Por que nunca vemos motores turbofan de bypass alto compartilhando a mesma nacela em aviões de grande porte e aeronaves similares?

Resposta curta

São as condições de fluxo muito diferentes, de estático para cruzeiro, que exigem uma colocação separada de motores a jato de alto índice de desvio. Eles produziriam menos empuxo e mais arrasto quando emparelhados.

Por que existem motores pareados?

Arado construiu dois protótipos de quatro motores de seu jato Ar-234 , um com motores separados (V6, veja diretamente abaixo) e um com motores emparelhados (V8, mais abaixo). O V8 tornou-se o protótipo da versão C do Ar-234.

No entanto, com o aumento do fluxo de ar dos motores de alto desvio, a interferência entre ambos tornará o pareamento em desvantagem. Em cruzeiro, apenas o tubo de fluxo central que flui em direção ao motor será ingerido , e o restante transbordará sobre o lábio de ingestão. Colocar um segundo motor diretamente ao lado do primeiro bloqueará o fluxo de ar derramado naquele lado e aumentará o fluxo de derramamento no lado oposto. Isso provavelmente causará uma separação massiva se a entrada não for altamente modificado , levando a um notável aumento de arrasto. Além disso, o fluxo agora assimétrico na entrada reduziria a eficiência do ventilador - ele precisa de um fluxo muito homogêneo em toda a seção transversal dos motores de hoje.

Por outro lado, em baixa velocidade, o mecanismo suga o ar de todos os lados e enfrentará a concorrência de um segundo motor, de modo que ambos não consigam ingerir tanto ar quanto quando montado separadamente. A consequência do emparelhamento seria a redução do empuxo durante a decolagem.

A desvantagem inicial de motores separados, seu impacto coletivo na aerodinâmica da asa, é agora bastante reduzida por montá-los em pilões , para que eles estejam à frente e abaixo da asa.

Uma grande parte disso está provavelmente relacionada à manutenção, como você observou. Atualmente, os motores são geralmente retirados do poste. Se eles estivessem emparelhados em um poste, eles teriam que ser removidos juntos (tornando-os essencialmente metade confiáveis) ou anexados de uma maneira diferente.

Com motores a jato modernos, apenas a maior aeronave faz sentido ter quatro motores, porque a aeronave de dois motores é mais eficiente. Isso significa que aviões como o 747 e o A380 seriam candidatos a esse design. Existe realmente um benefício estrutural de colocar um motor mais afastado na asa. Quando em vôo, o peso do motor ajuda a aliviar o momento de flexão da asa. Como você observou, isso torna o controle de saída do motor mais difícil. A colocação de dois motores em uma asa é um compromisso entre a estrutura e o controle de saída do motor.

Isso também afetaria a quantidade de energia que o avião precisa. Aviões bimotores devem ter energia suficiente para decolar se um motor falhar após V1. Isso significa que eles precisam continuar a decolagem de 50% de energia. Aeronave com quatro motores deve atender ao mesmo requisito, mas isso significa que eles precisam continuar a decolagem com 75% de energia. No entanto, o emparelhamento dos mecanismos torna muito mais provável que uma falha em um afete o outro. Isso significa que o avião pode ser obrigado a voar com 50% de potência, o que tornará o avião ainda menos eficiente.

Outro problema potencial é o impulso reverso. Atualmente, os motores podem usar locais ao redor da circunferência da nacela para ejetar esse ar. Com os motores combinados, cada um teria apenas parte da circunferência, portanto, isso poderia criar problemas de fluxo.

Casos de motores fracassados ou reversores colocariam torque no pilone, exigindo peso adicional para a força.

Poderia haver algum benefício em combinar sistemas de mecanismo, mas seria ao custo de redundância reduzida.

Isso reduziria a área do lado de fora da nacela, mas aumentaria a área frontal. Considerando dois mecanismos de 120 polegadas de diâmetro, combinando-os conectando-se diretamente na parte superior e inferior, você diminui o perímetro de 750 polegadas para 615 polegadas, mas aumenta a área frontal de 22600 em ^ 2 para 25700 em ^ 2. Trazer o perfil entre os motores (como na foto acima), diminuirá a área frontal, mas também aumentará o perímetro.

Para que um motor seja eficiente de um ponto de vista propulsivo, existe a necessidade de "movimentar uma grande quantidade de fluxo com a mesma energia". O que significa, para um dado núcleo, criar o maior leque possível. Então, do ponto de vista da propulsão, esse design é menos eficiente que a configuração do A380. Você pode ver aqui mais informações sobre eficiência propulsora.

Não há muita economia na área molhada, mas haverá alguma interferência entre os dois motores na redução de escape em cima da eficiência. Além disso, a junção entre os dois motores irá criar um crescimento da camada limite, tornando a junção mais arrastada. Não consigo quantificar o arrasto total, mas não está claro para mim que, em termos líquidos, a economia de arrasto na superfície molhada compensa ou não o aumento do aumento viscoso (camada limite) no arrasto e na integração da propulsão.

Um motor é basicamente uma máquina de aspiração que tenta absorver o fluxo em torno do motor, isso será menos importante no cruzeiro, mas na decolagem ambos os motores competirão pelo ar ao redor, fazendo com que eles produzam menos empuxo. A queda crítica da falha do motor é geralmente uma condição de dimensionamento para o tamanho do motor ... portanto, temos menos eficiência na condição mais crítica. De uma perspectiva de avião global, isso torna o motor mais subdimensionado.

Seu ponto sobre a aleta vertical está correto.

No que diz respeito ao risco de falha de motor não contida, os motores são normalmente projetados para evitar essa situação. Eu amo este vídeo sobre o teste realizado.

Em termos de estrutura, leve em consideração que, na condição de falha de um motor, você precisará incluir o impulso de guinada de ter um motor funcionando operacionalmente e o outro não. Então, muito provavelmente, o pilão será mais pesado que 2 pilares (embora menos arrastado).

Além disso, essa configuração não faz sentido, geralmente é mais barato incluir um tanque de compensação do que usar casquinhas externas de combustível.

Como um exemplo de que os mecanismos de junção de compromisso não estão realmente fazendo o negócio apenas olhar para todos os aviões de asas misturadas, todos eles estão tendo seus motores na parte superior do avião separados entre eles (como X48 ).

Como regra geral, eu diria "menos motores o maior possível".

A junção de motores foi tentada no passado nos dias de turbojato reto - o Iluyshin Il-62 e o Vickers VC-10 usavam essa configuração, assim como o jato executivo Lockheed JetStar; isso foi feito devido à fraca saída de empuxo dos turbojatos iniciais. Os turbofans modernos produzem um impulso suficiente para que você não precise emparelhar motores - na verdade, uma proposta foi lançada para a USAF substituir os turbojatos emparelhados nos postes do motor do B-52 com turbofans RB-211 (transformando assim um bombardeiro de oito turbojato em um motor de quatro turbofan). Isso foi rejeitado devido aos custos iniciais; no entanto, a economia de combustível teria sido bastante significativa devido à capacidade de usar metade dos motores e o melhor consumo específico de combustível dos turbofans.

Outro problema com os motores emparelhados em um poste é a segurança - LOTE 5055 demonstrou isso de forma trágica quando um de seus Os turbofans Soloviev D-30 sofreram uma falha não contida, causando um incêndio no motor e danos severos ao outro motor naquele lado; se o Il-62 usasse um layout mais tradicional, tal incidente teria sido muito menos problemático, já que o padrão de fogo e dano teria sido muito mais confinado.

Algumas das coisas que li sobre o "re-engineing discussion" sobre o B-52 não se baseiam tanto na atualização para motores mais modernos (melhor economia de combustível, disponibilidade de peças de reposição, etc.), mas no implicações da "autoridade do leme".

Se o BUFF passou de 8 motores para 4, as implicações de uma perda de 1/4 ou 2/4 motores no mesmo lado implicariam que o atual leme B-52 e o estabilizador horizontal podem não ser adequados para aterrissar. avião com segurança em uma situação de motor de 3/4 ou 2/4. A saber: substituir oito motores por quatro pode exigir uma reengenharia (em massa) enorme do leme e do estabilizador vertical.

O emparelhamento de mecanismos como esse torna mais provável que a falha de um mecanismo se propague para o outro. Isso aconteceu, por exemplo, no F-18, onde um dos motores tinha uma falha incontida, resultando em pedaços de motor (acho que eram lâminas de turbina) destruindo o outro.

Além disso, quando você tem motores montados nas asas, espalhá-los reduz os momentos de flexão das asas, o que tende a reduzir o peso das asas.