Relación de presión global - Overall pressure ratio
En ingeniería aeronáutica , la relación de presión total , o relación de compresión global , es la relación de la presión de estancamiento medida en la parte delantera y trasera del compresor de un motor de turbina de gas . Los términos relación de compresión y relación de presión se utilizan indistintamente. La relación de compresión general también significa la relación de presión del ciclo general que incluye el pistón de admisión.
Historial de relaciones de presión generales
Los primeros motores a reacción tenían relaciones de presión limitadas debido a inexactitudes de construcción de los compresores y varios límites de materiales. Por ejemplo, el Junkers Jumo 004 de la Segunda Guerra Mundial tenía una relación de presión general de 3,14: 1. El Snecma Atar de la posguerra inmediata mejoró esto marginalmente a 5.2: 1. Las mejoras en los materiales, las palas de los compresores y, especialmente, la introducción de motores de carretes múltiples con varias velocidades de rotación diferentes, llevaron a relaciones de presión mucho más altas que son comunes en la actualidad.
Los motores civiles modernos funcionan generalmente entre 40 y 55: 1. El más alto en servicio es el General Electric GEnx -1B / 75 con un OPR de 58 al final del ascenso a la altitud de crucero (Top of Climb) y 47 para el despegue al nivel del mar .
Ventajas de las relaciones de presión general elevadas
En términos generales, una relación de presión general más alta implica una mayor eficiencia, pero el motor generalmente pesará más, por lo que hay un compromiso. Una relación de presión general alta permite instalar una boquilla de relación de área más grande en el motor a reacción. Esto significa que una mayor parte de la energía térmica se convierte en velocidad de chorro y mejora la eficiencia energética. Esto se refleja en mejoras en el consumo específico de combustible del motor .
El GE Catalyst tiene un OPR de 16: 1 y su eficiencia térmica es del 40%, el 32: 1 Pratt & Whitney GTF tiene una eficiencia térmica del 50% y el 58: 1 GEnx tiene una eficiencia térmica del 58%.
Desventajas de las relaciones de presión general altas
Uno de los principales factores limitantes de la relación de presión en los diseños modernos es que el aire se calienta a medida que se comprime. A medida que el aire viaja a través de las etapas del compresor, puede alcanzar temperaturas que representan un riesgo de falla de material para las paletas del compresor. Esto es especialmente cierto para la última etapa del compresor, y la temperatura de salida de esta etapa es una cifra común de mérito para los diseños de motores.
Los motores militares a menudo se ven obligados a trabajar en condiciones que maximizan la carga de calefacción. Por ejemplo, se requirió que el General Dynamics F-111 Aardvark operara a velocidades de Mach 1.1 al nivel del mar . Como efecto secundario de estas amplias condiciones de funcionamiento y, en general, de la tecnología más antigua en la mayoría de los casos, los motores militares suelen tener relaciones de presión generales más bajas. El Pratt & Whitney TF30 utilizado en el F-111 tenía una relación de presión de aproximadamente 20: 1, mientras que los motores más nuevos como General Electric F110 y Pratt & Whitney F135 lo han mejorado a aproximadamente 30: 1.
Una preocupación adicional es el peso. Una relación de compresión más alta implica un motor más pesado, que a su vez cuesta combustible para transportar. Por lo tanto, para una tecnología de construcción particular y un conjunto de planes de vuelo, se puede determinar una relación de presión general óptima.
Ejemplos de
| Motor | Relación de presión global | Principales aplicaciones |
|---|---|---|
| General Electric GE9X | 60: 1 | 777X |
| Rolls-Royce Trent XWB | 52: 1 | A350 XWB |
| General Electric GE90 | 42: 1 | 777 |
| General Electric CF6 | 30,5: 1 | 747 , 767 , A300 , MD-11 , C-5 |
| General Electric F110 | 30: 1 | F-14 , F-15 , F-16 |
| Pratt y Whitney TF30 | 20: 1 | F-14 , F-111 |
| Rolls-Royce / Snecma Olympus 593 | 15.5: 1/80: 1 supersónico. | Concorde |
Diferencias con otros términos similares
El término no debe confundirse con el término más familiar de relación de compresión que se aplica a los motores alternativos . La relación de compresión es una relación de volúmenes. En el caso del motor alternativo de ciclo Otto , la máxima expansión de la carga está limitada por el movimiento mecánico de los pistones (o rotor), por lo que la compresión se puede medir simplemente comparando el volumen del cilindro con el pistón en el parte superior e inferior de su movimiento. No ocurre lo mismo con la turbina de gas de "extremo abierto", donde las consideraciones operativas y estructurales son los factores limitantes. Sin embargo, los dos términos son similares en el sentido de que ambos ofrecen una forma rápida de determinar la eficiencia general en relación con otros motores de la misma clase.
La relación de presión del motor (EPR) difiere de OPR en que OPR compara la presión de admisión con la presión del aire cuando sale del compresor, y siempre es mayor que 1 (a menudo mucho), mientras que EPR compara la presión de admisión con la presión en el tubo de escape del motor (es decir, después de que el aire se ha utilizado para la combustión y se ha entregado energía a la (s) rueda (s) de la turbina del motor), y suele ser inferior a 1 en configuraciones de baja potencia.
La medida ampliamente equivalente de la eficiencia del motor cohete es la presión de la cámara / presión de salida, y esta relación puede ser superior a 2000 para el motor principal del transbordador espacial .