Raskere, stillere, renere - Ny flymotor

Det viser seg at for å endre mye i luftfarten, trenger du ikke lete etter nye propeller, futuristiske design eller rommaterialer. Det er nok å bruke en relativt enkel mekanisk girkasse ...

Dette er en av de viktigste nyvinningene de siste årene. Girede turbofanmotorer (GTF) lar kompressoren og viften rotere med forskjellige hastigheter. Viftedrevet roterer med vifteakselen, men skiller viftemotoren fra lavtrykkskompressoren og turbinen. Viften roterer med lavere hastighet, mens kompressoren og lavtrykksturbinen går med høyere hastighet. Hver motormodul kan fungere med optimal effektivitet. Etter 20 år med FoU- og FoU-bruk på rundt 1000 milliarder dollar, var Pratt & Whitney PurePower PW2016G turbofanfamilien operativ for noen år siden og har blitt massivt introdusert i kommersielle fly siden XNUMX.

Moderne turbofanmotorer genererer skyvekraft på to måter. Først er kompressorene og forbrenningskammeret plassert i kjernen. Foran sitter en vifte som, drevet av kjernen, leder luft gjennom bypass-kamrene rundt motorkjernen. Bypass-forholdet er forholdet mellom mengden luft som passerer gjennom kjernen og mengden luft som passerer gjennom den. Generelt betyr et høyere bypass-forhold stillere, mer effektive og kraftigere motorer. Konvensjonelle turbofanmotorer har et bypass-forhold på 9 til 1. Pratt PurePower GTF-motorer har et bypass-forhold på 12 til 1.

For å øke bypass-forholdet må motorprodusenter øke lengden på viftebladene. Men når den er forlenget, vil rotasjonshastighetene som oppnås ved enden av bladet være så høye at uønskede vibrasjoner vil oppstå. Du trenger vifteblader for å bremse, og det er det girkassen er til for. En slik motor kan være så høy som 16 prosent, ifølge Pratt & Whitney. god drivstofføkonomi og 50 prosent. mindre eksosutslipp og er 75 prosent. stille. Nylig annonserte SWISS og Air Baltic at deres jetmotorer i GTF C-serien bruker enda mindre drivstoff enn produsenten lover.

PW1100G-JM-motor på en produksjonslinje

TIME magazine kåret PW1000G-motoren til en av de 50 viktigste oppfinnelsene i 2011 og en av de seks mest miljøvennlige oppfinnelsene, ettersom Pratt & Whitney PurePower er designet for å være renere, stillere, kraftigere og bruke mindre drivstoff enn eksisterende jetmotorer. I 2016 kalte Richard Anderson, daværende president i Delta Air Lines, motoren "den første sanne innovasjonen" siden Boeings Dreamliner revolusjonerte komposittkonstruksjon.

Besparelser og reduksjon av utslipp

Den kommersielle luftfartssektoren slipper ut mer enn 700 millioner tonn karbondioksid årlig. Selv om det bare er rundt 2 prosent. globale karbondioksidutslipp, er det bevis på at klimagasser i jetdrivstoff har større innvirkning på atmosfæren ettersom de slippes ut i større høyder.

Store motorprodusenter ønsker å spare drivstoff og redusere utslipp. Pratt-konkurrenten CFM International introduserte nylig sin egen avanserte motor kalt LEAP, som selskapets tjenestemenn sier gir lignende resultater som en giret turbofan på bekostning av andre løsninger. CFM hevder at i en tradisjonell turbofan-arkitektur kan de samme fordelene oppnås uten ekstra vekt og motstand fra drivverket. LEAP bruker lette komposittmaterialer og karbonfibervifteblader for å oppnå energieffektivitetsforbedringer som selskapet sier er sammenlignbare med de som oppnås med Pratt & Whitney-motoren.

Til dags dato er bestillinger på Airbus-motorer til A320neo omtrent jevnt fordelt mellom CFM og Pratt & Whitney. Dessverre for sistnevnte selskap skaper PurePower-motorer problemer for brukerne. Den første dukket opp i år, da ujevn kjøling av GTF-motorer ble registrert i Qatar Airways Airbus A320neo. Ujevn kjøling kan føre til deformasjon og friksjon av deler, og samtidig øke tiden mellom flyvningene. Som et resultat konkluderte flyselskapet med at motorene ikke oppfylte driftskravene. Kort tid etter suspenderte de indiske luftfartsmyndighetene flyvningene til 11 Airbus A320neo-fly drevet av PurePower GTF-motorer. Ifølge Economic Times kom avgjørelsen etter at Airbus GTF-drevne fly fikk tre motorhavarier i løpet av to uker. Pratt & Whitney bagatelliserer disse vanskelighetene og sier at de er enkle å overvinne.

Airbus elektronisk vifte

En annen gigant innen flymotorer, Rolls-Royce, utvikler sin egen Power Gearbox, som innen 2025 vil redusere drivstofforbruket i store turbofans med 25 %. sammenlignet med eldre modeller av det velkjente Trent-motorutvalget. Dette betyr selvfølgelig en ny Pratt & Whitney designkonkurranse.

Britene tenker også på andre typer innovasjon. Under det nylige Singapore Airshowet lanserte Rolls-Royce IntelligentEngine Initiative, som har som mål å utvikle intelligente flymotorer som er sikrere og mer effektive gjennom evnen til å kommunisere med hverandre og gjennom et støttenettverk. Ved å tilby kontinuerlig toveiskommunikasjon med motoren og andre deler av tjenesteøkosystemet, vil motoren være i stand til å løse problemer før de oppstår og lære å forbedre ytelsen. De ville også lære av historien til arbeidet sitt og andre motorer, og stort sett måtte de til og med reparere seg selv mens de er på farten.

Drive trenger bedre batterier

EU-kommisjonens luftfartsvisjon for 2050 krever en reduksjon i CO-utslipp.₂ med 75 prosent, nitrogenoksider med 90 prosent. og støy med 65 prosent. De kan ikke oppnås med eksisterende teknologier. Elektriske og hybridelektriske fremdriftssystemer blir for tiden sett på som en av de mest lovende teknologiene for å møte disse utfordringene.

Det er to-seters elektriske lette fly på markedet. Fire-seters hybrid-elektriske kjøretøy er i horisonten. NASA spår at på begynnelsen av 20-tallet vil denne typen ni-seters kortdistansefly bringe luftfartstjenester tilbake til mindre lokalsamfunn. Både i Europa og i USA mener forskere at innen 2030 er det mulig å bygge et hybrid-elektrisk fly med en kapasitet på opptil 100 seter. Det vil imidlertid kreves betydelige fremskritt innen energilagring.

For øyeblikket er energitettheten til batterier rett og slett ikke nok. Men alt dette kan endre seg. Tesla-sjef Elon Musk sa at når batteriene er i stand til å produsere 400 watt-timer per kilogram, og forholdet mellom cellekraft og totalvekt er 0,7-0,8, vil det elektriske transkontinentale flyet bli et "vanskelig alternativ". Tatt i betraktning at litium-ion-batterier var i stand til å oppnå en energitetthet på 113 Wh/kg i 1994, 202 Wh/kg i 2004, og nå er i stand til å nå rundt 300 Wh/kg, kan det antas at de innen det neste tiåret vil nå nivået 400 Wh/kg.

Kitty Hawk elektrisk to-seters lufttaxiprosjekt

Airbus, Rolls-Royce og Siemens inngikk nylig partnerskap for å utvikle flydemonstratoren E-Fan X, som vil være et betydelig skritt fremover innen hybrid-elektrisk fremdrift for kommersielle fly. E-Fan X hybrid elektrisk teknologi demonstrasjon forventes å være -Fan X vil fly i 2020 etter en omfattende bakketestkampanje. I første fase vil BAe 146 erstatte en av de fire motorene med en XNUMX MW elektrisk motor. Deretter er det planlagt å erstatte den andre turbinen med en elektrisk motor etter å ha demonstrert modenheten til systemet.

Airbus vil være ansvarlig for den overordnede integrasjonen så vel som hybrid elektrisk fremdrift og batterikontrollarkitektur og dens integrasjon med flykontrollsystemer. Rolls-Royce vil være ansvarlig for gassturbinmotoren, XNUMX-megawatt-generatoren og kraftelektronikken. Sammen med Airbus skal Rolls-Royce også jobbe med å tilpasse viftene til den eksisterende Siemens nacellen og elmotoren. Siemens skal levere XNUMX MW elektriske motorer og en elektronisk kraftkontroller, samt en inverter, omformer og strømfordelingssystem.

Mange forskningssentre rundt om i verden jobber med elektriske fly, inkludert NASA, som bygger X-57 Maxwell. Kitty Hawks elektriske to-seters lufttaxiprosjekt og mange andre strukturer av store sentre, selskaper eller små oppstartsbedrifter er også under utvikling.

Gitt at gjennomsnittlig levetid for passasjer- og lastefly er henholdsvis rundt 21 og 33 år, selv om alle nye fly som produseres i morgen er helelektriske, vil det ta to til tre tiår å fase ut fossildrevne fly.

Så det vil ikke fungere raskt. I mellomtiden kan biodrivstoff lette miljøet i luftfartssektoren. De bidrar til å redusere karbondioksidutslippene med 36-85 prosent. Til tross for at biodrivstoffblandinger for jetmotorer ble sertifisert tilbake i 2009, har ikke luftfartsindustrien hastverk med å gjennomføre endringer. Det er få teknologiske hindringer og utfordringer knyttet til å bringe biodrivstoffproduksjonen til industrielle nivåer, men den viktigste avskrekkende faktoren er prisen – det tar ytterligere ti år å oppnå paritet med fossilt brensel.

Gå inn i fremtiden

Samtidig jobber laboratoriene med noe mer futuristiske flymotorkonsepter. Foreløpig høres for eksempel ikke en plasmamotor veldig realistisk ut, men det kan ikke utelukkes at vitenskapelige arbeider vil utvikle seg til noe interessant og nyttig. Plasma-thrustere bruker elektrisitet til å skape elektromagnetiske felt. De komprimerer og eksiterer en gass, for eksempel luft eller argon, til et plasma - en varm, tett, ionisert tilstand. Forskningen deres fører nå til ideen om å skyte opp satellitter i verdensrommet (ion-thrustere). Berkant Goeksel fra det tekniske universitetet i Berlin og teamet hans ønsker imidlertid å sette plasmathrustere på fly.

Målet med studien er å utvikle en luftjet-plasmamotor som kan brukes til både start og høyhøydeflyvninger. Plasmastråler er vanligvis utformet for å fungere i et vakuum eller lavtrykksatmosfære der det er nødvendig med gassforsyning. Göksels team testet imidlertid en enhet som er i stand til å operere i luft ved et trykk på én atmosfære. "Våre plasmadyser kan nå hastigheter på opptil 20 kilometer per sekund," sier Göckel i konferanseserien Journal of Physics.

SABRE-motor i fremtidens hypersoniske kjøretøy

Til å begynne med testet teamet miniatyrthrustere 80 millimeter lange. For et lite fly vil dette være opptil tusen av det teamet anser som mulig. Den største begrensningen er selvfølgelig mangelen på lette batterier. Forskerne vurderer også hybridfly, der en plasmamotor vil bli kombinert med forbrenningsmotorer eller raketter.

Når vi snakker om innovative jetmotorkonsepter, la oss ikke glemme SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) utviklet av Reaction Engines Limited. Det antas at dette vil være en motor som opererer både i atmosfæren og i vakuum, og går på flytende hydrogen. I det innledende stadiet av flyturen vil oksidasjonsmidlet være luft fra atmosfæren (som i konvensjonelle jetmotorer), og fra en høyde på 26 km (hvor skipet når en hastighet på 5 millioner år) - flytende oksygen. Etter å ha byttet til rakettmodus vil den nå hastigheter på opptil 25 Mach.

HorizonX, Boeings investeringsarm involvert i prosjektet, har ennå ikke bestemt seg for hvordan SABER kan bruke det, bortsett fra at det forventer å "bruke revolusjonerende teknologi for å hjelpe Boeing i sin søken etter supersonisk flyging."

RAMJET og scramjet (supersonisk jetmotor med forbrenningskammer) har lenge vært på leppene til fans av høyhastighets luftfart. For tiden er de utviklet hovedsakelig for militære formål. Men som luftfartens historie lærer, vil det som skal testes i hæren gå til sivil luftfart. Alt som trengs er litt tålmodighet.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Innovasjon i IntelligentEngine