Comment Rolls-Royce optimise le moteur Trent XWB pour l'A350F

Le Trent XWB de Rolls-Royce est l'un des moteurs gros-porteurs les plus efficaces de l'industrie, exclusif à la famille Airbus A350. Airbus propose actuellement deux variantes majeures de sa famille d'avions A350 : l'A350-900 plus court et l'A350-1000 plus allongé. Deux turboréacteurs Trent XWB-84 (84 200 lbf / 374,5 kN) propulsent la variante -900, tandis que Rolls-Royce a introduit une version plus puissante, la XWB-97 (97 000 lbf / 431,5 kN), pour propulser à la fois l'A350-1000 et la variante cargo A350F.

Photo:Julien Herzog | Wikimédia Commons

Le Trent XWB-97 n'est pas seulement une version améliorée du XWB-84 et nécessite davantage de développement, de tests et d'essais. Bien que le -97 possède de nombreux attributs similaires au -84, certaines technologies avancées qu'il utilise pour produire une poussée relativement supplémentaire et des performances optimales de l'avion sont également très différentes. Rolls-Royce a considérablement amélioré la conception, les systèmes et les fonctionnalités du XWB-97 pour le rendre capable de gérer une charge utile et une portée plus importantes que l'Airbus A350-900.

XWB-97 pour l'Airbus A350F

Airbus prévoit d'utiliser le moteur XWB-97 sur l'A350F pour offrir une charge utile et une autonomie supérieures à celles de ses concurrents. Selon Airbus,

"Basé sur le programme A350, l'A350F offre plus de charge utile, plus d'autonomie et plus de volume par rapport au 777F, tout cela confortant sa position de seul choix évolutif pour les opérateurs d'aujourd'hui. Avec un volume égal à celui du 747F, +3 tonnes de charge utile en plus par rapport au 777F et offrant plus d'autonomie, l'A350F offre des capacités robustes pour assurer la continuité de vos opérations."

Plus de lecture :Le PDG de Rolls-Royce est convaincu que les mises à niveau du moteur du Boeing 787 Dreamliner Trent 1000 ramèneront les compagnies aériennes

Airbus vise à offrir à ses clients cargo une capacité de charge utile allant jusqu'à 109 tonnes sur une autonomie de 4 700 NM (8 700 km) grâce à l'A350F. Dévoilé en juillet 2021, l'A350F devrait entrer en service en 2025.

Points communs entre les variantes

Du point de vue de l'opérateur, le XWB-97 est délibérément conçu pour avoir très peu de différence visible afin que l'expérience de vol des pilotes soit la même. La famille Trent XWB conserve la forme et la taille de la nacelle dans les deux variantes existantes. Ce point commun rend les tâches d'exploitation et de maintenance compatibles entre les variantes à poussée inférieure et supérieure.

Photo de : Rolls-Royce

De plus, du point de vue de la maintenance, 80 % des articles et outils de remplacement sont identiques entre les deux variantes. Cependant, les technologies avancées utilisées sur le XWB-97 fournissent une poussée supplémentaire et des performances optimales pour l'A350-1000 et l'A350F.

La polyvalence du XWB-97

Equipant actuellement l'A350-1000, le Trent XWB-97 s'adresse à un large éventail de missions court-courriers et long-courriers. Aujourd'hui, des vols d'une durée allant de 45 minutes à 16 heures sont propulsés de manière sûre et efficace par le XWB-97. Le Trent XWB utilise une conception de pointe et des technologies avancées, ce qui se traduit par une fiabilité, une polyvalence et une capacité d'autonomie unique.

Photo : Airbus

Les moteurs Rolls-Royce Trent XWB-97 sont à l'origine de ce qui sera le vol passager régulier le plus long au monde entre Sydney (SYD) et Londres Heathrow (LHR). Les vols Project Sunrise de Qantas entre l'Australie et New York et Londres à bord d'A350-1000 dureront environ 20 heures.

Améliorations du ventilateur et du noyau

Bien que le diamètre du ventilateur et le nombre de pales soient partagés entre les deux variantes, le ventilateur du -97 tourne 6 % plus vite que celui du -84. Cela injectera plus d’air dans l’entrée. Le noyau du moteur a été dimensionné pour faire face à l’augmentation du débit d’air provenant de la gigantesque entrée du ventilateur. Un débit d'air accru dans le noyau signifie également plus de travail pour la chambre de combustion pour homogénéiser le mélange air-carburant et l'allumer.

Photo:Lutz Blohm | Wikimédia Commons

La chambre de combustion du XWB-97 a été renforcée pour augmenter sa capacité de température. Un moteur à réaction en bon état fonctionnant à proximité des niveaux de poussée maximum connaît une température d'environ 3 000 degrés F (1 700 degrés C) dans la section chaude. Les alliages métalliques avancés et les composites à matrice céramique (CMC) utilisés dans la chambre de combustion résistent aux températures élevées tout en maintenant l'efficacité du moteur.

Selon Simon Burr, directeur de l'exploitation des gros moteurs civils chez Rolls-Royce,

"Le Trent XWB-97 sera le moteur à poussée la plus élevée que nous ayons jamais certifié, aux températures de fonctionnement les plus élevées et aux systèmes de refroidissement les plus avancés que nous ayons jamais conçus pour un moteur civil. Nous travaillons à la pointe de la technologie, mais c'est ce que vous faites pour produire les moteurs les plus efficaces au monde."

Rolls-Royce intègre une utilisation plus large de disques aubagés (disques aubagés combinés) dans les compresseurs haute pression et intermédiaires du -97. Un disque aubagé se compose d'une seule pièce reliant le disque et les pales rotatives par fabrication additive, moulage intégral ou simplement par soudage de pales individuelles à un disque de rotor. Les disques durs minimisent la traînée et améliorent l'efficacité aérodynamique tout en réduisant le poids par rapport aux assemblages conventionnels.

Le compresseur intermédiaire de premier étage du Trent XWB-97 est le plus gros que Rolls-Royce ait produit sur un moteur commercial. Ils affirment qu'il permet de réaliser une économie de poids de module de 15 % grâce à l'utilisation de la technologie des disques aubagés à compresseur.

Améliorations de la section turbine

Les sections de turbine sont renforcées avec des matériaux résistants à la température pour garantir un flux rationalisé de gaz chauds pendant l'expansion. Des températures plus élevées dans les sections de turbine nécessitent des systèmes de refroidissement efficaces. Les conduits, vannes et passages de refroidissement ont été améliorés pour faciliter un refroidissement efficace.

Photo:Sœur née | Wikipédia Commons

Par exemple, les moteurs à réaction modernes, comme le Trent XWB-97, utilisent divers moyens de refroidissement dans la section turbine. Ceux-ci incluent le refroidissement interne, le refroidissement par impaction et le refroidissement par film (barrière thermique). Plusieurs mécanismes permettent aux aubes de turbine de maintenir des températures inférieures à un niveau critique, de minimiser l'usure et de fonctionner de manière optimale.

L'efficacité thermique de la turbine haute pression est considérablement améliorée grâce à l'utilisation de matériaux et de techniques de revêtement avancés. Selon Simon Burr,

"Pour obtenir les performances et l'efficacité de cette machine, nous devons augmenter la capacité de température de la turbine à un niveau supérieur à celui de n'importe quel gros moteur aéronautique du passé. Il est essentiel de maintenir l'efficacité thermique à ces températures plus élevées. Nous avons donc investi dans de nouveaux matériaux et revêtements pour les aubes de turbine haute pression, mais avons également utilisé un système de refroidissement intelligent qui fournit la bonne quantité d'air de refroidissement à l'aube tout au long du cycle de vol."

L'utilisation de techniques de fabrication additive utilisées sur le -97 offre une liberté de conception tout en minimisant les délais de livraison par rapport aux techniques conventionnelles d'usinage ou de moulage. Par exemple, l’anneau d’aubes allant de l’admission au noyau du moteur est réalisé par fabrication additive.

L'anneau fournit une série de passages internes complexes qui transfèrent l'air (relativement) chaud utilisé par le système d'antigivrage. La circulation de l'air chaud dans les chemins et passages internes protège le moteur en cas de conditions météorologiques défavorables. Utilisant des matériaux et des technologies avancés, le XWB-97 offre des performances opérationnelles et une fiabilité sur l’aile de premier plan au monde.