safran dentro del programa Clean Sky con una financiación de 65 millones de euros durante ocho años. En 2015 se montó un demostrador y se probó en tierra en mayo de 2017 en su banco de pruebas al aire libre en Istres , con el objetivo de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO 2 asociadas en un 30% en comparación con los turbofan CFM56 actuales . [63] Después de completar las pruebas en tierra a fines de 2017, el motor de rotor abierto con engranajes de Safran había alcanzado un nivel de preparación tecnológica de TRL 5. [64] La hélice delantera de doce palas y la hélice trasera de diez palas del demostrador de rotor abierto tienen diámetros de 13,1 y 12,5 pies (4,0 y 3,8 m; 160 y 150 pulgadas; 400 y 380 cm), respectivamente. El demostrador, que se basa en el núcleo del motor de combate militar Snecma M88 , utiliza hasta 12.200 caballos de fuerza (9 megavatios), proporciona un empuje de aproximadamente 22.000 lbf (100 kN) y navega a una velocidad de Mach 0,75. [65] El futuro motor de rotor abierto de Safran, sin embargo, tendría un diámetro máximo de casi 14,8 pies (4,50 m; 177 pulgadas; 450 cm). [66]
Limitaciones y soluciones
Diseño de hoja
Los turbohélices tienen una velocidad óptima por debajo de 450 mph (390 kN; 720 km / h), [67] porque todas las hélices pierden eficiencia a alta velocidad, debido a un efecto conocido como arrastre de olas que ocurre justo por debajo de velocidades supersónicas . Esta poderosa forma de arrastre tiene un inicio repentino y condujo al concepto de una barrera de sonido cuando se encontró por primera vez en la década de 1940. En el caso de una hélice, este efecto puede ocurrir cada vez que la hélice gira lo suficientemente rápido como para que las puntas de las palas se acerquen a la velocidad del sonido, incluso si la aeronave está inmóvil en el suelo.
La forma más efectiva de contrarrestar este problema (hasta cierto punto) es agregando más palas a la hélice, lo que le permite entregar más potencia a una velocidad de rotación más baja. Esta es la razón por la que muchos diseños de caza de la Segunda Guerra Mundial comenzaron con hélices de dos o tres palas, pero al final de la guerra usaban hasta cinco palas; a medida que se actualizaban los motores, se necesitaban nuevas hélices para convertir esa potencia de manera más eficiente. La principal desventaja de este enfoque es que la adición de palas hace que la hélice sea más difícil de equilibrar y mantener, y las palas adicionales provocan pequeñas penalizaciones en el rendimiento debido a problemas de resistencia y eficiencia. Pero incluso con este tipo de medidas, eventualmente la velocidad de avance del avión combinada con la velocidad de rotación de las puntas de las palas de la hélice (conocida en conjunto como la velocidad de la punta helicoidal) volverá a dar como resultado problemas de arrastre de olas. Para la mayoría de las aeronaves, esto ocurrirá a velocidades superiores a 450 mph (390 kN; 720 km / h).
Un método para disminuir la resistencia de las olas fue descubierto por investigadores alemanes en 1935: barriendo el ala hacia atrás. Hoy en día, casi todos los aviones diseñados para volar a más de 450 mph (390 kN; 720 km / h) utilizan un ala en flecha . En la década de 1970, Hamilton Standard comenzó a investigar hélices con un barrido similar . Dado que el interior de la hélice se mueve más lento en la dirección de rotación que el exterior, la pala se desplaza progresivamente más hacia el exterior, lo que lleva a una forma curva similar a una cimitarra , una práctica que se utilizó por primera vez en 1909. en la hélice de madera de dos palas Chauvière utilizada en el Blériot XI . (En la raíz de la hoja, la hoja se desplaza hacia adelante en la dirección de rotación, para contrarrestar la torsión generada por las puntas de la hoja barridas hacia atrás). [68] El ventilador de prueba estándar de Hamilton se barrió progresivamente a un máximo de 39 grados en las puntas de las palas, permitiendo que el ventilador propulsor produzca empuje a pesar de que las palas tenían una velocidad de punta helicoidal de aproximadamente Mach 1,15. [69]
Las palas del GE36 UDF y del 578-DX tienen una velocidad máxima de rotación de aproximadamente 750 a 800 pies por segundo (440 a 470 nudos; 230 a 240 metros por segundo; 510 a 550 millas por hora; 820 a 880 kilómetros por hora), [70] o aproximadamente la mitad de la velocidad máxima de la punta de las palas de la hélice de un turboventilador convencional. [71] Esa velocidad máxima de la punta de la pala se mantendría constante si el diseñador del motor opta por ampliar o estrechar el diámetro de la hélice (lo que da como resultado una reducción o un aumento de las RPM, respectivamente). [3]
La resistencia también se puede reducir haciendo que las palas sean más delgadas, lo que aumenta la velocidad que las palas pueden alcanzar antes de que el aire que tienen delante se vuelva compresible y provoque ondas de choque. Por ejemplo, las palas del propfan de prueba estándar de Hamilton tenían una relación entre el espesor y la cuerda que disminuía desde menos del veinte por ciento en la unión del rotor hasta el dos por ciento en las puntas, siendo la relación sólo el cuatro por ciento en la mitad del tramo. [69] Las palas de propfan tenían aproximadamente la mitad de la relación espesor-cuerda de las mejores palas de hélice convencionales de la época, [72] adelgazadas hasta un filo similar al de una navaja en sus bordes, [12] [73] y pesaban tan solo 20 libras (9.1 kg). [74] (El motor GE36 UDF que se probó en el Boeing 727 tenía palas delanteras y traseras que pesaban 22,5 y 21,5 libras (10,2 y 9,8 kg) cada una.) [75]
Ruido
Los aviones a reacción vuelan más rápido que los aviones convencionales propulsados por hélice. Sin embargo, utilizan más combustible, por lo que para el mismo consumo de combustible una instalación de hélice produce más empuje. A medida que los costos del combustible se convierten en un aspecto cada vez más importante de la aviación comercial, los diseñadores de motores continúan buscando formas de mejorar la eficiencia de los motores aeronáuticos. El concepto de propfan fue desarrollado para ofrecer un 35% más de eficiencia de combustible que los turbofans contemporáneos. En pruebas estáticas y de aire en un Douglas DC-9 modificado , los propfans alcanzaron una mejora del 30% sobre los turboventiladores OEM. Esta eficiencia tuvo un precio, ya que uno de los principales problemas con el propfan es el ruido, particularmente en una era en la que se requiere que las aeronaves cumplan con regulaciones cada vez más estrictas sobre ruido de aeronaves . La investigación de propfan en la década de 1980 descubrió formas de reducir el ruido, pero a costa de una menor eficiencia de combustible, mitigando algunas de las ventajas de un propfan.
Los métodos generales para reducir el ruido incluyen reducir las velocidades de la punta de la hoja y disminuir la carga de la hoja, o la cantidad de empuje por unidad de superficie de la hoja. Un concepto similar a la carga del ala , la carga de la hoja se puede reducir reduciendo el requisito de empuje o aumentando la cantidad, cuerda (ancho) y / o tramo (longitud) de las hojas. En el caso de los propfans de rotación contraria, que pueden ser más ruidosos que los turbopropulsores o los propfans de rotación simple, el ruido también puede reducirse mediante: [76]
- aumentar el espacio entre la hélice delantera y la hélice trasera;
- asegurándose de que las longitudes de las palas de la hélice trasera sean más cortas que las de la hélice delantera, de modo que las palas de la hélice trasera eviten cortar los vórtices de la punta de las palas de la hélice delantera ( interacción pala-vórtice );
- usar un número diferente de palas en la hélice delantera en comparación con la hélice trasera, para evitar el refuerzo acústico ; y
- girar la hélice delantera y la hélice trasera a diferentes velocidades de rotación , también para evitar el refuerzo acústico. [41]
Ruido de la comunidad
Los fabricantes de motores esperan que las implementaciones de propfan cumplan con las regulaciones de ruido de la comunidad (a diferencia de las de cabina) sin sacrificar la ventaja de eficiencia. Algunos piensan que los motores propfan potencialmente pueden causar menos impacto en la comunidad que los motores turbofan, porque las velocidades de rotación de un propfan son más bajas que las de un turbofan. Los propfans con engranajes deberían tener una ventaja sobre los propfans sin engranajes por la misma razón. [77]
En 2007, el Progress D-27 se modificó con éxito para cumplir con las regulaciones de la Etapa 4 de la Administración Federal de Aviación (FAA) de los Estados Unidos , que corresponden a las normas del Capítulo 4 de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) y se adoptaron en 2006. [78] A 2012 El estudio comercial proyectó que el ruido de la tecnología de rotor abierto existente sería de 10 a 13 decibeles más silencioso que el nivel de ruido máximo permitido por las regulaciones de la Etapa 4; [79] los límites de ruido de la Etapa 5 más nuevos (que reemplazaron las regulaciones de la Etapa 4 para aeronaves más grandes en 2018 y reflejaron el estándar de ruido del Capítulo 14 de la OACI establecido en 2014) son más restrictivos que el requisito de la Etapa 4 por solo siete decibelios de ruido percibido efectivos ( EPNdB ), [80] por lo que la tecnología propfan actual no debería verse obstaculizada por los estándares Stage 5. El estudio también proyectó que a los niveles de tecnología existentes, los rotores abiertos serían un nueve por ciento más eficientes en el consumo de combustible, pero seguirían siendo de 10 a 12 decibeles más ruidosos que los turboventiladores. [79] Snecma , sin embargo, sostiene que las pruebas de rotor abierto muestran que sus motores propfan tendrían aproximadamente los mismos niveles de ruido que su motor turboventilador CFM LEAP , [81] que entró en servicio en 2016.
Se pueden lograr reducciones adicionales rediseñando la estructura de la aeronave para proteger el ruido del suelo. Por ejemplo, otro estudio estimó que si se usaran motores propfan para propulsar una aeronave con cuerpo de ala híbrida en lugar de una aeronave convencional de tubo y ala, los niveles de ruido podrían reducirse hasta en 38 EPNdB en comparación con los requisitos del Capítulo 4 de la OACI. [82] En 2007, la aerolínea británica de bajo coste easyJet presentó su concepto ecoJet, un avión de 150-250 asientos con motores de rotor abierto montados en V unidos al fuselaje trasero y blindados por una cola en U. [83] Inició sin éxito discusiones con Airbus, Boeing y Rolls-Royce para producir el avión. [84]
Tamaño
Una aeronave bimotor que lleve de 100 a 150 pasajeros requeriría diámetros de ventilador de propulsión de 120 a 168 pulgadas (300 a 430 cm; 10,0 a 14,0 pies; 3,0 a 4,3 m), [69] y un ventilador de propulsión con un diámetro de hélice de 236 pulgadas ( 600 cm; 19,7 pies; 6,0 m) teóricamente producirían casi 60.000 lbf (270 kN) de empuje. [85] Estos tamaños logran las altas relaciones de derivación deseadas de más de 30, pero son aproximadamente el doble del diámetro de los motores turbofan de capacidad equivalente. [65] Por esta razón, los fuselajes generalmente diseñan el empenaje con una configuración de cola en T para propósitos aerodinámicos , y los propfans pueden estar conectados a la parte superior del fuselaje trasero . Para el prototipo de propfan Rolls-Royce RB3011 , se necesitaría un pilón de aproximadamente 8,3 pies (2,54 m; 100 pulgadas; 254 cm) de largo para conectar el centro de cada motor al costado del fuselaje. [86] Si los propfans están montados en las alas, las alas estarían unidas a la aeronave en una configuración de ala alta , lo que permite una distancia al suelo sin requerir un tren de aterrizaje excesivamente largo . Para la misma cantidad de potencia o empuje producido, un ventilador no conducido requiere aspas más cortas que un ventilador propulsor con engranajes, [87] aunque los problemas generales de instalación aún se aplican.
Calificación de salida
Los turbohélices y la mayoría de los propfans se clasifican por la cantidad de caballos de fuerza del eje (shp) que producen, a diferencia de los turbofans y el tipo de propfan UDF, que se clasifican por la cantidad de empuje que emiten. Esta diferencia puede resultar algo confusa al comparar diferentes tipos de motores. La regla general es que, al nivel del mar con un motor estático, 1 caballo de fuerza del eje (750 vatios) es aproximadamente equivalente a 2 libras de fuerza (8,9 N) de empuje, pero a la altitud de crucero, 1 caballo de fuerza del eje (750 vatios) cambia a aproximadamente 1 libra de fuerza (4,4 N) de empuje. Eso significa que un avión de fuselaje estrecho con dos motores de 110 kN (25,000 lbf de empuje) puede teóricamente ser reemplazado por un par de ventiladores de propulsión de 8,900-9,700 kW (12,000 a 13,000 hp) o con dos propfans de UDF de 110 kN (25,000 lbf de empuje). [3]
Aeronaves con propfans
- Antonov An-70
- Antonov An-180
- ATRA-90
- Boeing 7J7
- McDonnell Douglas MD-94X
- MPC-75
- Yakovlev Yak-44
- Yakovlev Yak-46
Ver también
- Turbohélice
- Hélice contrarrotante
- Contrarrotante
- Ventilador canalizado
- Turbofan con engranajes
Motores comparables
- Europrop TP400
- General Electric GE-36 UDF
- Kuznetsov NK-12
- Kuznetsov NK-93
- Metrovick F.5
- Pratt y Whitney / Allison 578-DX
- Progreso D-27
- Progreso D-236
- Rolls-Royce RB3011
Listas relacionadas
- Lista de motores de aviones
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