Motor de ciclo variable

Un concepto del SST VCE es el motor de ventiladores en tándem. Este motor cuenta con dos ventiladores, ambos montados en el eje de baja presión y separados por una importante holgura axial. El motor funciona en serie durante el vuelo de crucero y en paralelo durante el despegue, el ascenso, la aproximación y el descenso final.

En el modo serie, el aire entra por la parte delantera del motor. Tras pasar por el ventilador delantero, el aire pasa directamente al segundo ventilador, de modo que el motor se comporta de forma muy similar a un turbofán .

En modo paralelo, el aire que sale del ventilador delantero sale del motor a través de una boquilla auxiliar en la parte inferior de la góndola , sin pasar por el ventilador trasero. Las tomas de aire a cada lado del motor se abren para capturar el aire y enviarlo directamente al ventilador trasero y al resto del motor. El modo paralelo aumenta considerablemente el volumen total de aire acelerado por el motor, lo que reduce la velocidad del aire y el ruido asociado.

En la década de 1970, Boeing modificó un motor Pratt & Whitney JT8D para utilizar una configuración de ventilador en tándem y demostró con éxito el cambio de funcionamiento en serie a paralelo (y viceversa) con el motor en marcha, aunque a potencia parcial.

En el concepto de ventilador en tándem medio, un ventilador de una sola etapa de alto flujo específico se ubica entre los compresores de alta presión (HP) y baja presión (LP) de un núcleo de turborreactor . Solo el aire de derivación pasa a través del ventilador. El flujo de salida del compresor LP pasa a través de conductos dentro del disco del ventilador, directamente debajo de las palas del ventilador. Parte del aire de derivación entra al motor a través de una entrada auxiliar. Durante el despegue y la aproximación, el motor se comporta de manera muy similar a un turbofán convencional, con un nivel de ruido de chorro aceptable (es decir, bajo empuje específico). Sin embargo, para el crucero supersónico , las paletas guía de entrada variables del ventilador y la entrada auxiliar se cierran para minimizar el flujo de derivación y aumentar el empuje específico. En este modo, el motor actúa más como un turborreactor con fugas (por ejemplo, el F404 ).

En el concepto de turbofán de flujo mixto con eyector, un motor de baja relación de derivación se monta delante de un tubo largo, denominado eyector. El eyector reduce el ruido y se despliega durante el despegue y la aproximación. Los gases de escape del turbofán envían aire al eyector a través de una toma de aire auxiliar, reduciendo así el empuje específico y la velocidad media del chorro de escape final. El diseño de flujo mixto no es especialmente eficiente a baja velocidad, pero es considerablemente más sencillo.

La arquitectura de tres flujos añade un tercer flujo de aire orientable. Este flujo evita el núcleo cuando se requiere eficiencia de combustible o lo atraviesa para obtener mayor potencia. En el marco del programa Motores de Turbina Avanzados, Asequibles y Versátiles (VAATE), la Fuerza Aérea de los EE. UU. y sus socios industriales desarrollaron este concepto bajo el programa Tecnología de Motores Versátiles Adaptables (ADVENT) y los programas posteriores Demostrador de Tecnología de Motores Adaptables (AETD) y Programa de Transición de Motores Adaptables (AETP). ^{[ 3 ]} Algunos ejemplos incluyen el General Electric XA100 y el Pratt & Whitney XA101 , así como el sistema de propulsión del caza de Dominio Aéreo de Próxima Generación (NGAD). ^{[ 4 ]}

General Electric desarrolló un motor de ciclo variable, conocido como GE37 o General Electric YF120 , para el concurso de aviones de combate YF-22 / YF-23 a finales de la década de 1980. GE utilizó un sistema de doble derivación/ventilador híbrido, pero nunca reveló cómo lo implementó. En su lugar, la Fuerza Aérea seleccionó el motor convencional Pratt & Whitney F119 para lo que se convertiría en el Lockheed Martin F-22 Raptor .

Los turbofanes con engranajes también se utilizan en los siguientes motores, algunos aún en desarrollo: Garrett TFE731 , Lycoming ALF 502 / LF 507 , Pratt & Whitney PW1000G , Turbomeca Astafan , Turbomeca Aspin y Aviadvigatel PD-18R.

El Rolls Royce Ultrafan es el motor más grande y eficiente que permite múltiples velocidades de turbina. Las turbinas situadas detrás del ventilador principal son pequeñas y permiten que pase más aire directamente, mientras que una caja de engranajes planetarios "permite que el ventilador principal gire más despacio y los compresores más rápido, situando a cada uno en sus zonas óptimas". ^{[ 5 ]}

La startup Astro Mechanica está desarrollando lo que denomina un motor a reacción turboeléctrico adaptativo que cambia de modo turbofán a turborreactor y estatorreactor a medida que acelera desde parado hasta una velocidad proyectada de Mach 6. Esto se logra mediante un enfoque de doble turbina. Una turbina actúa como turbogenerador . La segunda turbina actúa como unidad de propulsión. El turbogenerador alimenta un motor eléctrico que controla el compresor de la segunda turbina. El motor puede cambiar de velocidad para mantener el ventilador girando a las RPM ideales para un modo de vuelo específico. En los modos turborreactor y estatorreactor, la entrada se estrecha para comprimir el aire y eliminar el bypass. El turbogenerador está disponible comercialmente, mientras que la unidad de propulsión es fabricada por la empresa. Una innovación clave es que los motores eléctricos han aumentado drásticamente su densidad de potencia, de modo que el peso del motor ya no es prohibitivo. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

En lugar de una caja de engranajes fija, utiliza un motor eléctrico para hacer girar la(s) turbina(s) situada(s) detrás del ventilador a una velocidad óptima para cada fase del vuelo. La empresa afirmó que permitiría un despegue eficiente y velocidades subsónicas, supersónicas e hipersónicas. El motor eléctrico se alimenta mediante un generador, que a su vez alimenta una turbina. Este enfoque se basa en la mayor densidad de potencia de los nuevos motores eléctricos, como los motores de flujo axial de doble rotor sin yugo , que ofrecen mucha más potencia (kW/kg) que los diseños convencionales, demasiado pesados ​​para esta aplicación. ^{[ 7 ]}

El aire fluye a través de un turbogenerador para producir energía eléctrica que alimenta un motor eléctrico. El motor eléctrico controla de forma adaptativa la unidad de propulsión, permitiéndole comportarse como un turbofán, un turborreactor o un estatorreactor según la velocidad del aire. En efecto, el motor puede operar en cualquier punto de la curva de impulso específico (Isp): Isp alto a baja velocidad o Isp bajo a alta velocidad. ^{[ 9 ] [ 7 ] [ 10 ]}

En algunos aspectos, es similar a los motores marinos turboeléctricos , que permiten que las hélices giren a una velocidad diferente a la de las turbinas de vapor que las impulsan.