El General Electric CJ805 es un motor a reacción desarrollado por General Electric Aircraft Engines a finales de los años 1950. Era una versión civil del J79 y solo se diferenciaba en algunos detalles. [1] Se desarrolló en dos versiones. El CJ805-3 básico era un turborreactor y propulsaba el avión de pasajeros Convair 880 , y el CJ805-23 (designación militar TF35 ) un derivado de turbofán que propulsaba la variante Convair 990 Coronado del 880.
Los motores turborreactores constan de un compresor en la parte delantera, una zona de quemadores y, a continuación, una turbina que acciona el compresor. Para alcanzar relaciones de compresión que merezcan la pena , los compresores constan de varias "etapas", cada una de las cuales comprime aún más el aire que sale de la anterior.
Un problema común con los primeros motores a reacción era el fenómeno de la "subida" o pérdida de sustentación del compresor . Las pérdidas de sustentación podían ocurrir cuando el flujo de aire que se aproximaba no estaba en línea con la entrada del avión al compresor o cuando el acelerador se avanzaba demasiado rápido.
Cuando hubo que diseñar motores con relaciones de presión superiores a 5, [2] para satisfacer las demandas de un menor consumo de combustible, apareció un nuevo fenómeno de pérdida de sustentación, la pérdida de sustentación rotatoria. Se producía a bajas velocidades del compresor y provocaba la rotura de las palas de la primera etapa. Esta problemática zona de velocidad se conoce como "fuera de diseño" y requirió la invención de dispositivos especiales para hacer funcionar el compresor. El compresor funcionó bien cerca de su velocidad máxima, conocida como "de diseño", con una convergencia de área fija desde la entrada hasta la salida para adaptarse a los valores de diseño de compresión/densidad y con ángulos de pala fijos configurados para generar bajas pérdidas de presión. A bajas velocidades, la compresión mucho menor no comprimió el aire lo suficiente para pasar por la salida, ahora demasiado pequeña. El triángulo de velocidad combinó el aire de entrada, ahora demasiado lento, con la velocidad de la pala y generó un ángulo de pérdida de sustentación. [3]
Una solución común utilizada en los primeros motores, y ampliamente utilizada hoy en día, [4] fue dar al aire orificios de escape adicionales para acelerar la entrada de aire, es decir, el uso de "aire de purga", que se deja escapar por aberturas cerca de la mitad de las etapas del compresor y se ventila por la borda. Las válvulas de purga se cierran a medida que las RPM del motor aumentan hacia las velocidades operativas.
Otra solución fue el uso de álabes de admisión variables. El ángulo de incidencia de los álabes en la parte delantera del motor se modifica para bloquear parcialmente el área de admisión, lo que reduce la compresión y también orienta el aire hacia los álabes del compresor para evitar que se cale. Esto tiene la ventaja de ser más eficiente que dejar escapar el valioso aire comprimido, aunque el consumo de combustible a bajas velocidades es relativamente poco importante.
Los aumentos adicionales en la relación de presión, exigidos por las agencias de compras gubernamentales y las aerolíneas comerciales para los aviones de largo alcance, provocaron un mayor desajuste en los cambios de áreas de flujo/densidad y los ángulos de las palas. Se siguieron dos enfoques: reducir la velocidad de las palas en la parte delantera del compresor dividiéndolo en dos partes que rotan por separado (carretes) o hacer que los estatores sean variables en las primeras etapas, así como los álabes de entrada. Una desventaja es la complejidad mecánica significativa, ya que cada pala del estator debe rotar independientemente hasta los ángulos deseados. Dos carretes necesitan más cojinetes y resultaron ser más pesados.
En los motores modernos se utilizan válvulas de purga, dos o tres carretes y estatores variables para hacer frente al bloqueo rotatorio durante los arranques y a bajas velocidades y para permitir aceleraciones rápidas sin picos.
Rolls-Royce consideró la idea del estator variable en la década de 1940, pero la abandonó [5] hasta utilizarla en la década de 1980 en el motor V2500. [6] Comenzaron el desarrollo de diseños de dos carretes, un concepto que también fue seleccionado por Pratt & Whitney . La ruta del estator variable solo fue seleccionada por GE después de una competencia de estudio de diseño de un año que comparó dos carretes y varias etapas de estatores variables con objetivos de rendimiento eficiente en crucero Mach 0.9 y en Mach 2, mayor empuje, menor consumo de combustible y peso. [7] El J79 surgió como un diseño poderoso y liviano 2000 lb más ligero que su competidor de 2 ejes para el B-58, el motor J57, [8] y GE comenzó a considerarlo como la base para un motor de alta potencia para uso comercial. [9]
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En 1952, el equipo de diseño de Chapman Walker en GE construyó un prototipo único de motor a reacción diseñado específicamente para aviones transatlánticos. Utilizaba un ventilador de una sola etapa accionado por el mismo eje de turbina que el compresor principal del motor, a diferencia de los diseños de Pratt & Whitney que utilizaban un eje de transmisión independiente para hacer funcionar el ventilador. El diseño de GE resultó difícil de poner en marcha y operar, y no se desarrolló más. [5]
En 1955, Jack Parker se hizo cargo de la división de turbinas de gas para aviones de GE. Contrató a Dixon Speas para que comenzara a entrevistar a los ejecutivos de las aerolíneas para intentar hacerse una idea del mercado futuro. Parker le pidió a Speas que entrevistara no a los directores ejecutivos, sino a los ejecutivos que podrían ser directores ejecutivos cuando GE estuviera lista para ingresar al mercado de motores a reacción para civiles. Parker, Speas y Neil Burgess, que dirigía el programa J79, pasaron un mes reuniéndose con American Airlines , Delta , United , KLM , Swissair y SAS . Las reuniones demostraron que todas las aerolíneas que volaban aviones de hélice a través del Atlántico buscaban reemplazarlos por aviones a reacción. [10]
Casi al mismo tiempo, Convair estaba sondeando a las aerolíneas estadounidenses y encontró demanda de un avión a reacción más pequeño para rutas nacionales de alcance medio. Comenzaron el desarrollo de lo que se convertiría en el 880 y se pusieron en contacto con Burgess para ver si GE podía desarrollar una versión del J79 para esta función. Burgess respondió rápidamente esbozando una versión del J79 con el postquemador eliminado y reemplazado por un inversor de empuje , lo que les dio un precio unitario estimado de $ 125,000 por motor. [5]
La principal característica de venta del 880 frente a sus competidores, el Douglas DC-8 y el Boeing 707, era su mayor velocidad de crucero. Esto exigía más potencia del motor en un diseño más ligero, lo que naturalmente condujo a un diseño como el J79. Para ganar experiencia con el motor en un entorno civil, GE equipó un Douglas RB-66 con el nuevo motor y voló rutas de aviación civil simuladas desde la Base Aérea Edwards . [11]
A medida que avanzaba el desarrollo, el 707 comenzó a entrar en servicio y las quejas por el ruido se convirtieron en un problema serio. Ya había una demanda, por parte de los residentes de los alrededores del aeropuerto de Newark, relacionada con el ruido de los aviones propulsados por hélice existentes, como el Lockheed Super Constellation , el Boeing Stratocruiser y el Douglas DC-7 C. [12] Una forma de reducir este problema es mezclar aire frío en el escape del reactor, lo que se logró en los primeros motores con la adición de toberas festoneadas. [a] Esta solución también se adoptó para el CJ805.
Varias aerolíneas pidieron a Convair una versión más grande del 880 con potencial de alcance transatlántico. Un diseño de este tipo sería más grande para albergar más asientos, además de tener que transportar más combustible. Para impulsarlo, se necesitaría un motor más potente. En ese momento, el Rolls-Royce Conway estaba entrando en servicio, y el Pratt & Whitney JT3D lo seguía de cerca. Ambos diseños tenían compresores de doble carrete, en lugar de usar estatores variables, y la menor velocidad del carrete delantero, de baja presión, facilitaba la alimentación de un ventilador. [14]
Los problemas que RR y P&W habían abordado con el sistema de dos carretes se habían solucionado en el J79 con los estatores variables, por lo que, en términos relativos, la velocidad de rotación del compresor único era mucho más rápida que la etapa de baja presión de estos otros motores. Esto significaba que no era adecuado para la conexión directa a una etapa de ventilador. En cambio, GE resolvió este problema con la adición de un sistema de ventilador completamente separado en la parte trasera del motor, impulsado por una nueva etapa de turbina. El sistema era esencialmente una extensión atornillada al diseño existente y casi no tenía efecto en el funcionamiento del motor original. [15]
Cada pala de turbina era parte integral de un "blucket", cuya sección exterior era una pala de rotor de ventilador. [16] Una serie de palas, montadas sobre un disco y que giraban libremente sobre un eje corto, formaban el conjunto del rotor de popa. El eflujo del turborreactor se expandía a través del anillo (interior) de la turbina, proporcionando así potencia directamente a las palas del ventilador situadas en el anillo exterior. En el Convair 990 se instalaron una cubierta de longitud completa, un sistema de escape anular y un inversor de empuje de palas. [17]
La característica única del CJ805-23 era el ventilador transónico de una sola etapa. [18] NACA había realizado una importante investigación sobre compresores transónicos multietapa durante la década de 1950. Con estos datos, GE decidió diseñar y probar un ventilador transónico de una sola etapa con una relación de presión alta. Para su gran sorpresa, la unidad cumplió con creces el objetivo de diseño, incluido el de alta eficiencia. Posteriormente, se incorporó una versión modificada de esta unidad de investigación al ventilador de popa CJ805-23. Sin experiencia en el diseño de ventiladores transónicos y con poco tiempo disponible, Pratt & Whitney tuvo que recurrir al uso de 2 etapas de ventilador para producir una relación de presión similar para su turbofán JT-3D. Aunque no era un diseño en voladizo, el ventilador transónico CJ805-23 no requería álabes guía de entrada. Sin embargo, había una serie de álabes estructurales para ayudar a sostener la carcasa del ventilador. [19]
Con cambios adicionales, estiramientos del fuselaje y la adición de carrocerías antichoque , el nuevo avión de pasajeros surgió como el Convair 990. Sin embargo, en ese momento el proyecto había sufrido varios retrasos, lo que permitió que las nuevas versiones del DC-8 y el 707 aseguraran importantes ventas. Al final, Convair vendió solo 102 880 y 990 en total, perdiendo $ 600 millones en el programa. [20]
Solo había otro cliente para el 805-23. En 1961, Sud Aviation se acercó a GE para presentarles la idea de adaptar el Caravelle con motor Rolls-Royce Avon al 805-23, produciendo un escaparate de tecnología de vuelo para ambas compañías. [21] Para esta función, introdujeron una nueva versión con una cubierta de ventilador relativamente corta y un inversor de empuje, en comparación con la cubierta de longitud completa del 990. [22] Rolls-Royce construyó y probó rápidamente un demostrador de ventilador de popa Avon para competir con el mayor empuje y menor consumo específico de combustible del CJ805-23. Al final, el Caravelle fue reequipado con el turbofán P&W JT8D . [23]
El programa CJ805 no fue un éxito comercial y GE perdió aproximadamente 80 millones de dólares en el programa, con solo unos pocos cientos de motores producidos en total. [21] En servicio, el diseño resultó frágil, pero estos problemas llevaron al éxito final del programa para la empresa. [24]
Mientras hablaban con los directores ejecutivos de las aerolíneas, en 1956 la compañía contrató al ex jefe del departamento de mantenimiento de American Airlines, John Montgomery, para dirigir las líneas de producción. Montgomery recabó comentarios de la industria sobre el estado del mercado de motores y descubrió que muchos se quejaban de la falta de fiabilidad de los grandes motores de pistón que se utilizaban en ese momento, en particular el Wright R-3350 . La dirección de Wright se negó a invertir más dinero en el programa para mejorar el motor, lo que provocó una grave reacción negativa por parte de los clientes. [25]
Montgomery contrató a Walter Van Duyan, que trabajaba para Wright, para crear el departamento de servicio técnico de GE, y le brindaron un servicio excelente a pesar de los problemas del motor. GE se ganó rápidamente una reputación de respaldar sus productos que perdura hasta el día de hoy. [25]
El trabajo en el 805 también tuvo varios productos derivados. Entre ellos se encontraba otro diseño de ventilador de popa, el General Electric CF700 utilizado en el jet comercial Dassault Falcon 20 , que se desarrolló a partir del General Electric J85 de la misma manera que el J79 se adaptó al 805. [26] Su tecnología de ventilador también se utilizó en el XV-5 Vertifan . [27]
Datos de la hoja de datos del certificado tipo de la FAA, E-306
Datos de [1]
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