Un motor de ciclo variable (VCE) , también conocido como motor de ciclo adaptativo (ACE) , es un motor a reacción de avión que está diseñado para operar eficientemente en condiciones de vuelo mixtas, como subsónicas , transónicas y supersónicas .
La próxima generación de transporte supersónico (SST) puede requerir algún tipo de VCE. Para mantener baja la resistencia de la aeronave en supercrucero , los motores SST requieren un alto empuje específico (empuje neto/flujo de aire) para mantener al mínimo el área de la sección transversal del motor. Esto implica una alta velocidad del jet no sólo durante el crucero supersónico, sino también durante el despegue, lo que hace que el avión sea ruidoso.
Un motor de alto empuje específico tiene una alta velocidad de chorro por definición, como lo implica la siguiente ecuación aproximada para el empuje neto: [1]
dónde:
Reordenando la ecuación anterior, 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 alto empuje específico en crucero supersónico y en potencia de despegue en seco. Esto por sí solo habría hecho que los motores fueran ruidosos, pero el problema se vio agravado por la necesidad de una modesta cantidad de postcombustión (recalentamiento) en el despegue (y aceleración transónica). Un SST VCE tendría que aumentar sustancialmente el flujo de aire del motor en el despegue, para reducir la velocidad del chorro con un empuje determinado (es decir, un empuje específico más bajo).
Un concepto de SST VCE es el motor de ventilador en tándem. El motor dispone de dos ventiladores, ambos montados en el eje de baja presión, con un importante espacio axial entre las unidades. En vuelo normal, el motor está en modo serie, con el flujo que sale del ventilador delantero pasando directamente al segundo ventilador, comportándose el motor de forma muy parecida a un turboventilador normal. Sin embargo, para el despegue, el ascenso, el descenso final y la aproximación, se permite que el ventilador frontal se descargue directamente a través de una boquilla auxiliar en la parte inferior de la góndola del motor. Las tomas auxiliares se abren a cada lado del motor, lo que permite que el aire ingrese al ventilador trasero y avance por el resto del motor. Operar los ventiladores en este modo paralelo aumenta sustancialmente el flujo de aire total del motor con empuje, lo que resulta en una velocidad de chorro más baja y un motor más silencioso. En la década de 1970, Boeing modificó un Pratt & Whitney JT8D a una configuración de ventilador en tándem y demostró con éxito el cambio del funcionamiento en serie al paralelo (y viceversa) con el motor en marcha, aunque a potencia parcial.
En el concepto de ventilador en tándem medio, se ubica un ventilador de una sola etapa de alto flujo específico entre los compresores de alta presión (HP) y de baja presión (LP) de un núcleo de turborreactor. Sólo se permite que el aire de derivación pase a través del ventilador, y el flujo de salida del compresor LP pasa a través de conductos especiales dentro del disco del ventilador, directamente debajo de las aspas del rotor 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 forma muy parecida a un turbofan civil normal, con un nivel de ruido aceptable (es decir, un empuje específico bajo). Sin embargo, para el crucero supersónico , las paletas 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 turboventilador de flujo mixto con eyector, un motor con baja relación de derivación está montado delante de un tubo largo, llamado eyector. Este dispositivo silenciador se despliega durante el despegue y la aproximación. Los gases de escape del turboventilador inducen aire adicional al eyector a través de una entrada de aire auxiliar, reduciendo así el empuje específico/velocidad media del chorro del escape final. El diseño de flujo mixto no tiene las ventajas del diseño de ventilador en tándem medio en términos de eficiencia a baja velocidad, pero es considerablemente más simple.
En los motores de aviones de combate, un concepto emergente es la arquitectura de tres corrientes, donde se puede utilizar una tercera corriente de derivación para aumentar la relación de derivación cuando se requiere eficiencia de combustible , o dirigir un flujo de aire adicional al núcleo para obtener mayor potencia. En el marco del programa de motores de turbina avanzados, versátiles y asequibles (VAATE), la Fuerza Aérea de EE. UU. y los socios de la industria desarrollaron este concepto bajo la tecnología de motor versátil adaptable (ADVENT) y el siguiente demostrador de tecnología de motor adaptable (AETD) y el programa de transición de motor adaptativo (AETP). ). [2] Ejemplos de motores de tres corrientes incluyen el General Electric XA100 y el Pratt & Whitney XA101 , así como el sistema de propulsión para Next Generation Air Dominance (NGAD) que se está desarrollando en el marco del programa Next Generation Adaptive Propulsion (NGAP). [3]
Otra aplicación que podría beneficiarse del enfoque VCE son los aviones de combate. Los diseñadores normalmente tienen que llegar a un acuerdo sobre el empuje específico del motor. Si eligen un empuje específico alto, el consumo de combustible específico de recalentamiento (SFC) será muy bueno, pero el SFC seco será pobre. Un empuje específico alto implica una relación de presión del ventilador alta, lo que indica una temperatura de boquilla alta en potencia seca. En consecuencia, el impulso de empuje durante el recalentamiento es relativamente bajo. Por definición, tanto el nivel de empuje en seco como el de recalentamiento son buenos.
Lo contrario ocurre con un motor de empuje específico bajo; es decir, SFC de recalentamiento deficiente, SFC bueno en seco y acelerado, buen impulso de empuje de recalentamiento y, por definición, empuje bajo en seco y recalentado.
Un motor de alto empuje específico favorecería a un avión que requiere una buena duración en combate recalentado, pero se vería penalizado por la autonomía disponible en potencia seca.
Por otro lado, un motor de empuje específico bajo favorecería a un avión que necesita un largo alcance en energía seca, pero comprometería el tiempo dedicado al combate recalentado.
Por lo tanto, los diseñadores de motores a menudo tienen que hacer concesiones en el empuje específico del motor.
Sin embargo, el VCE de combate ideal tendría el alto empuje de recalentamiento/buen SFC de recalentamiento asociado con un motor de alto empuje específico, pero tendría el bajo SFC de un motor de bajo empuje específico en potencia seca y acelerado hacia atrás. Diseñar un motor así es difícil. 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 una disposición de ventilador híbrido/de doble derivación, pero hasta la fecha nunca ha revelado exactamente cómo explotaron el concepto. Aunque el YF120 era un buen (posiblemente mejor) motor en el despegue, la USAF pecó de cautelosa y seleccionó el Pratt & Whitney F119, más convencional , como motor para el Lockheed Martin F-22 Raptor de producción .
