Por que o Trent XWB possui estágios intermediários do compressor?

Os projetistas de motores a jato precisam encontrar compromissos o tempo todo, e o que conta aqui é entre menor complexidade e maior eficiência.

Na década de 1960, a Rolls-Royce ficou para trás em grandes motores a jato comerciais, à medida que os concorrentes introduziam grandes ventiladores, como o GE CF6 e o P & W JT9D , que impulsionou a nova geração de jatos wide body que estavam sendo lançados naquela época . Todos os esforços do lado britânico deram em nada, em parte por falta de financiamento (fonte: Wikipedia ):

The company [Rolls-Royce] went ahead with the project and under the leadership of (Adrian) Lombard built the twin spool demonstrator. Overall development costs of the RB.178 was £2.6 million. As a comparison, the G.E. and P&W companies were awarded nearly $20 million by the U.S. DoD ( Department of Defense) to develop and build the TF39 and STF200 technology demonstrators.

ou pela preferência dos fabricantes de aeronaves dos EUA por motores dos EUA. Wikipedia novamente:

There are perhaps many reasons why the RB.178 failed to take off and chief among them was the refusal of Boeing to accept the Rolls-Royce engine on the transatlantic 747.

A Rolls-Royce percebeu que não tinha chance de recuperar o atraso projetando outro ventilador de dois carretéis e arriscou a empresa em um projeto de três carretéis, que mais tarde se tornaria o RB 211. Wikipedia novamente:

Meanwhile, Rolls-Royce was also working on a series of triple-spool designs as replacements for the Conway, which promised to deliver higher efficiencies. In this configuration, three groups of turbines spin three separate concentric shafts to power three sections of the compressor area running at different speeds. In addition to allowing each stage of the compressor to run at its optimal speed, the triple-spool design is also more compact and rigid, although more complex to build and maintain.

As vantagens de usar três bobinas é que a velocidade de cada estágio pode ser mais otimizada, de modo que cada estágio opera com maior eficiência. Outra vantagem prometida foi o uso de fibra de carbono para os fãs do primeiro estágio, o que permitiu consideráveis reduções de peso e ofereceu à Lockheed uma vantagem distinta em sua L-1011 TriStar sobre o muito semelhante Douglas DC-10 .

No entanto, a ventoinha de fibra de carbono não passou no teste de impacto das aves e o motor não atingiu as metas de desenvolvimento. No final, a Rolls-Royce teve que ser tomada pelo governo britânico e a TriStar entrou no mercado com um atraso de um ano. Mas o RB211 entrou em produção, embora com um atraso. A aposta não compensou comercialmente, mas tecnicamente colocou a Rolls-Royce instantaneamente à frente de seus concorrentes. Quando uma versão de alto desempenho do RB211 foi adicionada como uma opção de motor para o Boeing 747, a comparação direta com os projetos de dois carretéis tornou óbvios os ganhos de eficiência do projeto de três carretéis. FlightGlobal reportado em 1980 :

The importance placed on fuel saving by airlines is emphasised by Qantas' adoption of RB.211-524 power for its new Boeing 747s - the only aircraft on which all big three fans are available. Qantas found that British Airways' Boeing 747s fitted with RB.211s burnt roughly 7 per cent less fuel than its JT9D-equipped fleet, a saving of about $1 million a year at today's prices.

A segunda crise do petróleo em 1979-1980 tornou esses ganhos de eficiência muito relevantes para o setor de companhias aéreas. Mas o design de três carretéis oferece outra vantagem: ao adaptar o número de estágios e seu diâmetro ao desempenho desejado, o mesmo design básico permitiu à Rolls-Royce cobrir um espectro de empuxo muito mais amplo com um projeto básico de motor. O RR Trent é um desenvolvimento direto do RB211 e cobre uma faixa de empuxo de 240 a 430 kN sem comprometer a eficiência. Isso permite que a Rolls-Royce adapte o motor de forma ideal às versões esticadas ou reduzidas da maioria dos aviões, por isso está em uma posição ideal para oferecer o motor mais eficiente para o trabalho. De fato, o desenvolvimento bem-sucedido de um mecanismo de ventilador de três carretéis em combinação com um melhor modelo de negócios ajudou a Rolls-Royce a obter uma participação de mercado total de 40%. Wikipedia novamente:

Sales of the Trent family of engines have made Rolls-Royce the second biggest supplier of large civil turbofans after General Electric, relegating rival Pratt & Whitney to third position.

Essa é a razão para o compressor intermediário no A350: ele ajuda a fornecer o mecanismo mais eficiente para o menor custo e risco de desenvolvimento. E sim, o ventilador é tudo o que resta do estágio do compressor de baixa pressão no Trent 1000. Desta forma, ele pode ser executado em uma velocidade mais baixa, enquanto o compressor intermediário pode ser construído menor, uma vez que funciona a uma velocidade maior. >     

Para motores com alcance de empuxo como no A320, a arquitetura ideal é um layout de dois eixos: a área da seção transversal do compressor é reduzida, fazendo com que as pás do compressor fiquem menores. Se as lâminas menores no final do compressor puderem girar mais rápido, a eficiência aumenta - portanto, os estágios do motor são divididos em uma baixa pressão e uma seção de alta pressão. O ventilador é simplesmente o primeiro estágio do compressor de baixa pressão: o comprimento da lâmina do ventilador permite girar na mesma velocidade de rotação que o compressor LP e a turbina.

O Trent é um motor maior que oferece mais impulso, e isso justifica a adição de outro eixo. O ventilador é um compressor de primeiro estágio separado que também fornece empuxo. De Rolls Royce, The Jet Engine número 5:

Larger turbofans can benefit from three shafts: in this configuration, there is a fan (LP), an intermediate (IP) compressor, and an HP compressor all running on separate shafts connected to respective LP, IP, and HP turbines. The separation of the fan and first compressor stages allows the shaft speeds and thus fan and blade velocities to be optimised more closely to the ideal operating conditions of each stage.

The three-shaft layout adds a level of mechanical complexity to the overall engine layout but reduces the reliance on variable geometry compressor features. The main benefit is that high thrust can be developed from a shorter, lighter engine than an equivalently rated two-shaft layout.

Embora eu não discorde das respostas existentes, eu o enquadraria em uma perspectiva diferente. As respostas existentes implicam uma troca entre complexidade e eficiência em 2 spool vs 3 spool. Para mim, esse não é o jeito certo de encará-lo. Por exemplo, esta tabela , mostra que o 2 carretel PW2037 para o 757-200 na verdade tem um consumo de combustível específico ligeiramente melhor que o 3 carretel RB211-535E para o mesmo plano. Embora sejam motores mais antigos, ele mostra que 2 motores de bobina nem sempre são menos eficientes que 3 motores de bobina.

Para mim, uma maneira melhor de visualizar 2 spools versus 3 spools é a troca entre a complexidade aerodinâmica e a complexidade mecânica .

Como já foi apontado, 3 carretéis permitem que os 3 eixos diferentes giram em suas melhores taxas. Isto é definitivamente melhor para a aerodinâmica (e não apenas eficiência, mas também melhor margem de stall). Então, se isso é tão bom, por que não ir para 4 eixos? Ou 5 flechas? Por que não ter cada estágio do compressor em seu próprio eixo? A resposta é que os eixos adicionais adicionam complexidade mecânica:

• Os eixos têm de ser suportados por rolamentos, pelo que 3 veios têm mais rolamentos
• rolamentos têm que ser suportados por quadros, então 3 eixos você precisa de mais quadros
• Um típico motor de 2 eixos tem 2 ou 3 quadros e 4-6 rolamentos. Um típico motor de 3 eixos tem 3 ou 4 quadros e 6 - 8 rolamentos.

Todo esse material extra adiciona muito mais complexidade ao design mecânico. Então, se você for na rota de 2 eixos, o motor é significativamente mecanicamente mais simples. Mas o preço que você tem que pagar é a complexidade aerodinâmica. Para chegar a uma eficiência global comparável, você tem que fazer muito mais trabalho no lado aerodinâmico para chegar lá. Por exemplo, você precisa de muito mais geometria variável (palhetas de estator variável, válvulas de sangria transiente, etc), você precisará fazer um CFD muito mais complexo para obter cada última fração de um ponto de eficiência de cada componente, etc.