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General Electric GE36

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El General Electric GE36 fue un motor de aeronave experimental , un híbrido entre un turbofán y un turbohélice , conocido como ventilador sin conducto (UDF) o propfan . El GE36 fue desarrollado por General Electric Aircraft Engines , [ 3 ] con su socio CFM International, Snecma, a partes iguales , asumiendo una participación del 35 por ciento en el desarrollo. [ 4 ] El desarrollo se canceló en 1989.

Desarrollo

General Electric (GE) comenzó a realizar estudios y trabajos de prueba de componentes sobre el concepto que se convertiría en el UDF en 1981, basándose en los resultados iniciales de los primeros estudios de tecnología de ventiladores de hélice de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) que la agencia aeroespacial publicó por primera vez a los fabricantes de motores en 1980. [ 5 ] GE luego continuó con pruebas de desarrollo a gran escala del GE36 a partir de 1982. [ 6 ] La NASA le dio a GE un contrato de $20.4 millones en febrero de 1984 para estudiar el concepto [ 7 ] después de que la compañía mostró a la agencia su trabajo en diciembre de 1983, ya que los propios esfuerzos de investigación de ventiladores de hélice de la NASA estaban avanzando a un ritmo más lento y dependían de subvenciones adicionales del Congreso de los Estados Unidos .

Una maqueta a escala real del ventilador sin conductos de la NASA/GE en el Salón Aeronáutico de Farnborough de 1984 .

Por la misma época, GE estaba negociando con Boeing, que consideraba que la tecnología UDF podría ser útil para aviones de pasajeros de corto alcance, para probar un motor de demostración en un avión de prueba Boeing 727. [ 8 ] El acuerdo para probar el UDF en vuelo se alcanzó en abril, y los vuelos comenzaron a finales de 1986 para evaluar un demostrador de 25 000 libras de fuerza (110 kN) basado en un núcleo General Electric F404 . El motor tendría un par de turbinas libres contrarrotatorias de seis etapas , cada una con grandes diámetros que giraban a bajas velocidades, y estarían conectadas directamente a un par de ventiladores sin conducto de ocho palas y 12 pies de diámetro (3,7 m) . [ 9 ] La relación de derivación efectiva (BPR) se estimó en aproximadamente 30:1 para el UDF, que era mucho mayor que las relaciones de derivación de 6:1 de los turbofanes modernos de la época, pero menor que las BPR de hélice / turbohélice de aproximadamente 50:1. La misión óptima sería en vuelos de 1000 millas náuticas (1200 mi; 1900 km) con una velocidad de crucero de Mach 0,75. [ 10 ] En mayo de 1984, Boeing comenzó a probar un banco de pruebas modelo contrarrotatorio de GE en su túnel de viento de baja velocidad de 9 por 9 pies (2,7 por 2,7 m) y en su túnel de viento transónico de 8 por 12 pies (2,4 por 3,7 m) . [ 11 ]        

GE presentó un modelo a escala real del motor en el Salón Aeronáutico de Farnborough en septiembre, prometiendo una reducción del 30 % en el consumo de combustible en comparación con los motores actuales de los aviones comerciales, sin disminuir la velocidad de crucero. Una docena de aerolíneas se "autoinvitaron" a visitar las instalaciones de prueba del UDF de GE cerca de Cincinnati, Ohio , según afirmó el fabricante del motor, pero no solo por la mayor eficiencia de combustible del UDF. Las aerolíneas también apreciaron la ausencia de una caja de engranajes en el UDF , que transfiere la potencia de la turbina a la hélice permitiendo que ambas funcionen a sus respectivas velocidades de rotación óptimas , pero que era difícil de diseñar de forma fiable para alta velocidad y potencia. También les gustó que el UDF tuviera ventiladores contrarrotatorios, a diferencia de los ventiladores de rotación simple que la NASA estaba estudiando principalmente. Los ventiladores dobles mantenían el diámetro para un avión comercial de 140 asientos significativamente menor que los 6,1 m (20 pies ) de diámetro que temían las aerolíneas. [ 12 ] El demostrador de ventilador sin conducto tendría un diámetro de 11 pies 8 pulgadas (3,56 m) , una potencia nominal de 20 000 caballos de fuerza (15 000 kilovatios) y una potencia nominal de empuje de 25 000 lbf (110 kN) . El demostrador UDF, que tendría suficiente potencia para impulsar un avión de pasajeros de 200 asientos, fue dimensionado intencionalmente para ser más grande que los motores UDF que GE estaba planeando para la producción. Los motores UDF de producción tendrían 10 pies (3,0 m) de diámetro, producirían 10 000 hp (7 500 kW) e impulsarían aviones en el mercado de 120-160 asientos. [ 13 ] En el Salón Aeronáutico de París a mediados de 1985, Snecma anunció que había obtenido una participación del 35 por ciento en el programa del motor. [ 4 ] Más adelante en la década, el GE36 se convirtió en la planta motriz preferida para aeronaves propuestas como el avión de pasajeros de doble pasillo Boeing 7J7 y los derivados MD-91 y MD-92 del popular avión de pasillo único MD-80 de McDonnell Douglas .           

El prototipo GE36 UDF en el banco de pruebas terrestre en 1985.

El motor se sometió a 2500 horas de pruebas a escala de modelo, después de las cuales se construyó un prototipo. El motor prototipo se probó en tierra durante 162 horas. [ 14 ] El prototipo GE36 voló luego 25 veces, [ 15 ] acumulando más de 41 horas de tiempo de prueba de vuelo (de las 75 horas planificadas) en un Boeing 727 desde el 20 de agosto de 1986 [ 16 ] hasta mediados de febrero de 1987, alcanzando finalmente una velocidad de vuelo de Mach 0,84 y una altitud de 39 000 pies (12 000 metros) . [ 17 ] En abril de 1987, Boeing seleccionó formalmente el GE36 como planta motriz para el Boeing 7J7 , considerando que el turbofán de engranajes de derivación ultra alta (UHB) IAE SuperFan era menos eficiente en consumo de combustible [ 18 ] y que el propulsor de engranajes Pratt & Whitney/Allison 578-DX era insuficientemente potente. [ 19 ] En el Salón Aeronáutico de París en junio de 1987, GE y Snecma señalaron que estaban construyendo los componentes para un motor de diseño de producto que se probaría en un Boeing 727 en 1989. [ 20 ] Sin embargo, en agosto de 1987, Boeing pospuso la fecha de entrada en servicio del 7J7 de 1992 a 1993, y luego pospuso la fecha objetivo indefinidamente en diciembre de 1987. [ 21 ]

El motor de prueba de concepto de GE se instaló en un McDonnell Douglas MD-80 el 5 de abril de 1987, [ 22 ] y su primer vuelo en el banco de pruebas MD-80 fue el 18 de mayo de 1987. [ 23 ] Inicialmente, el motor tenía una configuración de ventilador de 8 palas delanteras y 8 palas traseras, y luego fue reemplazado en el banco de pruebas por el segundo motor demostrador GE36, que tenía una configuración de 10 palas delanteras / 8 palas traseras [ 24 ] y completó 33 horas de pruebas de vuelo a partir del 14 de agosto de 1987. [ 25 ] A pesar de ser más silencioso en esa configuración, el motor fue cambiado de nuevo a la configuración original 8x8 debido a un problema mecánico. GE también confirmó que para la producción, habría más palas que en el motor demostrador, y el número de palas en el ventilador delantero sería diferente al número en el ventilador trasero. [ 26 ]

Después de que el banco de pruebas fue reconfigurado con la configuración de motor 8x8, McDonnell Douglas realizó 22 vuelos de demostración para clientes desde el Aeropuerto de Long Beach . [ 27 ] Estas demostraciones para clientes tuvieron lugar entre el 22 de enero y el 26 de febrero de 1988. Los vuelos, que normalmente duraban alrededor de una hora y alcanzaban una velocidad de crucero de Mach 0,76, contaron con la presencia del primer ministro de Finlandia, [ 28 ] 110 ejecutivos de 35 aerolíneas y cuatro compañías de arrendamiento, y 70 representantes de los medios de comunicación, el ejército de los Estados Unidos, proveedores y otros fabricantes de aeronaves. [ 29 ] La opinión general fue que la calidad del vuelo era poco diferente a la de un vuelo normal, excepto por una ligera vibración en el asiento trasero durante el despegue y el ascenso. [ 30 ] El 25 de marzo de 1988, McDonnell Douglas declaró finalizado el programa de pruebas de vuelo. [ 27 ] El banco de pruebas MD-80 había realizado 93 vuelos y 165 horas de prueba de vuelo, volando a una velocidad de hasta Mach 0,865 y una altitud de 37.000 pies (11.000 metros) . [ 31 ]

McDonnell Douglas reinstaló el motor GE36 en el banco de pruebas MD-80 para realizar pruebas de vuelo adicionales en julio de 1988. [ 32 ] El avión del banco de pruebas fue luego volado a través del Océano Atlántico , dejando su aeródromo de prueba de origen en la Base de la Fuerza Aérea Edwards en California para hacer escala en Minneapolis, Minnesota , Gander, Terranova , Canadá y Keflavik, Islandia antes de terminar el viaje de 4700 millas náuticas (5400 millas; 8700 km) en el Aeropuerto de Farnborough en Inglaterra el 23 de agosto. El viaje se realizó para realizar vuelos de demostración públicos diarios en el Salón Aeronáutico de Farnborough del 4 al 11 de septiembre de 1988. [ 33 ] Se iban a realizar demostraciones de vuelo privadas para ejecutivos de aerolíneas invitados antes del salón aeronáutico, y McDonnell Douglas estaba considerando volar el banco de pruebas a Europa Occidental antes de regresar a los EE. UU. [ 34 ] En el salón aeronáutico, McDonnell Douglas y GE comenzaron conversaciones de marketing con siete aerolíneas en los EE. UU. y seis en Europa Occidental; Esperaban obtener alrededor de 100 compromisos de aerolíneas para mediados de 1989 para lanzar los programas MD-91 y MD-92, con entrada en servicio en 1993 primero para el MD-91, y luego el MD-92 entrando en servicio medio año después. [ 35 ] Las pruebas del GE36 en el MD-80 terminaron ese mes después de 137 vuelos y casi 240 horas de vuelo. [ 36 ] En total, hubo 281 horas de pruebas de vuelo entre los dos aviones. [ 14 ]   

Una vez finalizadas las pruebas de vuelo del demostrador, la atención se centró en la construcción de un nuevo núcleo (en lugar del F404 comercial) para aumentar la eficiencia. El compresor , la cámara de combustión y la turbina se habían probado por separado a finales de 1988, [ 37 ] y a mediados de 1989 el nuevo motor del núcleo se había probado durante aproximadamente 50 horas. En el momento de la cancelación del proyecto a finales de 1989, GE y Snecma estaban trabajando en el diseño de un generador de gas completo y un propulsor de producto. [ 38 ]

El fracaso de este motor en aquel momento se debió a las condiciones económicas (principalmente a una fuerte caída de los precios del petróleo) tras el embargo petrolero de la OPEP . Aunque estos motores nunca superaron la fase de desarrollo y las pruebas de prototipo, GE ha conservado la tecnología de compuestos de carbono que sustenta las palas del ventilador, que son ligeras. Actualmente, las palas de fibra de carbono se utilizan en los motores ( General Electric GE90 y General Electric GEnx ) que impulsan los Boeing 747 , Boeing 777 y Boeing 787 Dreamliner . [ 39 ] [ 40 ]

General Electric donó uno de los motores GE36 al Museo Nacional del Aire y el Espacio Smithsonian a través del Comando de Sistemas Aéreos Navales [ 41 ] en 1991. [ 42 ]

Diseño

El demostrador GE36 UDF se instaló en el banco de pruebas del Boeing 727 en 1986.

Un turbofán militar General Electric F404, cedido por el gobierno estadounidense, se utilizó como base para el prototipo GE36. [ 43 ] El flujo de escape mixto del F404 se descargaba a través de una turbina que impulsaba dos etapas de ventiladores contrarrotatorios . Aunque los motores de demostración tenían configuraciones de álabes de ventilador de 8x8 y 10x8, la configuración más eficiente que se probó tenía una configuración de álabes de 12x10. [ 44 ] La forma de cimitarra de los álabes del rotor del ventilador podía operar a altas velocidades para igualar las velocidades de los turborreactores o turbofanes , lo que permitía al motor impulsar el propuesto avión de pasajeros Boeing 7J7 a una velocidad de crucero de Mach 0,83. [ 45 ] Los álabes de producción para las versiones MD-91/MD-92 del motor se diseñarían para un crucero de Mach 0,78–0,80. [ 46 ]

Las palas del ventilador UDF tenían 40 pulgadas (100 cm) de longitud, y las cubiertas giratorias fabricadas por Rohr Industries que se ajustaban alrededor de la base de las palas tenían 62 pulgadas (160 cm) de diámetro. [ 47 ] Las palas para las pruebas iniciales fueron fabricadas directamente por General Electric, pero las palas para las pruebas de vuelo fueron fabricadas por el fabricante local de Ohio, Hartzell Propeller . [ 48 ] Para los motores de producción, las palas serían fabricadas por el especialista británico en hélices compuestas Dowty Rotol . [ 49 ] El diámetro máximo del ventilador para el demostrador UDF era de 140 pulgadas (356 cm) , [ 50 ] mientras que el diámetro máximo para los motores de producción UDF estaba planeado para ser de 128 pulgadas (325 cm) . [ 44 ] Durante la fase de prototipo/prueba, las palas del ventilador pesaban 22,5 y 21,5 lb (10,2 y 9,8 kg) cada una en las hélices delantera y trasera, respectivamente, [ 51 ] pero se esperaba que pesaran menos de 20 lb (9,1 kg) para cuando el motor entrara en producción. [ 52 ]            

Mientras que el demostrador GE36 tenía un empuje nominal de 25 000 lbf (110 kN) , la familia de motores GE36 ofrecería un rango que abarca de 12 000 a 30 000 lbf (53 a 133 kN) de empuje. El motor se dimensionó inicialmente para producir 14 000 lbf (62 kN) para el MD-91X y de 20 000 a 22 000 lbf (89 a 98 kN) para el 7J7 y el MD-92X, [ 53 ] pero los requisitos de empuje se cambiaron posteriormente a 22 000 lbf (98 kN) y 25 000 lbf (110 kN) , respectivamente. [ 54 ]            

La turbina de potencia era una turbina de seis etapas más álabes guía de entrada y salida. [ 55 ] : 46 Las doce filas de álabes de la turbina giraban filas alternas en direcciones opuestas. Cada etapa era un par de rotores ; no había estatores (álabes estáticos), que normalmente siguen a la sección de un solo rotor para enderezar el flujo. La hélice delantera y la mitad delantera de cada etapa están unidas a una carcasa exterior giratoria que encierra los álabes del rotor de la turbina, mientras que la hélice trasera y la mitad trasera de cada etapa están unidas convencionalmente a un eje central. La turbina de contrarrotación puede funcionar a la mitad de las rpm de una turbina convencional, ya que la contrarrotación duplica la velocidad relativa, por lo que el motor no requería una caja de engranajes reductora para accionar el ventilador. [ 56 ] El GE36 tenía una relación de radio de cubo a punta de álabe de 0,425, [ 57 ] que, como diseño sin engranajes, reflejaba un valor aproximadamente un 75 por ciento mayor que para los diseños de hélices-ventiladores con engranajes. [ 58 ] Esta característica se produjo porque el cubo tenía que albergar un gran diámetro de turbina; debido a la baja velocidad de rotación requerida por las hélices contrarrotatorias, la turbina tuvo que ser más ancha de lo habitual para generar suficiente potencia. [ 59 ] El UDF de GE tenía una relación de derivación de 35, que estaba aproximadamente a la mitad entre la BPR de 17 del IAE SuperFan y la BPR de 56 del PW-Allison 578-DX. [ 15 ] Las hélices contrarrotatorias giraban a una velocidad de rotación máxima de al menos 1393 rpm . [ 60 ]

El motor demostró un consumo específico de combustible (SFC) extremadamente bajo de 0,232 lb/(lbf⋅h) (6,6 g/(kN⋅s)) a nivel del suelo, [ 61 ] que GE afirmó que era más de un 20 % más eficiente que cualquiera de los turbofanes existentes en oferta. [ 62 ] GE también había predicho un SFC de crucero de 0,49 para el motor demostrador; sin embargo, el SFC de crucero bajaría a 0,40-0,41 con un nuevo diseño de generador de gas llamado "Supercore", [ 63 ] en comparación con 0,56 para los turbofanes existentes. [ 64 ] El núcleo de dos carretes del generador de gas tendría una relación de presión de aproximadamente 36. [ 65 ] : 21 Snecma iba a diseñar el compresor de alta presión (HPC) y la cámara de combustión . [ 66 ] La configuración del motor seleccionada para el MD-91 y el MD-92 fue diseñada para cumplir con las normas de ruido comunitario del Capítulo 4 del Comité de Protección Ambiental de la Aviación (CAEP) de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), que entrarían en vigor en 2006 y representarían una reducción de diez decibelios de ruido percibido efectivo ( EPNdB ) con respecto a las normas existentes del Capítulo 3, establecidas en 1977. [ 67 ] Sin embargo, el cumplimiento normativo provocó una reducción del cinco por ciento en la eficiencia del combustible en comparación con la configuración de ventilador más eficiente. [ 68 ]  

Variantes

El motor GE36 en un avión de demostración McDonnell Douglas MD-81 en el Salón Aeronáutico de Farnborough de 1988 .
GE36-B14
Motor de 14.000 lbf de empuje (62 kN) que impulsa el McDonnell Douglas MD-91X. [ 69 ]  
GE36-B22A
Motor de 25.000 lbf de empuje (110 kN) que impulsa el Boeing 7J7 . [ 69 ]  
GE36-C22
Motor con potencia reducida de 22 000 lbf de empuje (98 kN) que impulsa el McDonnell Douglas MD-91 de 114 asientos. [ 70 ] [ 71 ]  
GE36-C25
Motor de 25.000 lbf de empuje (110 kN) que impulsa el McDonnell Douglas MD-92 de 165 asientos. [ 70 ]  

Aplicaciones

Presupuesto

Diagrama de sección transversal del motor GE36 con ventilador sin conducto.

Datos de la prueba del motor GE , páginas 12 y 17.

Características generales

  • Tipo: Ventilador sin conductos de accionamiento directo (sin engranajes), contrarrotatorio , con configuración de empuje y generador de gas turbofán F404 de producción modificada .
  • Longitud:
  • Diámetro: 76,4  pulgadas (194  cm; 6,37  pies; 1,94  m) diámetro máximo de la góndola
  • Diámetro del ventilador delantero: 140,0  pulgadas (356  cm; 11,67  pies; 3,56  m) [ 50 ]
  • Diámetro del ventilador trasero (configuración de 10 aspas delanteras + 8 aspas traseras): 132,0  pulgadas (335  cm; 11,00  pies; 3,35  m) [ 50 ]
  • Diámetro del ventilador trasero (configuración de 8 aspas delanteras + 8 aspas traseras): 128,0  pulgadas (325  cm; 10,67  pies; 3,25  m) [ 50 ]
  • Peso en seco: 6000  lb (2700  kg) [ 72 ]

Componentes

  • Compresor: compresor axial de flujo de baja presión de 3 etapas a 13.270 rpm , compresor axial de alta presión de 7 etapas a 16.810 rpm
  • Turbina : turbina de baja presión de 1 etapa, turbina de alta presión de 1 etapa, turbina de potencia libre contrarrotatoria de 6 etapas.

Actuación

Véase también

Desarrollo relacionado

Motores comparables

Listas relacionadas

Referencias

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