Un motor de ciclo variable (VCE) , también conocido como motor de ciclo adaptativo (ACE) , es un motor a reacción de aeronave que está diseñado para funcionar de manera eficiente en condiciones de vuelo mixtas, como subsónicas , transónicas y supersónicas .
Un motor de tecnología avanzada es un motor de turbina que permite que diferentes turbinas giren a diferentes velocidades, óptimas para cada una de ellas, en lugar de a una sola velocidad para todas. [1] Surgió en aviones más grandes, antes de encontrar otras aplicaciones.
La próxima generación de transporte supersónico (SST) puede requerir alguna forma de VCE. Para reducir la resistencia aerodinámica de la aeronave en supercrucero , los motores SST requieren un empuje específico alto (empuje neto/flujo de aire) para minimizar el área de la sección transversal del motor. Esto implica una alta velocidad de crucero supersónica y en el despegue, lo que hace que la aeronave sea ruidosa.
Un motor de alto empuje específico tiene una alta velocidad de chorro por definición, como lo implica la ecuación aproximada para el empuje neto: [2]
dónde:
Reordenando la ecuación, el empuje específico viene dado por:
Entonces, para una velocidad de vuelo cero, el empuje específico es directamente proporcional a la velocidad del chorro.
El Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 del Concorde tenía un empuje específico elevado en velocidad de crucero supersónica y en despegue en seco. Esto hacía que los motores fueran ruidosos. El problema se agravó por la necesidad de una cantidad moderada de postcombustión (recalentamiento) en el despegue (y aceleración transónica).
Un concepto de VCE de SST es el motor de ventilador en tándem. El motor tiene dos ventiladores, ambos montados en el eje de baja presión, separados por un espacio axial significativo. El motor funciona en modo serie durante la navegación y en modo paralelo durante el despegue, el ascenso, la aproximación y el descenso final.
En el modo serie, el aire entra por la parte delantera del motor. Después de pasar por el ventilador delantero, el aire pasa directamente al segundo ventilador, de modo que el motor se comporta de forma muy similar a un turbofán .
En el modo paralelo, el aire que sale del ventilador delantero sale del motor a través de una boquilla auxiliar en la parte inferior de la góndola , sin pasar por el ventilador trasero. Las entradas de aire a cada lado del motor se abren para capturar aire y enviarlo directamente al ventilador trasero y al resto del motor. El modo paralelo aumenta sustancialmente el aire total acelerado por el motor, lo que reduce la velocidad del aire y el ruido que lo acompaña.
En la década de 1970, Boeing modificó un Pratt & Whitney JT8D para utilizar una configuración de ventilador en tándem y demostró con éxito el cambio de funcionamiento en serie a funcionamiento en paralelo (y viceversa) con el motor en funcionamiento, aunque a potencia parcial.
En el concepto de ventilador en tándem medio, un ventilador de una sola etapa de alto flujo específico se ubica entre los compresores de alta presión (HP) y baja presión (LP) de un núcleo de turborreactor . Solo el aire de derivación pasa a través del ventilador. El flujo de salida del compresor LP pasa a través de pasajes dentro del disco del ventilador, directamente debajo de las aspas del ventilador. Parte del aire de derivación ingresa al motor a través de una entrada auxiliar. Durante el despegue y la aproximación, el motor se comporta de manera muy similar a un turborreactor convencional, con un nivel de ruido de chorro aceptable (es decir, bajo empuje específico). Sin embargo, para un crucero supersónico , los álabes guía de entrada variable del ventilador y la entrada auxiliar se cierran para minimizar el flujo de derivación y aumentar el empuje específico. En este modo, el motor actúa más como un turborreactor "con fugas" (por ejemplo, el F404 ).
En el concepto de turbofán de flujo mixto con eyector, se monta un motor de baja relación de derivación delante de un tubo largo, llamado eyector. El eyector reduce el ruido. Se despliega durante el despegue y la aproximación. Los gases de escape del turbofán envían aire al eyector a través de una entrada de aire auxiliar, lo que reduce el empuje específico/velocidad media del chorro del escape final. El diseño de flujo mixto no es especialmente eficiente a baja velocidad, pero es considerablemente más simple.
La arquitectura de tres corrientes añade una tercera corriente de aire direccionable. Esta corriente pasa por alto el núcleo cuando se requiere eficiencia de combustible o lo atraviesa para obtener mayor potencia. En el marco del programa Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE), la Fuerza Aérea de los EE. UU. y socios de la industria desarrollaron este concepto en el marco del programa Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) y los programas Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) y Adaptive Engine Transition Program (AETP). [3] Algunos ejemplos incluyen el General Electric XA100 y el Pratt & Whitney XA101 , así como el sistema de propulsión para el caza Next Generation Air Dominance (NGAD). [4]
General Electric desarrolló un motor de ciclo variable, conocido como GE37 o General Electric YF120 , para la competición de aviones de combate YF-22 / YF-23 , a finales de los años 1980. GE utilizó un sistema de ventilador híbrido/de doble derivación, pero nunca reveló cómo explotaron el concepto. En su lugar, la Fuerza Aérea seleccionó el Pratt & Whitney F119 convencional para lo que se convirtió en el Lockheed Martin F-22 Raptor .
Los turbofán con engranajes también se utilizan en los siguientes motores, algunos todavía en desarrollo: Garrett TFE731 , Lycoming ALF 502 / LF 507 , Pratt & Whitney PW1000G , Turbomeca Astafan , Turbomeca Aspin y Aviadvigatel PD-18R.
El Ultrafan de Rolls Royce es el motor más grande y eficiente que permite múltiples velocidades de turbina. Las turbinas detrás del ventilador principal son pequeñas y permiten que pase más aire directamente a través de ellas, mientras que una caja de engranajes planetarios "permite que el ventilador principal gire más lento y los compresores giren más rápido, colocando a cada uno en sus zonas óptimas". [5]
La startup Astro Mechanica está desarrollando lo que llama un motor a reacción turboeléctrico adaptativo que cambia de modo turbofán a turborreactor y luego a estatorreactor a medida que acelera desde un punto de partida para alcanzar una velocidad de Mach 6 proyectada . Esto se logra utilizando un enfoque de doble turbina. Una turbina actúa como turbogenerador . La segunda turbina actúa como unidad de propulsión. El turbogenerador alimenta un motor eléctrico que controla el compresor de la segunda turbina. El motor puede cambiar las velocidades para mantener el ventilador girando a las RPM ideales para un modo de vuelo específico. En los modos turborreactor y estatorreactor, la entrada se estrecha para comprimir el aire y eliminar la derivación. El turbogenerador está disponible comercialmente, mientras que la unidad de propulsión la construye la empresa. Una innovación clave es que los motores eléctricos han aumentado drásticamente su densidad de potencia, de modo que el peso del motor ya no es prohibitivo. [6] [7] [8]
En lugar de una caja de cambios fija, utiliza un motor eléctrico para hacer girar la(s) turbina(s) detrás del ventilador a una velocidad ideal para cada fase del vuelo. La compañía afirmó que permitiría velocidades de despegue, subsónicas, supersónicas e hipersónicas eficientes. El motor eléctrico es impulsado por un generador que a su vez es impulsado por una turbina. El enfoque se basa en la densidad de potencia mejorada de los nuevos motores eléctricos, como los motores de flujo axial de doble rotor sin yugo que ofrecen muchos más kw/kg que los diseños convencionales que eran demasiado pesados para tal aplicación. [7]
El aire fluye a través de un turbogenerador para producir energía eléctrica que alimenta un motor eléctrico. El motor eléctrico controla de forma adaptativa la unidad de propulsión, lo que le permite comportarse como un turbofán, un turborreactor o un estatorreactor en función de la velocidad del aire. En efecto, el motor puede funcionar en cualquier punto a lo largo de la curva de impulso específico (Isp): Isp alto a baja velocidad o Isp bajo a alta velocidad. [9] [7] [10]
Es en algunos aspectos similar a los motores marinos turboeléctricos que permiten que las hélices giren a una velocidad diferente a la de las turbinas de vapor que las impulsan.
