Почему Trent XWB имеет промежуточные ступени компрессора?

Разработчикам реактивных двигателей постоянно приходится находить компромиссы, и здесь важен компромисс между меньшей сложностью и большей эффективностью.

В 1960-х годах Rolls-Royce отставал в больших коммерческих реактивных двигателях, поскольку конкуренты представили вентиляторы с большой степенью двухконтурности, такие как GE CF6 и P&W JT9D , которые приводили в действие новое поколение широкофюзеляжных реактивных самолетов, представленных в то время. Все усилия британской стороны сошли на нет, частично из-за отсутствия финансирования (источник: Википедия ):

Компания [Rolls-Royce] продолжила проект и под руководством (Адриана) Ломбард построила демонстрационный образец с двумя катушками. Общие затраты на разработку RB.178 составили 2,6 миллиона фунтов стерлингов. Для сравнения, компании GE и P&W получили от Министерства обороны США почти 20 миллионов долларов на разработку и создание демонстраторов технологий TF39 и STF200.

или за предпочтение американских производителей самолетов для американских двигателей. Википедия еще раз:

Возможно, есть много причин, по которым RB.178 не смог взлететь, и главной из них был отказ Boeing принять двигатель Rolls-Royce на трансатлантический 747.

В Rolls-Royce поняли, что у них нет шансов наверстать упущенное, разработав еще один двухконтурный вентилятор, и рискнули компанией, выпустив трехконтурную конструкцию, которая впоследствии станет RB 211. Снова Википедия :

Тем временем Rolls-Royce также работал над серией конструкций с тремя катушками в качестве замены Conway, которые обещали обеспечить более высокую эффективность. В этой конфигурации три группы турбин вращают три отдельных концентрических вала для питания трех секций компрессорной зоны, работающих с разными скоростями. В дополнение к тому, что каждая ступень компрессора может работать с оптимальной скоростью, конструкция с тремя золотниками также является более компактной и жесткой, хотя ее сложнее построить и обслуживать.

Преимущество использования трех золотников заключается в том, что скорость каждой ступени можно более точно оптимизировать, поэтому каждая ступень работает с более высокой эффективностью. Другим обещанным преимуществом было использование углеродного волокна для вентилятора первой ступени, что позволило значительно снизить вес и дало Lockheed явное преимущество в его L-1011 TriStar по сравнению с очень похожим Douglas DC-10 .

Однако вентилятор из углеродного волокна не прошел испытание на столкновение с птицей, и двигатель не достиг целей разработки. В конце концов, Rolls-Royce пришлось передать британскому правительству, и TriStar вышел на рынок с опозданием на один год. А вот RB211 пошел в серию, хоть и с опозданием. Игра не окупилась с коммерческой точки зрения, но технически Rolls-Royce мгновенно опередил своих конкурентов. Когда более производительная версия RB211 была добавлена ​​в качестве опции двигателя к Boeing 747, прямое сравнение с двухконтурной конструкцией сделало очевидным повышение эффективности трехконтурной конструкции. FlightGlobal сообщил в 1980 году :

Важность, придаваемая авиакомпаниями экономии топлива, подчеркивается тем, что Qantas использует двигатель RB.211-524 для своих новых самолетов Boeing 747 - единственного самолета, на котором доступны все три больших вентилятора. Qantas обнаружила, что самолеты Boeing 747 British Airways, оснащенные самолетами RB.211, сжигали примерно на 7% меньше топлива, чем самолеты, оснащенные JT9D, что позволяет сэкономить около 1 миллиона долларов в год по сегодняшним ценам.

Второй нефтяной кризис 1979-1980 годов сделал эти достижения эффективности очень актуальными для авиационной отрасли. Но у конструкции с тремя золотниками есть еще одно преимущество: за счет адаптации количества ступеней и их диаметра к желаемой производительности та же базовая конструкция позволила Rolls-Royce охватить гораздо более широкий спектр тяги с одной базовой конструкцией двигателя. RR Trent является прямым развитием RB211 и охватывает диапазон тяги от 240 до 430 кН без ущерба для эффективности. Это позволяет компании Rolls-Royce оптимально адаптировать двигатель к удлиненным или укороченным версиям большинства авиалайнеров, поэтому компания находится в идеальном положении, чтобы предложить наиболее эффективный двигатель для работы. По сути, успешная разработка трехконтурного вентиляторного двигателя в сочетании с лучшей бизнес-модельюпомогли Rolls-Royce получить общую долю рынка в 40%. Википедия еще раз:

Продажи семейства двигателей Trent сделали Rolls-Royce вторым по величине поставщиком крупных гражданских турбовентиляторных двигателей после General Electric, отодвинув конкурента Pratt & Whitney на третье место.

Именно по этой причине на А350 установлен промежуточный компрессор: он помогает получить наиболее эффективный двигатель с наименьшими затратами на разработку и меньшими рисками. И да, вентилятор — это все, что осталось от ступени компрессора низкого давления на Trent 1000. Таким образом, он может работать на более низкой скорости, а промежуточный компрессор можно сделать меньше, поскольку он работает на более высокой скорости.

Для двигателей с диапазоном тяги, как у А320, оптимальной архитектурой является двухвальная компоновка: уменьшается площадь поперечного сечения компрессора, в результате чего лопатки компрессора становятся меньше. Если лопасти меньшего размера на конце компрессора могут вращаться быстрее, КПД увеличивается, поэтому ступени двигателя разделяются на секции низкого и высокого давления. Вентилятор - это просто первая ступень компрессора низкого давления: длина лопастей вентилятора позволяет вращаться с той же скоростью вращения, что и компрессор низкого давления и турбина.

Тем не менее, Трент - это более крупный двигатель, обеспечивающий большую тягу, и это оправдывает добавление еще одного вала. Вентилятор представляет собой отдельный компрессор первой ступени, также создающий тягу. Из Rolls Royce, The Jet Engine, выпуск 5:

Более крупные турбовентиляторные двигатели могут выиграть от трех валов: в этой конфигурации есть вентилятор (LP), промежуточный (IP) компрессор и компрессор высокого давления, все они работают на отдельных валах, соединенных с соответствующими турбинами LP, IP и HP. Разделение ступеней вентилятора и первой ступени компрессора позволяет оптимизировать скорость вращения вала и, следовательно, скорость вращения вентилятора и лопастей в соответствии с идеальными условиями работы каждой ступени.

Трехвальная компоновка добавляет уровень механической сложности к общей компоновке двигателя, но снижает зависимость от характеристик компрессора с изменяемой геометрией. Основное преимущество заключается в том, что большая тяга может быть достигнута за счет более короткого и легкого двигателя, чем двухвальная компоновка аналогичной мощности.

Хотя я не согласен с существующими ответами, я бы сформулировал это с другой точки зрения. Существующие ответы подразумевают компромисс между сложностью и эффективностью в 2-х и 3-х катушках. Для меня это не правильный взгляд на это. Например, эта таблица показывает, что 2-х золотниковый PW2037 для 757-200 на самом деле имеет чуть лучший удельный расход топлива по тяге, чем 3-х золотниковый RB211-535E для того же самолета. Хотя это более старые двигатели, это показывает, что двигатели с 2 катушками не всегда менее эффективны, чем двигатели с 3 катушками.

Для меня лучший способ рассмотреть 2 катушки по сравнению с 3 катушками - это компромисс между аэродинамической сложностью и механической сложностью.

Как уже было сказано, 3 катушки позволяют трем разным валам вращаться с оптимальной скоростью. Это определенно лучше для аэродинамики (и не только для эффективности, но и для лучшего запаса сваливания). Так если это так здорово, почему бы не перейти на 4 вала? Или 5 валов? Почему бы не разместить каждую ступень компрессора на собственном валу? Ответ заключается в том, что дополнительные валы добавляют механическую сложность:

• Валы должны поддерживаться подшипниками, поэтому 3 вала — это больше подшипников.
• подшипники должны поддерживаться рамами, поэтому на 3 вала нужно больше рам
• Типичный двухвальный двигатель имеет 2 или 3 рамы и 4-6 подшипников. Типичный трехвальный двигатель состоит из трех или четырех рам и шести-восьми подшипников.

Все эти дополнительные элементы усложняют механическую конструкцию. Итак, если вы пойдете по пути с двумя валами, двигатель будет значительно проще механически. Но цена, которую вы должны заплатить, — это аэродинамическая сложность. Чтобы достичь сопоставимой общей эффективности, вам нужно проделать гораздо больше аэродинамической работы, чтобы добиться этого. Например, вам нужно гораздо больше изменяемой геометрии (переменные лопасти статора, переходные выпускные клапаны и т. д.), вам потребуется выполнить гораздо более сложную CFD, чтобы получить каждую последнюю долю точки эффективности каждого компонента и т. д.