¿Por qué los ventiladores N1 y N2 tienen ejes diferentes?

Un turboventilador, donde el ventilador es más ancho que la mayoría de los discos de turbina/compresor, plantea un problema:

Al igual que las hélices, cada etapa funcionaría de manera más eficiente si se controla la velocidad de la punta de la pala. Las mismas RPM darían como resultado una mayor velocidad de la punta de la cuchilla cuanto más ancho sea el disco.

En un solo carrete, hacer funcionar un ventilador ancho hacia adelante a la misma velocidad que una turbina pequeña y rápida dará como resultado un ventilador supersónico muy, muy rápido e ineficiente, es decir, la turbina desperdiciará combustible valioso tratando de superar las ondas de choque en las puntas de las palas supersónicas. (en lugar de usar este combustible para producir empuje), o simplemente atascarse.

A menos que esté buscando un turborreactor sin ventilador, entonces el carrete único está bien .

Sin embargo, si puede separar lo ancho de lo angosto, cada uno en su propio eje, puede hacer funcionar cada uno a diferentes velocidades, un ventilador grande a RPM bajas, compresores/turbinas más pequeños a sus altas RPM eficientes.

Rolls-Royce va un paso más allá y prefiere un sistema de 3 bobinas , 3 ejes y 3 velocidades. N1, N2 y N3: a cada eje se le asigna un número, en un solo carrete solo habrá una sola lectura de RPM.

Para hacer funcionar el ventilador de manera aún más eficiente, ingrese el turboventilador engranado , donde el ventilador se ralentiza aún más utilizando una caja de cambios de reducción, lo que permite un ventilador aún más grande que funciona más lento y silencioso.

( Fuente ) Pratt & Whitney PW1000G (turboventilador con engranajes) que impulsa el A320neo, vea qué tan grande es el ventilador en comparación con el 'núcleo'.

Retraso

Para el spool-lag, o retardo de entrada/salida, encontramos en ¿Por qué los motores de turbina tardan tanto en ponerse en marcha? ese spool-lag es significativo cuando se comparan diferentes motores: pistón, turbohélice y motor a reacción.

Para un motor a reacción, cuantos más ejes, más complejo es el sistema. Las ganancias de la eficiencia se perderán, más o menos, por las ganancias de peso (misma época y materiales). Al comparar el RB211 de 3 carretes con el CF6 de 2 carretes de la misma era para un empuje de ~270 kN, encontramos que el de 3 carretes es en general más pesado, a pesar de que cada etapa funciona de manera más eficiente.

Ejes contrarrotativos

Para ejes contrarrotatorios, sobre los que pregunté en ¿Cómo logra el Pratt & Whitney F119 sus características? , y hasta donde yo sé, solo el F-22 y posiblemente el F-35 lo utilizan, y no creo que los detalles se revelen pronto.

De la respuesta de Carlo allí , al tener ambos ejes girando uno frente al otro, los pares se vuelven opuestos y hasta cierto punto se anularían entre sí, requiriendo menos elementos estructurales, ahorrando peso y mejorando la relación empuje-peso.

Muchas rasones:

Los carretes del ventilador, LPC/T y HPC/T funcionan a diferentes velocidades para una eficiencia óptima. Un enlace duro entre ellos afecta las velocidades a las que pueden operar los otros carretes, lo que reduce la eficiencia.

Los carretes separados redujeron la inercia rotacional de cada uno, reduciendo el retraso de 'carrete hacia arriba' y permitiéndoles tiempos de respuesta más rápidos para acelerar las entradas.

Los carretes pueden ser contrarrotantes, lo que reduce el momento efectivo sobre la carcasa y el soporte del motor, lo que hace que el motor sea más liviano.