Vad är begränsningarna i adoptioner av GTF (Geared Turbofan) -teknik?

De faktorer som är relevanta här är:

• Öka bypass-förhållandet är mycket önskvärt för att förbättra motorns effektivitet och för samma mängd dragkraft betyder det att fläktens diameter ökas.
• För att hålla fläkten mest subsonisk måste fläkthastigheten sjunka med ökande fläktdiametrar. Supersoniska fläktblad tips är möjliga och i bruk, men du förlorar effektivitet och ökar ljudet, så det är önskvärt att begränsa detta till det yttersta området.
• För samma effektivitet kräver en turbin med låg hastighet fler steg och därför mer vikt än en höghastighetsturbin. Jämför PW1100Gs 3-stegs LPT (gearad) med LEAP-1As 7-stegs LPT (ej utrustad).
• Det enda sättet att koppla bort rotationshastigheten för LPT från fläktens rotationshastighet är att använda en växellåda.

På lång sikt är det därför en fråga om om växellådan är tyngre än en långsammare LPT och om en eventuell ökning av underhållskostnader på grund av växellådan är acceptabel för den givna ökningen i effektivitet eller minskning av motorvikt . Med ytterligare ökningar i motorns bypassförhållanden blir växellådan alltmer attraktiv.

På kort sikt är det också en fråga om huruvida ett företag vill riskera att utveckla en helt ny komponent med potentiella problem före och efter ibruktagande. Dessutom, med en viss mängd pengar och arbetskraft för att utveckla en ny motor, kommer ledningen att fråga: Var ska ingenjörstimmarna göra en större skillnad i förbättrad fläkt, kompressor, turbin och förbränningsrumsdesign / material / ... eller i en växellåda design.

Så, till exempel, tillverkar Rolls-Royce inte en växlad turbofan just nu, deras "UltraFan" -forskningsmotorprojekt innehåller en växellåda. Jag tycker att det är säkert att säga att det bara är en fråga om tid tills de flesta kommersiella turbofans kommer att innehålla en växellåda.

I slutändan till @ JulianHzgs anwser:

Increasing the bypass ratio is very desirable in order to improve the efficiency of the engine, and for the same amount of thrust, this means increasing the fan diameter

Att öka bypass-förhållandet är säkert ett sätt att nå en högre effektivitet (och kanske det mest utvecklade ämnet för närvarande i flygmotorer), men bara om du kan ge motorn en kraftfull noggasgenerator, så att bypassen ökas förhållandet begränsas av andra parametrar såsom förbränningskammarens temperatur och turbineffektivitet.

In order to keep the fan mostly subsonic, the fan rotational speed has to decrease with increasing fan diameters. Supersonic fan blade tips are possible and in use, but you lose efficiency and increase noise, so it's desirable to limit this to the outermost area.

Bladen som permanent lämnas in för chockvågor tenderar också att ha en mycket kort livslängd på grund av mycket hög trötthet. Därför tenderar folk att undvika supersoniska flödesförhållanden.

For the same efficiency, a low-speed turbine requires more stages and therefore more weight compared to a high-speed turbine. Compare the PW1100G's 3-stage LPT (geared) with LEAP-1A's 7-stage LPT (not geared).

I grunden måste rotationshastigheten för varje element anpassas till fluidhastigheten. Så om varje roterande element drivs av samma axel, måste flödet anpassas till steg i turbin- eller kompressormodulerna. Om du har två axlar, en långsam (bra för fläkten) och en snabb (bra för turbinen) får du en bättre kompromiss när det gäller effektivitet. Detta förklarar emellertid andra problem (t.ex. rotordynamiska instabilitet) som förklarar varför Rolls-Royce är den enda tillverkaren som föreslår tre axlar (ännu bättre med avseende på effektivitet men också väldigt komplex).

Växellådan tillåter att fortsätta använda två axlar samtidigt som man förbättrar anpassningen mellan vätska och roterande element.

Frågan om växellådans vikt är väldigt viktig, det måste noteras att en växellåda mut kan överföra kraften hos LPT till fläkten, så det är inte en enkel växellåda från din bil. Även om epicykloid-växellådor har en mycket bra effektiv överföringskraft med sådana tåg kostar energi, skapar värme, kräver smörjning och underhåll.

Avslutningsvis är detta en mycket välkänd teknik som är välkänd för flygindustrin (hur tror du att helikoptrar flyger!), men det användes aldrig på flygplansmotorer med hög effekt. En annan tillämpning av växellådor är de öppna rotormotorerna som innebär ännu mer komplexa växellådor du motverka roterande fläktar.