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Una maqueta del GE36 en el Musée aéronautique et espacial Safran
Parte de una serie sobre
Propulsión de aeronaves
Motores de eje :
propulsores de propulsión , rotores , ventiladores con conductos o propfans
Motores de reacción
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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" (UDF) 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 para funcionan con un motor de turbina y utilizando un engranaje de reducción de una sola etapa , lo que da como resultado un alto rendimiento " . [1] En 1982, la revista semanal de aviación Flight Internationaldefinió el propfan como una hélice con 8-10 palas muy inclinadas 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 forma concreta (pero amplia) como "una etapa de ventilador de motor de turbina que no está encerrada dentro de una carcasa; "en contraste, solo tenía una definición de trabajo de un motor de rotor abierto (el término más comúnmente usado para propfan en el siglo XXI), llamándolo" un motor de turbina con etapas de ventilador contrarrotativas que no están encerradas dentro de una carcasa ". "El motor utiliza una turbina de gas para impulsar un unshrouded (abierto) contra rotación-hélice como un turbopropulsor, pero el diseño de la hélice en sí está más estrechamente acoplado al diseño de la turbina, y los dos están certificadas 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]

Historia

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 de los motores. 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 cuchillas revelaron un aleteo de cuchillas que entonces no se podía resolver.y los problemas de tensión de las palas 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 período. [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] Otros motores de hélice contrarrotantes que aparecían en aviones comunes incluían los cuatro potentes motores Kuznetsov NK-12 (cada uno con su propio conjunto de hélices coaxiales contrarrotantes) en el bombardero militar de alta velocidad Tupolev Tu-95 Bear de la Unión Soviética. y el avión de transporte militar Antonov An-22 , y el Armstrong Siddeley Double Mamba(ASMD) (ambos conectados a un solo conjunto de hélices coaxiales en contrarrotación) en el avión antisubmarino británico Fairey Gannet . Ambas configuraciones tenían cuatro palas en gran parte sin barrer en la hélice delantera y la hélice trasera.

1970-1980

Cuando la crisis del petróleo de 1973 provocó picos en el 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 adoptaron 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 se solucionaron. 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 las palas. 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

Pruebe en tierra la instalación del motor Allison 501-M78 con una hélice Hamilton Standard de ocho palas y 9,0 pies (2,7 m) de diámetro para la Evaluación de prueba de Propfan de la NASA.

Hamilton Standard, el único gran fabricante estadounidense de hélices para aviones, desarrolló el concepto de propfan a principios de la década de 1970. [13] Hamilton Standard probó numerosas variaciones junto con la NASA . [14] [15]

Bajo el programa Propfan Test Assessment (PTA), 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 con el mismo propósito. [16] La NASA eligió la propuesta de Lockheed . La DC-9 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 un ventilador propulsor 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 recibió el nombre de Allison 501-M78, [17] tenía un índice de empuje de 9.000 lbf (40 kN). [18] Fue operado por primera vez en vuelo el 28 de marzo de 1987. [19] El extenso programa de pruebas, que costó alrededor de $ 56 millones, [20] acumuló 73 vuelos y más de 133 horas de vuelo antes de finalizar el 25 de marzo de 1988 . [21] En 1989, sin embargo, la aeronave banco de pruebas nuevamente al aire a partir del 3 de abril al 14 de abril al medir los niveles de ruido de fondo durante el vuelo. [22] [23]El motor se retiró después de eso, y el avión se convirtió en un avión de entrenamiento del transbordador espacial más tarde ese año. [24]

El GE36 en un demostrador McDonnell Douglas MD-80 en el Salón Aeronáutico de Farnborough de 1988 . El motor de ventilador no conducido sin engranajes tenía un diámetro total de 11,67 pies (3,56 m), con ocho o diez palas al frente (según la configuración particular) y ocho palas en la parte trasera.

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 planearon hacer lo mismo en su avión MD-94X . El GE36 fue probado por primera vez en vuelo montado en la estación de motor # 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. Reemplazaron el motor turbofan JT8D del lado izquierdo con el GE36. Los vuelos de prueba comenzaron en mayo de 1987 [29].que demostró la aeronavegabilidad del diseño, las características aerodinámicas y la firma de ruido. 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, conformidad total con el nivel de ruido de la Etapa 3 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 fue probado con éxito en vuelo en abril de 1989 con el propfan 578-DX , que era un prototipo delAllison Engine Company (en ese momento una división de General Motors ) que también se derivó de la Allison XT701 y se construyó 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.

El motor PW – Allison 578-DX instalado en el mismo banco de pruebas MD-80. El motor propfan de engranajes contrarrotantes tiene un diámetro de 11,6 pies (3,5 m), con seis palas en la parte delantera y seis en la parte trasera.

Otras aplicaciones propuestas

Otros anuncios de futuros aviones propfan incluyen:

  • 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 in (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] luego describió el motor propfan como uno con el núcleo del T406(la designación militar para el motor de Osprey), que contiene un propfan de 108 de diámetro (2,7 m) que proporciona 2.450 lbf (1110 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 mph; 740 km / h), 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 estaría 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 80-100 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 funciona con dos Progress (también conocidos como Lotarev) D-236 propfans [37] con un consumo de combustible específico de 0,46 kg / kg-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 , que sustituye a los cuatro turboventiladores Progress D-18T por propfans Kuznetsov NK-62 de 55.100 lbf de empuje (245,2 kN) [42]

Rechazar

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 igualitario Snecma en su empresa conjunta CFM International . En la década de 1980, el motor inicialmente no era competitivo frente a 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. General Electric perdió interés en que el GE36 canibalizara el CFM56, que 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 al GE90 , el motor a reacción más poderoso jamás producido, para el Boeing 777 . [45]

Década de 1990

El motor propfan Progress D-236 en el avión del banco de pruebas Yak-42 E-LL en el Salón Aeronáutico de París en 1991.

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 era una unidad de 10,990 hp (8,195 kW), 14 pies (4,2 m; 170 pulgadas; 420 cm) montada en un Yakovlev Yak-42E-LL y voló al Salón Aeronáutico de París de 1991 , como demostración para el avión Yak-46 planificado con dos motores propfan, [48] que en su versión básica de 150 asientos tendría un alcance de 1.900 millas náuticas (2.200 millas; 3.500 km) y navega a una velocidad de 460 kN (530 mph; 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]

Progress D27 Propfans instalados en un Antonov An-70 .

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 , impulsado 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 luego se canceló. A partir de 2013, todavía se pensaba que el An-70 tenía un futuro prometedor como carguero. [55] Sin embargo, dado que el componente de hélice del Progress D-27 es fabricado por la SPE Aerosila de Rusia , el An-70 fue bloqueado por el conflicto político de Ucrania con Rusia . En cambio, Antonov comenzó a trabajar con Turquía en 2018 para volver a desarrollar el An-70 como un An-77 renombrado., para que la aeronave pueda cumplir con los requisitos actuales sin la participación de proveedores rusos. [56]

Siglo XXI

En la primera década del siglo XXI, el aumento de los precios del combustible para aviones aumentó el énfasis en la eficiencia del motor / fuselaje para reducir las emisiones, lo que renovó el interés en el concepto de propfan para aviones más allá del Boeing 787 y Airbus A350 XWB. Por ejemplo, Airbus patentó diseños de aeronaves con dos ventiladores propulsores contrarrotantes montados en la parte trasera. [57] Rolls-Royce tenía la parte trasera (empujador) configurada RB.509-11 y la parte delantera (tractor) configurada con diseños de ventiladores propulsores con engranajes RB.509-14, 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 [58] con 13.000 hp (9.700 kW) de potencia en el eje. [59]Se volvió poco entusiasta con la tecnología propfan en la década de 1980 [60], aunque desarrolló un diseño de rotor abierto que se pensó que sería finalista para el avión de cuerpo 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]

Maqueta de rotor abierto de Safran en 2017.

La Comisión Europea lanzó una demostración de Open Rotor en 2008 dirigida por Safran dentro del programa Clean Sky financiado con 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] Tras la finalización de las pruebas en tierra a finales de 2017, el motor de rotor abierto con engranajes de Safran había alcanzado el nivel de preparación tecnológica 5. [64]La hélice delantera de doce palas del demostrador y la hélice trasera de diez palas tenían 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, basado 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]

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). [67] Un estudio comercial de 2012 proyectó que el ruido de propfan sería de 10 a 13 decibelios más silencioso que lo permitido por las regulaciones de la Etapa 4. [68] Los límites de ruido de la etapa 5 reducen los límites en solo siete decibelios de ruido percibido efectivos ( EPNdB ), [69] dentro de la envolvente de ruido propfan. El estudio también proyectó que 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. [68]Snecma afirmó que sus motores propfan tendrían aproximadamente los mismos niveles de ruido que su motor turboventilador CFM LEAP . [70]

En 2021, CFM anunció su programa de desarrollo de Innovación Revolucionaria para Motores Sostenibles (RISE) para producir un propfan de una sola etapa, impulsado por engranajes, emparejado con estatores activos en un extractor / tractor, con una configuración con pruebas de vuelo que comenzarían en 2025. Se esperaba el rotor. exceder en diámetro. Se esperaba que el motor produjera entre 20.000 y 35.000 libras. de empuje con un aumento del 20% en la eficiencia del combustible. La empresa afirmó que su motivación era el énfasis global en la reducción de emisiones. El motor fue planeado para soportar tanto el hidrógeno como los combustibles de aviación sostenibles. Se esperaba que el motor incluyera un núcleo compacto de alta presión y un sistema de recuperación para precalentar el aire de combustión con calor de escape junto con compuestos de matriz cerámica en la sección caliente y aspas de ventilador de material compuesto moldeado por transferencia de resina. Además del rotor,el diseño incluye un conjunto no giratorio de álabes de estator de paso variable que actúan como álabes de recuperación de flujo. El diseño aumenta la relación de presión del ventilador y reduce la carga del rotor, aumentando la velocidad del aire. La etapa del ventilador debe ser accionada por un compresor de refuerzo de alta velocidad y una caja de cambios delantera impulsada por eje de baja presión y alta velocidad. El motor está programado para la certificación como un "motor integrado" en lugar de un "motor / hélice" tradicional debido a su complejidad de integración de la estructura del avión.en lugar de un "motor / hélice" tradicional debido a su complejidad de integración de la estructura del avión.en lugar de un "motor / hélice" tradicional debido a su complejidad de integración de la estructura del avión.[71]

Desafíos

Diseño de hoja

Los turbohélices tienen una velocidad óptima por debajo de 450 mph (390 kN; 720 km / h), [72] porque 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 resistencia tiene un inicio repentino y condujo al concepto de barrera del sonido cuando se encontró por primera vez en la década de 1940. Este efecto puede ocurrir siempre que la hélice gire lo suficientemente rápido como para que las puntas de las palas se acerquen a la velocidad del sonido.

La forma más efectiva de abordar este problema es agregando palas a la hélice, lo que le permite entregar más potencia a una velocidad de rotación más baja. Es por eso que muchos de la Segunda Guerra Mundiallos diseños de caza comenzaron con hélices de dos o tres palas, pero al final de la guerra utilizaban hasta cinco palas; a medida que se actualizaban los motores, se necesitaban nuevas hélices para convertir esa potencia de manera más eficiente. Agregar 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 (conocidas 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).

Hélice barrida

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 . 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). [73]El propfan de prueba de Hamilton Standard se barrió progresivamente a un máximo de 39 grados en las puntas de las palas, lo que permitió que el propfan produjera empuje a pesar de que las palas tenían una velocidad de punta helicoidal de aproximadamente Mach 1,15. [74]

Las palas del GE36 UDF y del 578-DX tienen una velocidad máxima de rotación de aproximadamente 750 a 800 pies / s (230 a 240 m / s; 510 a 550 mph; 820 a 880 km / h), [75] o aproximadamente la mitad de la velocidad máxima de la punta de las palas de la hélice de un turboventilador convencional. [76] Esa velocidad máxima de la punta de la pala se mantendría constante a pesar de que el diámetro de la hélice sea más ancho o más estrecho (resultando en una reducción o 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 20% en la unión del rotor hasta el 2% en las puntas y el 4% en la mitad del tramo. [74] Las palas de Propfan tenían aproximadamente la mitad de la proporción de grosor a cuerda de las mejores palas de hélice convencionales de la época, [77] adelgazadas hasta una nitidez similar a la de una navaja en sus bordes, [12] [78] y pesaban tan solo 20 libras (9.1 kg). [79](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) [80].

Una comparación del propfan con otros tipos de motores de avión.

Ruido

Uno de los principales problemas del propfan es el ruido. 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 disminuir la velocidad de la punta 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 de las alas , la carga de las palas se puede reducir reduciendo el requisito de empuje o aumentando la cantidad, el ancho y / o la longitud de las palas. En el caso de los propfans contrarrotantes, que pueden ser más ruidosos que los turbohélice o los propfans de rotación simple, el ruido también puede reducirse mediante: [81]

  • aumentando el espacio entre las hélices;
  • mantener la longitud de las palas de la hélice trasera 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 );
  • utilizar diferentes números de palas en las dos hélices, para evitar el refuerzo acústico ; y
  • girando la hélice delantera y la hélice trasera a diferentes velocidades, 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 propfans pueden potencialmente causar menos impacto en la comunidad que los turboventiladores, dadas sus velocidades de rotación más bajas. Los propfans con engranajes deberían tener una ventaja sobre los propfans sin engranajes por la misma razón. [82]

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. [67] 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; [68] 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 ), [69] 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. [68] 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 , [70] 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. [83] En 2007, la aerolínea de bajo coste británica easyJet presentó su concepto ecoJet, un avión de 150-250 asientos con motores de rotor abierto montados en V unidos al fuselaje trasero y protegido por una cola en U. [84] Inició sin éxito discusiones con Airbus, Boeing y Rolls-Royce para producir el avión. [85]

Tamaño

Una aeronave bimotor que transporta 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), [74] 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. [86] 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 suelen diseñar el empenaje con una configuración de cola en T con fines 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. [87] 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, [88] 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. La regla general es que a nivel del mar con un motor estático, 1 caballo de fuerza (750 vatios) es aproximadamente equivalente a 2 libras-fuerza (8,9 N) de empuje, pero a una altitud de crucero, eso cambia a aproximadamente 1 libra-fuerza (4,4 N). N) empuje. Eso significa que dos motores de 110 kN (25,000 lbf) de empuje pueden teóricamente ser reemplazados por un par de ventiladores propulsores de 12,000-13,000 hp (8,900-9,700 kW) o con dos propfans 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

Referencias

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