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Todas las pruebas del demostrador UltraFan en el Testbed 80 especialmente construido por Rolls-Royce se ejecutarán con combustible de aviación 100% sostenible.

Rolls-Royce ha puesto en marcha el demostrador UltraFan por primera vez, lo que marca el inicio de un amplio programa de pruebas para el turboventilador con engranajes más grande del mundo y, según espera el fabricante del motor, el nacimiento de una nueva generación de sistemas de propulsión más eficientes.

La demostración se inició en silencio y sin fanfarria el 24 de abril en las instalaciones Testbed 80 especialmente construidas por la compañía en Derby, Inglaterra, en la primera ejecución de un motor de gran ventilador completamente nuevo en la línea central en Rolls desde el Trent XWB-84 en 2010. ocurrió un poco más de nueve años después de que la compañía revelara planes para buscar una arquitectura adaptada para su línea de productos de próxima generación.

Desde entonces, a pesar de las incertidumbres en el mercado de fuselaje ancho y dos años de retrasos causados ​​por las consecuencias financieras de la pandemia y la costosa recuperación de los problemas de confiabilidad del Trent 1000, la asediada empresa ha seguido apostando por el concepto UltraFan como la mejor apuesta para impulsar el perspectivas de sus futuros motores. La determinación de Rolls de apegarse al programa también surge en medio de una extensa reestructuración bajo el mando del recientemente nombrado director ejecutivo Tufan Erginbilgic.

Erginbilgic describe al demostrador como "un cambiador de juego". "Las tecnologías que estamos probando como parte de este programa tienen la capacidad de mejorar los motores de hoy, así como los motores del mañana", dice. "Es por eso que este anuncio es tan importante. Estamos siendo testigos de la historia en desarrollo: cambio radical en la mejora de la eficiencia del motor".

Si bien no hay una aplicación inmediata a la vista, Rolls espera que el diseño escalable, que cubre el rango de empuje de 25,000 a 110,000 lb, lo convierta en un competidor de bajo consumo de combustible para los futuros conceptos de pasillo único y doble, así como para oportunidades potenciales de reingeniería. La compañía también tiene la intención de utilizar el UltraFan como fuente de tecnología para actualizar sus motores actuales.

El demostrador se utilizará para evaluar una serie de características avanzadas a nivel de sistema de motor que van desde una arquitectura impulsada por engranajes de alta potencia hasta materiales livianos de alta temperatura y un núcleo de alta presión completamente nuevo. La compañía dice que el enfoque está en maximizar las lecciones de las pruebas del nuevo motor que, con su caja de cambios de potencia y su núcleo basado en Advance3, representa un cambio radical que se aleja de los diseños tradicionales de tres ejes que han sido el sello distintivo del gran motor de Rolls-Royce. Configuraciones desde la década de 1960.

Las pruebas de UltraFan tuvieron un buen comienzo, dice Alan Newby, director de tecnología aeroespacial y programas futuros de Rolls Royce. "Fue sin incidentes, que es exactamente lo que quieres", dice. "Tomó un tiempo, pero eso se debe a que es un motor nuevo en un nuevo banco de pruebas y hay muchos parámetros de instrumentación. Así que nos hemos estado asegurando de que todo se comunique entre sí en el banco de pruebas y el nuevo sistema de monitoreo". La instrumentación instalada en Testbed 80 es capaz de medir 10.000 parámetros a una velocidad de hasta 200.000 muestras por segundo.

Aunque el gran sistema de engranajes representa una novedad, los ingenieros de Rolls-Royce pusieron en marcha el UltraFan con cautela para su funcionamiento inicial utilizando un proceso tradicional. "Primero haces las arrancadas en seco solo para asegurarte de que todo gira, y luego haces las arrancadas en húmedo donde pasas el combustible", dice Newby. "Luego, eventualmente, durante las arrancadas húmedas, enciendes y apagas el encendido. Hicimos eso y comenzó. Es un gran momento para nosotros".

Sin embargo, la empresa ha entrado en territorio desconocido. Después de una carrera hasta el ralentí, el motor se volvió a apagar rápidamente. "Eso se debe principalmente a que las cosas que das por sentadas, como la forma en que programas el combustible, las leyes de control, todas esas cosas, deben evaluarse al comienzo del programa", dice Newby. "Se siente lento, pero deliberadamente no lo hemos apresurado porque es la primera vez y es un activo extremadamente importante. Así que solo queremos asegurarnos de hacerlo bien y resistir la presión de hacerlo en una fecha determinada". "

"Estamos pasando por un proceso de puesta en marcha por etapas de los diferentes componentes, entendiéndolos subsistema por subsistema para ver cómo se comportan y si coinciden con lo que esperamos", dice el ingeniero jefe de Ultra-Fan, Pete Young. "Con el UltraFan, es un mundo muy diferente. Si tuviéramos que poner en marcha un Trent como un motor nuevo, pasaríamos un puñado de días haciéndolo, mientras que para nosotros ha sido un proceso de semana a semana desde diciembre cuando lo instalé. Hemos estado haciendo pruebas de puesta en marcha del motor con la instalación. ¿Cómo funciona eso? ¿Qué interacciones tenemos? ¿Funciona de la manera que nos gustaría?

La preparación de la prueba ha incluido "verificaciones únicas", dice Young. "Esto está disparando señales desde la ubicación del motor hacia arriba a través del pilón y hacia abajo a través del banco de pruebas y hacia la sala de control. Lo hemos estado haciendo meticulosamente para cada uno de los 2800 parámetros que estamos midiendo y verificando que todos funcionen".

Para garantizar que las pruebas se realicen de manera constante y cuidadosa, Rolls ha desarrollado un enfoque de "defensa en profundidad" de tres etapas para evaluar el UltraFan, agrega. "Tenemos una sala de control, que es donde se sienta la persona que hace funcionar el motor, y luego tenemos la seguridad del motor a corto plazo, que es el primer paso para la defensa en profundidad. Luego están los equipos dinámicos que están monitoreando la instrumentación de alta frecuencia y el sistema de medición. Luego tenemos una sala de monitoreo, que tiene una división de vidrio entre ella y el resto. Allí hay un director de sala con micrófono que está hablando directamente con la sala de control y dando instrucciones.

"Queremos estar a la vanguardia", continúa Young. "Entonces, como parte de ese arreglo de monitoreo, tenemos un modelo automatizado, o 'líneas de tranvía', en cuanto a lo que esperamos que haga el motor. A medida que los datos salen del motor, los comparamos con el modelo y viendo si está dentro de los carriles que se han definido en cuanto a lo que creemos que podrían ser nuestras bandas de tolerancia o error. Si está fuera de eso, hacemos la prueba y evaluamos. Es por eso que hacemos la sala de control tipo NASA donde literalmente vamos alrededor de la habitación. Así que tenemos el sistema de aire, el rendimiento del motor, el sistema de aceite, las temperaturas del motor, el aceite, el combustible y los equipos de la caja de cambios de potencia, todos monitoreando y proporcionando retroalimentación".

Una ventaja de no estar atado a un cronograma de desarrollo de fuselajes es que Rolls puede enfocarse en maximizar los aspectos de demostración de tecnología del programa. "Seguimos trabajando con todos los fabricantes de fuselajes para comprender cuál será su primera aplicación y si será o no de fuselaje ancho o estrecho", dice Newby. "Como hemos enfatizado muchas veces, esta es una arquitectura escalable. Elegimos hacer el tamaño grande porque creemos que es más desafiante, pero quién sabe dónde se aplicará primero".

Configurado con un diámetro de 140 pulg. Ventilador: unas 6 pulgadas más ancho que el ventilador del GE9X de General Electric, el turboventilador más grande que vuela actualmente. La caja de cambios de potencia de 50 megavatios del motor será un foco de atención para monitorear de cerca después de su prueba inicial y desarrollo en las instalaciones de Rolls-Royce en Dahlewitz, Alemania. . El engranaje de estilo planetario es el más grande jamás desarrollado para una aplicación aeroespacial. Aproximadamente 2,6 pies (80 cm) de diámetro, el sistema de engranajes consta de una corona dentada en el exterior y cinco engranajes planetarios en el interior que giran alrededor de un engranaje solar central. El ventilador es accionado por un portasatélites montado en el centro.

"Parte de las pruebas que hemos estado haciendo en Dahlewitz en la plataforma de la caja de cambios de potencia es asegurarnos de haber superado el conjunto completo de temperaturas que experimentaríamos aquí en las pruebas en tierra, y también el resto de los problemas de durabilidad". Notas de novato. "Ha sido un gran programa, y ​​el conocimiento que hemos adquirido en términos de modelado termomecánico es líder mundial. Ha sido una parte clave para llegar a este punto".

Las pruebas también se realizarán con precaución debido a la amplia gama de nuevas tecnologías de fabricación y materiales en el UltraFan, dice Newby. "Nos enfocamos en la integración completa del motor, pero hay muchas cosas que hemos estado desarrollando a lo largo de los años", agrega, refiriéndose a las nuevas características que incluyen el sistema de ventilador compuesto, los cojinetes de cerámica híbridos, los compuestos de matriz cerámica (CMC ), ejes de alta densidad de par, álabes de turbina de enlace fundido avanzado y superaleaciones de disco de níquel de segunda generación.

Los componentes CMC, usados ​​principalmente para segmentos de sellos de turbinas, son más livianos y más tolerantes a las altas temperaturas. Fabricados con un refuerzo continuo de fibra de carburo de silicio con un revestimiento de interfaz de matriz de fibra rodeado por una matriz cerámica principalmente de carburo de silicio, los CMC y otras características de alta temperatura se evaluaron en el demostrador HT3 (Tecnología de turbina de alta temperatura) basado en un Trent XWB-97.

"Así que sí, UltraFan es una nueva arquitectura, pero reúne muchos de los programas tecnológicos que hemos estado haciendo durante un tiempo, algunos de los cuales también pueden aplicarse a otros motores", dice Newby. "Por ejemplo, hemos desarrollado una nueva forma de desarrollar software rápidamente que vamos a usar en el [motor de avión comercial] Pearl 10X. Algunos de los materiales de alta temperatura también pueden encontrar aplicaciones en la flota de Trent".

Junto con el engranaje, uno de los cambios clave en la arquitectura Trent convencional con UltraFan es el nuevo núcleo, que redistribuye la carga de trabajo entre los ejes de presión intermedia y alta. Probado en el núcleo Advance3, el mayor trabajo de compresión en el carrete de alta presión produjo una relación de presión general (OPR) de más de 60:1. El UltraFan impulsará el OPR principal de Advance3 a más de 70:1 para una aplicación típica de motor grande, dice Rolls-Royce. El fabricante de motores también configuró el nuevo motor con un sistema de turbina de presión intermedia de etapas múltiples. El núcleo Advance3 también se utilizó para evaluar la cámara de combustión de bajo óxido nitroso Alecsys (Advanced Low-Emission Combustion System).

Aunque Rolls originalmente planeó operar cuatro motores en el programa de prueba inicial, los retrasos y las presiones de costos lo han reducido a solo uno, con repuestos para ensamblar un segundo si es necesario. "Vamos a tomarlo con cuidado", dice Newby. "Es un activo que queremos preservar, por así decirlo, así que lo trataremos con respeto. Haremos algunas pruebas, analizaremos los datos y luego seguiremos probando durante este verano".

"La belleza de esto es que la mayoría de los sistemas individuales han sido probados en otros activos", continúa. "Esta es la clave". Las pruebas evaluarán qué tan bien "funcionan bien juntos, en lugar de hacerlo de forma aislada", señala. "Vamos a ver lo que llamamos comportamientos emergentes. Sabemos que el engranaje funciona y la turbina de baja presión, pero ¿cómo funciona todo cuando lo juntas? Eso es lo que estamos tratando de averiguar aquí".

Más allá del esfuerzo de prueba actual, la arquitectura UltraFan también es el foco de estudios más avanzados en el marco del programa de investigación aeronáutica Clean Aviation de Europa. Dirigido por Rolls-Royce, Heaven (Hydrogen Engine Architecture Virtually Engineered Novelly) es un proyecto de 35,6 millones de euros (38,6 millones de dólares) destinado a hacer evolucionar el UltraFan al reducir el motor al mercado de corto y mediano alcance e integrar sistemas híbridos y eléctricos. tecnología y combustión directa de hidrógeno.

El equipo de Heaven incluye socios académicos, de investigación e industriales en Francia, Alemania, los Países Bajos, España y el Reino Unido y estudiará una versión UltraFan H2 con el objetivo de lograr una reducción del consumo de combustible del 20 % con respecto a los motores actuales. "También proporcionará una plataforma para que la tecnología de hidrógeno y la tecnología híbrida eléctrica se incorporen adecuadamente a nuestra cartera aeroespacial civil", dice Rolls-Royce. "No implica ninguna construcción o prueba completa del motor".

Heaven contará con el apoyo de Cavendish, otro programa de Clean Aviation dirigido por Rolls-Royce. En el marco del proyecto de 29,2 millones de euros, un equipo de diseño planea integrar la combustión de hidrógeno de mezcla pobre en un motor donante Pearl 15 para realizar pruebas en tierra con hidrógeno líquido a partir de fines de 2024. "Esto probará la tecnología del hidrógeno al integrar un sistema de hidrógeno líquido en un motor de prueba en tierra y definir los requisitos para la demostración de vuelo", dice Newby.

Guy es editor sénior de Aviation Week y cubre tecnología y propulsión. Tiene su sede en Colorado Springs.