Les problèmes d'efficacité sont les suivants.

Pour une quantité fixe de débit massique grâce à un processus thermodynamique d'extraction de travail, un gros moteur est plus efficace que deux plus petits car la paire de moteurs plus petits présente plus de surface intérieure par rapport au débit massique à travers eux que le seul moteur plus gros. Plus la zone à l'intérieur du moteur est mouillée par rapport au débit massique, plus les pertes par frottement seront importantes. Cela pousse le concepteur vers des moteurs moins nombreux et plus gros et loin des moteurs plus nombreux et plus petits.

De plus, il existe des pertes aérodynamiques associées à chaque ensemble nacelle / mât moteur sur l'aile qui sont minimisées en réduisant le nombre de moteurs installés par aile.

Un moteur à réaction plus gros est plus économe en carburant car il y a moins de pertes dues à:

• Un effet de couche limite plus petit.
• Moins de pertes de roulement par frottement

• Effet de perte de pointe relative plus faible.

  1. Couche limite. Le flux de gaz à travers un tube d'écoulement subit une perte d'énergie au niveau de la paroi du tube: en la vitesse d'écoulement de la couche limite est réduite en raison de la viscosité. Cela provoque une perte de pression effective dans le flux de gaz, et l'efficacité d'un cycle de Brayton comme dans une turbine à gaz est principalement fonction du rapport de pression.

  2. Pertes de roulement par frottement. La vitesse de pointe des turbines et des compresseurs est limitée par les effets de compressibilité. Une limite de vitesse linéaire se traduit par une vitesse de rotation inférieure lorsque des pales plus longues sont impliquées, ce qui implique des pertes par frottement plus faibles dans les roulements de rotation.

  3. Perte de pointe. Au niveau des extrémités des aubes du compresseur et de la turbine, il existe un effet de perte finale similaire à celui des extrémités des aubes des ailes et du rotor. À l'intérieur du tube d'écoulement d'un moteur à turbine à gaz, les pointes présentent un petit espace entre l'extrémité de la pale et la paroi du tube, plus les pertes effectives sont faibles.

Les trois facteurs de perte ont une certaine ampleur absolue - proportionnels au volume du flux de gaz, ils deviennent plus petits à mesure que le volume du flux de gaz augmente. Et moins de pertes signifie un meilleur rendement énergétique.

Comme pour toute décision de conception, c'est un équilibre. Cela ne fonctionne que jusqu'à une certaine limite en raison des gains de poids et du conduit

De plus, ce n'est pas seulement la taille du ventilateur qui contrôle le rapport de contournement (BPR) / efficacité:

Plus le ventilateur est gros, plus le noyau doit être puissant , et pour l'efficacité, plus le noyau est petit, mieux c'est - un gros noyau qui réduit la taille du conduit de dérivation n'est pas aussi utile.

Le facteur limitant a toujours été l'OPR (rapport de pression global). Cela nécessite des avancées en matière de combustion et de matériaux. Une fois qu'un OPR plus élevé peut être atteint, le BPR peut devenir plus grand.

À titre d'exemple, le diamètre du ventilateur CFM56 de l'A320 est de 173 cm et le BPR est de 5,4 à 6,0. Désormais, pour le CFM LEAP de l'A320neo, le diamètre du ventilateur est de 176 cm et le BPR est de 9, grâce aux progrès qui, essentiellement, ont réduit le noyau.

Source de l'illustration: Principes de base sur l'efficacité des systèmes de propulsion (PDF), Safran, 2017

La loi du cube carré favorise les gros moteurs thermiques, car les pertes sont d'autant plus faibles que le moteur est gros, car, en termes généraux, les pertes sont liées à la surface et la puissance est liée au volume.

D'autres réponses ont bien expliqué les implications réelles de la taille et du nombre de moteurs. Voici un bref aperçu des raisons pour lesquelles un moteur (ou une hélice) de plus grand diamètre idéalisé est en général plus efficace qu'un plus petit pour produire la même poussée. Passez à la fin si vous n'êtes pas concerné par les détails mathématiques.

Considérez la situation suivante ( source):

Le ventilateur accélère le flux et le streamtube est rétréci. Selon le type de moteur, ce rétrécissement se produit à l'air libre ou au sein d'une nacelle. Supposons que le flux ait une vitesse $ V $ au point $ 0 $ et une vitesse $ V + v $ au point $ 3 $ .

L'efficacité propulsive $ \ eta $ est le rapport entre la poussée utile produite par le moteur et le taux de travail dépensé pour atteindre cette poussée. La poussée utile est donnée par $ \ dot {m} v $ , où $ \ dot {m} $ span > est le débit massique à travers le moteur. Par le théorème de l'énergie de travail, le taux de travail dépensé est égal au taux de changement de l'énergie cinétique, qui est donné par $ \ frac {1} {2} \ dot {m } \ big ((V + v) ^ 2-V ^ 2 \ big) \ implique \ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ big) $ . Par conséquent, \ begin {équation} \ eta = \ frac {\ dot {m} v} {\ dot {m} v \ big (V + \ frac {v} {2} \ big)} = \ frac {1} {1+ \ frac {v} {2V}} \,. \ end {équation}

Donc, pour amener l'efficacité vers son maximum à $ 1 $ , nous voulons que $ v $ soit aussi petit que possible. Autrement dit, le moteur le plus efficace donne la moindre vitesse au flux d'air . Mais rappelez-vous que la poussée utile est $ \ dot {m} v $ , donc si nous diminuons la vitesse impartie mais que nous voulons la même poussée, nous devons augmenter la quantité d'air circulant dans le moteur. Le moyen le plus simple de le faire est de simplement agrandir le ventilateur.

D'autres personnes ont fourni des réponses très détaillées qui décrivent certainement de nombreux aspects des gros moteurs, mais je pense que la variable clé ici qui a le plus d'impact est le taux de contournement . Les turbosoufflantes génèrent une grande partie de la poussée de l'air qui passe à travers le ventilateur, mais contourne le moteur.

Les progrès technologiques dans les moteurs à réaction (de base) ont probablement permis cette tendance en augmentant la puissance sur l'arbre sans correspondre augmentation de poids. La meilleure façon d'utiliser cette puissance supplémentaire sous les contraintes de déplacement des passagers est d'augmenter la masse d'air qui passe le ventilateur, mais pas le moteur - le rapport de contournement.

Cela ne peut pas être fait en augmentant la vitesse du ventilateur, lorsque vous commencez à atteindre les limites de matériau sur les pales de ventilateur de grand diamètre. Ainsi, des conceptions de turbosoufflantes à engrenages ont commencé à apparaître, qui permettent un ventilateur de grand diamètre à rotation lente, qui fournit une poussée et un noyau à régime élevé, fonctionnant à une efficacité maximale.

effet de réduction du bruit.

Je vais essayer de répondre à votre question sans aucune équation.

Qu'est-ce qui définit la force de propulsion du moteur à réaction? Masse et vitesse des gaz `` éjectés '' ainsi que la surface contre laquelle les gaz seront poussés (atmosphère), moins la résistance de l'air créée par le moteur côté admission (l'air aspiré mais le moteur crée toujours une certaine résistance).

Théoriquement, nous peut pousser les gaz plus rapidement en rétrécissant l'ouverture d'éjection de gaz, mais à un moment donné, nous atteindrons une vitesse critique lorsque les gaz n'auront pas assez de surface contre laquelle pousser.

De plus, nous ne pouvons pas rendre l'ouverture d'admission trop grande - la résistance sera commencer à dépasser l'efficacité à une certaine valeur limite.

Nous devons également prendre en compte la masse du moteur à réaction - plus de poids signifie plus de charge sur le moteur / les ailes et l'efficacité diminue (plus de carburant brûlé pour transporter le moteur lui-même ).

La force générée par le moteur à réaction est proportionnelle à la vitesse au carré des «gaz éjectés» multipliée par la masse des «gaz» eux-mêmes [I = V ^ 2 * M].

A un équilibre doit être atteint pour rendre le moteur à réaction efficace.

Deux moteurs à réaction sont moins efficaces qu'une équation due S = Pi * R ^ 2 - la surface augmente plus rapidement avec inc diminution du rayon.

Deux moteurs ou plus augmentent la fiabilité des engins volants - mais au détriment de l'efficacité. De nos jours, l’avion ne peut atterrir qu’avec un seul moteur, il a été conçu pour les avions.