En ingeniería aeronáutica , la relación de presión total o relación de compresión total es la relación entre la presión de estancamiento medida en la parte delantera y trasera del compresor de un motor de turbina de gas . Los términos relación de compresión y relación de presión se utilizan indistintamente. [1] La relación de compresión total también significa la relación de presión total del ciclo que incluye el ariete de admisión. [2]
Los primeros motores a reacción tenían relaciones de presión limitadas debido a imprecisiones en la construcción de los compresores y a diversas limitaciones de los materiales. Por ejemplo, el Junkers Jumo 004 de la Segunda Guerra Mundial tenía una relación de presión general de 3,14:1. El Snecma Atar de la posguerra mejoró esto marginalmente a 5,2:1. Las mejoras en los materiales, las palas del compresor y, especialmente, la introducción de motores de múltiples carretes con varias velocidades de rotación diferentes, llevaron a las relaciones de presión mucho más altas que son comunes hoy en día.
Los motores civiles modernos generalmente operan entre 40 y 55:1. El más alto en servicio es el General Electric GEnx -1B/75 con un OPR de 58 al final del ascenso a la altitud de crucero (Top of Climb) y 47 para el despegue a nivel del mar . [3]
En términos generales, una mayor relación de presión general implica una mayor eficiencia, pero el motor normalmente pesará más, por lo que hay que llegar a un acuerdo. Una relación de presión general alta permite instalar una tobera con una relación de área mayor en el motor a reacción. Esto significa que una mayor parte de la energía térmica se convierte en velocidad del chorro y la eficiencia energética mejora. Esto se refleja en mejoras en el consumo específico de combustible del motor .
El GE Catalyst tiene un OPR de 16:1 y su eficiencia térmica es del 40%, el Pratt & Whitney GTF de 32:1 tiene una eficiencia térmica del 50% y el GEnx de 58:1 tiene una eficiencia térmica del 58%. [4]
Uno de los principales factores limitantes de la relación de presión en los diseños modernos es que el aire se calienta a medida que se comprime. A medida que el aire pasa por las etapas del compresor, puede alcanzar temperaturas que suponen un riesgo de fallo del material de las aspas del compresor. Esto es especialmente cierto en el caso de la última etapa del compresor, y la temperatura de salida de esta etapa es un factor de mérito común en los diseños de motores.
Los motores militares suelen verse obligados a trabajar en condiciones que maximizan la carga térmica. Por ejemplo, el General Dynamics F-111 Aardvark debía funcionar a velocidades de Mach 1,1 a nivel del mar . Como efecto secundario de estas amplias condiciones de funcionamiento y, en general, de una tecnología más antigua en la mayoría de los casos, los motores militares suelen tener relaciones de presión generales más bajas. El Pratt & Whitney TF30 utilizado en el F-111 tenía una relación de presión de aproximadamente 20:1, mientras que los motores más nuevos, como el General Electric F110 y el Pratt & Whitney F135, la han mejorado hasta aproximadamente 30:1.
Otra preocupación adicional es el peso. Una relación de compresión más alta implica un motor más pesado, lo que a su vez hace que su transporte cueste más combustible. Por lo tanto, para una tecnología de construcción particular y un conjunto de planes de vuelo, se puede determinar una relación de presión general óptima.
El término no debe confundirse con el término más conocido de relación de compresión aplicado a los motores alternativos . La relación de compresión es una relación de volúmenes. En el caso del motor alternativo de ciclo Otto , la expansión máxima de la carga está limitada por el movimiento mecánico de los pistones (o rotor), y por lo tanto la compresión se puede medir simplemente comparando el volumen del cilindro con el pistón en la parte superior e inferior de su movimiento. Lo mismo no es cierto para la turbina de gas "abierta", donde las consideraciones operativas y estructurales son los factores limitantes. Sin embargo, los dos términos son similares en el sentido de que ambos ofrecen una forma rápida de determinar la eficiencia general en relación con otros motores de la misma clase.
La relación de presión del motor (EPR) se diferencia de la OPR en que la OPR compara la presión de admisión con la presión del aire cuando sale del compresor, y siempre es mayor que 1 (a menudo mucho mayor), mientras que la EPR compara la presión de admisión con la presión en el tubo de escape del motor (es decir, después de que el aire se ha utilizado para la combustión y ha cedido energía a las ruedas de la turbina del motor), y a menudo es menor que 1 en configuraciones de baja potencia.
La medida ampliamente equivalente de la eficiencia del motor de cohete es la presión de la cámara/presión de salida, y esta relación puede ser superior a 2000 para el motor principal del transbordador espacial .