La mayor instalación de pruebas aeroespaciales de interior del mundo

Rolls-Royce ha inaugurado oficialmente el banco de pruebas 80. Mark Broadbent analiza lo que ofrece y por qué, en este caso, más grande es mejor.

Todo en el banco de pruebas 80 de la planta de Rolls-Royce en Derby es grande.

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Its dimensions have prompted visitors to liken Testbed 80’s engine test chamber to a cathedral. All images courtesy of Rolls-Royce

Su cámara interna, en la que se prueban los turbofanes, tiene una superficie de 7.500 m², lo que la convierte en la mayor instalación de pruebas de motores a reacción en interiores jamás construida. El edificio tiene 3.128 toneladas de acero y 27.000 m³ de hormigón, lo suficiente para llenar 11 piscinas olímpicas. El banco de pruebas 80 desempeñará un papel importante en el desarrollo de motores de Rolls-Royce, ya que, según su director general, Warren East, "cuenta con la tecnología de pruebas más avanzada que jamás hayamos utilizado", con sistemas de última generación para "probar los motores hasta el límite, tanto física como digitalmente".

El banco de pruebas 80 es el resultado de una inversión de 90 millones de libras por parte de Rolls-Royce y de un proyecto de construcción de tres años.

Aunque no se inauguró formalmente hasta junio de 2021, el edificio se completó a finales de este año y un Trent XWB se probó en las instalaciones en enero de 2021. El XWB y otros propulsores civiles de Rolls-Royce de producción actual, como el Trent 1000, seguirán probándose allí mientras el fabricante trabaja para mejorar estos propulsores.

Sin embargo, la razón principal del desarrollo del banco de pruebas 80 es apoyar el desarrollo de turbofanes más grandes y eficientes.

La empresa tiene previsto poner en marcha el primer motor UltraFan de demostración en el banco de pruebas 80, que proporcionará la capacidad adicional que Rolls-Royce necesita para probar esta nueva generación de propulsores a medida que se aceleran los trabajos de desarrollo.

Como una catedral
Rolls-Royce ha dicho que los visitantes han comparado el banco de pruebas 80 con una catedral, gracias a la sensación de inmensidad y al enorme esfuerzo de construcción que ha requerido. El tamaño es deliberado. UltraFan tendrá un diámetro de ventilador de 3,55 m, lo que lo convierte en el mayor turboventilador de la aviación civil (el actual es el GE9X de 3,45 m del Boeing 777X).

Rolls-Royce lo resume así: "Los motores a reacción modernos son más grandes y potentes que nunca, por lo que necesitamos espacios más grandes para probarlos". La empresa promete que el UltraFan, que tendrá una relación de derivación de 15:1, quemará un 25% menos de combustible que el turbofan Trent de primera generación.

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Rolls-Royce will test its UltraFan in Testbed 80 in 2022

Más allá de ser simplemente una instalación más apropiada para motores más grandes, Rolls-Royce cree que el banco de pruebas 80 señala una nueva era para las pruebas. Los tiempos han "pasado de los días en que los motores se probaban durante semanas", señaló la empresa.

Los avances en el diseño digital y el software de modelización permiten a los ingenieros "predecir el comportamiento de un motor" en la fase de diseño. Estas capacidades de ingeniería son tan avanzadas que los bancos de pruebas físicos se utilizan ahora sobre todo para verificar los sofisticados modelos de diseño, más que para buscar información, afirma la empresa.

El banco de pruebas 80 cuenta con un sistema de rayos X extremadamente potente que, con nueve megavoltios, es 60 veces más potente que los rayos X utilizados para inspeccionar un hueso roto.

Permite al fabricante radiografiar motores a reacción en funcionamiento.

Helen Pearce, asesora de protección radiológica de Rolls-Royce, explicó: "Durante las pruebas de rayos X, la instalación ya no es un banco de pruebas, sino que se convierte en un búnker de rayos X".

Entrada controlada
Aunque los sólidos muros de hormigón del banco de pruebas 80 tienen un grosor de entre 1,3 y 1,7 metros -lo que, según Pearce, proporciona un blindaje "fenomenal"-, sigue habiendo una zona controlada alrededor de las instalaciones y de varios edificios vecinos. "No se permite a nadie en un determinado radio del edificio, aunque esté fuera, para garantizar que nadie pueda entrar", señaló.

Antes de comenzar cualquier exploración, los supervisores llevan a cabo un elaborado procedimiento de seguridad para garantizar que no quede nadie dentro del banco de pruebas. Pearce dijo: "Cuando realizamos radiografías estáticas en una sala pequeña, es fácil asegurarse de que no hay nadie. Con un espacio más grande que un campo de fútbol de la Premier League y con varios pisos, tenemos que estar seguros de que no hay nadie dentro de la zona de radiación antes de empezar las pruebas".

Un ingeniero debe encontrar y pulsar 45 botones -algunos de los cuales están en zonas de difícil acceso o detrás de puertas- en un orden específico y en un tiempo determinado. Sólo cuando se ha completado, se libera una llave que les permite salir de la zona de rayos X y asegurar la instalación, con la certeza de que nadie se queda atrás. A continuación, los supervisores de protección radiológica, altamente formados, manejan la máquina de rayos X. La cámara de pruebas es capaz de probar 155klbf, y la velocidad del aire que sale del tubo del aumentador cuando un motor está siendo probado supera los 640kph.

Entender los motores
El banco de pruebas 80 genera una enorme cantidad de datos para los ingenieros. La instalación puede medir más de 10.000 parámetros individuales en un motor, y se pueden capturar alrededor de 200.000 muestras en cada segundo de una prueba, hasta las más pequeñas vibraciones. Según Darren O'Neill, ingeniero de proyectos de capacidad de pruebas de Rolls-Royce, sus sistemas registran más datos en un solo día que los que contiene la enciclopedia en línea Wikipedia. O'Neill dijo: "Las pruebas físicas confirman lo que ya habíamos predicho mediante modelos. Los avanzados sistemas del banco de pruebas 80 captarán más datos que nunca, lo que mejorará aún más nuestra comprensión. Si comprendemos mejor el motor, creemos que los ingenieros podrán hacer modificaciones que mejoren el consumo específico de combustible, es decir, la cantidad de combustible que quema el motor durante el vuelo".

Los datos del banco de pruebas 80 se envían directamente a una nube segura, donde los ingenieros de la empresa analizarán los resultados.

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The size of the building is perhaps best appreciated from above

Nuevas tecnologías
El Testbed 80 ofrece mucho más que instalaciones avanzadas de rayos X que proporcionan vistas enormemente detalladas de los motores en funcionamiento.

Con el impulso político más amplio, al menos en Occidente, de descarbonizar y limitar el aumento de la temperatura global a 1,5 ºC, las economías desarrolladas se centran cada vez más en alcanzar el "cero neto" de emisiones de CO2 para 2050.

Esto presiona a la industria de la aviación para que se descarbonice rápidamente, lo que hace que los combustibles de aviación sostenibles (SAF) sean cada vez más un foco de atención en los amplios esfuerzos de limpieza.

Mientras que las plantas motrices híbridas o totalmente eléctricas interesan a los desarrolladores para las operaciones de corta/media distancia o los vuelos regionales, Rolls-Royce dijo: "El futuro de los vuelos de media y larga distancia sigue necesitando la turbina de gas, pero también requiere un nuevo nivel de rendimiento medioambiental".

El SAF es una solución, dijo, porque ofrece "emisiones netas de CO2 en el ciclo de vida de... al menos un 75% menos que el combustible convencional para aviones", con la posibilidad de mayores reducciones a medida que los métodos de producción avancen en los próximos años.

El banco de pruebas 80 se utilizará para llevar a cabo la primera prueba de demostración de un motor Rolls-Royce que funcione con 100% de SAF; el tipo aún no se ha confirmado públicamente, pero se dice que es un Trent 1000. La instalación dispone de un depósito con capacidad para 140.000 litros de combustible de diferentes tipos, incluido el SAF.

La evaluación seguirá a las pruebas de SAF que Rolls-Royce ha llevado a cabo recientemente en sus otras instalaciones de pruebas de Derby. El año pasado, la empresa comenzó a probar SAF en un motor Trent 1000 que incorporaba el sistema ALECSys (Advanced Low Emissions Combustion System), al que Rolls-Royce se refiere como su "tecnología de combustión pobre", y a principios de este año anunció que había realizado las primeras pruebas de 100% SAF en el motor Pearl 700 en su planta de Dahlewitz (Alemania).

En su intervención durante la convocatoria de resultados del cuarto trimestre de 2020 de Rolls-Royce, Warren East dijo que los resultados de las pruebas de SAF de la empresa hasta ahora "han sido extremadamente prometedores". El banco de pruebas 80 dará un impulso adicional a la exploración de estas tecnologías.

El director general dijo: "Consideramos que el uso de SAF es vital. Además, requiere pocos cambios en la arquitectura de nuestros motores: lo que estamos trabajando con nuestros socios en la industria es un SAF que puede introducirse simplemente en el motor". Los combustibles también tienen una mayor densidad energética y menos impurezas. Además, pueden crearse sintéticamente utilizando el carbono capturado, con una fuente de energía con cero emisiones de carbono. Eso es lo que nos da nuestro cero neto".

Lafuerza del bien
Paul Stein, director de tecnología de Rolls-Royce, dijo: "La aviación es una tremenda fuerza para el bien, que mantiene al mundo conectado, pero tenemos que hacerlo de forma sostenible. Si se puede aumentar la producción de FAE -y la aviación necesita 500 millones de toneladas al año para 2050- podemos hacer una enorme contribución para nuestro planeta".

Stein añadió: "Sabemos que se trata de una empresa ingente y que requerirá el trabajo en equipo de varias partes interesadas, como la aviación, la industria del combustible y los organismos gubernamentales. Estas pruebas son una contribución al debate sobre el SAF, con el objetivo de demostrar que nuestros motores actuales pueden funcionar con un 100% de SAF como una opción completa, sentando las bases para avanzar en la certificación de estos combustibles."

Los objetivos más amplios de Rolls-Royce también incluyen hacer que dos tercios de los motores Trent en servicio en los aviones de pasajeros y tres quintas partes de los motores de los reactores comerciales de la empresa puedan funcionar con SAF al 100%, y sustituir el 10% del combustible utilizado en las actividades de prueba y desarrollo aeroespacial civil por SAF. Shell Aviation, en colaboración con SkyNRG, suministró el SAF para las pruebas del año pasado y proporcionó lubricantes AeroShell para el programa de pruebas de motores ALECSys. Sobre la base de esta asociación, Rolls-Royce y Shell firmaron en julio un memorando de entendimiento para realizar más pruebas con SAF.

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Earlier this year Rolls-Royce and Shell committed to work together to develop SAFs

Los combustibles sostenibles no son las únicas nuevas tecnologías que se evaluarán en el banco de pruebas 80. Incluso las propias instalaciones de ensayo se revisan continuamente. Rolls-Royce dijo: "Estamos preparando el banco de pruebas 80 para el futuro, permitiendo la instalación de tecnología futura para probar sistemas de vuelo híbridos o totalmente eléctricos. Estamos trabajando en diferentes proyectos de electrificación, como el ACCEL, un avión totalmente eléctrico que pretende batir récords. Tendremos que probar las tecnologías eléctricas hasta el límite, y el banco de pruebas 80 desempeñará un papel importante".

Tal es el alcance del trabajo que se llevará a cabo en el banco de pruebas 80 que el mayor misterio podría ser cómo le iría a Rolls-Royce sin él.

30 imágenes por segundo
Rolls-Royce es el único fabricante de motores aéreos que utiliza rayos X en sus motores. Darren O'Neill, ingeniero de proyectos de capacidad de pruebas de Rolls-Royce, explicó: "Nuestras capacidades de rayos X nos permiten observar niveles minúsculos de detalle y ser extremadamente precisos. Nuestros motores están formados por más de 20.000 componentes y, gracias a la tecnología de rayos X, podemos ver cómo se comportan con extremo detalle, en diferentes condiciones".

La radiografía de motores en funcionamiento no es algo nuevo en Rolls-Royce. Se utilizó por primera vez en la década de 1970, cuando un método tradicional de placas de película capturaba diez imágenes por turno. Las técnicas actuales que se utilizan en los otros bancos de pruebas de la empresa capturan una imagen cada seis segundos, lo que parece un buen método, pero el banco de pruebas 80 supone un avance sustancial.

Según O'Neill: "Capturaremos 30 imágenes cada segundo. Las imágenes serán más nítidas que nunca y estarán disponibles al instante para los ingenieros, que podrán combinarlas con otros puntos de datos para comprender lo que le ocurre a un componente del motor en condiciones específicas".

Según Rolls-Royce, actualmente se tarda unos diez días en montar un banco de pruebas para realizar una radiografía de un motor en funcionamiento. En el banco de pruebas 80, esto se reducirá a sólo un día.

O'Neill concluyó: "Todo lo que hacemos en el Testbed 80 consiste en obtener mejores datos más rápidamente".

Construir un banco depruebas
El director general de Rolls-Royce, Warren East, describió el banco de pruebas 80 no sólo como una "increíble pieza de infraestructura", sino también como "una señal muy visible" del compromiso de la empresa con Derby. La instalación, dijo, "asegura el futuro" de la ciudad como sede del desarrollo de grandes motores, "continuando una historia que comenzó a finales de los años 60 con el RB211".

La consultora de ingeniería Norder, con sede en Belper, a poco más de 16 kilómetros de Derby, ha sido la consultora civil, estructural y arquitectónica y la principal diseñadora del banco de pruebas 80, mientras que MDS Aero Support Corporation, de Ottawa (Canadá), también ha contribuido al diseño y la construcción.

Los bloques adyacentes que albergan las oficinas, las salas de conferencias, la cantina, los servicios sociales, los talleres y las instalaciones están construidos con estructuras de acero y paneles de revestimiento colocados horizontalmente para que coincidan con los edificios existentes.

Norder explicó: "Debido a la naturaleza de las operaciones del banco de pruebas, las consideraciones clave para este proyecto fueron evitar las emisiones de ruido, vibraciones y rayos X, ya que estos factores podrían tener un efecto perjudicial tanto para el personal del bloque de oficinas y el taller adyacentes, como para la población circundante.

"Al colaborar con los diseñadores de las instalaciones de pruebas aeroespaciales, y contratar a un ingeniero acústico, [pudimos] producir un diseño que no sólo cumplía los requisitos, sino que debería lograr un rendimiento que está dos decibelios por debajo de los niveles de ruido existentes en el sitio".