I problemi di efficienza sono i seguenti.

Per una quantità fissa di portata massica attraverso un processo termodinamico di estrazione del lavoro, un motore grande è più efficiente di due motori più piccoli perché la coppia di motori più piccoli presenta una superficie interna maggiore rispetto al flusso di massa attraverso loro rispetto al singolo motore più grande. Maggiore è l'area bagnata all'interno del motore rispetto al flusso di massa, maggiori saranno le perdite per attrito. Questo spinge il progettista verso motori sempre più piccoli e più numerosi e lontano da motori più numerosi e più piccoli.

Inoltre, ci sono perdite aerodinamiche associate a ciascun gruppo navicella / pilone del motore sull'ala che sono ridotte al minimo riducendo il numero di motori installati per ala.

Un motore a reazione più grande è più efficiente in termini di consumo di carburante grazie a minori perdite dovute a:

• Effetto strato limite più piccolo.
• Perdite inferiori per attrito sui cuscinetti.

• Effetto di perdita di punta relativa inferiore.

  1. Strato limite. Il flusso di gas attraverso un tubo di flusso subisce una perdita di energia alla parete del tubo: la velocità del flusso dello strato limite è ridotta a causa della viscosità. Ciò causa un'efficace perdita di pressione nel flusso di gas e l'efficienza di un ciclo Brayton come in una turbina a gas è principalmente una funzione del rapporto di pressione.

  2. Perdite da cuscinetto per attrito. La velocità di punta sia delle turbine che dei compressori è limitata dagli effetti della compressibilità. Un limite di velocità lineare si traduce in una velocità di rotazione inferiore quando sono coinvolte lame più lunghe, il che implica minori perdite per attrito nei cuscinetti rotanti.

  3. Perdita di punta. Sulle punte delle pale del compressore e della turbina, c'è un effetto di perdita finale simile a quello delle punte delle pale del rotore e dell'ala. All'interno del tubo di flusso di un motore a turbina a gas, le punte hanno un piccolo spazio tra l'estremità della pala e la parete del tubo, minore è la perdita effettiva.

I tre fattori di perdita hanno una certa grandezza assoluta: proporzionale al volume del flusso di gas, diventano più piccoli all'aumentare del volume del flusso di gas. E una minore perdita significa maggiore efficienza del carburante.

Come per ogni decisione di progettazione, è un equilibrio . Funziona solo fino a un certo limite a causa dell'aumento di peso e del condotto perdite.

Inoltre, non è solo la dimensione della ventola a controllare il rapporto di bypass (BPR) / efficienza:

Più grande è la ventola, più potente deve essere il core e per l'efficienza, più piccolo è il nucleo, meglio è: un nucleo grande che riduce le dimensioni del condotto di bypass non è così utile.

Il fattore limitante è sempre stato l'OPR (rapporto di pressione globale). Ciò richiede progressi nella combustione e nei materiali. Una volta ottenuto un OPR più elevato, il BPR può aumentare.

Come primo esempio, il diametro della ventola CFM56 dell'A320 è di 173 cm e BPR è di 5,4–6,0. Ora, per il CFM LEAP dell'A320neo, il diametro della ventola è di 176 cm e il BPR è 9, grazie ai progressi che, essenzialmente, hanno ridotto il nucleo.

Fonte dell'illustrazione: Fundamentals on Propulsion Systems Efficiencies (PDF), Safran, 2017

La legge del cubo quadrato favorisce i grandi motori termici, perché le perdite sono minori quanto più grande è il motore, poiché, in termini generali, le perdite sono legate alla superficie e la resa è correlata al volume.

Altre risposte hanno spiegato bene le implicazioni nel mondo reale delle dimensioni e del numero del motore. Ecco una breve panoramica del motivo per cui un motore (o elica) di diametro maggiore idealizzato è in generale più efficiente di uno più piccolo per produrre la stessa spinta. Salta alla fine se non ti interessano i dettagli matematici.

Considera la seguente situazione ( fonte):

La ventola accelera il flusso e il tubo di flusso si restringe. A seconda del tipo di motore, questo restringimento avviene in aria libera o all'interno di una navicella. Supponiamo che il flusso abbia una velocità $ V $ nel punto $ 0 $ e una velocità $ V + v $ nel punto $ 3 $ .

L'efficienza propulsiva $ \ eta $ è il rapporto tra la spinta utile prodotta dal motore e la velocità di lavoro impiegata per ottenere questa spinta. La spinta utile è data da $ \ dot {m} v $ , dove $ \ dot {m} $ span > è il flusso di massa attraverso il motore. Secondo il teorema dell'energia-lavoro, la velocità di lavoro spesa è uguale alla velocità di variazione dell'energia cinetica, che è data da $ \ frac {1} {2} \ dot {m } \ big ((V + v) ^ 2-V ^ 2 \ big) \ implica \ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ big) $ . Pertanto, \ begin {equation} \ eta = \ frac {\ dot {m} v} {\ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ big)} = \ frac {1} {1+ \ frac {v} {2V}} \,. \ end {equation}

Quindi, per portare l'efficienza verso il suo massimo a $ 1 $ , vogliamo che $ v $ sia il più piccolo possibile. Cioè, il motore più efficiente impartisce la minima velocità al flusso d'aria . Ma ricorda che la spinta utile è $ \ dot {m} v $ , quindi se diminuiamo la velocità impartita ma vogliamo la stessa spinta, dobbiamo aumentare la quantità di aria che scorre attraverso il motore. Il modo più semplice per farlo è semplicemente ingrandire la ventola.

Altre persone hanno fornito risposte molto dettagliate che certamente descrivono molti aspetti dei grandi motori, ma penso che la variabile chiave qui che ha il maggiore impatto sia il rapporto di bypass . I motori turbofan generano una grande proporzione di spinta dall'aria che passa attraverso la ventola, ma bypassa il motore.

I progressi tecnologici nei motori a reazione (core) hanno probabilmente consentito questa tendenza aumentando la potenza sull'albero senza corrispondere aumento di peso. Il modo migliore per utilizzare questa potenza aggiuntiva sotto i vincoli del viaggio dei passeggeri è aumentare la massa d'aria che attraversa la ventola, ma non il motore: il rapporto di bypass.

Ciò non può essere fatto aumentando la velocità del ventola, quando inizi a raggiungere i limiti del materiale su pale del ventilatore di grande diametro. Così iniziarono a comparire i progetti di turbofan a ingranaggi , che consentono una ventola di grande diametro, a rotazione lenta, che fornisce spinta e un nucleo ad alto numero di giri, funzionante con la massima efficienza.

Cercherò di rispondere alla tua domanda senza equazioni.

Cosa definisce la forza di propulsione del motore a reazione? La massa e la velocità dei gas "espulsi" e anche in superficie i gas verranno spinti contro (l'atmosfera), meno la resistenza dell'aria creata dal motore sul lato di aspirazione (l'aria aspirata ma il motore crea comunque una certa resistenza).

Teoricamente noi può spingere i gas più velocemente restringendo l'apertura di espulsione del gas, ma a un certo punto raggiungeremo la velocità critica quando i gas non avranno una superficie sufficiente per spingere.

Inoltre non possiamo rendere l'apertura di aspirazione troppo grande - la resistenza lo farà iniziare a superare l'efficienza a un certo valore limite.

Inoltre dovremmo tenere in considerazione una massa del motore a reazione: più peso significa più carico sul motore / ali e l'efficienza diminuisce (più carburante viene bruciato per trasportare il motore stesso ).

La forza generata dal motore a reazione è proporzionale alla velocità al quadrato dei "gas espulsi" moltiplicata per la massa dei "gas" stessi [I = V ^ 2 * M].

A l'equilibrio deve essere raggiunto per rendere efficiente il motore a reazione.

Due motori a reazione sono meno efficienti di un'equazione dovuta S = Pi * R ^ 2 - la superficie aumenta più velocemente con l'inc raggio di azione.

Due o più motori aumentano l'affidabilità delle unità volanti, ma a scapito dell'efficienza. Al giorno d'oggi l'aereo può atterrare con un solo motore, è stato progettato per aeromobili.