Brže, tiše, čišće - novi zrakoplovni motor

Ispada da da biste se puno promijenili u zrakoplovstvu, ne morate tražiti nove propelere, futuristički dizajn ili svemirske materijale. Dovoljno je koristiti relativno jednostavan mehanički prijenos ...

Ovo je jedna od najvažnijih inovacija posljednjih godina. Turboventilatorski motori (GTF) omogućuju kompresoru i ventilatoru rotaciju različitim brzinama. Pogonski zupčanik ventilatora rotira se s osovinom ventilatora, ali odvaja motor ventilatora od niskotlačnog kompresora i turbine. Ventilator se okreće manjom brzinom, dok kompresor i niskotlačna turbina rade većom brzinom. Svaki modul motora može raditi s optimalnom učinkovitošću. Nakon 20 godina ulaganja u istraživanje i razvoj i istraživanje i razvoj od oko 1000 milijardi dolara, obitelj Pratt & Whitney PurePower PW2016G s turboventilacijskim pogonom bila je operativna prije nekoliko godina i masovno je uvedena u komercijalne zrakoplove od XNUMX.

Moderni turboventilatorski motori stvaraju potisak na dva načina. Prvo, kompresori i komora za izgaranje nalaze se u njegovoj jezgri. Sprijeda je ventilator koji, pokretan jezgrom, usmjerava zrak kroz premosne komore oko jezgre motora. Bypass omjer je omjer količine zraka koja prolazi kroz jezgru i količine zraka koja prolazi kroz nju. Općenito, veći omjer zaobilaženja znači tiše, učinkovitije i snažnije motore. Konvencionalni turboventilatori imaju omjer zaobilaženja od 9 prema 1. Pratt PurePower GTF motori imaju omjer zaobilaženja od 12 prema 1.

Za povećanje omjera zaobilaženja, proizvođači motora moraju povećati duljinu lopatica ventilatora. Međutim, kada se produži, brzine rotacije dobivene na kraju oštrice bit će toliko visoke da će se pojaviti neželjene vibracije. Potrebne su vam lopatice ventilatora da biste usporili, a tome služi mjenjač. Takav motor može biti čak 16 posto, prema Pratt & Whitney. velika ušteda goriva i 50 posto. manje ispušnih plinova i iznosi 75 posto. miran. Nedavno su SWISS i Air Baltic objavili da njihovi mlazni motori GTF C-serije troše čak i manje goriva nego što proizvođač obećava.

Motor PW1100G-JM na proizvodnoj liniji

Časopis TIME nazvao je motor PW1000G jednim od 50 najvažnijih izuma 2011. i jednim od šest ekološki najprihvatljivijih izuma, budući da je Pratt & Whitney PurePower dizajniran da bude čišći, tiši, snažniji i troši manje goriva od postojećih mlaznih motora. Godine 2016. Richard Anderson, tadašnji predsjednik Delta Air Linesa, nazvao je motor "prvom istinskom inovacijom" otkako je Boeingov Dreamliner revolucionirao kompozitnu konstrukciju.

Uštede i smanjenje emisija

Sektor komercijalnog zrakoplovstva emituje više od 700 milijuna tona ugljičnog dioksida godišnje. Iako je tek oko 2 posto. globalne emisije ugljičnog dioksida, postoje dokazi da staklenički plinovi u mlaznom gorivu imaju veći utjecaj na atmosferu jer se ispuštaju na većim visinama.

Glavni proizvođači motora nastoje uštedjeti gorivo i smanjiti emisije. Prattov rival CFM International nedavno je predstavio vlastiti napredni motor nazvan LEAP, za koji dužnosnici tvrtke kažu da daje slične rezultate kao turboventilator nauštrb drugih rješenja. CFM tvrdi da se u tradicionalnoj turboventilatorskoj arhitekturi iste prednosti mogu postići bez dodatne težine i otpora pogonskog sklopa. LEAP koristi lagane kompozitne materijale i lopatice ventilatora od ugljičnih vlakana za postizanje poboljšanja energetske učinkovitosti za koje tvrtka kaže da su usporediva s onima postignutima s motorom Pratt & Whitney.

Do danas su narudžbe za Airbusove motore za A320neo otprilike ravnomjerno podijeljene između CFM i Pratt & Whitney. Nažalost za potonju tvrtku, PurePower motori stvaraju probleme korisnicima. Prvi se pojavio ove godine, kada je zabilježeno neravnomjerno hlađenje GTF motora u Airbusu A320neo Qatar Airwaysa. Neravnomjerno hlađenje može dovesti do deformacije i trenja dijelova, a ujedno i povećati vrijeme između letova. Kao rezultat toga, avioprijevoznik je zaključio da motori ne zadovoljavaju operativne zahtjeve. Ubrzo nakon toga, indijske zrakoplovne vlasti obustavile su letove 11 zrakoplova Airbus A320neo pokretanih PurePower GTF motorima. Prema pisanju Economic Timesa, odluka je došla nakon što su zrakoplovi s Airbusovim GTF pogonom pretrpjeli tri kvara motora tijekom dva tjedna. Pratt & Whitney umanjuje važnost ovih poteškoća, govoreći da ih je lako prevladati.

Airbus elektronički ventilator

Još jedan div u području zrakoplovnih motora, Rolls-Royce, razvija vlastiti Power Gearbox koji će do 2025. smanjiti potrošnju goriva u velikim turboventilatorima za 25%. u usporedbi sa starijim modelima poznate palete motora Trent. To, naravno, znači novo dizajnersko natjecanje Pratt & Whitney.

Britanci razmišljaju i o drugim vrstama inovacija. Tijekom nedavnog Singapore Airshowa, Rolls-Royce je pokrenuo IntelligentEngine Initiative, čiji je cilj razviti inteligentne motore zrakoplova koji su sigurniji i učinkovitiji kroz sposobnost međusobnog komuniciranja i kroz mrežu podrške. Pružajući kontinuiranu dvosmjernu komunikaciju s motorom i ostalim dijelovima uslužnog ekosustava, motor će moći riješiti probleme prije nego što se pojave i naučiti kako poboljšati performanse. Također bi učili iz povijesti svog rada i drugih motora, a uglavnom bi se čak morali sami popravljati u hodu.

Pogonu su potrebne bolje baterije

Aviation Vision 2050 Europske komisije poziva na smanjenje emisija CO.₂ za 75 posto, dušikovi oksidi za 90 posto. a buka za 65 posto. Oni se ne mogu postići postojećim tehnologijama. Električni i hibridno-električni pogonski sustavi trenutno se smatraju jednom od najperspektivnijih tehnologija za suočavanje s tim izazovima.

Na tržištu postoje dvosjedi električni laki zrakoplovi. Na pomolu su hibridno-električna vozila s četiri sjedala. NASA predviđa da će početkom 20-ih godina ova vrsta kratkih letjelica s devet sjedala vratiti zrakoplovne usluge u manje zajednice. I u Europi i u SAD-u znanstvenici vjeruju da je do 2030. godine moguće izgraditi hibridno-električni zrakoplov kapaciteta do 100 sjedala. Međutim, bit će potreban značajan napredak u području skladištenja energije.

Trenutno gustoća energije baterija jednostavno nije dovoljna. Međutim, sve bi se to moglo promijeniti. Šef Tesle Elon Musk rekao je da će, nakon što baterije budu sposobne proizvesti 400 vat-sati po kilogramu, a omjer snage ćelije i ukupne težine 0,7-0,8, električni transkontinentalni zrakoplov postati "teška alternativa". S obzirom da su litij-ionske baterije uspjele postići gustoću energije od 113 Wh/kg 1994., 202 Wh/kg 2004., a sada su sposobne doseći oko 300 Wh/kg, može se pretpostaviti da će u sljedećem desetljeću dostići će razinu 400 Wh/kg.

Projekt električnog zračnog taksija s dva sjedala Kitty Hawk

Airbus, Rolls-Royce i Siemens nedavno su se udružili kako bi razvili demonstrator letenja E-Fan X, koji će biti značajan korak naprijed u hibridno-električnom pogonu komercijalnih zrakoplova. Očekuje se da će demonstracija hibridne električne tehnologije E-Fan X biti -Fan X letjeti 2020. nakon opsežne kampanje testiranja na zemlji. U prvoj fazi, BAe 146 će zamijeniti jedan od četiri motora s elektromotorom od XNUMX MW. Naknadno se planira zamjena druge turbine elektromotorom nakon što se pokaže zrelost sustava.

Airbus će biti odgovoran za cjelokupnu integraciju, kao i hibridnu arhitekturu upravljanja električnim pogonom i baterijom te njezinu integraciju sa sustavima kontrole leta. Rolls-Royce će biti odgovoran za plinskoturbinski motor, generator od XNUMX megavata i energetsku elektroniku. Zajedno s Airbusom, Rolls-Royce će raditi i na prilagodbi ventilatora postojećoj Siemens gondoli i elektromotoru. Siemens će isporučiti elektromotore snage XNUMX MW i elektronički regulator snage, kao i inverter, pretvarač i sustav za distribuciju električne energije.

Mnogi istraživački centri diljem svijeta rade na električnim zrakoplovima, uključujući NASA-u, koja gradi X-57 Maxwell. Također se razvija projekt električnog zračnog taksija s dva sjedala Kitty Hawk i mnoge druge strukture velikih centara, tvrtki ili malih start-upova.

S obzirom na to da je prosječni životni vijek putničkih i teretnih zrakoplova oko 21 odnosno 33 godine, čak i ako svi novi sutra proizvedeni zrakoplovi budu potpuno električni, trebalo bi dva do tri desetljeća da se postupno ukinu zrakoplovi na fosilna goriva.

Dakle, neće raditi brzo. U međuvremenu, biogoriva mogu olakšati okoliš u sektoru zrakoplovstva. Pomažu u smanjenju emisije ugljičnog dioksida za 36-85 posto. Unatoč činjenici da su mješavine biogoriva za mlazne motore certificirane 2009. godine, zrakoplovna industrija ne žuri s promjenama. Nekoliko je tehnoloških prepreka i izazova povezanih s dovođenjem proizvodnje biogoriva na industrijsku razinu, ali glavna je prepreka cijena – potrebno je još deset godina da se postigne paritet s fosilnim gorivima.

Korak u budućnost

U isto vrijeme, laboratoriji rade na nešto futurističkijim konceptima motora zrakoplova. Zasad, primjerice, plazma motor ne zvuči baš realistično, ali se ne može isključiti da će se znanstveni radovi razviti u nešto zanimljivo i korisno. Plazma potisnici koriste električnu energiju za stvaranje elektromagnetskih polja. Oni komprimiraju i pobuđuju plin, poput zraka ili argona, u plazmu - vruće, gusto, ionizirano stanje. Njihovo istraživanje sada dovodi do ideje o lansiranju satelita u svemir (ionski potisnici). Međutim, Berkant Goeksel s Tehničkog sveučilišta u Berlinu i njegov tim žele staviti plazma potisnike na avione.

Cilj istraživanja je razviti zračno-mlazni plazma motor koji bi se mogao koristiti i za polijetanje i za letove na velikim visinama. Plazma mlazni motori obično su dizajnirani za rad u vakuumu ili atmosferi niskog tlaka gdje je potrebna opskrba plinom. Međutim, Gökselov tim testirao je uređaj sposoban raditi na zraku pod pritiskom od jedne atmosfere. “Naše plazma mlaznice mogu postići brzinu do 20 kilometara u sekundi”, kaže Göckel u seriji konferencija Journal of Physics.

SABRE motor u hipersoničnom vozilu budućnosti

Za početak, tim je testirao minijaturne potisnike duge 80 milimetara. Za mali zrakoplov, to će biti do tisuću onoga što tim smatra mogućim. Najveće ograničenje je, naravno, nedostatak laganih baterija. Znanstvenici također razmišljaju o hibridnim zrakoplovima, u kojima bi se plazma motor kombinirao s motorima s unutarnjim izgaranjem ili raketama.

Kada govorimo o inovativnim konceptima mlaznih motora, ne zaboravimo SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) koji je razvio Reaction Engines Limited. Pretpostavlja se da će to biti motor koji radi i u atmosferi i u vakuumu, a radi na tekućem vodiku. U početnoj fazi leta, oksidator će biti zrak iz atmosfere (kao u konvencionalnim mlaznim motorima), a s visine od 26 km (gdje brod postiže brzinu od 5 milijuna godina) - tekući kisik. Nakon prelaska na raketni način rada, dostići će brzine do 25 Mach.

HorizonX, Boeingova investicijska grana uključena u projekt, tek treba odlučiti kako bi ga SABRE mogao koristiti, osim što očekuje da će "koristiti revolucionarnu tehnologiju kako bi pomogao Boeingu u njegovoj potrazi za nadzvučnim letom".

RAMJET i scramjet (supersonični mlazni motor s komorom za izgaranje) odavno su na usnama ljubitelja brzog zrakoplovstva. Trenutno se razvijaju uglavnom u vojne svrhe. No, kako uči povijest zrakoplovstva, ono što će se testirati u vojsci ići će u civilno zrakoplovstvo. Sve što je potrebno je malo strpljenja.

Video Rolls Royce Intelligent Engine:

Rolls-Royce | Inovacija u IntelligentEngineu