Compressor-Turbine: Por que um eixo e não como um “tambor giratório”?

Existem algumas razões práticas pelas quais os motores de turbina usam eixos / carretéis internos.

Primeiro, as bobinas dos motores a jato são peças rotativas de alta velocidade, o que significa que elas estão sujeitas a altas quantidades de força centrípeta. A força centrípeta é calculada por $ F = mr \ omega ^ 2 $ se F é Força, m é massa, r é raio de giração e $ \ omega $ é velocidade angular. Então, obviamente, quanto maior o raio de rotação, maiores as forças que os rotores devem carregar. Para reduzir o raio de rotação, os fabricantes tentam empurrar a massa dos rotores o mais próximo possível da linha central do motor. Na imagem abaixo ( fonte ) circulei os rotores HPC, HPT e LPT. Você pode ver como eles são muito finos sob as lâminas e então ter uma grande lâmpada muito próxima da linha central do motor. Movendo toda essa massa em direção à linha central, abaixa o raio de giração e, assim, reduz a força centrípeta. Ao reduzir a força centrípeta, você também pode reduzir a força dos rotores, já que eles não precisam carregar tanta carga. Isso permite remover a massa dos rotores, reduzindo ainda mais a força centrípeta e o peso total do motor.

Em seguida, você quer que os rolamentos sejam o menor possível. Isso ocorre porque, à medida que o raio de um rolamento aumenta, a velocidade linear também aumenta, por meio dessa equação: $ v = \ omega r $. Quanto mais rápida a velocidade linear, maior o desgaste, maior o atrito e maior a geração de calor. Portanto, há um impulso para tornar os rolamentos o menor possível, dadas outras restrições. Na imagem abaixo, circulei os mancais, os círculos vermelhos estão nos mancais do carretel de baixa pressão, enquanto os círculos azuis são os mancais do carretel de alta pressão. Isso nem sempre é feito, mas está se tornando muito comum que o rolamento de alta pressão de ré siga de verdade no eixo de baixa pressão. Normalmente, esses eixos giram na mesma direção, então a velocidade do rolamento é reduzida por essa equação $ \ omega_ {AftHPbearing} = \ omega_ {HP} - \ omega_ {LP} $. O atrito do rolamento reduz a eficiência do motor e o desgaste do rolamento é um importante fator de manutenção.

(Isso está ficando longo, então vou truncar o restante). Haveria muitos outros problemas também, como a montagem da lâmina (encaixe na compressão ao invés da tensão), design da lâmina (compressão ao invés de tensão), possível aumento em caminhos de vazamento, contenção, estrutura de estator (agora todos os seus estatores estão presos a um eixo estacionário que só pode ser apoiado nas extremidades), controle de palhetas de estator variáveis, obtendo o combustível no combustor, como montar o motor, etc.

Edit: Apenas releia a pergunta e percebeu que você também estava falando sobre como tornar o combustor maior. Os combustores modernos estão ficando menores e são muito menores do que nos motores a jato originais. Você também pode ver nas fotos acima, eles já não usam todo o espaço disponível para eles e se eles precisassem de mais espaço, o braço (eixo) conectando o HPT e o HPC poderia ser reduzido um pouco mais.

Um tambor rotativo terá uma inércia maior. Quando o piloto comanda um aumento de empuxo, o enrolamento do tambor levará mais tempo do que o enrolamento de um eixo. Além disso, um tambor grande é mais difícil de equilibrar bem do que um eixo fino.

Aqui é interessante ver que os componentes centrais são um pouco menores que o canal para o ar de desvio, mas o carretel de alta pressão usa todo o espaço deixado pelo combustor. Você também pode ver que o carretel de baixa pressão deve ser fino para permitir uma seção transversal suficiente para os primeiros estágios do compressor de alta pressão. Usar um tambor aqui não só aumentaria a inércia do carretel de baixa pressão, mas também de todo o compressor de alta pressão. Colocar o tambor do lado de fora das pás iria colocá-lo no caminho de linhas de ar de sangria, eixos de acessórios e linhas de combustível. Além disso, tornar as pás do estator móveis seria muito mais difícil. O corte deve deixar claro que o diâmetro da seção de alta pressão foi mantido tão pequeno quanto prático.

Você parece estar descrevendo um projeto de Turbina exoesquelética . Não sou especialista, apenas vagamente associado à indústria. Eles são atraentes em parte porque seus materiais de rotor só precisam ser strongs na compressão, então você pode usar, e. cerâmica. Além disso, o volume interno oco pode ser reutilizado para um caminho de fluxo alternativo ou tipo de motor, o que abre opções para opções de rotação / rotação com um turbofan convencional enrolado em torno dele. O investigou da NASA, com as principais descobertas de que a tecnologia de rolamentos não existem na época e que o equipamento de suporte provavelmente consumiria qualquer vantagem obtida, por um desempenho aproximadamente equivalente. Melhorias nos materiais podem alterar o equilíbrio de qualquer forma.