miniatura|338x338px|Relació de compressió versus relació de pressió En enginyeria aeronàutica, la relació de pressió global, o relació de compressió global, és la quantitat de vegades que la pressió augmenta a causa de la compressió del pistó i el treball realitzat per les etapes del compressor. La relació de pressió del compressor és la relació entre les pressions d'estancament a la part davantera i posterior del compressor d'una turbina de gas.

La relació de pressió global en un turbofan d'alt bypass és una funció de la relació de pressió d'entrada i la relació de pressió del compressor:

Els termes relació de compressió i relació de pressió s'utilitzen indistintament.

Avantatges de les altes relacions de pressió globals Com es pot veure a la fórmula per a l'eficiència tèrmica teòrica màxima en un motor de cicle Brayton ideal, una relació de pressió alta condueix a una eficiència tèrmica més alta: on PR és la relació de pressió i gamma la relació de capacitat calorífica del fluid, 1,4 per a l'aire.

Tingueu en compte que la relació de pressió augmenta exponencialment amb el nombre d'etapes del compressor. Imagineu-vos una turbina de gas amb

⁠

A continuació es mostren les eficiències tèrmiques teòriques (calculades mitjançant la fórmula anterior) associades a diverses relacions de pressió, ignorant totes les pèrdues degudes a la compressió que no es produeix isentròpicament, a l'arrossegament viscós, així com al procés que no es produeix perfectament adiabàticament.

Eficiències tèrmiques teòriques associades a una determinada relació de pressió Etapes del compressorRelació de pressióEficiència tèrmicaAugment de l'eficiència per a cada etapa addicional11,358,2%N/A21,8215,8%91,783%32.4622,7%43,925%43.3229,0%28,012%54.4834,9%20,084%66.0540,2%15,351%78.1745,1%12,214%811.0349,6%9,990%914,8953,8%8,337%1020.1157,6%7,063%1127.1461,1%6,055%1236,6464,3%5,240%1349,4767,2%4,570%1466,7869,9%4,011%1590,1672,4%3,540%16121,7174,6%3,138%17164,3176,7%2,792%18 anys221,8278,6%2,493%19299,4680,4%2,233%20404.2782,0%2,004% En general, una relació de pressió global més alta implica una major eficiència, però el motor normalment pesarà més, de manera que hi ha un compromís.

Una relació de pressió global alta permet muntar una tovera amb una relació d'àrea més gran al motor de reacció. Això significa que es converteix més energia calorífica en velocitat del jet i l'eficiència energètica millora. Això es reflecteix en millores en el consum específic de combustible del motor.

El GE Catalyst té una OPR de 16:1 i la seva eficiència tèrmica és del 40%, el Pratt & Whitney GTF de 32:1 té una eficiència tèrmica del 50% i el GEnx de 58:1 té una eficiència tèrmica del 58%.

Desavantatges de les relacions de pressió globals elevades Un dels principals factors limitants de la relació de pressió en els dissenys moderns és que l'aire s'escalfa a mesura que es comprimeix. A mesura que l'aire viatja a través de les etapes del compressor, pot assolir temperatures que representen un risc de fallada del material per a les pales del compressor. Això és especialment cert per a l'última etapa del compressor, i la temperatura de sortida d'aquesta etapa és una xifra de mèrit habitual per als dissenys de motors.

Els motors militars sovint es veuen obligats a treballar en condicions que maximitzen la càrrega de calefacció. Per exemple, el General Dynamics F-111 Aardvark havia de funcionar a velocitats de Mach 1.1 al nivell del mar. Com a efecte secundari d'aquestes àmplies condicions de funcionament, i generalment de tecnologia més antiga en la majoria dels casos, els motors militars solen tenir relacions de pressió globals més baixes. El Pratt & Whitney TF30 utilitzat a l'F-111 tenia una relació de pressió d'uns 20:1, mentre que els motors més nous com el General Electric F110 i el Pratt & Whitney F135 l'han millorat a uns 30:1.

Una altra preocupació és el pes. Una relació de compressió més alta implica un motor més pesat, que al seu torn costa combustible per transportar. Per tant, per a una tecnologia de construcció i un conjunt de plans de vol concrets, es pot determinar una relació de pressió global òptima.

Història de les relacions de pressió globals Els primers motors de reacció tenien relacions de pressió limitades a causa de les imprecisions de construcció dels compressors i de diversos límits de materials. Per exemple, el Junkers Jumo 004 de la Segona Guerra Mundial tenia una relació de pressió global de 3,14:1. El Snecma Atar de la postguerra immediata va millorar-la marginalment fins a 5,2:1. Les millores en els materials, les pales del compressor i, especialment, la introducció de motors de carret múltiple amb diverses velocitats de rotació diferents, van conduir a les relacions de pressió molt més altes que són comunes avui dia.

Els motors civils moderns generalment funcionen entre 40 i 55:1. El més alt en servei és el General Electric GEnx -1B/75 amb una OPR de 58 al final de l'ascens a l'altitud de creuer (top of climb) i 47 per a l'enlairament al nivell del mar.

Exemples MotorRelació de pressió globalPrincipals aplicacionsGeneral Electric GE9X60:1777XRolls-Royce Trent XWB52:1A350 XWBGeneral Electric GE9042:1777General Electric CF630,5:1747, 767, A300, MD-11, C-5General Electric F11030:1F-14, F-15, F-16Pratt & Whitney TF3020:1F-14, F-111Rolls-Royce/Snecma Olympus 59315.5:1/80:1 supersònicConcorde

Diferències amb altres termes similars El terme no s'ha de confondre amb el terme més familiar "relació de compressió" aplicat als motors alternatius. La relació de compressió és una relació de volums. En el cas del motor alternatiu de cicle Otto, l'expansió màxima de la càrrega està limitada pel moviment mecànic dels pistons (o rotor), de manera que la compressió es pot mesurar simplement comparant el volum del cilindre amb el pistó a la part superior i inferior del seu moviment. El mateix no passa amb la turbina de gas "d'extrem obert", on les consideracions operatives i estructurals són els factors limitants. No obstant això, els dos termes són similars, ja que tots dos ofereixen una manera ràpida de determinar l'eficiència global en relació amb altres motors de la mateixa classe.

La relació de pressió del motor (EPR) difereix de l'OPR en què l'OPR compara la pressió d'admissió amb la pressió de l'aire quan surt del compressor, i sempre és superior a 1 (sovint molt), mentre que l'EPR compara la pressió d'admissió amb la pressió al tub d'escapament del motor (és a dir, després que l'aire s'hagi utilitzat per a la combustió i hagi cedit energia a la(es) roda(es) de la turbina del motor), i sovint és inferior a 1 a configuracions de baixa potència.

La mesura equivalent de l'eficiència d'un motor de coet és la pressió de la cambra/pressió de sortida, i aquesta relació pot ser superior a 2000 per al motor principal del transbordador espacial.

Referències

Categoria:Enginyeria aeroespacial