Propfan - Propfan

Um propfan , também chamado de motor de rotor aberto , ou ventilador sem dutos (em oposição a um ventilador com dutos ), é um tipo de motor de aeronave relacionado em conceito tanto ao turboélice quanto ao turbofan , mas distinto de ambos. O projeto visa oferecer a velocidade e o desempenho de um turbofan, com a economia de combustível de um turboélice. Um propfan é normalmente projetado com um grande número de lâminas curtas e altamente torcidas, semelhantes a um compressor de bypass turbofan (o próprio ventilador). Por esta razão, o propfan tem sido descrito de várias maneiras como um "ventilador não conduzido" (UDF) ou um "turbofan de desvio ultra-alto (UHB)".

Definição

Na década de 1970, o Hamilton Standard descreveu seu propfan como " um propulsor de pequeno diâmetro, com múltiplas lâminas e passo variável altamente carregado, com lâminas varridas com finas seções de aerofólio avançadas , integrado com uma nacela contornada para retardar o fluxo de ar através das lâminas, reduzindo assim as perdas de compressibilidade e projetado para operar com um motor de turbina e usando uma engrenagem de redução de estágio único , resultando em alto desempenho. "Em 1982, a revista semanal de aviação Flight International definiu o propfan como uma hélice com 8–10 pás altamente varridas que cruzavam a uma velocidade de 390–480 nós (450–550 milhas por hora; 720–890 quilômetros por hora), embora sua definição tenha evoluído alguns anos depois com o surgimento de propfans contra-rotativos .

Em 1986, o fabricante britânico de motores Rolls-Royce usou o termo rotor aberto como sinônimo do significado original de propfan. Esta ação foi delinear o tipo de motor propfan a partir de uma série de propostas de motores conduzidos na época que tinham propfan em seus nomes. Na década de 2000, rotor aberto (OR) tornou-se o termo preferido para a tecnologia propfan em pesquisas e reportagens, com rotor aberto contra-rotativo (CROR) também ocasionalmente sendo usado para distinguir entre propfans de rotação única. A partir de 2015, a Agência Europeia para a Segurança da Aviação (EASA) definiu um rotor aberto concretamente (mas amplamente) como " um estágio do ventilador do motor de turbina que não está contido dentro de uma carcaça; " em contraste, tinha apenas uma definição funcional de um rotor aberto motor (o termo mais comumente usado para propfan no século 21), chamando-o de " um motor de turbina com estágios de ventilador contra-rotativos não incluídos em uma caixa " . O motor usa uma turbina a gás para acionar uma contra-rotação não blindada (aberta) hélice como um turboélice, mas o projeto da hélice em si é mais fortemente acoplado ao projeto da turbina, e os dois são certificados como uma única unidade.

El-Sayed diferencia entre turboélices e propfans de acordo com 11 critérios diferentes, incluindo número de lâminas, formato da lâmina, velocidade da ponta, razão de desvio , número de Mach e altitude de cruzeiro .

História

Cerca de uma década depois que os engenheiros aeroespaciais alemães começaram a explorar a ideia de usar asas inclinadas para reduzir o arrasto em aeronaves de velocidade transônica , o Hamilton Standard, na década de 1940, tentou aplicar um conceito semelhante às hélices dos motores. Ele criou pás de hélice altamente varridas com velocidades de ponta supersônicas , de modo que os motores com hélices expostas pudessem impulsionar aeronaves a velocidades e altitudes de cruzeiro atingidas apenas por novos motores turbojato e turbofan . Os primeiros testes dessas lâminas revelaram problemas de vibração e tensão da lâmina então sem solução , e altos níveis de ruído foram considerados outro obstáculo. A popularidade dos turbojatos e turbofans restringiu a pesquisa em hélices, mas na década de 1960, o interesse aumentou quando estudos mostraram que uma hélice exposta acionada por uma turbina a gás poderia impulsionar um avião voando a uma velocidade de Mach 0,7-0,8 e a uma altitude de 35.000 pés (11.000 metros). O termo propfan foi criado durante este período.

Um dos primeiros motores que se assemelhava ao conceito propfan foi o Metrovick F.5 de 4.710 libras (21,0 kilonewtons ) , que apresentava duas ventoinhas contra-rotativas - 14 pás na frente (dianteira) e 12 pás na ré (traseira ) ventilador - na parte traseira do motor e foi acionado pela primeira vez em 1946. As pás, no entanto, não eram varridas em sua maioria. Outros motores de hélice contra-rotativos presentes em aeronaves comuns incluíam os quatro poderosos motores Kuznetsov NK-12 (cada um alimentando seu próprio conjunto de hélices coaxiais contra-rotativas) no bombardeiro militar de alta velocidade Tupolev Tu-95 Bear da União Soviética e Antonov An -22 aeronaves de transporte militar e os motores Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (ambos conectados a um único conjunto de hélices coaxiais contra-rotativas) na aeronave anti-submarina British Fairey Gannet . Ambas as configurações tinham quatro lâminas praticamente não varridas na hélice dianteira e na hélice traseira.

1970 a 1980

Quando a crise do petróleo de 1973 causou picos nos preços do petróleo no início dos anos 1970, o interesse pelos propfans disparou e as pesquisas financiadas pela NASA começaram a acelerar. O conceito do propfan foi delineado por Carl Rohrbach e Bruce Metzger da divisão Hamilton Standard da United Technologies em 1975 e foi patenteado por Rohrbach e Robert Cornell da Hamilton Standard em 1979. Trabalhos posteriores da General Electric em propulsores semelhantes adotaram o nome de ventilador induzido, que era um motor turbofan modificado , com o ventilador colocado fora da nacela do motor no mesmo eixo das pás do compressor .

Durante esta época, os problemas da hélice tornaram-se solucionáveis. Avanços foram feitos em materiais estruturais, como titânio metálico e grafite e compósitos de fibra de vidro com infusão de resina . Esses materiais substituíram o alumínio e os metais de aço na construção das lâminas, o que permitiu que as lâminas fossem mais finas e mais resistentes. O projeto auxiliado por computador também foi útil para refinar as características da lâmina. Uma vez que as lâminas se dobram e defletem com maior carga de energia e força centrífuga , os projetos iniciais precisavam ser baseados na forma em movimento. Com a ajuda de computadores, os projetistas de lâminas trabalhariam de trás para frente para encontrar a forma descarregada ideal para fins de manufatura.

Programas de teste de vôo

Instalação de teste em solo do motor Allison 501-M78 com uma hélice Hamilton Standard de 8 pás e 2,7 m de diâmetro para a NASA Propfan Test Assessment.

Hamilton Standard, o único grande fabricante americano de hélices para aeronaves, desenvolveu o conceito de propfan no início dos anos 1970. O Hamilton Standard testou inúmeras variações em conjunto com a NASA .

No programa Propfan Test Assessment (PTA), a Lockheed-Georgia propôs modificar um Gulfstream II para atuar como teste de voo para o conceito propfan, enquanto McDonnell Douglas propôs modificar um DC-9 para o mesmo propósito. A NASA escolheu a proposta da Lockheed . O DC-9 tinha uma nacela adicionada à asa esquerda, contendo um motor turboélice Allison 570 de 6.000 cavalos (4.500 quilowatts) (derivado do turboeixo XT701 desenvolvido para o helicóptero de carga pesada Boeing Vertol XCH-62 ). O motor usava um propfan Hamilton Standard SR-7 de rotação única de oito lâminas e 9 pés de diâmetro (2,7 metros; 110 polegadas; 270 centímetros). O motor de teste, que foi denominado Allison 501-M78, tinha uma classificação de empuxo de 9.000 lbf (40 kN). Foi operado pela primeira vez em vôo em 28 de março de 1987. O extenso programa de testes, que custou cerca de US $ 56 milhões, acumulou 73 voos e mais de 133 horas de vôo antes de terminar em 25 de março de 1988. Em 1989, porém, a aeronave de teste voltou ao ar de 3 a 14 de abril para medir os níveis de ruído do solo durante o vôo. O motor foi removido depois disso, e a aeronave foi convertida em uma aeronave de treinamento de ônibus espacial no final daquele ano.

O GE36 em um demonstrador McDonnell Douglas MD-80 no Farnborough Air Show de 1988 . O motor de ventoinha sem engrenagens induzido tinha um diâmetro total de 11,67 pés (3,56 m), com oito ou dez pás na frente (dependendo da configuração específica) e oito pás na parte traseira.

O GE36 Unducted Fan (UDF), da fabricante americana de motores General Electric (GE) com 35 por cento de participação da parceira francesa Snecma (agora Safran ), era uma variação do conceito original do propfan e lembrava um motor de pistão com configuração de empurrador . O UDF da GE tinha um novo arranjo de acionamento direto, onde a caixa de engrenagens de redução foi substituída por uma turbina livre de sete estágios de baixa velocidade. Um conjunto de rotores de turbina movia o conjunto de hélices dianteiro, enquanto o conjunto traseiro era movido pelo outro conjunto de rotores que girava na direção oposta. A turbina tinha 14 fileiras de pás com sete estágios. Cada estágio era um par de fileiras contra-rotativas. Os airframers, que desconfiavam das caixas de câmbio sujeitas a problemas desde a década de 1950, gostaram da versão sem engrenagens do propfan da GE: a Boeing pretendia oferecer o motor UDF da GE na plataforma 7J7 (que teria uma velocidade de cruzeiro de Mach 0,83) e McDonnell Douglas planejou fazer o mesmo em seu avião MD-94X . O GE36 foi testado em vôo pela primeira vez montado na estação de motor # 3 de um Boeing 727-100 em 20 de agosto de 1986. O GE36 UDF para o 7J7 foi planejado para ter um empuxo de 25.000 libras-força (110 kN), mas a GE afirmou que em geral seu conceito UDF poderia cobrir uma faixa de empuxo de 9.000 a 75.000 lbf (40 a 334 kN), então um motor UDF poderia possivelmente igualar ou superar o empuxo do CF6 , a família de motores widebody da GE na época.

McDonnell Douglas desenvolveu uma aeronave de prova de conceito modificando seu MD-80 de propriedade da empresa , que é adequado para propfans devido aos seus motores montados na fuselagem traseira (como seu ancestral DC-9), em preparação para o possível propfan Derivados de MD-91 e MD-92 e uma possível aeronave de folha limpa MD-94X . Eles substituíram o motor turbofan JT8D do lado esquerdo pelo GE36. Os voos de teste começaram em maio de 1987, o que provou a navegabilidade do projeto, as características aerodinâmicas e a assinatura de ruído. Após os testes iniciais, uma cabine de primeira classe foi instalada dentro da fuselagem traseira e os executivos das companhias aéreas tiveram a oportunidade de experimentar a aeronave UDF em primeira mão. Os voos de teste e marketing da aeronave demonstradora equipada com GE concluíram em 1988, exibindo uma redução de 30% no consumo de combustível em relação ao MD-80 com turboventilador, conformidade total de ruído do Estágio 3 e baixos níveis de ruído / vibração interior. O GE36 teria o mesmo impulso de 25.000 lbf (110 kN) no MD-92X, mas o mesmo motor seria reduzido para 22.000 lbf (98 kN) de impulso para o MD-91X menor. O MD-80 também foi testado com sucesso em vôo em abril de 1989 com o propfan 578-DX , que era um protótipo da Allison Engine Company (na época uma divisão da General Motors ) que também era derivado do Allison XT701 e construído com Hamilton Hélices padrão. O programa de motores foi desenvolvido em conjunto entre a Allison e outra divisão da United Technologies, a fabricante de motores Pratt & Whitney . Ao contrário do concorrente GE36 UDF, o 578-DX era bastante convencional, tendo uma caixa de engrenagens de redução entre a turbina LP e as lâminas do propfan. Devido à queda nos preços do combustível de aviação e à mudança nas prioridades de marketing, Douglas arquivou o programa propfan no final daquele ano.

O mecanismo PW – Allison 578-DX instalado na mesma bancada de teste MD-80. O motor propfan com engrenagem de contra-rotação tem 11,6 pés (3,5 m) de diâmetro, com seis pás na frente e seis atrás.

Outras aplicações propostas

Outros anúncios de futuros aviões movidos a propfan incluíram:

  • O Fokker FXX, uma aeronave propfan para 100-120 assentos que foi estudada em 1982
  • O MPC-75 , uma aeronave regional de 80 assentos, velocidade de cruzeiro Mach 0,76 e alcance de 1.500 nm (1.700 mi; 2.800 km), concebida por Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) da Alemanha Ocidental e a Corporação Chinesa de Exportação / Importação de Tecnologia Aeronáutica ( CATIC); usado como o motor de base dois de accionamento directo Geral GE38 elétrica motores -B5 UDF entregando 9.644 e 2.190 lbf (4.374 e 993 kgf; 42,90 e 9,74 kN) em pressão estática e de cruzeiro com um consumo específico de combustível-impulso (TSFC) de 0,240 e 0,519 lb / (lbf⋅h) (6,8 e 14,7 g / (kN⋅s)), respectivamente, através de um propfan de 85 pol (2,1 m) de diâmetro com 11 e 9 pás nas hélices em contra-rotação; proposto como um motor alternativo a 14500 lbf (6.600 kgf; 64 kN) impulsão estática, PW-Allison 501-M80E orientada motor propfan, que foi derivado a partir do turboshaft 501-M80C que foi escolhida para poder a Marinha dos Estados Unidos da Osprey tiltrotor aeronave; mais tarde descreveu o motor propfan como um com o núcleo do T406 (a designação militar para o motor do Osprey), contendo um propfan de 108 de diâmetro (2,7 m) que fornecia 2.450 lbf (1.110 kgf; 10,9 kN) de empuxo em cruzeiro com um TSFC de 0,51 lb / (lbf⋅h) (14 g / (kN⋅s))
  • O ATR 92, uma velocidade de cruzeiro de 400 kn (460 mph; 740 km / h), cinco ou seis lado a lado, aeronave de 100 lugares da Avions de Transport Regional (ATR, uma joint venture entre a Aerospatiale da França e a Aeritalia da Itália ) e da Espanha Construcciones Aeronáuticas SA (CASA), que possivelmente seria movido pela UDF
  • O Aerospatiale AS.100, uma aeronave regional com um alcance de 1.500 nm (1.700 mi; 2.800 km), uma velocidade de cruzeiro de Mach 0,74-0,78 a 30.000 pés (9.100 m) de altitude e uma capacidade de 80-100 assentos, que pode ser alimentado por UDF ou por uma versão propfan do motor tiltrotor Allison T406
  • O ATRA-90 (Aeronave Regional de Tecnologia Avançada), uma aeronave de 83 a 115 assentos com um alcance de 1.500-2.100 nm (1.700–2.400 mi; 2.800-3.900 km) e uma velocidade de cruzeiro de Mach 0,8 a 30.000 pés (9.100 m) altitude, que seria construída por uma joint venture multinacional composta por Industri Pesawat Terbang Nusantara ( IPTN ) da Indonésia, Boeing (EUA), MBB (Alemanha Ocidental) e Fokker (Holanda)
  • O Tupolev Tu-334 , uma aeronave de 126 assentos que pode viajar 1.860 nmi (2.140 mi; 3.450 km) com 11.430 kg de carga útil (25.200 lb; 11,43 t; 12,60 toneladas curtas), que é movido por dois Progress (também conhecidos como Lotarev) propfans D-236 com uma queima de combustível específica de 0,46 kg / kg-empuxo / hora, um empuxo de cruzeiro de 1,6 toneladas de força (3.500 lbf; 16 kN) e um empuxo estático de 8 a 9 tf (18.000 a 20.000 lbf; 78 a 88 kN)
  • O Ilyushin Il-88 , um sucessor do transportador tático de quatro turboélices Antonov An-12 que seria movido por dois propfans Progress D-236 de 11.000 hp (8.200 kW)
  • O Ilyushin Il-118, uma atualização do avião turboélice Ilyushin Il-18 ; proposto em 1984, a aeronave seria movida por dois propfans D-236, com a hélice dianteira de oito pás em cada motor girando a uma velocidade de 1.100 rpm e a hélice traseira de seis pás girando a 1.000 rpm para reduzir o ruído e vibração
  • Um Antonov An-124 com novo motor , substituindo os quatro turbofans Progress D-18T por propfans Kuznetsov NK-62 de 55.100 lbf de empuxo (245,2 kN)

Declínio

Nenhum desses projetos deu certo, no entanto, principalmente por causa do ruído excessivo da cabine (em comparação com os turbofans) e os baixos preços dos combustíveis. Para a General Electric, o GE36 UDF foi concebido para substituir o turbofan CFM56 high-bypass que ela produziu com o parceiro Snecma em sua joint venture CFM International . Na década de 1980, o motor inicialmente não era competitivo em relação à oferta rival da International Aero Engines , o IAE V2500 . Em dezembro de 1986, o presidente da Snecma declarou que o CFM56-5S2 em desenvolvimento seria o último turbofan criado para a família CFM56 e que " Não adianta gastar mais dinheiro em turbofans. UDF é o futuro." O V2500 teve problemas técnicos em 1987, no entanto, e o CFM56 ganhou um grande impulso de vendas. A General Electric perdeu o interesse em que o GE36 canibalizasse o CFM56, o que aconteceu cinco anos antes de receber seu primeiro pedido em 1979, e embora "o UDF pudesse ser tornado confiável por padrões anteriores, os turbofans estavam ficando muito, muito melhores do que isso". A General Electric adicionou a tecnologia de lâmina do UDF diretamente ao GE90 , o motor a jato mais potente já produzido, para o Boeing 777 .

Década de 1990

O motor propfan Progress D-236 na aeronave de teste Yak-42 E-LL no Paris Air Show em 1991.

No início da década de 1990, a União Soviética / Rússia realizou testes de voo no Progress D-236 , um motor propfan contra-rotação com engrenagem baseado no núcleo do turbofan Progress D-36 , com oito pás na hélice dianteira e seis pás na hélice traseira. Um teste foi um propfan de 10.100 hp (7.500 kW) montado em um Ilyushin Il-76 e voado para o airshow Hannover ILA 90, que foi planejado para uma aeronave de quatro propfan não identificada. O D-236 voou 36 vezes para um total de 70 horas de teste de vôo no Il-76. A outra bancada de teste foi de 10.990 cv (8.195 kW), unidade de 14 pés (4,2 m; 170 pol; 420 cm) montada em um Yakovlev Yak-42 E-LL e voou para o Paris Air Show de 1991 , como uma demonstração do planejado Aeronave Yak-46 com motores propfan gêmeos, que em sua versão base de 150 lugares teria um alcance de 1.900 nm (2.200 mi; 3.500 km) e cruzeiro a uma velocidade de 460 kn (530 mph; 850 km / h; 780 pés / s; 240 m / s) (Mach 0,75). Os soviéticos alegaram que o D-236 tinha uma verdadeira eficiência aerodinâmica de 28 por cento e uma economia de combustível de 30 por cento em relação a um turboélice equivalente . Eles também revelaram planos para propfans com classificações de potência de 14.100 e 30.200 HP (10.500 e 22.500 kW).

Progress D27 Propfans instalados em um Antonov An-70 .

Como o Progress D-236, o motor propfan Progress D-27 mais potente é um propfan contra-rotativo com oito lâminas dianteiras e seis lâminas traseiras, mas o D-27 possui lâminas compostas avançadas com uma relação espessura-corda reduzida e uma curvatura mais pronunciada na vanguarda . Um motor que foi lançado em 1985, o D-27 oferece 14.000 hp (10.440 kW) de potência com 27.000 lbf (119 kN) de empuxo na decolagem. Dois propfans D-27 montados na retaguarda impulsionaram o ucraniano Antonov An-180 , que estava programado para um primeiro vôo em 1995 e uma entrada em serviço em 1997. Em janeiro de 1994, Antonov lançou o primeiro protótipo da aeronave de transporte militar An-70 , movida por quatro Progress D-27s presos a asas montadas no topo da fuselagem. A Força Aérea Russa fez um pedido de 164 aeronaves em 2003 , posteriormente cancelado. Em 2013, o An-70 ainda era pensado para ter um futuro promissor como cargueiro. No entanto, como o componente da hélice do Progress D-27 é feito pela SPE Aerosila da Rússia , o An-70 foi bloqueado pelo conflito político da Ucrânia com a Rússia . Em vez disso, Antonov começou a trabalhar com a Turquia em 2018 para reconstruir o An-70 como um An-77 renomeado , para que a aeronave pudesse cumprir os requisitos modernos sem a participação do fornecedor russo.

Século vinte e um

Na primeira década do século 21, o aumento dos preços do combustível de aviação aumentou a ênfase na eficiência do motor / fuselagem para reduzir as emissões, o que renovou o interesse no conceito de propfan para aviões além do Boeing 787 e do Airbus A350 XWB. Por exemplo, os designs de aeronaves patenteados pela Airbus com dois propfans contra-rotativos montados na parte traseira. A Rolls-Royce teve o RB.509-11 configurado traseiro (empurrador) e o propfan com engrenagens RB.509-14 configurado na frente (trator), que produziu 15.000–25.000 lbf de empuxo (6.800–11.300 kgf; 67–111 kN) usando o gerador a gás de seu motor XG-40 com 13.000 hp (9.700 kW) de potência no eixo. Ele se tornou morno em tecnologia propfan na década de 1980, embora tenha desenvolvido um design de rotor aberto que foi considerado um dos finalistas para a aeronave de corpo estreito Irkut MS-21 . O motor Rolls-Royce RB3011 teria um diâmetro de cerca de 170 pol. (430 cm; 14 pés; 4,3 m) e exigiria uma caixa de câmbio de 16.000 HP (12.000 kW) .

Maquete do rotor aberto da Safran em 2017.

A Comissão Europeia lançou uma demonstração Open Rotor em 2008 liderada pela Safran dentro do programa Clean Sky financiado com 65 milhões de euros ao longo de oito anos. Um demonstrador foi montado em 2015 e testado em solo em maio de 2017 em sua plataforma de teste ao ar livre em Istres , com o objetivo de reduzir o consumo de combustível e as emissões de CO 2 associadas em 30% em comparação com os atuais turbofans CFM56 . Após a conclusão dos testes de solo no final de 2017, o motor de rotor aberto com engrenagens da Safran atingiu o nível de preparação de tecnologia 5. A hélice dianteira de doze pás e a hélice traseira de dez pás do demonstrador tinham diâmetros de 13,1 e 12,5 pés (4,0 e 3,8 m; 160 e 150 polegadas; 400 e 380 cm), respectivamente. O demonstrador, baseado no núcleo do motor do caça militar Snecma M88 , usa até 12.200 cavalos (9 megawatts), fornece um empuxo de cerca de 22.000 lbf (100 kN) e navegaria a uma velocidade de Mach 0,75. O futuro motor de rotor aberto da Safran, no entanto, teria um diâmetro máximo de quase 14,8 pés (4,50 m; 177 pol; 450 cm).

Em 2007, o Progress D-27 foi modificado com sucesso para atender aos regulamentos do Estágio 4 da Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos (FAA), que correspondem aos padrões do Capítulo 4 da Organização de Aviação Civil Internacional (ICAO). Um estudo comercial de 2012 projetou que o ruído do propfan seria de 10 a 13 decibéis mais silencioso do que o permitido pelos regulamentos do Estágio 4. Os limites de ruído do estágio 5 reduzem os limites em apenas sete decibéis de ruído percebido efetivo ( EPNdB ), dentro do envelope de ruído propfan. O estudo também projetou que os rotores abertos seriam nove por cento mais eficientes em termos de combustível, mas permaneceriam 10-12 decibéis mais altos do que os turbofans. Snecma afirmou que seus motores propfan teriam aproximadamente os mesmos níveis de ruído que seu motor turbofan CFM LEAP .

Em 2021, o CFM anunciou seu programa de desenvolvimento de Inovação Revolucionária para Motores Sustentáveis ​​(RISE) para produzir um propfan acionado por engrenagem de estágio único emparelhado com estatores ativos em um extrator / trator, configuração com testes de vôo para começar em 2025. O rotor era esperado exceder em diâmetro. Esperava-se que o motor produzisse 20.000-35.000 libras. de empuxo com um aumento de 20% na eficiência de combustível. A empresa afirmou que sua motivação era a ênfase global na redução de emissões. O motor foi planejado para suportar hidrogênio e Combustíveis de Aviação Sustentáveis. Esperava-se que o motor incluísse um núcleo compacto de alta pressão e um sistema de recuperação para pré-aquecer o ar de combustão com o calor de exaustão, juntamente com compostos de matriz de cerâmica na seção quente e pás de ventilador compostas moldadas por transferência de resina. Além do rotor, o projeto inclui um conjunto não rotativo de lâminas de estator de passo variável que atuam como palhetas de recuperação de fluxo. O projeto aumenta a razão de pressão do ventilador e reduz a carga do rotor, aumentando a velocidade no ar. O estágio do ventilador deve ser alimentado por um compressor auxiliar de alta velocidade e uma caixa de câmbio dianteira acionada por eixo de baixa pressão e alta velocidade. O motor está programado para ser certificado como um "motor integrado" em vez de um "hélice / motor" tradicional por causa de sua complexidade de integração da fuselagem.

Desafios

Desenho de lâmina

Os turboélices têm uma velocidade ótima abaixo de cerca de 450 mph (390 kn; 720 km / h), porque as hélices perdem eficiência em alta velocidade, devido a um efeito conhecido como arrasto de onda que ocorre logo abaixo das velocidades supersônicas . Essa poderosa resistência tem um início repentino e levou ao conceito de uma barreira de som quando encontrada pela primeira vez na década de 1940. Este efeito pode acontecer sempre que a hélice é girada rápido o suficiente para que as pontas das pás se aproximem da velocidade do som.

A maneira mais eficaz de resolver esse problema é adicionar lâminas à hélice, permitindo que ela forneça mais potência a uma velocidade de rotação mais baixa. É por isso que muitos projetos de caças da Segunda Guerra Mundial começaram com hélices de duas ou três pás, mas no final da guerra estavam usando até cinco pás; à medida que os motores foram atualizados, novas hélices foram necessárias para converter essa potência com mais eficiência. Adicionar lâminas torna a hélice mais difícil de equilibrar e manter, e as lâminas adicionais causam pequenas penalidades de desempenho devido a problemas de arrasto e eficiência. Mas mesmo com esses tipos de medidas, eventualmente a velocidade de avanço do avião combinada com a velocidade de rotação das pontas das pás da hélice (juntas conhecidas como velocidade da ponta helicoidal) resultará novamente em problemas de resistência das ondas. Para a maioria das aeronaves, isso ocorrerá a velocidades acima de cerca de 450 mph (390 kn; 720 km / h).

Hélice varrida

Um método para diminuir o arrasto das ondas foi descoberto por pesquisadores alemães em 1935 - varrer a asa para trás. Hoje, quase todas as aeronaves projetadas para voar muito acima de 450 mph (390 kn; 720 km / h) usam uma asa varrida . Uma vez que o interior da hélice está se movendo mais lentamente na direção de rotação do que o exterior, a pá é progressivamente mais inclinada para trás em direção ao exterior, levando a uma forma curva semelhante a uma cimitarra - uma prática que foi usada pela primeira vez em 1909, na hélice de madeira de duas lâminas Chauvière usada no Blériot XI . (Na raiz da lâmina, a lâmina é realmente varrida para a frente na direção de rotação, para conter a torção que é gerada pelas pontas da lâmina varridas para trás.) O propfan de teste Padrão de Hamilton foi varrido progressivamente a um máximo de 39 graus nas pontas da lâmina , permitindo que o propfan produza empuxo mesmo que as lâminas tenham uma velocidade de ponta helicoidal de cerca de Mach 1,15.

As lâminas do GE36 UDF e do 578-DX têm uma velocidade máxima de ponta em rotação de cerca de 750–800 pés / s (230–240 m / s; 510–550 mph; 820–880 km / h), ou cerca de metade a velocidade máxima de ponta para as pás da hélice de um turbofan convencional. Essa velocidade máxima da ponta da pá seria mantida constante, apesar do diâmetro da hélice mais largo ou mais estreito (resultando em uma redução ou aumento de RPM, respectivamente).

O arrasto também pode ser reduzido tornando as lâminas mais finas, o que aumenta a velocidade que as lâminas podem atingir antes que o ar à frente delas se torne compressível e cause ondas de choque. Por exemplo, as lâminas do propfan de teste Padrão de Hamilton tinham uma relação espessura-corda que diminuía de menos de 20% na junção do spinner para 2% nas pontas e 4% no meio do vão. As lâminas Propfan tinham aproximadamente metade da relação espessura-corda das melhores lâminas de hélice convencionais da época, afiadas como uma navalha em suas bordas e pesavam apenas 20 libras (9,1 kg). (O motor UDF GE36 que foi testado no Boeing 727 tinha lâminas dianteiras e traseiras que pesavam 22,5 e 21,5 lb (10,2 e 9,8 kg) cada.)

Uma comparação do propfan com outros tipos de motores de aeronaves.

Barulho

Um dos maiores problemas com o propfan é o ruído. A pesquisa do propfan na década de 1980 descobriu maneiras de reduzir o ruído, mas ao custo da redução da eficiência do combustível, mitigando algumas das vantagens de um propfan.

Os métodos gerais para reduzir o ruído incluem diminuir as velocidades da ponta e diminuir o carregamento da lâmina ou a quantidade de empuxo por unidade de área de superfície da lâmina. Um conceito semelhante ao carregamento da asa , o carregamento da lâmina pode ser reduzido diminuindo o requisito de empuxo ou aumentando a quantidade, largura e / ou comprimento das lâminas. Para propfans contra-rotativos, que podem ser mais altos do que turboélices ou propfans de rotação única, o ruído também pode ser reduzido por:

  • aumentando a distância entre as hélices;
  • manter comprimentos das pás da hélice traseira mais curtos do que os da hélice dianteira, de modo que as pás da hélice traseira evitem cortar os vórtices da ponta da pá da hélice dianteira ( interação pá-vórtice );
  • usando diferentes números de pás nas duas hélices, para evitar reforço acústico ; e
  • girar a hélice dianteira e a hélice traseira em velocidades diferentes, também para evitar o reforço acústico.

Barulho da comunidade

Os fabricantes de motores esperam que as implementações do propfan atendam aos regulamentos de ruído da comunidade (em oposição à cabine), sem sacrificar a vantagem de eficiência. Alguns pensam que os propfans podem potencialmente causar menos impacto na comunidade do que os turbofans, devido às suas velocidades de rotação mais baixas. Propfans engrenados devem ter uma vantagem sobre propfans ungeared pelo mesmo motivo.

Em 2007, o Progress D-27 foi modificado com sucesso para atender aos regulamentos do Estágio 4 da Administração Federal de Aviação dos Estados Unidos (FAA), que correspondem aos padrões do Capítulo 4 da Organização de Aviação Civil Internacional (ICAO) e foram adotados em 2006. Um estudo comercial de 2012 projetado que o ruído da tecnologia de rotor aberto existente seria de 10 a 13 decibéis mais silencioso do que o nível máximo de ruído permitido pelos regulamentos do Estágio 4; os limites de ruído do Estágio 5 mais recentes (que substituíram os regulamentos do Estágio 4 para aeronaves maiores em 2018 e espelharam o padrão de ruído do Capítulo 14 da ICAO estabelecido em 2014) são mais restritivos do que o requisito do Estágio 4 em apenas sete decibéis de ruído percebido efetivos ( EPNdB ), então a tecnologia atual do propfan não deve ser prejudicada pelos padrões do Estágio 5. O estudo também projetou que nos níveis de tecnologia existentes, os rotores abertos seriam nove por cento mais eficientes em termos de combustível, mas permaneceriam 10-12 decibéis mais altos do que os turbofans. A Snecma , no entanto, afirma que os testes de rotor aberto mostram que seus motores propfan teriam aproximadamente os mesmos níveis de ruído que seu motor turbofan CFM LEAP , que entrou em serviço em 2016.

Reduções adicionais podem ser alcançadas redesenhando a estrutura da aeronave para proteger o ruído do solo. Por exemplo, outro estudo estimou que se os motores propfan fossem usados ​​para alimentar uma aeronave de corpo de asa híbrida em vez de uma aeronave de tubo e asa convencional, os níveis de ruído poderiam ser reduzidos em até 38 EPNdB em comparação com os requisitos do Capítulo 4 da ICAO. Em 2007, a companhia aérea britânica easyJet apresentou seu conceito ecoJet, uma aeronave de 150-250 assentos com motores de rotor aberto montados em V unidos à fuselagem traseira e protegidos por uma cauda em U. Ela iniciou, sem sucesso, discussões com a Airbus, Boeing e Rolls-Royce para produzir a aeronave.

Tamanho

Uma aeronave bimotora transportando 100-150 passageiros exigiria diâmetros propfan de 120-168 polegadas (300-430 cm; 10,0-14,0 pés; 3,0-4,3 m), e um propfan com um diâmetro de hélice de 236 pol (600 cm); 19,7 pés; 6,0 m) teoricamente produziriam quase 60.000 lbf (270 kN) de empuxo. Esses tamanhos atingem as altas taxas de desvio desejadas de mais de 30, mas eles têm aproximadamente o dobro do diâmetro dos motores turbofan de capacidade equivalente. Por esta razão, os fuseladores normalmente projetam a empenagem com uma configuração de cauda em T para fins aerodinâmicos , e os propfans podem ser fixados na parte superior da fuselagem traseira . Para o protótipo do propfan Rolls-Royce RB3011 , um poste de cerca de 8,3 pés (2,54 m; 100 pol; 254 cm) de comprimento seria necessário para conectar o centro de cada motor à lateral da fuselagem. Se os propfans forem montados nas asas, as asas seriam fixadas à aeronave em uma configuração de asa alta , o que permite a distância ao solo sem exigir trem de pouso excessivamente longo . Para a mesma quantidade de potência ou empuxo produzido, um ventilador sem canalização requer pás mais curtas do que um propfan com engrenagens, embora os problemas gerais de instalação ainda se apliquem.

Avaliação de saída

Os turboélices e a maioria dos propfans são avaliados pela quantidade de potência do eixo (shp) que produzem, ao contrário dos turbofans e do tipo propfan UDF, que são avaliados pela quantidade de empuxo que fornecem . A regra prática é que, ao nível do mar com um motor estático, 1 cavalo-vapor de eixo (750 watts) é aproximadamente equivalente a 2 libras-força (8,9 N) de empuxo, mas em altitude de cruzeiro, isso muda para cerca de 1 libra-força (4,4 N) impulso. Isso significa que dois motores de impulso de 25.000 lbf (110 kN) podem teoricamente ser substituídos por um par de propfans propfans de 12.000-13.000 HP (8.900-9.700 kW) ou por dois propfans UDF de impulso de 25.000 lbf (110 kN).

Aeronave com propfans

Veja também

Motores comparáveis

Listas relacionadas

Referências

Recursos gerais

  • Conceitos de propulsão do ventilador prop: Revisão de Tecnologia, Metodologia de Projeto, Projetos de última geração e perspectivas futuras. Raymond Scott Ciszek. Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da University of Virginia. Projeto de Tese Sênior. 25 de março de 2002

Bibliografia

links externos