Cómo funciona un motor turbofan

El motor turbofan, también conocido como motor Turbofan, es un tipo de motor de avión desarrollado a partir del motor Turbojet. En comparación con el turborreactor, la característica principal es que el área del compresor de primera etapa es mucho mayor y también se utiliza como hélice de aire (ventilador) para empujar parte del aire aspirado hacia atrás a través de la periferia del motor a reacción. La parte del núcleo del motor por donde pasa el aire se llama conducto interior, y la parte exterior del núcleo por donde sólo pasa el aire del ventilador se llama conducto exterior. Los motores turbofan son más adecuados para su uso a velocidades de vuelo de 400 a 1.000 kilómetros, por lo que la mayoría de los motores de avión ahora utilizan turbofan como fuente de energía. La relación de derivación de un motor turbofan es la relación entre la masa de aire que no pasa por la cámara de combustión y la masa de aire que pasa por la cámara de combustión. Un motor turbofan con una relación de derivación cero es un motor turborreactor. Tanto los primeros motores turbofan como los utilizados en los aviones de combate modernos tienen relaciones de derivación bajas. Por ejemplo, el primer motor turbofan del mundo, el Rolls-Royce Conway, tenía una relación de derivación de sólo 0,3. La relación de derivación de la mayoría de los motores de aviones civiles modernos suele ser superior a 5. Un motor turbofan con una relación de derivación alta consume menos combustible, pero tiene el mismo empuje que un motor turborreactor y es mucho más silencioso cuando funciona. El empuje del motor turbohélice es limitado, lo que también afecta a la capacidad del avión para aumentar su velocidad de vuelo. Por tanto, es necesario mejorar la eficiencia de los motores a reacción. La eficiencia del motor incluye dos partes: eficiencia térmica y eficiencia de propulsión. Aumentar la temperatura del gas frente a la turbina y la relación de refuerzo del compresor puede mejorar la eficiencia térmica. Porque los gases de alta temperatura y alta densidad contienen mayor energía. Sin embargo, bajo la condición de que la velocidad de vuelo permanezca sin cambios, aumentar la temperatura frente a la turbina aumentará naturalmente la velocidad de escape. El gas con un caudal rápido pierde mucha energía cinética cuando se descarga. Por tanto, aumentar unilateralmente la potencia térmica, es decir, aumentar la temperatura delante de la turbina, conducirá a una disminución de la eficiencia de la propulsión. Para mejorar integralmente la eficiencia del motor, se debe resolver la contradicción entre eficiencia térmica y eficiencia de propulsión. La belleza del motor turbofan es que aumenta la temperatura delante de la turbina sin aumentar la velocidad de escape. La estructura del motor turbofan es en realidad que se agregan varias etapas de turbina delante del motor turborreactor, y estas turbinas accionan una cierta cantidad de ventiladores. Parte del flujo de aire inhalado por el ventilador se envía al compresor (denominado "conducto interior") como un motor a reacción normal, y la otra parte se descarga directamente desde la periferia de la carcasa del motor turborreactor ("conducto exterior"). Por lo tanto, la energía del gas del motor turbofan se distribuye a dos flujos de gases de escape generados por el ventilador y la cámara de combustión respectivamente. En este momento, para aumentar la eficiencia térmica y aumentar la temperatura delante de la turbina, se puede transferir más energía del gas al conducto exterior a través del ventilador mediante una estructura de turbina adecuada y un aumento en el diámetro del ventilador, evitando así una significativa aumento de la velocidad de escape. De esta manera, la eficiencia térmica y la eficiencia de la propulsión se equilibran y la eficiencia del motor mejora considerablemente. Una alta eficiencia significa un bajo consumo de combustible y un mayor alcance del avión. Un motor de turbina de gas en el que el gas descargado por la boquilla y el aire descargado por el ventilador producen simultáneamente un empuje de reacción. Un motor turbofan consta de un ventilador, un compresor, una cámara de combustión, una turbina de alta presión que impulsa el compresor, una turbina de baja presión que impulsa el ventilador y un sistema de escape. Las tres partes del compresor, la cámara de combustión y la turbina de alta presión se denominan colectivamente máquina central. Parte de la energía disponible en el gas descargado por la máquina central se transfiere a la turbina de baja presión para impulsar el ventilador y el resto. La pieza se utiliza para acelerar el gas descargado en la boquilla. El rotor del ventilador es en realidad un compresor con una o más etapas de aspas más largas. Después de que el aire fluye a través del ventilador, parte del mismo fluye hacia la máquina central, llamado flujo de aire intrínseco, y se descarga desde la boquilla a alta velocidad para generar empuje. La otra parte fluye alrededor de la periferia de la máquina central, llamada flujo de aire interno. Para el flujo de aire externo, también se genera empuje. Este tipo de motor turbofan con dos conductos internos y externos también se denomina motor de conductos internos y externos. La relación entre el flujo de aire a través del conducto exterior y el conducto interior se denomina relación de derivación o relación de flujo. La relación de derivación tiene una gran influencia en el rendimiento del motor turbofan. Si la relación de derivación es grande, la tasa de consumo de combustible es baja, pero el área de barlovento del motor es grande. El área es pequeña, pero la tasa de consumo de combustible es grande. Un motor turbofan de descarga dividida en el que los flujos de aire interior y exterior se descargan por separado a la atmósfera se denomina motor turbofan de descarga dividida. En el que los flujos de aire interior y exterior se mezclan entre sí en el mezclador detrás de la turbina interior y luego se descargan a la atmósfera a través de la misma boquilla, se denomina motor turbofan de escape mixto.

El motor turbofan también puede equiparse con un postquemador para convertirse en un motor turbofan con postcombustión. En los motores turbofan de hilera dividida, los postquemadores se pueden instalar detrás de la turbina interior o en el canal exterior, y en los motores turbofan de hileras mixtas, se pueden instalar detrás del mezclador. Cuando el motor central es el mismo, el caudal del fluido de trabajo (medio de trabajo) del motor turbofan está entre el del motor turborreactor y el del motor turbohélice. En comparación con los motores turborreactores, los motores turbofan tienen un mayor flujo de fluido de trabajo, una menor velocidad de inyección, una mayor eficiencia de propulsión, un menor consumo de combustible y un mayor empuje. El motor turbofan de primera generación desarrollado en la década de 1950 tenía una relación de derivación, una relación de impulso del compresor y una temperatura del gas más bajas, y su tasa de consumo de combustible era sólo alrededor de un 25% menor que la del motor turborreactor, alrededor de 0,06 a 0,07 kg/N·hora. (0,6~0,7 kg/kg fuerza·hora). A finales de los años 1960 y principios de los años 1970, se desarrolló el motor turbofan de segunda generación con una alta relación de derivación (5~8), una alta relación de impulso (25~30) y una alta temperatura del gas (1600~1750K), y se redujo la tasa de consumo de combustible. a 0,03~ 0,04 kg/N·h (0,3~0,4 kg/kgf·h), y el empuje es tan alto como 200~250 kN (20000~25000 kgf). Los motores turbofan de alta relación de derivación producen poco ruido y baja contaminación de gases de escape. A menudo se utilizan como unidades de potencia para grandes aviones de pasajeros. La velocidad de crucero de este tipo de aviones de pasajeros puede alcanzar los 950 km/h a una altitud de 11 kilómetros. Sin embargo, este tipo de motor turbofan con relación de derivación alta tiene una velocidad de inyección de escape baja y una gran área de barlovento, por lo que no es adecuado para su uso en aviones supersónicos. Algunos cazas utilizan motores turbofan con relaciones de derivación pequeñas y postquemadores. No utilizan postquemadores cuando vuelan a velocidades subsónicas. Su consumo de combustible y temperatura de escape son más bajos que los de los motores turborreactores, por lo que la intensidad de la radiación infrarroja es más débil y no es fácil de alcanzar. por misiles guiados por infrarrojos. Cuando se utiliza el postquemador para volar a más de 2 veces la velocidad del sonido, el empuje generado puede exceder el de un motor turborreactor con postquemador, y la relación empuje-peso en condiciones atmosféricas estándar en tierra ha alcanzado aproximadamente 8. 1. Entrada de aire en la entrada del motor turborreactor --- sobrealimentación del compresor --- calentamiento de la cámara de combustión --- expansión de la turbina para accionar el compresor --- aceleración de expansión de la boquilla de cola --- gases de escape al exterior de la carrocería donde gira el motor Después del arranque, el compresor envía continuamente aire comprimido a la cámara de combustión trasera. En la cámara de combustión, el aire y el combustible se mezclan y queman, y se descarga gas a alta temperatura, alta velocidad y alta presión. Estos gases hacen que la turbina gire. Se utilizan la turbina y el compresor. Los ejes están conectados entre sí, por lo que la turbina gira y el compresor también gira, comprimiendo continuamente el aire. 2. Motor turbofan de escape separado. admisión - sobrealimentación del ventilador - flujo de aire Se divide en dos flujos de aire internos: presurización del compresor - calentamiento de la cámara de combustión - expansión de la turbina para accionar el ventilador y el compresor - expansión y aceleración de la boquilla de cola interna - gases de escape al exterior del cuerpo: conducto exterior - La expansión de la boquilla de cola externa se acelera - los gases de escape se descargan fuera de la carrocería. La mayoría de los motores utilizados por nuestros aviones de aviación civil comunes son motores turbofan de escape separados, como los famosos V2500, PW4000, GE90... 2.2. Turboventilador de escape híbrido Entrada de aire del motor - sobrealimentación del ventilador - el flujo de aire se divide en dos flujos de aire internos: sobrealimentación del compresor - calentamiento de la cámara de combustión - la potencia de expansión de la turbina impulsa el ventilador y el compresor - flujo de aire externo del mezclador: Conducto externo - los dos flujos de aire del el mezclador se mezcla en el mezclador - se acelera la expansión de la boquilla de cola - el escape se descarga al exterior de la carrocería