Rouleaux

Tous les tests du démonstrateur UltraFan dans le banc d'essai 80 spécialement construit par Rolls-Royce fonctionneront avec du carburant d'aviation 100 % durable.

Rolls-Royce a lancé le démonstrateur UltraFan pour la première fois, marquant le début d'un vaste programme de tests pour le plus grand turboréacteur à double flux au monde et, espère le motoriste, la naissance d'une nouvelle génération de systèmes de propulsion plus efficaces.

Le démonstrateur a été démarré discrètement et sans fanfare le 24 avril dans l'installation spécialement construite de Derby, en Angleterre, Testbed 80 lors de la première exécution d'un tout nouveau moteur à grand ventilateur central chez Rolls depuis le Trent XWB-84 en 2010. Il s'est produit un peu plus de neuf ans après que la société a révélé son intention de poursuivre une architecture adaptée pour sa gamme de produits de nouvelle génération.

Depuis lors, malgré les incertitudes sur le marché des gros-porteurs et deux ans de retards causés par les retombées financières de la pandémie et la récupération coûteuse des problèmes de fiabilité de Trent 1000, la société assiégée a continué à parier sur le concept UltraFan comme le meilleur pari pour stimuler le perspectives de ses futurs moteurs. La détermination de Rolls à s'en tenir au programme s'inscrit également dans le cadre d'une vaste restructuration sous la direction du PDG récemment nommé, Tufan Erginbilgic.

Erginbilgic décrit le démonstrateur comme "un changeur de jeu". « Les technologies que nous testons dans le cadre de ce programme ont la capacité d'améliorer les moteurs d'aujourd'hui ainsi que les moteurs de demain », déclare-t-il. « C'est pourquoi cette annonce est si importante. changement radical dans l'amélioration de l'efficacité du moteur."

Bien qu'aucune application immédiate ne soit en vue, Rolls s'attend à ce que la conception évolutive - couvrant la plage de poussée de 25 000 à 110 000 lb - en fasse un concurrent à faible consommation de carburant pour les futurs concepts à une et deux allées ainsi que pour opportunités potentielles de réingénierie. La société a également l'intention d'utiliser l'UltraFan comme source de technologie pour mettre à niveau ses moteurs actuels.

Le démonstrateur sera utilisé pour évaluer une série de fonctionnalités avancées au niveau du système moteur, allant d'une architecture à engrenages haute puissance à des matériaux légers et à haute température et à un tout nouveau noyau haute pression. La société affirme que l'accent est mis sur la maximisation des leçons tirées des tests du nouveau moteur qui, avec sa boîte de vitesses motorisée et son noyau basé sur Advance3, représente un changement radical par rapport aux conceptions traditionnelles à trois arbres qui ont été la marque de fabrique du gros moteur de Rolls-Royce. configurations depuis les années 1960.

Les tests UltraFan ont pris un bon départ, déclare Alan Newby, directeur de la technologie aérospatiale et des programmes futurs chez Rolls Royce. "Cela s'est déroulé sans incident, ce qui est exactement ce que vous voulez", dit-il. "Cela a pris du temps, mais c'est parce qu'il s'agit d'un nouveau moteur sur un nouveau banc d'essai, et qu'il y a beaucoup de paramètres d'instrumentation. Nous nous sommes donc assurés que tout se parlait sur le banc d'essai et le nouveau système de surveillance." L'instrumentation installée dans Testbed 80 est capable de mesurer 10 000 paramètres à une cadence allant jusqu'à 200 000 échantillons par seconde.

Bien que le grand système d'engrenages représente une première, les ingénieurs de Rolls-Royce ont démarré l'UltraFan avec prudence pour son fonctionnement initial en utilisant un processus séculaire. "Vous faites d'abord les manivelles sèches juste pour vous assurer que tout tourne, puis vous faites la manivelle humide où vous mettez le carburant", explique Newby. "Ensuite, pendant les manivelles humides, vous mettez le contact et l'éteignez. Nous l'avons fait et cela a commencé. C'est un grand moment pour nous."

Cependant, l'entreprise est entrée en territoire inconnu. Après une montée au ralenti, le moteur a été rapidement coupé. "C'est principalement parce que les choses que vous tenez pour acquises - comme la façon dont vous planifiez le carburant, les lois de contrôle, toutes ces choses - doivent toutes être évaluées au début du programme", explique Newby. "Cela semble lent, mais nous ne nous sommes délibérément pas précipités car c'est la première fois et c'est un atout extrêmement important. Nous voulons donc simplement nous assurer que nous faisons les choses correctement et que nous avons résisté à la pression pour que tout soit fait à une certaine date. "

"Nous passons par un processus de mise en service par étapes des différents composants, en les comprenant sous-système par sous-système pour voir comment ils se comportent et s'ils correspondent à ce que nous attendons", a déclaré Pete Young, ingénieur en chef d'Ultra-Fan. "Avec l'UltraFan, c'est un monde très différent. Si nous devions mettre en service un Trent comme nouveau moteur, nous passerions quelques jours à le faire, alors que pour nous, c'est un processus semaine par semaine depuis décembre, lorsque nous Nous l'avons installé. Nous avons effectué des tests de mise en service du moteur avec l'installation. Comment cela fonctionne-t-il ? Quelles interactions avons-nous ? Est-ce que cela fonctionne comme nous le souhaiterions ?

L'accumulation de tests a inclus des "vérifications ponctuelles", explique Young. "Il s'agit d'émettre des signaux depuis l'emplacement du moteur jusqu'au pylône et vers le bas à travers le banc d'essai et dans la salle de contrôle. Nous avons fait cela méticuleusement pour chacun des 2 800 paramètres que nous mesurons et vérifions qu'ils fonctionnent tous."

Pour s'assurer que les tests sont effectués régulièrement et avec soin, Rolls a développé une approche de "défense en profondeur" en trois étapes pour évaluer l'UltraFan, ajoute-t-il. "Nous avons une salle de contrôle, où se trouve la personne qui fait fonctionner le moteur, et nous avons ensuite la sécurité du moteur à court terme, qui est la première étape de la défense en profondeur. Ensuite, il y a les équipes de dynamique qui sont surveiller le système d'instrumentation et de mesure à haute fréquence. Ensuite, nous avons une salle de surveillance, qui a une cloison vitrée entre elle et le reste. Il y a un directeur de salle micro qui parle directement avec la salle de contrôle et donne des instructions.

"Nous voulons être à l'avant-garde", poursuit Young. "Ainsi, dans le cadre de cet arrangement de surveillance, nous avons un modèle automatisé, ou" lignes de tramway ", quant à ce que nous attendons du moteur. Au fur et à mesure que les données sortent du moteur, nous les comparons au modèle et voir si c'est dans les lignes de tramway qui ont été définies quant à ce que nous pensons que nos marges de tolérance ou d'erreur pourraient être. Si c'est en dehors de cela, nous organisons le test et évaluons. C'est pourquoi nous faisons la salle de contrôle de type NASA où nous allons littéralement Nous avons donc le système d'air, les performances du moteur, le système d'huile, les températures du moteur, l'huile, le carburant et les équipes de la boîte de vitesses de puissance qui surveillent et fournissent des commentaires.

L'un des avantages de ne pas être lié à un calendrier de développement de la cellule est que Rolls peut se concentrer sur la maximisation des aspects de démonstration technologique du programme. "Nous continuons toujours à travailler avec tous les avionneurs pour comprendre quelle sera sa première application et s'il s'agira ou non d'un corps large ou d'un corps étroit", a déclaré Newby. "Comme nous l'avons souligné à plusieurs reprises, il s'agit d'une architecture évolutive. Nous avons choisi de faire de la grande taille parce que nous pensons que c'est plus difficile, mais qui sait où elle sera appliquée en premier."

Configuré avec un 140-in.-dia. ventilateur - environ 6 pouces plus large que le ventilateur du GE9X de General Electric, le plus grand turboréacteur actuellement en vol - la boîte de vitesses de puissance de 50 mégawatts du moteur fera l'objet d'une surveillance étroite après son test initial et son développement dans les installations de Rolls-Royce à Dahlewitz, Allemagne . L'engrenage de type planétaire est le plus grand jamais développé pour une application aérospatiale. D'environ 2,6 pieds (80 cm) de diamètre, le système d'engrenage se compose d'une couronne dentée à l'extérieur et de cinq engrenages planétaires à l'intérieur tournant autour d'un engrenage solaire central. Le ventilateur est entraîné par un porte-satellites monté au centre.

"Une partie des tests que nous avons effectués à Dahlewitz sur la plate-forme de la boîte de vitesses de puissance consiste à nous assurer que nous avons éliminé la gamme complète de températures que nous rencontrerions lors d'essais au sol ici, ainsi que tous les autres problèmes de durabilité", Notes de Newby. "Ce fut un excellent programme, et les connaissances que nous avons acquises en termes de modélisation thermomécanique sont parmi les meilleures au monde. Cela a été un élément clé pour en arriver là."

Les tests se dérouleront également avec prudence en raison du large éventail de nouvelles technologies de fabrication et de matériaux dans l'UltraFan, a déclaré Newby. "Nous nous concentrons sur l'intégration complète du moteur, mais il y a beaucoup de choses que nous avons développées au fil des ans", ajoute-t-il, faisant référence à de nouvelles fonctionnalités, notamment le système de ventilateur composite, les roulements hybrides en céramique, les composites à matrice céramique (CMC ), des arbres à haute densité de couple, des aubes de turbine avancées en liant coulé et des superalliages de disques de nickel de deuxième génération.

Les composants CMC, principalement utilisés pour les segments de joints de turbine, sont plus légers et plus tolérants aux températures élevées. Fabriqués à partir d'un renfort continu de fibres de carbure de silicium avec un revêtement d'interface fibre-matrice entouré d'une matrice céramique principalement de carbure de silicium, les CMC et d'autres caractéristiques à haute température ont été évaluées dans le démonstrateur HT3 (High-Temperature Turbine Technology) basé sur un Trent XWB-97.

"Alors oui, l'UltraFan est une nouvelle architecture, mais elle rassemble de nombreux programmes technologiques que nous menons depuis un certain temps, dont certains peuvent également être appliqués à d'autres moteurs", déclare Newby. "Par exemple, nous avons développé une nouvelle façon de développer rapidement des logiciels que nous allons utiliser sur le Pearl 10X [business jet engine]. Certains des matériaux à haute température peuvent également trouver des applications dans la flotte Trent. "

Avec l'engrenage, l'un des principaux changements apportés à l'architecture Trent conventionnelle avec l'UltraFan est le nouveau noyau, qui redistribue la charge de travail entre les arbres à moyenne et haute pression. Testé dans le noyau Advance3, le travail de compression accru sur le tiroir haute pression a produit un rapport de pression global (OPR) de plus de 60:1. L'UltraFan poussera l'OPR du noyau Advance3 à plus de 70: 1 pour une application typique de gros moteur, déclare Rolls-Royce. Le motoriste a également configuré le nouveau groupe motopropulseur avec un système de turbine à pression intermédiaire à plusieurs étages. Le noyau Advance3 a également été utilisé pour évaluer la chambre de combustion à faible oxyde nitreux Alecsys (Advanced Low-Emission Combustion System).

Bien que Rolls ait initialement prévu de faire fonctionner quatre moteurs dans le programme de test initial, les retards et les pressions sur les coûts ont réduit ce nombre à un seul, avec des pièces de rechange pour l'assemblage d'un second si nécessaire. "Nous allons le prendre doucement", dit Newby. "C'est un atout que nous voulons préserver, en d'autres termes, nous le traiterons donc avec respect. Nous allons faire quelques courses, analyser les données, puis continuer à tester cet été."

"La beauté de cela est que la plupart des systèmes individuels ont fait leurs preuves sur d'autres actifs", poursuit-il. "C'est la clé." Les tests évalueront dans quelle mesure "ils fonctionnent bien ensemble, plutôt que de manière isolée", note-t-il. "Nous allons examiner ce que nous appelons les comportements émergents. Nous savons que l'engrenage fonctionne et la turbine basse pression, mais comment tout cela fonctionne-t-il lorsque vous l'assemblez ? C'est ce que nous essayons de découvrir ici."

Au-delà de l'effort de test actuel, l'architecture UltraFan fait également l'objet d'études plus avancées dans le cadre du programme de recherche aéronautique européen Clean Aviation. Dirigé par Rolls-Royce, Heaven (Hydrogen Engine Architecture Virtually Engineered Novelly) est un projet de 35,6 millions d'euros (38,6 millions de dollars) visant à faire évoluer l'UltraFan en adaptant le moteur au marché à courte et moyenne portée et en intégrant à la fois l'hybride-électrique la technologie et la combustion directe de l'hydrogène.

L'équipe Heaven comprend des partenaires universitaires, de recherche et industriels à travers la France, l'Allemagne, les Pays-Bas, l'Espagne et le Royaume-Uni et étudiera une version UltraFan H2 dans le but d'atteindre une réduction de la consommation de carburant de 20 % par rapport aux moteurs actuels. "Il fournira également une plate-forme pour la technologie de l'hydrogène et la technologie hybride-électrique à intégrer de manière appropriée dans notre portefeuille d'aérospatiale civile", a déclaré Rolls-Royce. "Cela n'implique aucune construction ou test complet du moteur."

Heaven sera soutenu par Cavendish, un autre programme Clean Aviation dirigé par Rolls-Royce. Dans le cadre du projet de 29,2 millions d'euros, une équipe de conception prévoit d'intégrer la combustion d'hydrogène à mélange pauvre dans un moteur donneur Pearl 15 pour des essais au sol sur l'hydrogène liquide à partir de fin 2024. "Cela prouvera la technologie de l'hydrogène en intégrant un système d'hydrogène liquide dans un moteur d'essai au sol et de définir les exigences en vue d'une démonstration en vol », déclare Newby.

Guy est rédacteur en chef pour Aviation Week, couvrant la technologie et la propulsion. Il est basé à Colorado Springs.