El turbofán con engranajes es un tipo de motor de avión con turbofán que tiene una caja de engranajes planetarios entre el compresor/turbina de baja presión y el ventilador , lo que permite que cada uno gire a su velocidad óptima. La ventaja de este diseño es un menor consumo de combustible y un funcionamiento mucho más silencioso. La desventaja es que aumenta el peso y añade complejidad.
En un turbofán convencional, un solo eje (el eje de "baja presión" o LP) conecta el ventilador, el compresor de baja presión y la turbina de baja presión (un segundo eje concéntrico conecta el compresor de alta presión y la turbina de alta presión). En esta configuración, la velocidad máxima de la punta del ventilador de radio más grande limita la velocidad de rotación del eje LP y, por lo tanto, del compresor LP y la turbina. Con relaciones de derivación altas (y, por lo tanto, también relaciones de radio altas), la velocidad de rotación de la turbina LP y el compresor debe ser relativamente baja, lo que significa que se requieren etapas adicionales de compresor y turbina para mantener las cargas promedio de la etapa y, por lo tanto, las eficiencias generales de los componentes a un nivel aceptable.
En un turbofán con engranajes, una caja de engranajes de reducción planetaria entre el ventilador y el eje de baja presión permite que este último funcione a una velocidad de rotación más alta, lo que permite utilizar menos etapas tanto en la turbina de baja presión como en el compresor de baja presión, lo que aumenta la eficiencia y reduce el peso. Sin embargo, se perderá algo de energía en forma de calor en el mecanismo de engranajes y el peso ahorrado en las etapas de la turbina y el compresor se verá parcialmente compensado por el de la caja de engranajes. También hay implicaciones en cuanto a costos de fabricación y confiabilidad.
La menor velocidad del ventilador permite relaciones de derivación más altas, lo que conduce a un menor consumo de combustible y una reducción considerable del ruido. El BAe 146 está equipado con turbofán con engranajes y sigue siendo uno de los aviones comerciales más silenciosos. [1] Una gran parte de la reducción del ruido se debe a la reducción de las velocidades de las puntas del ventilador. En los turbofán convencionales, las puntas del ventilador superan la velocidad del sonido, lo que provoca un zumbido característico, que requiere insonorización. Los turbofán con engranajes hacen funcionar el ventilador a una velocidad de rotación suficientemente baja para evitar velocidades de punta supersónicas. [2]
El primer motor turbofán con engranajes se creó en 1970. [3] Sin embargo, escalar económicamente la idea de motores pequeños a medianos y grandes no fue posible hasta el siglo XXI.
Después de considerar un diseño con engranajes, General Electric y Safran decidieron no utilizarlo para su CFM LEAP debido a problemas de peso y confiabilidad, posponiendo su uso para una aplicación futura, cuando Pratt & Whitney comenzó el desarrollo del PW1000G con engranajes . [4]
Desde su creación en 2016, si bien la durabilidad del motor turbofán con engranajes de la familia Pratt & Whitney PW1000G ha sido un problema constante, no hay problemas de confiabilidad relacionados con el diseño con engranajes. [5]
El último diseño de motor de Rolls-Royce para turbofán grandes (de 25 000 lb a 110 000 lb de empuje), el UltraFan [6] incluye un Powergear con una potencia nominal de un nuevo máximo de 64 MW (87 000 hp) y ha demostrado esta potencia máxima durante las pruebas en 2021. [7]
La tecnología de turbofán con engranajes se utiliza en los siguientes motores:
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