Un motor a reacción funciona convirtiendo el combustible en empuje. Su rendimiento es un indicador de la proporción de combustible que se desperdicia. Transfiere calor del combustible quemado al aire que pasa por el motor. Al hacerlo, produce trabajo de empuje al impulsar un vehículo, pero gran parte del combustible se desperdicia y solo aparece en forma de calor. Los ingenieros de propulsión tienen como objetivo minimizar la degradación de la energía del combustible en energía térmica inutilizable. En la década de 1970, el aumento del costo del combustible hizo que se hiciera mayor hincapié en las mejoras del rendimiento de los aviones comerciales.
El significado del rendimiento de un motor a reacción se ha expresado como "el producto final que vende una empresa de motores a reacción" [1] y, como tal, los criterios incluyen el empuje y el consumo de combustible, la vida útil, el peso, las emisiones, el diámetro y el costo. Los criterios de rendimiento reflejan el nivel de tecnología utilizado en el diseño de un motor y la tecnología ha estado avanzando continuamente desde que el motor a reacción entró en servicio en la década de 1940. Las categorías de rendimiento incluyen la mejora del rendimiento, el deterioro del rendimiento, la retención del rendimiento, el rendimiento del motor desnudo (desinstalado) y el rendimiento cuando forma parte de un grupo motopropulsor de aeronave (instalado).
El rendimiento del motor a reacción (empuje y consumo de combustible) para un piloto se muestra en la cabina como relación de presión del motor (EPR) y temperatura de los gases de escape (EGT) o velocidad del ventilador (N1) y EGT. EPR y N1 son indicadores de empuje. EGT es un indicador de flujo de combustible pero, lo que es más importante, es un monitor de salud [2] ya que aumenta progresivamente con el uso del motor durante miles de horas, a medida que las piezas se desgastan, hasta que alcanza un valor límite.
El rendimiento de un motor se calcula mediante un análisis termodinámico del ciclo del motor. Este método permite determinar lo que ocurre en el interior del motor. Las condiciones en el interior del motor, junto con el combustible utilizado y el empuje producido, se pueden mostrar en una cómoda forma tabular que resume el análisis. [3]
Introducción
Se puede hacer una introducción al rendimiento de los motores a reacción de una manera rápida pero intuitiva con la ayuda de diagramas y fotografías que muestran las características que influyen en el rendimiento. Un ejemplo de diagrama es el triángulo de velocidad que, en la vida cotidiana, indica a los ciclistas por qué tienen dificultades para hacer frente al viento desde determinados ángulos (y dónde es peor hacerlo de frente) y, en el contexto de los motores, muestra el ángulo en el que el aire se aproxima a los álabes del compresor (de frente es mejor para lograr bajas pérdidas). El uso de triángulos de velocidad en compresores y turbinas para mostrar el importantísimo ángulo en el que el aire se aproxima a los álabes se remonta a las primeras turbinas de vapor. [4]
Las fotografías muestran características que mejoran el rendimiento, como la existencia de un flujo de aire de derivación (mayor eficiencia de propulsión), que solo es evidente visualmente en motores con una boquilla de salida separada para el aire de derivación. También se utilizan para mostrar detalles internos que rara vez se ven, como los sellos en forma de panal que reducen las fugas y ahorran combustible (mayor eficiencia térmica), y detalles degradantes, como las marcas de roce en las palas del impulsor centrífugo que indican pérdida de material, mayor fuga de aire y consumo de combustible.
Los motores a reacción funcionan de dos maneras básicas, cuyo efecto combinado determina la cantidad de residuos que producen como subproducto de la quema de combustible para realizar el trabajo de empuje en una aeronave. [5] En primer lugar, se produce una conversión de energía, ya que la quema de combustible acelera el aire que pasa a través de él, lo que al mismo tiempo produce calor residual a partir de pérdidas de componentes (eficiencia térmica). En segundo lugar, parte de la potencia que el motor ha dado al aire se transfiere a la aeronave como trabajo de empuje y la parte restante es energía cinética residual en la estela (eficiencia propulsiva). Las dos eficiencias se formularon por primera vez en el siglo XIX para la máquina de vapor (eficiencia térmica ) y la hélice del barco (eficiencia propulsiva o de Froude ).
Una introducción visual al rendimiento de los motores a reacción, desde el punto de vista de la eficiencia del combustible, es el diagrama de temperatura-entropía (T~s). El diagrama se originó en la década de 1890 para evaluar la eficiencia térmica de los motores de vapor. En ese momento, la entropía se introdujo en forma gráfica en el diagrama T~s que da la eficiencia térmica como una relación de las áreas del diagrama. El diagrama también se aplica a los motores a reacción que respiran aire con un área que representa la energía cinética [6] añadida al aire que fluye a través del motor. Se debe añadir un dispositivo de propulsión, una tobera, a un motor de turbina de gas para convertir su energía en empuje. La eficiencia de esta conversión (Froude o eficiencia propulsiva) refleja el trabajo realizado en la década de 1800 en las hélices de los barcos. La relevancia para los aviones propulsados por turbinas de gas es el uso de un chorro de aire secundario con una hélice o, para el rendimiento del motor a reacción, la introducción del motor de derivación. La eficiencia general del motor a reacción es la eficiencia térmica multiplicada por la eficiencia propulsiva ( ).
La tecnología de los motores aeronáuticos ha avanzado rápidamente desde que los motores a reacción entraron en servicio en la década de 1940. Por ejemplo, en los primeros 20 años de transporte comercial a reacción, desde el motor Ghost del Comet 1 hasta el 747 JT9D, Hawthorne [7] aumenta la escala del Ghost para darle el empuje de despegue del JT9D y es cuatro veces y media más pesado. Gaffin y Lewis [8] hacen una evaluación utilizando el conocimiento de diseño de una empresa. Utilizando la tecnología de nivel JT3D (1958) para producir un ciclo JT9D (1966), con su mayor relación de derivación y relación de presión, un motor hipotético resultó un 70% más pesado, un 90% más largo y con un diámetro un 9% mayor que el motor JT9D.
Conversión de combustible en empuje
El tipo de motor a reacción que se utiliza para explicar la conversión de combustible en empuje es el estatorreactor . Es más simple que el turborreactor , que a su vez es más simple que el turbofán . Es válido utilizar el ejemplo del estatorreactor porque el núcleo del estatorreactor, el turborreactor y el turbofán utilizan el mismo principio para producir empuje, que consiste en acelerar el aire que pasa a través de ellos. Todos los dispositivos de propulsión a chorro desarrollan empuje aumentando la velocidad del fluido de trabajo.
La conversión de combustible en empuje se puede mostrar en un esquema que ilustra, en principio, la ubicación de la fuerza de empuje en una forma interna mucho más simplificada que representa un estatorreactor. Como resultado de la quema de combustible, el empuje es una fuerza que actúa hacia adelante sobre las superficies internas, ya sea en el difusor de un estatorreactor o en el compresor de un motor a reacción. Aunque el momento del flujo que sale de la tobera se utiliza para calcular el empuje, el momento es solo la reacción a las fuerzas de presión estática dentro del motor y estas fuerzas son las que producen el empuje. [9]
Estatorreactor supersónico Marquardt RJ43 . Esta pieza de museo en sección muestra los tres componentes de un estatorreactor: difusor, cámara de combustión y tobera. A velocidades supersónicas, la compresión del aire comienza en la punta del cono difusor y continúa internamente debido a los contornos del paso de aire interno entre el cuerpo central negro y la pared interior del conducto hasta la rejilla roja de alto bloqueo [10], luego la combustión en la sección cilíndrica después de las toberas de combustible amarillas y hasta la entrada de la tobera, luego la expansión a través de la tobera convergente/divergente. [11]
El propósito de este boceto es mostrar que hay fuerzas de presión que actúan hacia adelante y fuerzas que actúan hacia atrás dentro del motor y que las fuerzas hacia adelante son mayores que las fuerzas hacia atrás, por lo que el empuje hacia adelante es el resultado. Thomas muestra una distribución de presión de estatorreactor típica sobre todas las superficies internas. [11] La combustión del combustible en un estatorreactor, en el área que se muestra en rojo, hace que el aire se expanda. El estatorreactor se muestra moviéndose hacia la izquierda y el aumento de presión del ariete (P1) en el difusor (diffusore) se mantiene por el gas en expansión que solo puede acelerar hacia atrás en presencia del aumento del ariete. El empuje (Sd) proviene de la presión que actúa sobre las superficies del difusor orientadas hacia atrás. Si se incluye una restricción de boquilla (ugello), como se muestra pero no es necesaria para la producción de empuje, [12] también está presente una fuerza de arrastre (Su) que reduce el empuje.
Conversión de combustible en empuje y desechos.
Los desechos que salen de un motor a reacción se presentan en forma de una estela que tiene dos componentes, uno mecánico, llamado pérdida de velocidad residual (RVL) debido a su energía cinética, y el otro termodinámico, debido a su alta temperatura. El calor residual en el escape de un motor a reacción solo se puede reducir en la fuente abordando los procesos que generan pérdidas y la entropía generada a medida que el aire fluye a través del motor. Por ejemplo, un compresor más eficiente tiene menores pérdidas, genera menos entropía y contribuye menos a la temperatura del escape que sale del motor. Otro ejemplo es la transferencia de energía de un motor al aire que lo desvía. En el caso de un motor de alto bypass, hay una gran proporción (~90%) de aire productor de empuje apenas tibio (~60 °F más cálido que el ambiente) con solo un 10% de contribución del escape mucho más caliente del motor central productor de energía. Como tal, Struchtrup et al. [15] muestran el beneficio del motor turbofán de alto bypass desde una perspectiva de reducción de entropía en lugar de la ventaja habitual de eficiencia propulsiva.
El gasto de energía para producir empuje consta de dos partes: la potencia de empuje proveniente de la tasa de cambio del momento y la velocidad de la aeronave, y la potencia representada por la energía cinética de la estela. [16]
La entropía, identificada como 's', se introduce aquí porque, aunque se reconoce que su significado matemático es difícil, [17] su representación común en un diagrama de temperatura-entropía (T~s) para un ciclo de motor a reacción es gráfica e intuitiva, ya que su influencia se muestra como áreas del diagrama. El diagrama T~s se inventó para ayudar a los ingenieros responsables del funcionamiento de los motores de vapor a comprender la eficiencia de sus motores. Complementó el diagrama p~v ya existente, que solo brindaba la mitad de la historia de la eficiencia del motor térmico al mostrar únicamente el trabajo del cilindro realizado sin referencia al calor suministrado y desperdiciado al hacerlo. La necesidad de un diagrama adicional, en lugar de comprender teorías difíciles, reconoció el valor de representar gráficamente las transferencias de calor hacia y desde un motor. [18] Mostraría áreas representativas del calor convertido en trabajo en comparación con el calor suministrado (eficiencia térmica). [19]
El significado matemático de la entropía, tal como se aplica al motor a reacción de turbina de gas, se puede eludir para permitir el uso del término en conexión con el diagrama T~s:
Citando a Frank Whittle : [20] "La entropía es un concepto que muchos estudiantes tienen dificultad en asimilar. Es una cantidad algo intangible...". La entropía se genera cuando la energía se convierte en una forma inutilizable, análoga a la pérdida de energía en una cascada donde la energía potencial original se convierte en energía inutilizable de turbulencia.
Cumpsty dice [21] "... un aumento en la entropía es una pérdida en la capacidad de convertir energía térmica en trabajo".
Denton lo compara con la resistencia aerodinámica de un avión, lo cual es intuitivo: "Para un avión, la medida definitiva de la pérdida de rendimiento es la resistencia aerodinámica de sus componentes... la creación de entropía refleja la pérdida de eficiencia en los motores a reacción". [22] Utiliza una analogía que imagina cualquier mecanismo de ineficiencia, como la creación de remolinos en el flujo de aire, como la producción de humo. Una vez creado, no puede destruirse y la concentración a la salida del motor incluye contribuciones de todas las fuentes que producen pérdidas en el motor. La pérdida de eficiencia es proporcional a la concentración del humo a la salida. [23]
El empuje se genera dentro de un motor a reacción por componentes internos a medida que energizan una corriente de gas. [24]
La energía del combustible liberada en la cámara de combustión se contabiliza en dos categorías principales: aceleración del flujo de masa a través del motor y calor residual. [25]
La aceleración del flujo a través del motor provoca la producción simultánea de energía cinética que acompaña al impulso hacia atrás que produce empuje. La energía cinética queda detrás del motor sin contribuir a la potencia de empuje [26] y se conoce como pérdida de velocidad residual. La fuerza de empuje de un motor estacionario se convierte en potencia de empuje cuando una aeronave se mueve bajo su influencia.
Zhemchuzhin et al. [27] muestran un balance de energía para un motor turborreactor en vuelo en forma de diagrama de Sankey . Las pérdidas de componentes salen del motor como calor residual y se suman al área de calor rechazado en un diagrama T~s, lo que reduce el área de trabajo en la misma cantidad. [16]
El motor realiza un trabajo sobre el aire que pasa a través de él y este trabajo se presenta en forma de un aumento de la energía cinética. El aumento de la energía cinética proviene de la quema de combustible y la relación entre ambos es la eficiencia térmica, que es igual al aumento de la energía cinética dividido por la energía térmica del combustible (caudal másico de combustible x valor calorífico inferior). La expansión que sigue a la combustión se utiliza para impulsar la turbina del compresor y proporcionar el trabajo de ariete durante el vuelo, ambos causan el aumento inicial de la temperatura en el diagrama T~s. El resto del trabajo de expansión del diagrama T~s está disponible para la propulsión, pero no todo el cual produce trabajo de empuje, ya que incluye la energía cinética residual [28] o RVL.
Las pérdidas en las tres áreas para mejorar el rendimiento, que son el generador de gas, las partes que transfieren energía al bypass y la energía de estela, se combinan cada una en sus propias eficiencias, núcleo, transferencia y propulsión. Además, las tres se combinan en una eficiencia global que se obtiene multiplicando juntas la eficiencia térmica del núcleo, la eficiencia de transferencia y la eficiencia propulsiva.
Esta representación de un motor a reacción como un motor térmico muestra que se desperdicia una cantidad significativa de energía en la producción de trabajo, siendo el balance energético W=QH - Qa. [29] Hay transferencia de calor QH desde la combustión continua en TH al flujo de aire en la cámara de combustión, y producción simultánea de energía cinética W y disipación de energía con transferencia de calor Qa al salir del motor a la atmósfera circundante en Ta.
El diagrama T~s (temperatura absoluta, T, y entropía, s,) es una representación gráfica de dos transferencias de calor, representadas por áreas del diagrama, y un área (con líneas azules) que representa el trabajo mecánico pero en unidades de calor. La transferencia de calor al motor Qzu es el área entre las líneas 2-3 y el eje x. El calor transferido a la atmósfera Qab es el área entre las líneas 1-4 y el eje x y la diferencia entre las áreas es la energía térmica convertida en energía cinética Wi. [6] Para un motor real, con pérdidas de flujo (procesos que producen entropía), el área de Wi (salida útil) se contrae dentro del área de calor agregado ya que se convierte menos calor en trabajo y se rechaza más en el escape. [30]
El diagrama de líneas negras representa un ciclo de motor a reacción con presión máxima p2 y temperatura T3. Cuando se incorporan las ineficiencias de los componentes para un motor real, el área con líneas azules es el resultado que muestra que la entropía aumenta en cada proceso, incluida la pérdida de presión de combustión de p3 a p3', por las características de pérdida del flujo de aire, como la fricción, a través de cada uno. [31] La postcombustión agrega área al ciclo más allá de las líneas 3-4. El diagrama también se aplica a un ciclo de núcleo de turbofán y se requiere un diagrama adicional más pequeño [31] para la compresión de derivación, la pérdida de presión del conducto de derivación y la expansión de la tobera del ventilador. [28]
Configuraciones de motores a reacción
Cada uno de los motores a reacción, estatorreactor, turborreactor, turborreactor con postcombustión, turbofán y turbofán con postcombustión, tiene un conjunto diferente de componentes que comprimen, calientan y expanden el aire que pasa a través de ellos. La parte de compresión del ciclo puede proceder de un solo compresor sin partes móviles (la entrada/difusor del estatorreactor) o de una entrada de avión y un compresor del motor. La postcombustión tiene lugar en una cámara de combustión adicional. La parte de expansión tiene lugar en una tobera, normalmente precedida por turbinas. En el caso de los turborreactores, la transferencia de energía mediante una turbina y un ventilador se produce desde el núcleo hasta el aire de derivación.
Exposición en corte del estatorreactor Marquardt RJ43 . Un estatorreactor es un conducto propulsor en el que el aire a alta velocidad se convierte en presión en un difusor, se le añade calor y el aire sale a mayor velocidad. En este estatorreactor supersónico en particular, la compresión se produce a partir de la punta de la boquilla de entrada y termina en la rejilla de alto bloqueo de color rojo; esta longitud constituye el difusor. La combustión se produce desde el principio de la sección cilíndrica hasta la tobera y la expansión se produce en la tobera convergente-divergente.
Turborreactor Pratt & Whitney J57 (modelo a escala 1/4). Un turborreactor utiliza su gas de ciclo termodinámico como su chorro propulsor. La velocidad del chorro supera la velocidad de un avión subsónico en una cantidad demasiado grande para ser un método económico de propulsión de aviones subsónicos. El propósito detrás del motor a reacción es convertir la energía del combustible en energía cinética del aire del ciclo, pero después de que ha aparecido el momento productor de empuje, el subproducto no deseado es la velocidad de estela que da como resultado una pérdida de energía cinética, conocida como pérdida de velocidad residual (RVL). La velocidad de estela detrás de un avión propulsado por turborreactor a velocidad subsónica es de aproximadamente 600 mph. A velocidades máximas impulsadas por hélice, la velocidad de estela detrás de la hélice que reemplazó como productor de empuje es de aproximadamente 10 mph con una RVL insignificante. [32] Es imposible transformar completamente la energía cinética adquirida dentro del motor en trabajo de empuje. Todo el aumento de energía cinética obtenido dentro del motor se gasta en trabajo de empuje y pérdidas de energía cinética fuera del motor. Por lo tanto, en el interior del motor hay energía cinética que no se utiliza. En el caso del motor parado antes del despegue, toda la energía cinética se convierte en pérdidas, ya que la fuerza de empuje no realiza ningún trabajo. [33]
Turborreactor Klimov VK-1 F con postcombustión. Un postquemador es un conducto propulsor en el que el escape a alta velocidad de una turbina de motor se convierte en presión en un difusor. El combustible del postquemador se quema con el oxígeno del aire de dilución que no participó en el proceso de combustión del motor. El gas se expande en una tobera con un aumento de velocidad. El postquemador del turborreactor tiene los mismos tres requisitos que un estatorreactor, ya que ambos son conductos propulsores. Estos son la conversión de gas a alta velocidad en presión en un difusor, la combustión y la expansión a una velocidad más alta en una tobera. Por ello, a finales de la década de 1940, la combinación de turborreactor y postquemador se consideraba a veces un turborreactor. [34] [35]
Desde la introducción en servicio del principio de derivación en xx, se ha hecho posible una proporción progresivamente mayor de aire de derivación en comparación con el que pasa a través del núcleo productor de energía mediante aumentos en la potencia del núcleo por libra por segundo de flujo de aire del núcleo (potencia específica del núcleo).
Una declaración que ilustra la conexión entre el ventilador y el motor central de un motor de alto bypass se atribuye a Moran. [36] "El ventilador proporciona EMPUJE (sic.). El núcleo proporciona la potencia para operar el ventilador + algo de empuje". Se puede decir lo mismo de la combinación de motor de pistón/hélice. "La hélice proporciona empuje. El motor proporciona la potencia para operar la hélice + algo de empuje (de los tubos de escape)". La similitud entre las dos tecnologías es que las funciones del productor de energía y el productor de empuje están separadas. Las eficiencias termodinámica y propulsiva son independientes. Sin embargo, para el turborreactor, cualquier mejora que aumentara la relación de presión del ciclo o la temperatura de entrada de la turbina también aumentaba la temperatura y la presión del tubo de chorro, lo que daba una mayor velocidad del chorro en relación con la velocidad del avión. A medida que aumentaba la eficiencia térmica, la eficiencia propulsiva disminuía. Esta interdependencia se rompió con el motor de bypass.
Entrada y ventilador del turbofán (CF-6). El área de flujo central, 1/6, es visible a través del ventilador. Una comparación de la eficacia de la entrada subsónica para comprimir el aire en comparación con el ventilador se da mediante los aumentos de temperatura del ariete de entrada y del ventilador para un CFM56 de aproximadamente 30 y 40 °F a una velocidad de crucero de 0,85 Mn. [3] El aumento de temperatura está relacionado con el aumento de presión por las pérdidas incurridas en la forma en que se logra la compresión y los tres son visualmente evidentes en un diagrama T~s.
Turbofán ( IAE V2500 ) que muestra la maquinaria necesaria para transferir energía desde el núcleo al aire de derivación que fluye a lo largo del conducto de derivación recortado. Esas piezas son la turbina de 5 etapas, en el extremo derecho, identificada con anillos de protección de la punta, y el ventilador, en el extremo izquierdo. Estas piezas introducen sus propias pérdidas en el motor al lograr una ganancia en eficiencia de propulsión.
Turbina de baja presión V2500. Parte de la potencia de esta turbina impulsa la parte interna del ventilador y tres etapas de refuerzo que contribuyen al rendimiento del núcleo. La otra parte transfiere energía al aire de derivación impulsando la parte externa mucho más grande del ventilador.
Turbofán (Trent) que muestra la tobera central y las palas de la turbina, y la tobera de derivación y los estatores de derivación del ventilador. Las dos estelas de la tobera están formadas por los desechos que se producen con la producción de empuje. Ambos tienen una pérdida de velocidad residual de su energía cinética que se explica por pr eff. El núcleo tiene calor rechazado del ciclo termodinámico y pérdidas de componentes. También de la parte central del sistema de propulsión, es decir, la tobera y las pérdidas de LPT asociadas con el flujo de derivación del ventilador. La tobera del ventilador pasa las pérdidas de calor del sistema de propulsión de derivación, es decir, la generación de entropía externa del ventilador, la producción de entropía de la pérdida de presión del conducto de derivación y la tobera. [37]
Turbofán de baja derivación ( Turbo-Union RB199 ) con postcombustión. A la izquierda se puede ver el conducto de derivación que rodea las turbinas. En el caso del postcombustión, se pueden ver los inyectores de combustible de derivación y los portallamas de derivación y el portallamas central en el centro. La inyección de combustible central no se ve aguas arriba. Se garantiza una combustión fiable en el aire de derivación, que puede llegar a ser tan frío como 300 K, recogiendo parte de la corriente de escape de la turbina para calentar los portallamas de derivación. Los cubos que se muestran a medio camino entre las posiciones desplegada y replegada son para el inversor de empuje.
Empuje y consumo de combustible
El empuje y el consumo de combustible son indicadores clave de rendimiento para un motor a reacción. Las mejoras en el empuje y el consumo de combustible se citan ampliamente para un nuevo diseño de motor en comparación con uno anterior para demostrar que se ha incorporado nueva tecnología que reduce el consumo de combustible. Como ejemplo, se ha informado que el turbofán Pearl 10X produce un 8% más de empuje y usa un 5% menos de combustible que el BR725 . [38] El empuje y el consumo de combustible se combinan en una sola medida, el consumo específico de combustible (SFC), que refleja el nivel de tecnología utilizado en el motor, ya que es el combustible necesario para producir una libra o Newton de empuje independientemente del tamaño del motor. Dos motores separados por aproximadamente cincuenta años de adquisición de conocimientos en el diseño de motores a reacción, el Pratt & Whitney JT3C y el Pratt & Whitney 1100G, ilustran una reducción del 50% en SFC de 26 a 13 mg/Ns. [39]
El empuje se desarrolla dentro del motor a medida que los componentes energizan la corriente de gas. [40] El mismo valor de empuje se manifiesta sin tener en cuenta lo que sucede dentro del motor. Si se trata al motor como una caja negra , el empuje se calcula conociendo el caudal másico y la velocidad del aire que entra en el motor y la mayor velocidad del escape que sale del motor. La observación de este aumento implica que se ha aplicado una fuerza de aceleración hacia atrás al gas dentro del motor. El empuje es la reacción igual y opuesta en las partes internas del motor que se transfiere a la aeronave a través de los soportes del motor.
Relación de presión del motor (EPR), velocidad del compresor de baja presión (N1) y temperatura de los gases de escape (EGT)
EPR o N1 se utilizan como indicadores de cabina para el empuje porque uno u otro, dependiendo de la preferencia del fabricante del motor, es una alternativa válida para el empuje que no se mide en un avión. Como tales, se conocen como parámetros de ajuste de empuje. N1 es el preferido por General Electric Aviation y CFM International y EPR es el preferido por Pratt & Whitney y Rolls-Royce . El significado de EPR para un turborreactor, compara la presión en el tubo de salida con la presión fuera del motor y el aumento de presión es el resultado de la acción de bombeo del motor. La acción combinada del motor y una tobera añadida es producir empuje. La función del motor básico (compresor, cámara de combustión y turbina) es bombear aire a una presión superior a la del aire circundante. [41] Luego se acelera haciéndolo pasar a través de un área restringida conocida como tobera. Para un motor de derivación con dos toberas separadas, las presiones en cada una se ponderan en relación con las áreas de las toberas. Como tal, el indicador de empuje Rolls-Royce RB211 se conoce como EPR integrado (IEPR). El empuje se controla fácilmente regulando el flujo de aire y, dado que todo el flujo de aire es bombeado por el ventilador , General Electric Aviation utiliza N1 para establecer el empuje . [42]
La temperatura de entrada de aire (EGT) es un indicador de la cabina del piloto para el flujo de combustible, ya que el combustible quemado en la cámara de combustión determina la temperatura de entrada a la turbina, que no se puede medir de forma fiable, y la EGT es una alternativa adecuada. Cualquier deterioro con respecto a la condición de nuevo del motor requerirá más combustible, lo que dará como resultado un gas a mayor temperatura, para producir el empuje. En la EPR de despegue, por ejemplo, el flujo de combustible y, por lo tanto, la EGT aumentan con el tiempo de servicio a medida que el motor se deteriora con respecto a su condición de nuevo. Progresivamente, utiliza más combustible, hasta que es necesario reemplazar piezas para restablecer la temperatura de funcionamiento original más baja y reducir el costo de compra de combustible. [43]
Los indicadores de rendimiento de la cabina pueden ser engañosos
Aunque el EPR está directamente relacionado con el empuje sobre la envolvente de vuelo, la experiencia de American Airlines con sus primeros motores a reacción, Pratt & Whitney JT3C , se vio empañada por problemas de instrumentación, por lo que la lectura de la cabina fue cuestionada y otros parámetros, FF y N1, fueron utilizados por el personal de vuelo desesperadamente. [44]
El EPR se basa en mediciones de presión y los tubos de muestreo son vulnerables a obstrucciones. El vuelo 90 de Air Florida se estrelló al despegar en condiciones de nieve y hielo. El empuje de despegue requerido era de 14.500 lb, que normalmente se establecería avanzando las palancas de empuje para dar una lectura de EPR de 2,04. Debido a la formación de hielo en la sonda EPR, el valor establecido, es decir, 2,04, era erróneo y en realidad equivalente a 1,70, lo que dio un empuje real de solo 10.750 lb. La aceleración más lenta tardó 15 segundos más de lo normal en alcanzar la velocidad de despegue y contribuyó al accidente. [45]
Las lecturas de EGT también pueden ser engañosas. La temperatura del gas que sale de la turbina aumenta con el uso del motor a medida que las piezas se desgastan, pero el Comando Aéreo Estratégico aprobó los motores J57 y TF33 para el vuelo sin saber que tenían piezas de la turbina dobladas y rotas. Se dejaron engañar por una lectura baja de EGT que indicaba, al tomarla literalmente, que los motores estaban en condiciones aceptables. Se descubrió que las sondas de EGT no estaban colocadas correctamente para tomar una muestra de una temperatura de gas representativa del estado real del motor. [46]
Mejora del rendimiento
El rendimiento desde el punto de vista del SFC, más que el peso o el tamaño, es la eficiencia general de conversión de energía de todo el grupo motopropulsor, o el grado en que se minimiza el desperdicio. La eficiencia general de todo el grupo motopropulsor depende de la eficiencia de las partes constituyentes, que generan desperdicios.
La mejora del rendimiento del motor a reacción, primero como turborreactor y luego como turbofán, se ha debido a los continuos aumentos de la relación de presión (PR) y las eficiencias de los componentes, a la reducción de las pérdidas de presión y al desarrollo de materiales que, junto con las tecnologías de refrigeración, han permitido temperaturas de entrada a la turbina más altas (TIT). También se ha debido a la reducción de las fugas en el camino del gas, ya que solo el flujo de gas sobre las superficies aerodinámicas contribuye al empuje. Los aumentos de la TIT significan una mayor potencia de salida, lo que para un turborreactor conduce a velocidades de escape demasiado altas para el vuelo subsónico. Para los aviones subsónicos, la alta potencia del núcleo disponible a partir del aumento de la TIT se utiliza para impulsar un gran ventilador que agrega menos energía cinética a una gran cantidad de aire. [47] La energía cinética es el subproducto no deseado, conocido como pérdida de velocidad residual, del aumento del momento que produce empuje. El objetivo del ingeniero de propulsión es minimizar la conversión o degradación de energía en calor en lugar de trabajo de empuje. Los motores de pistón usaban parte de su calor residual con la turboalimentación y la turbocompresión. Otra parte se usaba para el empuje de los tubos de escape orientados hacia atrás. El calor residual de un motor a reacción no se puede utilizar, por lo que el rendimiento se mejora reduciendo la cantidad producida mientras el aire pasa por el motor. Esto incluye la pérdida de presión total por la producción de entropía en los conductos, como explica Sullivan: [48]
La irreversibilidad o producción de entropía es una medida de la destrucción en la conversión de energía de una forma de alta calidad a una forma de baja calidad. El flujo de fluido en un conducto con alta energía cinética es un dato de energía de alta calidad y la capa límite convierte parte de la energía cinética en una forma de energía térmica de menor calidad.
Hartmann da una razón para aumentar el bypass cuando se ha aumentado la potencia del núcleo: [49]
Una mayor potencia específica, es decir, una mayor conversión de calor del combustible a energía cinética de un avión, supone una mala explotación de la energía cinética necesaria para la producción de empuje debido a las elevadas pérdidas de energía en la salida.
Aumento de la relación de presión general
El aumento de la relación de presión es una mejora del ciclo termodinámico porque la combustión a una presión más alta tiene un aumento de entropía reducido, que es la razón básica para buscar relaciones de presión más altas en el ciclo del motor a reacción, que se conoce como ciclo Brayton . [50] Se puede lograr una mayor relación de presión utilizando más etapas o aumentando la relación de presión de la etapa. La importancia de una mayor relación de presión para el consumo de combustible se demostró en 1948 cuando se seleccionó el J57 (12:1) para el Boeing B-52 Stratofortress en lugar de un turbohélice. [51] La experiencia previa de Boeing con consumos de combustible específicos de turborreactores hasta ese momento era el General Electric J47 (5,4:1), utilizado en el Boeing B-47 Stratojet , que inicialmente condujo a la decisión del turbohélice.
El compresor de flujo radial fue ampliamente utilizado para los primeros motores turborreactores, pero las ventajas en el rendimiento que vinieron con el compresor axial en términos de relación de presión, SFC, peso específico y empuje por cada pie cuadrado de área frontal fueron presentadas en 1950 por Hayne Constant [52]. Sin embargo, un compresor de flujo radial sigue siendo la mejor opción para turbofán pequeños como la última etapa de alta presión porque las etapas axiales alternativas muy pequeñas se dañarían con demasiada facilidad y serían ineficientes, y el espacio libre de la punta sería significativo en comparación con la altura de la pala. [53]
Primer turborreactor, de Havilland Goblin , compresor de flujo radial con relación de presión 3,3:1, 1942.
Primer turborreactor, General Electric J47 , 1947. El compresor de 11 etapas tiene una relación de presión de 5,4:1.
Turbofán IAE V2500 (1987) con una relación de presión general de aproximadamente 35:1, generada por 1 ventilador, 4 etapas de compresor de baja presión y 10 etapas de compresor de alta presión. En 2016, la relación de presión general había alcanzado 60:1 en el General Electric GE9X . [55]
Avión comercial Pratt & Whitney Canada PW500, turbofán PW530, que muestra un compresor de alta presión con dos compresores axiales y centrífugos en la última etapa con difusores de barrido inverso y de tubo. Relación de presión general de aproximadamente 13:1
Avión de combate ligero/entrenador a reacción Honeywell/ITEC F124 con turbofán que muestra un compresor de alta presión con 4 ventiladores axiales y centrífugos en la última etapa con barrido hacia atrás alto, álabes divisores y barrido del borde de ataque. Relación de presión general 19,4:1 de 3 ventiladores axiales, 4 ventiladores axiales de alta presión y 1 centrífugo.
Tecnologías facilitadoras para una alta relación de presión general
El compresor axial tiene una geometría aplicable a su condición de diseño de alta velocidad en la que el flujo de aire se acerca a todas las palas con poca o ninguna incidencia, un requisito para mantener las pérdidas de flujo al mínimo. Tan pronto como las condiciones cambien con respecto al punto de diseño, el ángulo de incidencia de las palas cambiará alejándose de un valor de baja pérdida y, en última instancia, el compresor ya no funcionará de manera estable. Las desviaciones del diseño son aceptables si el compresor no tiene que aumentar demasiado la presión del aire, digamos a 5 atmósferas. Para valores mayores, se deben incorporar características variables que cambien la geometría del compresor por debajo de la velocidad de diseño. Los motores que vinieron después del J47 con su PR de 5,4:1 tenían compresores con PR más altos que necesitaban algún tipo de característica variable que funcionara a bajas velocidades para evitar el estancamiento y el aleteo de la etapa delantera y el estrangulamiento de la etapa trasera. Estas eran válvulas que se abrían para liberar aire cuando todas las etapas no podían pasar el mismo flujo y álabes de ángulo variable para mantener triángulos de velocidad aceptables formados por la velocidad del aire que se aproxima, la velocidad de las palas y la velocidad relativa del aire a las palas. Como alternativa, el compresor se dividió en dos compresores rotatorios independientes [56], cada uno con una relación de presión baja, como el J57 con 3,75 LP x 3,2 HP = 12:1 en total. [57] Las válvulas de purga, los ángulos de álabes variables y los compresores divididos se utilizan juntos en los motores modernos para lograr relaciones de presión altas. El Rolls-Royce Trent 700 de la década de 1990, con una relación de presión de 36:1 y 3 rotores de compresor separados, necesita 3 filas de álabes variables y 7 válvulas de purga.
Al principio, era necesario obtener relaciones de presión más altas con muchas etapas, ya que las relaciones de presión entre etapas eran bajas, aproximadamente 1,16 para el compresor J79, que necesitaba 17 etapas. [58] Los compresores modernos tienen una PR más alta por etapa y aún requieren las mismas características variables. El compresor HP del motor LEAP de CFM International con una PR de 22:1 a partir de 10 etapas necesita álabes guía de entrada variables y 4 etapas de álabes de estator variables. La relación de presión general de un motor está limitada por la temperatura que lo acompaña. Una temperatura de salida del compresor de aproximadamente 900 K es el límite que está determinado por la idoneidad del material en términos de peso y costo. [59]
Pratt & Whitney JT3 (escala 1/4) con relación de aspecto 12:1, un ejemplo de un motor a reacción temprano con un compresor dividido. También necesitaba purga de arranque/baja velocidad por la borda desde entre los dos compresores, cerrada por encima del 90 % de N2. [60] Se puede ver un respiradero de válvula de purga con protección de malla pintada de azul (retirada a la mitad).
Motor a reacción Rolls-Royce Avon de principios del siglo XX que muestra 1 de 2 conjuntos de 3 válvulas en la parte superior y 1 de 2 válvulas en la parte inferior que liberan algo de aire del compresor, relación de presión 7,45:1, para el arranque y el funcionamiento a baja velocidad. También se puede ver en la parte delantera la fila de cojinetes para los álabes guía de entrada variables. [61]
General Electric CJ805 pr 13:1, que muestra el mecanismo de actuación para álabes guía de entrada variables y 6 etapas de estatores variables con ángulos variables para adaptarse al arranque y al funcionamiento a baja velocidad.
Compresor General Electric J79 /CJ805 que se muestra, apenas visible en la brida dividida horizontal de la carcasa del compresor, estatores variables, evidentes por la característica circular del extremo para rotación, para arranque y funcionamiento a baja velocidad
Etapas del compresor frontal J79/CJ805 con VSV: muestra un estrechamiento del paso de aire a medida que el volumen de cada libra de aire se hace más pequeño a medida que aumenta la presión
Estas fotografías de una caja de compresor dañada ilustran el recorrido angular de los estatores variables y el significado de la terminología, abierto y cerrado. Muestra los álabes del estator cerrados para el arranque y el funcionamiento a baja velocidad (fotografía de la izquierda) y abiertos para velocidades más altas. Compresor de turboeje Klimov TV2-117 con pr 6.6:1
Los flaps de borde de salida de dos posiciones J58 brindan la función de álabes guía de entrada variable necesaria para evitar el aleteo (vibración) de las palas del compresor de la etapa delantera. [63]
Turbofán de avión comercial PW530 con válvula de purga, que se ve encima de los álabes de la primera etapa del compresor de alta presión. Hace pasar el aire comprimido desde la entrada del impulsor hasta el conducto de derivación a bajas velocidades.
En los motores modernos se utilizan álabes guía de entrada variables. En este General Electric F414 se pueden ver aletas de borde de salida variables, de color marrón .
Motor CFM LEAP que muestra los mecanismos de accionamiento de los álabes guía de entrada del compresor de alta presión y los estatores en las primeras 4 etapas.
Aumento de la relación de presión de la etapa
La compresión del aire en una turbina de gas se logra convirtiendo una proporción de la energía cinética (rotor del compresor generado, ya sea por un impulsor centrífugo o una fila axial) del aire en presión estática una etapa a la vez. La mayoría de los primeros motores a reacción usaban un compresor centrífugo de una sola etapa con relaciones de presión como 3,3:1 ( de Havilland Goblin ). Las relaciones de presión más altas vinieron con el compresor axial porque, aunque las relaciones de presión de la etapa eran muy bajas en comparación (1,17:1 BMW 003 ) [64], se podían usar más etapas según fuera necesario para una relación de presión general más alta. Las etapas centrífugas más avanzadas se usan en turbofán pequeños como la última etapa de alta presión detrás de las etapas axiales ( Pratt & Whitney Canada PW300 y otros). El mismo nivel de tecnología produce 8:1 cuando se usa como la única etapa en los motores de helicóptero Pratt & Whitney PW200 . [65] Una etapa centrífuga consta de un impulsor y álabes difusores, [66] o alternativamente tubos difusores [67] que se considera que producen menos bloqueos a medida que la presión estática aumenta con la difusión. [68]
Un compresor axial consta de filas alternas de difusores rotatorios y estacionarios, [69] cada par es una etapa. Estos difusores divergen según sea necesario para el flujo subsónico. [70] El canal formado por las aspas adyacentes, la cantidad de difusión, se ajusta variando su ángulo con respecto a la tangencial, conocido como ángulo de escalonamiento. [71] Una mayor difusión da como resultado una mayor relación de presión, pero el flujo en los compresores es muy susceptible a la separación del flujo porque va en contra de una presión creciente (el gas fluye naturalmente de alta a baja presión). La relación de presión de la etapa había aumentado en 2016 de modo que 11 etapas podían lograr 27:1 (compresor de alta presión GE9X). [55]
Los álabes de compresor de baja relación de aspecto, con su mejor eficiencia tanto aerodinámica como estructural, se introdujeron en el turborreactor de la década de 1950, el Tumansky R-11 , y posteriormente se introdujeron ejemplos de álabes de ventilador de cuerda ancha en 1983 en el Garrett TFE731 -5 [72] y en 1984 en el RB211 -535E4 [73] y el Pratt & Whitney Canada JT15D -5. [74]
De Havilland Goblin 1942 con una sola etapa centrífuga con una relación de presión de 3,3:1
BMW 003 de 1940 con relación de presión de etapa 1,17:1 para cada una de las 7 etapas
Klimov VK-1 Esta fotografía muestra los álabes difusores arqueados típicos de la etapa centrífuga, pero en el pequeño impulsor de refrigeración para el sistema de aire interno. Para la etapa del compresor centrífugo de doble cara del motor, no se ha hecho visible el equivalente con el seccionamiento.
El impulsor Pratt & Whitney Canada JT15D con una relación de presión de 7:1 habría requerido 6 o 7 etapas axiales en su lugar. [75] Esta etapa centrífuga utiliza difusores de tubo en lugar de álabes difusores. Las aspas del ventilador no están instaladas en el cubo del ventilador, que está delante de las aspas pequeñas del amplificador.
Esta turbina de gas de avión no identificada muestra detalles del compresor axial, los pasajes de las paletas donde se produce la difusión en las paletas del rotor y los estatores estacionarios (no visibles pero su orientación es evidente por la apariencia de las soldaduras que fijan las paletas en su lugar). La primera fila de paletas son las paletas guía de entrada que se muestran con una orientación horizontal, lo que significa que el aire sale de las paletas en la dirección axial. Inmediatamente después están las paletas del rotor giratorio que el aire tiene que golpear dentro de un rango estrecho de ángulos de baja pérdida. El aparente desajuste de direcciones se resuelve en la realidad porque la velocidad axial y la velocidad tangencial o periférica de las paletas de rápido movimiento se suman a su triángulo de velocidad definitorio para dar el estrecho rango de incidencia requerido en relación con las paletas.
Los triángulos de velocidad se utilizan para mostrar la velocidad del aire en relación con las paletas estacionarias y las palas giratorias. Esta figura muestra la forma de difusión del flujo de aire entre las paletas, el área de salida B es mayor que el área de entrada A para las paletas del rotor en movimiento (loopschoepen) y las paletas estacionarias (leidschoepen). También muestra la construcción de los triángulos de velocidad que determinan el ángulo en el que el aire golpea los bordes de ataque. W 1 es la velocidad relativa a la paleta que se mueve en u y está alineada en un ángulo de baja pérdida con el primer rotor, C 2 está alineado de manera similar con la paleta estacionaria, W 3 está alineado con el segundo rotor. Los triángulos de velocidad permiten la mezcla de puntos de vista móviles y estacionarios. Por ejemplo, el aire se mueve a velocidad relativa a la paleta del rotor cuando sale del borde de salida y el triángulo, con la velocidad de la paleta, se convierte en velocidad frontal cuando golpea una paleta estacionaria. [76]
Este diagrama muestra algunas características del complejo campo de flujo en el rotor de un compresor axial. Son mecanismos de pérdida que generan entropía. El flujo es inestable debido al movimiento relativo entre cada fila de álabes móviles y estacionarios. Los patrones de flujo que se muestran se conocen como flujo secundario y son responsables de la mitad de las pérdidas en un compresor. [77]
Las aspas de los ventiladores de los motores modernos tienen una cuerda ancha que reemplazó a las aspas de cuerda estrecha convencionales que necesitaban amortiguadores o cubiertas para evitar que vibraran hasta un grado inaceptable. Aumentar la longitud de la cuerda en una cantidad que hiciera que las aspas fueran lo suficientemente rígidas como para no requerir amortiguadores también hizo que las aspas fueran más resistentes a los daños causados por la ingestión de pájaros, granizo y hielo, [79] y trajo consigo varios beneficios no relacionados, como una mejor eficiencia, margen de sobretensión y reducción de ruido. [80] También hay una mayor distancia axial para centrifugar los desechos lejos de la entrada del compresor para evitar la erosión de las superficies aerodinámicas, lo que reduce la eficiencia del compresor.
Ventilador Pratt & Whitney JT9D de 92 pulgadas de diámetro de los años 60 con aspas largas y estrechas conocidas como de alta relación de aspecto. Este tipo de aspa se diseñó asumiendo que el flujo de aire era bidimensional, es decir, a lo largo de una línea de cuerda sin intercambio de masa, momento o energía a lo largo de la longitud de la aspa. Fueron reemplazadas por aspas de cuerda ancha cuando se introdujo la CFD, que modela el flujo real alrededor de las aspas, que es tridimensional.
Garrett TFE731 de 1970 con un ejemplo temprano de un ventilador transónico (velocidades relativas supersónicas sobre la parte exterior de la pala) diseñado con la ayuda de dinámica de fluidos computacional tridimensional (CFD). [81]
El ventilador Pratt & Whitney JT15D -1 a -4 de 1967 con cubiertas de tramo parcial y refuerzos locales que reducen la eficiencia del ventilador
Introducido en 1984, el Pratt & Whitney JT15D -5 con aspas de ventilador de cuerda ancha y obenques y refuerzos eliminados.
Ventilador Rolls-Royce Trent 900 de 116 pulgadas de diámetro. El ventilador tiene velocidades relativas supersónicas en la mitad exterior que dan lugar a ondas de choque en los conductos. Son evidentes visualmente el barrido del borde de ataque de la pala, que cambia desde el eje hasta la punta, de adelante hacia atrás y de nuevo hacia adelante, y la torsión de la pala, que varía de casi axial en el eje a casi circunferencial en la punta. La forma de la pala coloca el amortiguador lo suficientemente detrás del borde de ataque para evitar la expulsión de la onda de choque más allá del borde de ataque de la punta (evita el aumento brusco y el aleteo). Cada sección radial, con su contribución al barrido del borde de ataque y la torsión de la pala, tiene su fuerza centrífuga actuando cerca de una línea radial que minimiza la tensión debida a la rotación. [82] [83]
Combustión
Los efectos de la transferencia de calor y la fricción en una cámara de combustión, tanto del motor como del postquemador , provocan una pérdida de presión de estancamiento y un aumento de la entropía. La pérdida de presión se muestra en un diagrama T~s donde se puede ver que reduce el área de la parte de trabajo del diagrama. La pérdida de presión a través de una cámara de combustión tiene dos contribuciones. Una debido a que el aire del compresor llega al área de combustión, incluso a través de todos los orificios de enfriamiento (pérdida de presión por fricción), es decir, con aire fluyendo pero sin combustión. La adición de calor al gas que fluye agrega otro tipo de pérdida de presión (pérdida de presión de momento).
Además de la pérdida de presión por estancamiento, la otra medida del rendimiento de la combustión es la combustión incompleta. La eficiencia de la combustión siempre había estado cerca del 100% a niveles altos de empuje, lo que significa que solo hay pequeñas cantidades de HC y CO presentes, pero se tuvieron que hacer grandes mejoras cerca del funcionamiento en vacío. En la década de 1990, la reducción de óxidos de nitrógeno (NOx) se convirtió en el foco debido a su contribución al smog y la lluvia ácida, por ejemplo. La tecnología de combustión para reducir el NOx es la combustión rica, mezcla rápida, combustión pobre (RQL) [84] introducida por Pratt & Whitney con la cámara de combustión TALON (Tecnología para NOx bajo avanzado) PW4098 . [85] La tecnología RQL también se utiliza en la cámara de combustión Rolls-Royce Phase 5 Trent 1000 y la cámara de combustión LEC (Low Emissions Combustor) de General Electric. [86]
Las configuraciones de la cámara de combustión del motor son: separada de flujo inverso, separada de flujo directo, anular (las tres históricas porque la cámara de flujo anular brinda más área y un flujo más uniforme a la turbina), y anular moderna y anular de flujo inverso. La preparación del combustible para la combustión se realiza ya sea convirtiéndolo en pequeñas gotas (atomización) o calentándolo con aire en tubos sumergidos en llamas (vaporización).
General Electric J31 con diez cámaras de combustión de flujo inverso. El aire comprimido fluye entre la carcasa exterior de acero inoxidable 18-8 y el tubo de llama interior de Inconel , y luego a través de una serie de orificios hacia el interior del tubo, donde se mezcla con el combustible. La combustión continúa a lo largo de toda la longitud y se completa antes de invertir la dirección hacia la turbina. [87]
De Havilland Goblin con dieciséis cámaras de combustión directas. Cada una de ellas consta de un tubo de llama encerrado en una carcasa exterior hermética. Están conectados por tubos que equilibran la presión y propagan la llama durante el arranque desde los dos tubos con encendedores, uno de los cuales se muestra en un tubo superior. [88]
Rolls-Royce Nene con nueve cámaras de combustión. La sección transversal es una de las dos cámaras equipadas con un encendedor de llama que lo coloca en un lugar más frío que directamente en la corriente de gas caliente. Durante el arranque, el combustible atomizado de la pequeña unidad autónoma (solenoide de color naranja en la imagen) se enciende mediante su bujía de encendido y el chorro de combustible en llamas se proyecta en el rociador de combustible principal desde el quemador. La combustión se propaga a todas las cámaras a través de tubos interconectados. [89]
Tubos vaporizadores de combustible Westinghouse J46 "con forma de bastón" en una cámara de combustión anular. [90] La vaporización de combustible también se utilizó en los motores Sapphire, Viper, Pegasus, Olympus 593 y RB211. Por lo demás, los motores utilizan algún tipo de boquilla atomizadora [91] que convierte la presión del combustible en el tubo de combustible en energía cinética en la cámara de combustión, lo que produce un rocío bien atomizado.
Pratt & Whitney J57 con ocho cámaras de combustión anulares, lo que significa que las cámaras de combustión están separadas pero contenidas dentro del espacio anular entre las carcasas exterior e interior. Cada cámara era una cámara de combustión anular en miniatura con un tubo central para el aire de refrigeración y seis quemadores dispuestos a su alrededor. [92]
Cámara de combustión anular de paso recto JT9D, flujo de aire de izquierda a derecha. La boquilla atomizadora de combustible es de orificio doble o de tipo dúplex. El flujo primario, o piloto, proviene de un pequeño orificio en el centro a bajas velocidades del motor a través del tubo de combustible de la izquierda. El flujo secundario, o principal, proviene de una abertura más grande a su alrededor a velocidades más altas a través del tubo de la derecha. El flujo de aire desde el pequeño álabe guía de salida del compresor a la izquierda ingresa a un difusor que aumenta el área y lo divide en tres partes. El flujo central ingresa a la cámara de combustión y se mezcla con el combustible. Las partes externa e interna ingresan a la cámara de combustión progresivamente a través de los orificios que se muestran, completando la combustión y luego diluyéndose para dar una temperatura de salida final adecuada para la turbina.
La cámara de combustión del motor necesita que el aire a alta velocidad que sale del compresor se ralentice significativamente, lo que se hace con un aumento del área de flujo (difusor), hasta un Mn bajo antes de que se produzca la combustión para garantizar una baja pérdida de presión de combustión. Se debe mantener una zona de recirculación (mostrada por los caminos circulares del flujo de aire) cerca de la boquilla de combustible para que se produzca la combustión inicial del combustible entrante. Esta zona (la zona primaria) se mantiene mediante los dos caminos de aire primarios, el flujo de remolino que entra a través de los álabes de remolino (representados por cuadrados grises) alrededor del inyector de combustible y la primera fila de orificios de entrada radiales de aire primario. La combustión se completa con el aire intermedio y la temperatura del gas se reduce con el aire de dilución al valor requerido para una larga vida útil de la turbina. [93]
Cámara de combustión anular J85, mostrada con la parte trasera hacia arriba. Cuando se instala en el motor, este extremo abierto está cerrado por el anillo de álabes de la tobera de la turbina de la primera etapa, cuyo área de flujo (junto con el área de la tobera de escape) ejerce contrapresión sobre el compresor para controlar el aumento de presión y el caudal, como se muestra en un mapa del compresor.
Turbofán militar Rolls-Royce Turbomeca Adour . Es necesario mantener una cierta pérdida de presión mínima en las cámaras de combustión, en lugar de reducirla tanto como sea posible para minimizar la producción de entropía. Debe mantenerse para evitar el reflujo en los circuitos de refrigeración de la turbina, ya que el aire de refrigeración del compresor de alta presión necesita una presión más baja en las turbinas para fluir. [94] [95] El aire de refrigeración del compresor (azul) debe fluir hacia el área de la turbina (álabes guía de la tobera pintados de naranja). Esto es posible gracias a la caída de presión que se produce en la cámara de combustión. También es evidente el aumento del área desde el compresor hasta la cámara de combustión, que es necesaria para ralentizar el aire.
Las primeras pruebas de postcombustión mostraron que la pérdida de presión debido a la quema aumentaba rápidamente si el número de Mach en la entrada a la zona de combustión era mayor que 0,3. Esto es menor que el Mn que sale de la turbina, por lo que se requiere una sección de difusión para ralentizar el gas antes de los mantenedores de llama donde comienza la combustión y se mantiene en la zona de recirculación. [96] Una sorpresa temprana en las pruebas de postcombustión fue que el combustible no se enciende por sí solo en el escape caliente de la turbina, por lo que los postquemadores utilizan varios métodos de ignición. Un Mn lo suficientemente bajo donde comienza la llama (0,2–0,25 EJ200 [97] ) y un diámetro de conducto lo suficientemente grande para la zona de combustión son necesarios para mantener la pérdida de presión total en el postquemador a un nivel aceptablemente bajo. Al igual que con la cámara de combustión del motor, el aire debe ralentizarse desde el componente anterior comenzando con un difusor. La estabilización de la llama se logra en la cámara de combustión del motor utilizando únicamente el flujo de aire, obteniendo la inversión del flujo, por ejemplo, mediante el uso de álabes giratorios alrededor del inyector de combustible combinados con la entrada de aire a través de orificios en el revestimiento. Los postquemadores utilizan obstrucciones al flujo conocidas como soportes de llama de cuerpo romo (canaletas en "V"). Las boquillas de combustible del postquemador están situadas aguas arriba de la zona de combustión para permitir que el combustible atomizado se mezcle lo suficiente con el escape de la turbina para que la llama se extienda por el conducto desde los soportes de llama.
En todos los conductos se producen pérdidas de presión debido a la fricción de las paredes, pero en el postquemador se producen pérdidas adicionales causadas por los quemadores y los tubos de suministro de combustible. La pérdida de presión fundamental, debida a la combustión, aumenta con el Mn en la entrada a la zona de combustión y con la cantidad de combustible quemado en función del aumento de temperatura en el postquemador. [98]
Aunque no hay una turbina que limite la temperatura de un postquemador, aún se requiere aire de enfriamiento para el revestimiento del conducto y la boquilla variable, que es aproximadamente el 10% del flujo de aire de entrada al motor. El oxígeno en este aire no está disponible para la combustión. [99]
Postquemador de turbofán Rolls-Royce Turbomeca Adour que muestra 4 portallamas concéntricos de cuerpo romo, tubos de suministro de combustible, 2 encendedores catalíticos, todos los cuales son obstrucciones al flujo de gas que causan una pérdida de presión total debido a la fricción de la turbulencia agregada y la separación del flujo. También se muestran fuera del postquemador 2 de los 8 enlaces de operación de toberas de 1 de los 4 arietes de operación de toberas.
Esta vista, casi en línea con la trayectoria del flujo de gas, muestra todas las obstrucciones responsables de parte de la pérdida total de presión en un postquemador. Aguas abajo, más allá de los quemadores, se encuentra la longitud de combustión del conducto donde se produce la pérdida de presión con la adición de calor.
Vista posterior del postquemador Adour que muestra 4 canales de vapor concéntricos (portallamas) que suministran el combustible necesario para un impulso mínimo; la mayor parte del combustible, conocido como combustible de llenado, para un impulso completo proviene de 4 colectores concéntricos aguas arriba de los canales para producir llama en todo el postquemador, excepto el aire de enfriamiento a lo largo de la superficie del conducto. También es visible el revestimiento antichirridos para evitar fluctuaciones de presión que pueden causar daños por sobrecalentamiento. [100]
Postquemador Adour que muestra los enlaces operativos del área de la boquilla y la boquilla variable en posición "sin postcombustión" o cerrada. El caudal de masa de aire a través del motor no cambia con el postquemador en funcionamiento porque el área aumenta para permitir que escape el mayor volumen de gas más caliente.
Boquillas de Adour en posición de postcombustión o abiertas.
Pérdida de presión reducida en conductos
El aire que pasa por el motor pasa por dos componentes en los que las velocidades deben ser altas, del orden de la velocidad del sonido . Son los componentes en los que se realiza trabajo, el compresor y la turbina. En todos los demás componentes no se realiza trabajo y la necesidad de reducir las pérdidas de presión requiere números de Mach más bajos. Estos componentes son la cámara de combustión y el postquemador del motor, y los conductos de conexión entre componentes como el tubo de escape entre la turbina y la tobera propulsora.
El primer conducto en el motor es la entrada y la pérdida de presión total delante del motor es particularmente importante porque aparece dos veces en la producción de empuje. El empuje es proporcional al flujo másico, que es proporcional a la presión total. La presión de la tobera de chorro y, por lo tanto, el empuje también son proporcionales a la presión total en la entrada del motor. [101] En las entradas subsónicas, las únicas pérdidas de presión totales son las debidas a la fricción a lo largo de las paredes del paso del conducto. En las entradas supersónicas, también hay pérdidas por ondas de choque y se requieren sistemas de ondas de choque para minimizar la pérdida de presión con el aumento del Mn supersónico. Las pérdidas adicionales en la presión total vienen con el crecimiento de la capa límite a medida que el flujo se ralentiza. Las capas límite deben eliminarse antes de la ubicación del choque terminal para evitar la separación inducida por el choque y la pérdida excesiva.
Motor De Havilland Ghost . En las curvas de 90 grados que conducen a las cámaras de combustión se pueden ver álabes giratorios para reducir las pérdidas de presión.
Entrada subsónica temprana del Klimov VK-1 que muestra los álabes giratorios curvados que guían el aire de entrada hacia el ojo del impulsor delantero y trasero. Esta mejora del rendimiento fue introducida por Frank Whittle en 1939 para los Power Jets W.1 A "para ayudar al aire a doblar la esquina". [102] Los álabes equivalentes en el Rolls-Royce Nene redujeron las pérdidas de entrada hasta el punto de que el empuje se incrementó de 4000 a 5000 lb a la misma temperatura de la turbina. [103]
Entrada subsónica moderna con labio de entrada redondeado para evitar la separación de la capa límite en vientos cruzados en tierra y un alto ángulo de ataque durante la rotación de despegue.
Esta fotografía muestra la actitud de la aeronave durante el despegue, que requiere un labio inferior suficientemente redondeado en la entrada de la góndola.
Entrada de aire supersónico Mach 2 del Convair B-58 Hustler con un cono central (traslante) que tiene diferentes posiciones axiales (recorrido de 5 pulgadas) para reducir la pérdida total de presión en el rango de vuelo Mn. A velocidades supersónicas se forman un choque oblicuo desde la punta del cono y un choque normal.
La pérdida creciente de Mn se reduce con más choques (urti).
Vista de la entrada a una entrada mixta interna-externa de un SR71 Mach 3.2 mirando en dirección del flujo de aire al motor. El cono de traslación central tiene 26 pulgadas de recorrido entre extendido, hasta M1.6 (mostrado), y completamente retraído en M3.2. Un choque oblicuo desde la punta del cono, un choque oblicuo interno desde el borde del capó y un choque normal [104] dan la recuperación de presión requerida en M3.2. Las capas límite en la superficie interna del cono y del capó tienen que ser removidas antes de la onda de choque final donde el flujo se vuelve subsónico. De lo contrario, ocurre la separación inducida por el choque. Las dos características de remoción son apenas visibles. La capa límite del cono se elimina a través de la banda de agujeros (purga porosa). La capa límite en la superficie interna del capó se elimina a través de una purga de trampa de choque [105] . Esta purga de ariete es apenas visible en la superficie inferior frente a una fila de bultos aerodinámicos llamados "ratones" que reducen la tasa de difusión. [106]
Ondas de choque en una entrada mixta interna/externa, como las utilizadas en el Lockheed SR-71 Blackbird . La imagen de la derecha muestra la entrada funcionando correctamente con una pérdida de presión mínima. Tiene 2 ondas de choque, la primera es visible y se origina en la punta del cono y la segunda, que resulta de la desaceleración del flujo de velocidad supersónica a subsónica, no es visible ya que está ubicada dentro de la entrada. La entrada se denomina entrada de compresión mixta o externa/interna, ya que se produce cierta difusión supersónica dentro del conducto. La imagen de la izquierda muestra la entrada funcionando con una pérdida excesiva de presión total, ya que el choque terminal interno ha sido empujado hacia adelante fuera de la entrada.
Flow through bypass ducts is subject to frictional losses and obstructions causing flow separation. Care has to be taken to avoid steps and gaps which increase flow losses as does their presence on aircraft surfaces where they cause drag.[107] Ducts need internal streamlining in the same way as external surfaces. Tubes have to cross the duct bringing compressed air from the gas generator to the aircraft pylon for its ECS. The tubes creates turbulent wakes in the bypass air which shows up as a pressure loss, an increase in entropy. A streamlined fairing round the tube is a performance improvement, it reduces the rise in entropy. The higher the flow Mn the greater the pressure loss.[108]
Pratt & Whitney TF30. Early military bypass engine showing two bleed air tubes obstructing airflow in bypass duct
Pratt & Whitney Canada PW500 PW305 business jet turbofan showing fairing around bleed air tubes to reduce bypass duct pressure loss
Rolls-Royce Spey early civil bypass engine. White fuel tubes, one for each flame can, only 3 shown, have cast streamlined outer profile where they cross the bypass airflow.
Airbus A380 engine. The smooth bypass duct interior minimizes flow losses. Gaps have to be filled with grey sealer and misalignment of parts is also evident.
In constant area ducts (jetpipe) and constant area ducts with heat addition (engine combustor and afterburner) the gas accelerates due to heating up with wall friction (duct), obstructions (flame tube, flameholders and fuel manifolds), and heat addition. It accelerates subsonically, with increasing pressure loss, towards the speed of sound. To keep the pressure loss to an acceptable value the flow entering the duct is slowed down using an increase in flow area.
Power Jets W.2 for its initial installation in the Gloster E28/39 was tested with no diffusion from the turbine exit Mn of 0.8. The turbine blade annulus area was used for the length of pipe necessary to reach the tail of the aircraft. The exhaust reached the speed of sound at a low thrust but at the turbine temperature limit due to the excessive pressure loss and frictional heating. Diffusion was added behind the turbine with the cone shown to reduce the pipe entry Mach number.[109]
Turbojet with afterburner. The exhaust has to be at a low enough Mn before heat addition to prevent excessive pressure loss. A diffuser is added to reduce the Mn at the beginning of the combustion zone. The afterburner then converges to match the nozzle size.
Leakage control
The jet engine has many sealing locations, more than fifty in a large engine. The cumulative effect of leakage on fuel consumption can be significant. Gas path sealing affects engine efficiency and became increasingly more important as higher pressure compressors were introduced.[110]
There are unwanted leaks from the primary gas path and necessary bleeds from the compressor which enter the secondary or internal flow system. They are all controlled by seals with design clearances. When seals rub and wear, opening up clearances, there is performance deterioration (increased fuel consumption).
Sealing of the stators was initially accomplished using knife-edge fins on the rotating part and a smooth surface for the stator shroud. Examples are the Avon and Tumansky R-11. With the invention of the honeycomb seal the labyrinth seal has an abrazive honeycomb shroud which is easily cut by the rotating seal teeth without overheating and damaging them.[111] Labyrinth seals are also used in the secondary air system between rotating and stationary parts. Example locations for these are shown by Bobo.[112]Tip clearance between compressor and turbine blades[113] and their cases is a significant source of performance loss.
Much of the loss in compressors is associated with tip clearance flow.[114] For a CFM56 engine an increase in high pressure turbine tip clearance of 0.25 mm causes the engine to run 10 °C hotter (reduced efficiency) to attain take off thrust.[115]
Tip clearances have to be big enough to prevent rubbing when they tend to close up during carcase bending, case distortion from thrust transfer, centre-line closure when the compressor case shrinks onto the rotor diameter( rapid reduction in temperature of air entering the engine), thrust setting changes (controlled by Active Clearance Control using compressor rotor cooling and turbine case cooling).
Tumansky R-11 shrouded vane interstage labyrinth, (knife/teeth) on rotor, seal visible between LP stage 2 and 3[116]
Pratt & Whitney TF30. Early military bypass engine showing compressor discharge six-fin labyrinth seal [117]
Turbomeca Marboré IV engine showing location of leakage between impeller blades and stationary shroud, shown sectioned and painted blue. This is the leak path for a centrifugal impeller equivalent to an axial blade tip to casing clearance.[118]
EJ200 fan showing clearance between blade tips and abradable shroud.
Turbine blades with sealing shroud at tip with knife edge fins which are part of the labyrinth sealing arrangement with open honeycomb shrouds on the turbine casing.[119] The platforms at the base of the airfoil stops hot gas leakage which would overheat the turbine discs.
Tip clearance changes with thrust changes
An engine is designed to run steady state at design points such as take-off, climb, and cruise with running clearances which minimize fuel use. Steady state means being at a constant rpm for long enough (several minutes) for all parts to have stopped moving relative to each other from transient thermal growths. During this time clearances between parts may close up to rubbing contact and wear to give larger clearances, and fuel consumption, at the important stabilized condition. This scenario inside the engine is prevented by internal compressor bore cooling[120] and external turbine casing cooling on big fan engines (active clearance control). [121][122][123]
This rear view of a Klimov VK-1 turbojet shows the parts responsible for turbine temperature overshoot after increasing thrust from idle to take-off, known as transient EGT overshoot.[124] Visible is the turbine blade tip clearance which is a leakage path for gas which doesn't contribute to the power developed by the turbine. Increased gap, and leakage, means more fuel, indicated by a higher EGT, is required to get take-off thrust. Clearance is increased temporarily every time the engine goes from idle to take-off because the light casing expands quickly to the turbine gas temperature but the heavy turbine rotor takes minutes to expand to its hot diameter.
This view shows the way turbine blade tip clearance is controlled actively (passive control is by material selection and internal air system cooling) using cooling-air tubes (for low pressure turbine blade tip to shroud clearance control) which circle the iridescent turbine casing on a CFM International CFM56. Cooling air manifold (smooth flat surface), to left of LPTCC tubes, for high pressure turbine blade tip clearance control.[125] Active control comes from activation of valves which supply cooling air to the tubes at appropriate flight conditions.
Sealing at blade tips and stator shrouds
In the late 1940s it was considered by most US engine manufacturers that the optimum pr was 6:1 in light of the amount of leakage flow expected with the then-current sealing knowledge. P&W considered 12:1 could be achieved[126] but during pre-J57 development testing a compressor with 8:1 was tested and the leakage was so high that no useful work would have been produced.[127] One benefit of the subsequent wasp waist was reduced leakage from the reduced sealing diameter.
In 1954 a GE engineer invented a very effective sealing scheme, the honeycomb seal[128] which reduces substantially the rubbing contact area and temperatures generated. The rotating part cuts into the cellular structure without being permanently damaged. It is widely used today.
The primary gas flow through the compressor and turbine has to follow the airfoil surfaces to exchange energy with the turbomachinery. Any flow leaking past the blade tips generates entropy and reduces the efficiency of the compressor and turbine. Interlocking shrouds are present on the tips of low pressure turbine blades to provide an outer band to the flowpath which reduces tip leakage. Leakage is further reduced with the addition of seal teeth on the outer periphery of the shrouds which rub into open cell honeycomb shrouds.
Avon compressor shrouded vane interstage seals with labyrinth teeth on rotor
LPT blade interlocking tip shrouds with seal teeth which rub into open-cell honeycomb shrouds
v2500 compressor showing seal teeth between blade rows.
Open-cell honeycomb on the shrouds at the stator/compressor drum interface showing grooves cut by mating seal teeth on rotating drum.
TFE 731 geared turbofan abradable locations in compressor and turbines
CFM International CFM56-2 shows fan tip shrouds which prevent circulation of air around the blade ends.
Tip clearance with backbone bending and case out-of-roundness
The advent of the high bypass civil engines, JT9D and CF6, showed the importance of thrust take off locations on the engine cases. Also, large engines have relatively flexible cases inherent in large diameter flight-weight structures giving relatively large relative displacements between heavy stiff rotors and the flexible cases.[129]
Case distortion with subsequent blade tip rubbing and performance loss appeared on the JT9D installation in the Boeing 747 as a result of thrust being taken from a single point on top of the engine exhaust case. Thrust from the rear mount plane was a Boeing requirement.[130] Compared to the 15,000 lb thrust JT3D with its four structural cases the 40,000 lb thrust JT9D made economical use of supporting structure with only three structural cases making a compact lightweight design.[131] During flight testing the engines suffered violent surges and loss in performance[132] which were traced to bending of the engine backbone by 0.043 in. at the combustor case and the turbine case going out-of-round which in turn caused blade tip rubs and increased tip clearance.[133]
The three big fan engines introduced in the 1960s for wide-body airliners, Boeing 747, Lockheed Tristar, DC-10, had much higher thrust and size compared to the engines powering the previous generation of airliners. The JT9D and CF6 showed that rotor tip clearances were sensitive to the way the engines were mounted and performance was lost through rotor tip rubs due to backbone bending and local distortion of casings at the point of thrust transfer to the aircraft pylon.[134] At the same time the RB211 performance didn't deteriorate so fast due to its shorter, more rigid, three-shaft configuration. For the Boeing 777[135][136] the Trent 800[137] and GE90 would incorporate two-point mounting for ovalization reduction.[138]
The first high bypass fan engine, the TF39, transferred its thrust to the C5 pylon from the rear mount. It was a single point thrust location on the turbine mid-frame which locally distorted the casings, causing out of roundness of the turbine stators, increased clearances and a performance loss. The CF6-6, derived from the TF39 had thrust taken for the DC-10 from the front mount plane but also from a single point. This also caused single point distortion and unacceptable performance loss for the airliner. The distortion was reduced by taking thrust from two points which allowed smaller compressor running clearances and better SFC.
Under normal conditions the most severe air loading on the engine carcase is at take-off when the high mass flow at take-off thrust combines with a high angle of attack meaning a large momentum change, and force, is required to align the airflow with the engine.
General Electric CF6-6 engine. Aerodynamic loads on the inlet cowl (left) are highest at high angles of attack during take-off rotation and climb. The air approaching from below[139] has to turn into the engine inlet and the force required to change its momentum is reacted as an upwards force on a CF6-50 inlet of about 4 tons.[140] The inlet is bolted to the fan case and the bending moment is transferred inwardly through the struts shown into the core casing.
CF6 struts linking the fan case to the compressor case transfer the air loads from the inlet to the engine backbone, causing bending, case distortion and blade tip rubs. Clearances have to be increased to prevent rubs and performance is lost.
The Pratt & Whitney JT3D is an example of an early turbofan engine. These engines typically encountered bending along the length of the engine and localised out of roundness where the thrust was transferred from the engine. These issues caused no real concern because thrust levels which caused the distortions were low enough and blade clearances were large enough.[141]
A Pratt & Whitney JT9D museum exhibit with none of the accessories, tubes, wiring and cowls which cover a functional engine. Revealed are the casings bolted together which make up the structural backbone of the engine.[142] The engine thrust is transferred to the aircraft pylon at the top of the turbine case. As this is above the engine centerline where the thrust acts it causes backbone bending in the core engine[143] which in turn causes causes blade tip rubs and performance loss.
General Electric GE90 shows one of two locations (45 degrees either side of top centre) on fan frame where engine thrust is transferred by links to the rear thrust mount for transfer to the aircraft pylon.[136]
GE90 shows one of two thrust links to the rear thrust mount on the exhaust case. Early JT9D and CF6 engines had thrust transferred from a single location on the top of the engine backbone which distorted the casing requiring increased tip clearances to prevent rubs. Acceptable distortion, with smaller tip clearances, was obtained if thrust was shared between 2 locations, one either side of vertical. This is common on modern engines of this type.
Trent 900 thrust loads are transferred from the engine through 2 thrust links (shown with orange maintenance protective sleeves) connected to the engine rear mount and wing pylon.
Internal or secondary air system
The use of air for internal systems increases fuel consumption so there is a need to minimize the airflow required. The internal air system uses secondary air for cooling, keeping oil in bearing chambers, to control bearing thrust load for bearing life, and preventing hot gas ingestion from turbine gas flow into disc cavities. It is a cooling system which uses airflow to transfer heat away from hot parts and maintain them at a temperature which ensures the life of parts such as turbine discs and blades. It is also a purge system which uses air to pressurize cavities to prevent hot flowpath gas from entering and overheating disc rims where blades are attached. It is used to cool or heat parts to control radial clearances (clearance control system).
Early radial compressor engines used supplementary means for cooling air, for example a dedicated impeller or a fan machined integral with the turbine disc. The air sources for axial engines are different stages along the compressor depending on the different air system pressure requirements. Use of a single stage impeller as the last high pressure stage on small turbofan engines gives the flexibility of three different source pressures from the single stage, impeller entry, halfway through the stage (impeller tip) and diffuser exit (at combustor pressure). The air system sinks are the primary gas path where turbine cooling air is returned, for example, and the oil system vent overboard.
Pratt & Whitney J42 shows secondary air system impeller for bearing cooling air.
General Electric J31 secondary air fan blades integral with turbine disc for disc cooling.
de Havilland Ghost shows labyrinth teeth on the impeller backface to reduce air loss from the impeller and control the pressure on the back face. The radial position of the seal is chosen to set the area on which the pressure acts so the forward thrust on the impeller substantially balances the rearward thrust from the turbine which reduces the axial force on the rotor thrust bearing.[144]
Rolls-Royce Turbomeca Adour labyrinth seals with honeycomb shrouds on turbine discs. The one visible to the left reduces leakage between the two turbine stages. The one visible to the right reduces leaks from the combustor high pressure gas needed by the turbine.
Adour labyrinth seal with 3 fins on the blade platforms and a honeycomb shroud is a type of rim seal to prevent hot gas ingestion at the turbine disc rim.[145]
CFM56 showing internal air system overboard vent for the oil system (vent tube in the exhaust). Secondary air enters the bearing compartments through labyrinth seals to prevent oil escaping in the opposite direction. The air continually escapes from the system through the vent with some oil mist after passing through a centrifugal air/oil separator.[146]
Performance deterioration
Gas path deterioration and increasing EGT coexist. As the gas path deteriorates the EGT limit ultimately prevents the take-off thrust from being achieved and the engine has to be repaired.[147]The engine performance deteriorates with use as parts wear, meaning the engine has to use more fuel to get the required thrust. A new engine starts with a reserve of performance which is gradually eroded. The reserve is known as its temperature margin and is seen by a pilot as the EGT margin. For a new CFM International CFM56-3 the margin is 53 °C.[148][43] Kraus[149] gives the effect on increased fuel consumption of typical component degradation during service.
The Pratt & Whitney JT8D has a full length fan duct which is a rigid case construction which resists inlet air loads during aircraft rotation. Compared to the later JT9D it has relatively loose clearances between rotating and stationary parts so blade tip rubs as a source of performance deterioration were not an issue.[150]
The Pratt & Whitney JT9D with a big increase in thrust over the JT8D raised awareness how to transfer engine thrust to the aircraft without bending the engine too much and causing rubs and performance deterioration.[151]
Klimov VK-1 centrifugal impeller showing that the blades have rubbed on the shroud causing increased clearance and leakage losses.
Turbomeca Marboré IV engine showing location of leakage between impeller blades and stationary shroud, shown sectioned and painted blue. This is the leak path for a centrifugal impeller equivalent to an axial blade tip to casing clearance.[118] The clearance between the impeller vanes and their shroud is visible and has to be as small as possible without causing rubbing contact. This keeps leakage to a minimum and contributes to the efficiency of the engine.
An example of the appearance of minor compressor blade tip rubs on their shrouds.
A used CFM56 high pressure turbine blade. New blades have 3 different-depth notches at the tip to aid visual assessment (using a borescope) of rubbed away material and consequent increase in tip clearance. 0.25 mm of lost blade-tip causes a 10 deg C loss of EGT margin.[152]
CFM56 turbine nozzle guide vanes. The area for the combustor gas flow for the complete ring of vanes at the narrowest part of the passage is known as the turbine area. When the vane trailing edges deteriorate the area increases and the engine runs hotter, which causes increasingly rapid deterioration, and uses more fuel to reach take-off thrust.[153]
A V2500 vane showing thermal damage at the trailing edge which causes performance loss by altering the flow area.
The rough turbine blade airfoil surfaces have a higher friction coefficient than smooth surfaces and cause friction drag which is a source of loss in the turbine.[154]
American Airlines experience with the JT3C turbojet included cracking and bowing of the turbine nozzle guide vanes which adversely affected the gas flow to the rotating turbine blades causing increased fuel consumption. More significant was erosion of turbine parts by hard carbon lumps which formed around the fuel nozzles and periodically breaking away and striking and eroding turbine blades and nozzle guide vanes causing loss of EGT margin.[155]
Prior to the doubling and tripling price of fuel in the early 1970s the regain of performance after deterioration was largely a by-product of maintaining engine reliability. The rising cost of fuel and a new awareness on conservation of energy led to a need to understand which type and amount of component degradation caused how much of an increase in fuel consumption.[156] Higher bypass ratio engines were shown to be more susceptible to structural deformations which caused blade tip and seal clearances to be opened up by rubs.
American Airlines conducted tests on early bypass engines to understand to what degree component wear and accumulation of atmospheric dirt affected fuel consumption. Gas path surfaces in the fan and compressor were found to be coated with deposits of dirt, salt and oil which increased surface roughness and caused performance loss.[157] A compressor wash on a particular Pratt & Whitney JT8D bypass engine reduced the fuel consumption by 110 pounds of fuel for every hour run.[158]
Clearances between rotating and stationary parts are required to prevent contact. Increasing clearances, which occur in service as a result of rubbing, reduce the thermal efficiency which shows up when the engine uses more fuel than before. An American Airlines test on a Pratt & Whitney JT3D engine found that increasing the HP turbine tip clearance by 0.031 inch caused a 0.9% increase in fuel used.[159]
The advent of the high bypass engines introduced new structural requirements necessary to prevent blade rubs and performance deterioration. Prior to this the JT8D, for example, had thrust bending deflections minimized with a long stiff one-piece fan duct which isolated the internal engine cases from aerodynamic loads. The JT8D had good performance retention with its moderate turbine temperature and stiff structure. Rigid case construction installed engine not adversely affected by axial bending loads from inlet on TO rotation. The engine had relatively large clearances between rotating and stationary components so compressor and turbine blade tip rubs were not significant and performance degradation came from distress to the hot section and compressor blade increasing roughness and erosion.[160]
Emissions
The connection between emissions and fuel consumption is the combustion inefficiency which wastes fuel. Fuel should be completely burned so all chemical energy is liberated as heat.[161] The formation of pollutants signifies that fuel has been wasted and more fuel is required to produce a particular thrust than would otherwise be.
Noise
Noise influences the social acceptability of aircraft and maximum levels measured during takeoff and approach flyover are legislated around airports. Military aircraft noise is the subject of complaints from people living near military airfields and in remote areas under the flight paths of low level training routes. Prior to the introduction into service of the first jet airliners noise was already the subject of citizen actions around airports due to unacceptable noise from the last generation of piston-engined airliners such as xxx. Forewarned early operators of jet airliners introduced their services with noise abatement takeoff procedures, Comet Caravelle,
Passenger cabin and cockpit noise in civil aircraft and cockpit noise in military aircraft has a contribution from jet engines both as engine noise and structure-borne noise originating from engine rotor out of balance.
Starting time
Starting time is the time taken from initiating the starting sequence to reaching idle speed. A CFM-56 typical start time is 45–60 seconds.[162] Starting time is a flight safety issue for airstarts because starting has to be completed before too much altitude has been lost.[163]
Weight
The weight of an engine is reflected in the weight of the aircraft and introduces some drag penalty. Extra engine weight means a heavier structure and reduces aircraft payload.[164]
Size
The size of an engine has to be established within the engine installation envelope agreed during the design of the aircraft.
The thrust governs the flow area hence size of the engine. A criterion of pounds of thrust per square foot of compressor inlet is a figure of merit. The first operational turbojets in Germany had axial compressors to meet a 1939 request from the German Air Ministry to develop engines producing 410 lb/sq ft.[165]
Cost
A lower fuel consumption engine reduces airline expenditure on buying fuel for a given fuel cost. Deterioration of performance(increased fuel consumption) in service has a cumulative effect on fuel costs as the deterioration and rise in consumption is progressive. The cost of parts replacement has to be considered relative to the saving in fuel.[166]
Terminology and explanatory notes
Clarifying momentum, work, energy, power
A basic explanation for the way burning fuel results in engine thrust uses terminology like momentum, work, energy, power and rate. Correct use of the terminology may be confirmed by using the idea of fundamental units which are mass M, length L and time T, together with the idea of a dimension, i.e. power, of the fundamental unit, say L1 for distance, and in a derived unit, say speed which is distance over time, with dimensions L1T−1[167] The object of the jet engine is to produce thrust which it does by increasing the momentum of the air passing through it. But thrust isn't caused by the change in momentum. It's caused by the rate of change in momentum. So thrust, which is a force, has to have the same dimensions as rate of change of momentum, not momentum. Efficiences may be expressed as ratios of energy rate or power which has the same dimensions.
Force dimensions are M1L1T−2 , momentum has dimensions M1L1T−1 and rate of change of momentum has dimensions M1L1T−2, ie the same as force. Work and energy are similar quantities with dimensions M1L2T−2. Power has dimensions M1L2T−3.[168]
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