Il problema è che nei motori bypass, le pale della ventola sono molto più lunghe delle pale della turbina che le guidano. Sia i compressori che le turbine devono ruotare il più velocemente possibile, senza che si verifichino onde d'urto sulla punta, quindi la velocità lineare della punta ha un limite superiore, il che significa che il compressore con pale più lunghe deve girare molto più lentamente della turbina che lo aziona.

Questo è ciò che fa il turboventola a ingranaggi, riduce la velocità di rotazione rispetto a quella della turbina in modo che entrambe possano ruotare alla loro velocità angolare ottimale. Le forze coinvolte e l'affidabilità richiesta lo rendono un compito di progettazione non facile, come indicato in questa risposta,

Migliora l'efficienza del carburante?

Sì, quando sia la ventola che il compressore possono ruotare alla loro velocità ottimale e quando il cambio non aggiunge molto attrito.

Il cambio si trova tra la ventola anteriore e il resto del motore. Consente alla ventola anteriore di girare a una velocità inferiore rispetto all'albero principale.

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Il vantaggio di questa configurazione è che la ventola anteriore può avere pale più lunghe per coprire un'area di sezione trasversale più ampia, mentre il compressore a bassa pressione e le pale della turbina nel nucleo possono girare più velocemente per migliorare l'efficienza del carburante.

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Lo scopo del riduttore è migliorare l'efficienza del motore.

Normalmente in un motore turbofan la turbina a bassa velocità e la ventola sono collegate da un albero della turbina a trasmissione diretta che richiede il funzionamento della turbina bassa e della ventola alla stessa velocità. In un motore a ingranaggi, il cambio consente sia alla ventola che alla turbina di funzionare alle loro velocità ottimali. In questo caso, la turbina può funzionare più velocemente con meno stadi e profili alari, il che aumenta l'efficienza. La ventola può funzionare a una velocità inferiore ma con un diametro maggiore per spingere quantità maggiori di aria a una velocità inferiore.

Una formula semplice per l ' efficienza propulsiva è:

$$ N = \ frac {2} {1 + V_e / V_o} $$

Dove $ V_e $ è la velocità di scarico del motore e $ V_o $ è la velocità dell'aereo o dell'ingresso del motore.

Quando $ V_e $ si abbassa fino al punto in cui è uguale alla velocità dell'aereo, l'efficienza N si avvicina al 100%. La ventola più grande a movimento lento in un motore con ingranaggi consente un flusso di massa elevato a bassa velocità che migliora l'efficienza. La bassa velocità rende anche la ventola più silenziosa.

Per aumentare l'efficienza propulsiva (l'efficienza totale è il prodotto della termodinamica della turbina a gas e dell'efficienza propulsiva) dobbiamo accelerare più flusso di massa meno velocemente: questo richiede diametri di ventilatore maggiori. Vedi ad es. questa risposta che descrive come l'aria di bypass fornisce la spinta. La formula:

$$ F = \ frac {\ text {d}} {\ text {d} t} p = m \ frac {\ text { d}} {\ text {d} t} v = m \ cdot a $$

mostra che l'aumento del flusso di massa $ m $ per la stessa quantità di spinta richiede meno accelerazione $ a $ .

Questo può potenzialmente migliorare il risparmio di carburante, ma c'è un limite, l'aumento dell'area frontale causerà anche un aumento della resistenza.

Come detto in questa risposta ​​a >, la velocità della punta è un fattore limitante, quindi dobbiamo ridurre la velocità della bobina. Il problema con la diminuzione della velocità della bobina è che il lavoro generato nella turbina a bassa pressione (che è accoppiata da un albero al ventilatore) necessita di un grande diametro e più stadi per ottenere una potenza sufficiente dal gas per alimentare il ventilatore troppo tecnico nel discutere il carico della lama). Un diametro grande della turbina basso non è molto efficace per il flusso di bypass del motore (come si ottiene l'aria di bypass attorno ad esso), quindi la velocità della bobina della turbina a bassa pressione è aumentata per poter utilizzare un diametro inferiore. Questa mancata corrispondenza nella velocità della bobina richiede una soluzione di ingranaggi.

Si noti che quantità molto grandi di potenza vengono trasmesse attraverso la scatola del cambio, anche con efficienze molto elevate questo richiede molto calore per essere dissipato. Eliminare il calore disperso e il carico di grandi dimensioni si è dimostrato un compito di progettazione molto difficile.

Le spiegazioni precedenti sono buone.

Ma - interessante aggiunta è l'idea che la trasmissione di una turbina non sia certo un concetto nuovo - è in circolazione da decenni sotto forma di motori turboelica.

L'Allison T56 è un esempio di motore turboelica con ingranaggi. Semplicisticamente, la differenza tra i modelli precedenti di turboelica e i progetti GTF più recenti è la differenza tra una ventola intubata e un'elica non intubata.