Más rápido, más silencioso, más limpio: nuevo motor aeronáutico

Resulta que para cambiar mucho en la aviación no hace falta buscar nuevas hélices, diseños futuristas o materiales espaciales. Es suficiente usar una transmisión mecánica relativamente simple ...

Esta es una de las novedades más importantes de los últimos años. Los motores turboventiladores con engranajes (GTF) permiten que el compresor y el ventilador giren a diferentes velocidades. El engranaje impulsor del ventilador gira con el eje del ventilador pero separa el motor del ventilador del compresor de baja presión y la turbina. El ventilador gira a menor velocidad, mientras que el compresor y la turbina de baja presión funcionan a mayor velocidad. Cada módulo del motor puede operar con una eficiencia óptima. Después de 20 años de investigación y desarrollo y un gasto en investigación y desarrollo de alrededor de $ 1000 mil millones, la familia de turboventiladores Pratt & Whitney PurePower PW2016G estuvo operativa hace unos años y se ha introducido masivamente en aviones comerciales desde XNUMX.

modernos motores turbofan producir empuje de dos maneras. En primer lugar, el compresor y la cámara de combustión están dispuestas en su núcleo. En la parte frontal hay un ventilador que es accionado por el núcleo, guía el aire a través de la cámara de derivación alrededor del núcleo del motor. relación de derivación es la relación de la cantidad de aire que pasa a través del núcleo, a la cantidad de aire que pasa a través del mismo. En general, los motores de un medio coeficiente de derivación superiores más tranquilo, más eficientes y más potente. motores turbofan convencionales tienen una relación de derivación de 9 a 1. Motores Pratt PurePower GTF tener una relación de derivación de 12 a 1.

Para aumentar la relación de derivación, los fabricantes de motores deben aumentar la longitud de las aspas del ventilador. Sin embargo, cuando se alarga, las velocidades de rotación obtenidas en el extremo de la pala serán tan altas que se producirán vibraciones no deseadas. Necesitas aspas de ventilador para reducir la velocidad, y para eso está la caja de cambios. Tal motor puede llegar al 16 por ciento, según Pratt & Whitney. Gran economía de combustible y 50 por ciento. menos emisiones de escape y es del 75 por ciento. tranquilo. Recientemente, SWISS y Air Baltic anunciaron que sus motores a reacción de la serie C GTF consumen incluso menos combustible de lo que promete el fabricante.

Motor PW1100G-JM en la línea de producción

La revista TIME nombró al motor PW1000G uno de los 50 inventos más importantes de 2011 y uno de los seis inventos más respetuosos con el medio ambiente, ya que Pratt & Whitney PurePower está diseñado para ser más limpio, más silencioso, más potente y usar menos combustible que los motores a reacción existentes. En 2016, Richard Anderson, entonces presidente de Delta Air Lines, llamó al motor "la primera verdadera innovación" desde que el Dreamliner de Boeing revolucionó la construcción compuesta.

Ahorro y reducción de emisiones

El sector de la aviación comercial emite más de 700 millones de toneladas de dióxido de carbono al año. Aunque es sólo alrededor del 2 por ciento. emisiones globales de dióxido de carbono, existe evidencia de que los gases de efecto invernadero en el combustible para aviones tienen un mayor impacto en la atmósfera a medida que se liberan a mayores altitudes.

Los principales fabricantes de motores buscan ahorrar combustible y reducir las emisiones. El competidor de Pratt, CFM International, presentó recientemente su propio motor avanzado llamado LEAP, que, según los funcionarios de la compañía, ofrece resultados similares a los de un turboventilador con engranajes a expensas de otras soluciones. CFM afirma que en una arquitectura de turboventilador tradicional, se pueden lograr los mismos beneficios sin el peso adicional y la resistencia del tren motriz. LEAP utiliza materiales compuestos livianos y aspas de ventilador de fibra de carbono para lograr mejoras en la eficiencia energética que, según la compañía, son comparables a las logradas con el motor Pratt & Whitney.

Hasta la fecha, los pedidos de motores de Airbus para el A320neo se dividen de forma casi equitativa entre CFM y Pratt & Whitney. Desafortunadamente para esta última empresa, los motores PurePower están causando problemas a los usuarios. El primero apareció este año, cuando se registró un enfriamiento desigual de los motores GTF en el Airbus A320neo de Qatar Airways. El enfriamiento desigual puede provocar la deformación y la fricción de las piezas y, al mismo tiempo, aumentar el tiempo entre vuelos. Como resultado, la aerolínea concluyó que los motores no cumplían con los requisitos operativos. Poco después, las autoridades de aviación indias suspendieron los vuelos de 11 aviones Airbus A320neo propulsados ​​por motores PurePower GTF. Según Economic Times, la decisión se tomó después de que el avión con motor GTF de Airbus sufriera tres fallas en el motor en el transcurso de dos semanas. Pratt & Whitney minimiza estas dificultades y dice que son fáciles de superar.

ventilador electronico airbus

Otro gigante en el campo de los motores aeronáuticos, Rolls-Royce, está desarrollando su propia Power Gearbox, que para 2025 reducirá el consumo de combustible en los grandes turboventiladores en un 25 %. en comparación con los modelos más antiguos de la conocida gama de motores Trent. Esto, por supuesto, significa un nuevo concurso de diseño de Pratt & Whitney.

Los británicos también están pensando en otros tipos de innovación. Durante el reciente Singapore Airshow, Rolls-Royce lanzó la Iniciativa IntelligentEngine, cuyo objetivo es desarrollar motores de aeronaves inteligentes que sean más seguros y eficientes a través de la capacidad de comunicarse entre sí y a través de una red de apoyo. Al proporcionar una comunicación bidireccional continua con el motor y otras partes del ecosistema de servicios, el motor podrá resolver problemas antes de que ocurran y aprender a mejorar el rendimiento. También aprenderían de la historia de su trabajo y de otros motores y, en general, incluso tendrían que repararse sobre la marcha.

Drive necesita mejores baterías

La visión de la aviación de la Comisión Europea para 2050 exige una reducción de las emisiones de CO.₂ en un 75 por ciento, los óxidos de nitrógeno en un 90 por ciento. y el ruido en un 65 por ciento. No se pueden lograr con las tecnologías existentes. Los sistemas de propulsión eléctricos e híbridos-eléctricos se consideran actualmente como una de las tecnologías más prometedoras para enfrentar estos desafíos.

Hay aviones ligeros eléctricos biplaza en el mercado. Los vehículos híbridos-eléctricos de cuatro plazas están en el horizonte. La NASA predice que a principios de la década de 20, este tipo de avión comercial de nueve plazas y de corta distancia devolverá los servicios de aviación a las comunidades más pequeñas. Tanto en Europa como en EE. UU., los científicos creen que para 2030 es posible construir un avión híbrido-eléctrico con una capacidad de hasta 100 asientos. Sin embargo, se requerirán avances significativos en el campo del almacenamiento de energía.

Actualmente, la densidad de energía de las baterías simplemente no es suficiente. Sin embargo, todo esto podría cambiar. El jefe de Tesla, Elon Musk, dijo que una vez que las baterías sean capaces de producir 400 vatios-hora por kilogramo, y la relación entre la potencia de la celda y el peso total sea de 0,7-0,8, un avión transcontinental eléctrico se convertirá en una "alternativa difícil". Teniendo en cuenta que las baterías de iones de litio pudieron alcanzar una densidad de energía de 113 Wh/kg en 1994, 202 Wh/kg en 2004 y ahora pueden alcanzar unos 300 Wh/kg, se puede suponer que en la próxima década alcanzará el nivel 400 Wh/kg.

Proyecto de taxi aéreo biplaza eléctrico Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce y Siemens se asociaron recientemente para desarrollar el demostrador volador E-Fan X, que supondrá un importante paso adelante en la propulsión híbrida eléctrica de aviones comerciales. Se espera que la demostración de la tecnología eléctrica híbrida E-Fan X sea -Fan X volará en 2020 después de una extensa campaña de pruebas en tierra. En la primera fase, el BAe 146 reemplazará uno de los cuatro motores con un motor eléctrico de XNUMX megavatios. Posteriormente, se prevé sustituir la segunda turbina por un motor eléctrico tras demostrar la madurez del sistema.

Airbus será responsable de la integración general, así como de la arquitectura de control de batería y propulsión eléctrica híbrida y su integración con los sistemas de control de vuelo. Rolls-Royce será responsable del motor de turbina de gas, el generador de XNUMX megavatios y la electrónica de potencia. Junto con Airbus, Rolls-Royce también trabajará en la adaptación de los ventiladores a la góndola y el motor eléctrico de Siemens existentes. Siemens suministrará motores eléctricos de XNUMX MW y un controlador electrónico de potencia, así como un inversor, un convertidor y un sistema de distribución de energía.

Muchos centros de investigación de todo el mundo están trabajando en aviones eléctricos, incluida la NASA, que está construyendo el X-57 Maxwell. También se está desarrollando el proyecto de taxi aéreo biplaza eléctrico Kitty Hawk y muchas otras estructuras de grandes centros, empresas o pequeñas start-ups.

Dado que la vida útil promedio de los aviones de pasajeros y de carga es de alrededor de 21 y 33 años, respectivamente, incluso si todos los aviones nuevos que se fabriquen mañana sean totalmente eléctricos, se necesitarían de dos a tres décadas para eliminar los aviones que funcionan con combustibles fósiles.

Así que no funcionará rápidamente. Mientras tanto, los biocombustibles pueden aligerar el medio ambiente en el sector de la aviación. Contribuyen a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono en un 36-85 por ciento. A pesar de que las mezclas de biocombustibles para motores a reacción fueron certificadas en 2009, la industria de la aviación no tiene prisa por implementar cambios. Existen pocos obstáculos tecnológicos y desafíos asociados con llevar la producción de biocombustibles a niveles industriales, pero el principal elemento disuasorio es el precio: se necesitan otros diez años para lograr la paridad con los combustibles fósiles.

Un paso hacia el futuro

Al mismo tiempo, los laboratorios están trabajando en conceptos de motores de aviones algo más futuristas. Hasta ahora, por ejemplo, un motor de plasma no suena muy realista, pero no se puede descartar que los trabajos científicos se conviertan en algo interesante y útil. Los propulsores de plasma usan electricidad para crear campos electromagnéticos. Comprimen y excitan un gas, como el aire o el argón, en un plasma, un estado caliente, denso e ionizado. Su investigación ahora conduce a la idea de lanzar satélites en el espacio exterior (propulsores de iones). Sin embargo, Berkant Goeksel de la Universidad Técnica de Berlín y su equipo quieren poner propulsores de plasma en los aviones.

El objetivo de la investigación es desarrollar un motor de plasma de chorro de aire que pueda usarse tanto para despegue como para vuelos a gran altitud. Los motores a reacción de plasma suelen estar diseñados para operar en una atmósfera de vacío o baja presión donde se requiere un suministro de gas. Sin embargo, el equipo de Göksel probó un dispositivo capaz de operar en el aire a una presión de una atmósfera. “Nuestras boquillas de plasma pueden alcanzar velocidades de hasta 20 kilómetros por segundo”, dice Göckel en la serie de conferencias Journal of Physics.

Motor SABRE en el vehículo hipersónico del futuro

Para empezar, el equipo probó propulsores en miniatura de 80 milímetros de largo. Para un avión pequeño, esto será hasta mil de lo que el equipo considera posible. La mayor limitación, por supuesto, es la falta de baterías livianas. Los científicos también están considerando aeronaves híbridas, en las que un motor de plasma se combinaría con motores de combustión interna o cohetes.

Cuando hablamos de conceptos innovadores de motores a reacción, no olvidemos el SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) desarrollado por Reaction Engines Limited. Se supone que se tratará de un motor que funcione tanto en la atmósfera como en el vacío, funcionando con hidrógeno líquido. En la etapa inicial del vuelo, el oxidante será el aire de la atmósfera (como en los motores a reacción convencionales) y desde una altura de 26 km (donde el barco alcanza una velocidad de 5 millones de años): oxígeno líquido. Después de cambiar al modo cohete, alcanzará velocidades de hasta Mach 25.

HorizonX, el brazo de inversión de Boeing involucrado en el proyecto, aún tiene que decidir cómo podría usarlo SABRE, excepto que espera "usar tecnología revolucionaria para ayudar a Boeing en su búsqueda de vuelos supersónicos".

RAMJET y scramjet (motor a reacción supersónico con cámara de combustión) llevan mucho tiempo en boca de los aficionados a la aviación de alta velocidad. Actualmente, se desarrollan principalmente para fines militares. Sin embargo, como enseña la historia de la aviación, lo que se probará en el ejército irá a parar a la aviación civil. Todo lo que se necesita es un poco de paciencia.

Vídeo del motor inteligente de Rolls Royce:

Rolls-Royce | Innovación en IntelligentEngine