Den amerikanska marinen planerar att uppgradera de gasturbinkraftverk som för närvarande är installerade på dess flygplan och fartyg i framtiden och ersätter konventionella Brighton -cykelmotorer med detonationsrotationsmotorer. På grund av detta förväntas bränslebesparingar uppgå till cirka 400 miljoner dollar årligen. Seriell användning av ny teknik är dock möjlig, enligt experter, inte tidigare än på ett decennium.
Utvecklingen av roterande eller snurrande rotationsmotorer i Amerika utförs av US Navy Research Laboratory. Enligt inledande uppskattningar kommer de nya motorerna att bli kraftfullare och dessutom ungefär en fjärdedel mer ekonomiska än konventionella motorer. Samtidigt kommer de grundläggande principerna för driften av kraftverket att förbli desamma - gaserna från det brända bränslet kommer in i gasturbinen och roterar dess blad. Enligt US Navy -laboratoriet, även inom en relativt avlägsen framtid, när hela den amerikanska flottan kommer att drivas med el, kommer gasturbiner fortfarande att vara ansvariga för att generera kraft, till viss del modifierad.
Minns att uppfinningen av den pulserande jetmotorn går tillbaka till slutet av artonhundratalet. Uppfinnaren var den svenske ingenjören Martin Wiberg. Nya kraftverk blev utbredda under andra världskriget, även om de var betydligt sämre i sina tekniska egenskaper än flygmotorer som fanns vid den tiden.
Det bör noteras att den amerikanska flottan vid denna tidpunkt har 129 fartyg som använder 430 gasturbinmotorer. Varje år kostar kostnaden för att förse dem med bränsle cirka 2 miljarder dollar. I framtiden, när moderna motorer ersätts av nya, kommer mängden bränslekostnader att förändras.
Förbränningsmotorer som för närvarande används fungerar på Brighton -cykeln. Om du definierar kärnan i detta koncept med några ord, så beror allt på den successiva blandningen av oxidationsmedel och bränsle, ytterligare komprimering av den resulterande blandningen, sedan - mordbrand och förbränning med expansion av förbränningsprodukter. Denna expansion används bara för att köra, flytta kolvar, rotera en turbin, det vill säga utföra mekaniska åtgärder, vilket ger konstant tryck. Förbränningsprocessen för bränsleblandningen rör sig med en subsonisk hastighet - denna process kallas dufflagration.
När det gäller de nya motorerna tänker forskare använda explosiv förbränning i dem, det vill säga detonation, där förbränning sker med överljudshastighet. Och även om fenomenet detonation ännu inte har studerats fullt ut, är det känt att med denna typ av förbränning uppstår en chockvåg, som sprider sig genom en blandning av bränsle och luft, orsakar en kemisk reaktion, vars resultat är frigörandet av en ganska stor mängd termisk energi. När chockvågen passerar genom blandningen värms den upp, vilket leder till detonation.
Vid utvecklingen av en ny motor är det planerat att använda vissa utvecklingar som erhölls i processen att utveckla en detonationspulserande motor. Dess princip är att en förkomprimerad bränsleblandning matas in i förbränningskammaren, där den antänds och detoneras. Förbränningsprodukter expanderar i munstycket och utför mekaniska åtgärder. Sedan upprepas hela cykeln från början. Men nackdelen med pulserande motorer är att cyklernas upprepningshastighet är för låg. Dessutom blir konstruktionen av dessa motorer själva mer komplexa vid en ökning av antalet pulsationer. Detta beror på behovet av att synkronisera driften av ventilerna, som är ansvariga för tillförsel av bränsleblandningen, samt direkt av själva detonationscyklerna. Pulserande motorer är också mycket bullriga, de kräver en stor mängd bränsle för att fungera, och arbete är endast möjligt med konstant uppmätt bränsleinsprutning.
Om vi jämför detonationsroterande motorer med pulserande är principen för deras funktion något annorlunda. Sålunda möjliggör i synnerhet de nya motorerna en konstant kontinuerlig detonering av bränslet i förbränningskammaren. Detta fenomen kallas spin, eller roterande detonation. Det beskrevs först 1956 av den sovjetiska forskaren Bogdan Voitsekhovsky. Och detta fenomen upptäcktes mycket tidigare, redan 1926. Pionjärerna var britterna, som märkte att i vissa system uppträdde ett starkt glödande "huvud", som rörde sig i en spiral, istället för en platt detonationsvåg.
Voitsekhovsky fotograferade vågfronten, som rörde sig i en ringformad förbränningskammare i en bränsleblandning, med hjälp av en fotobandspelare som han själv designade. Centrifugeringsdetonation skiljer sig från plandetonation genom att en transversal våg uppstår i den, följt av en uppvärmd gas som inte har reagerat, och redan bakom detta lager finns en kemisk reaktionszon. Och det är just en sådan våg som förhindrar förbränningen av själva kammaren, som Marlene Topchiyan kallade”en plattad munk”.
Det bör noteras att detonationsmotorer redan har använts tidigare. I synnerhet pratar vi om den pulserande luftmotorn, som användes av tyskarna i slutet av andra världskriget på kryssningsmissilerna V-1. Dess produktion var ganska enkel, användningen var enkel nog, men samtidigt var denna motor inte särskilt pålitlig för att lösa viktiga problem.
År 2008 tog Rutang Long-EZ, ett experimentflygplan utrustat med en pulserande detonationsmotor, upp i luften. Flyget varade bara tio sekunder på trettio meters höjd. Under denna tid utvecklade kraftverket ett drag av storleksordningen 890 Newton.
Den experimentella prototypen av motorn, presenterad av det amerikanska laboratoriet i US Navy, är en ringformad konformad förbränningskammare med en diameter på 14 centimeter på bränsletillförselns sida och 16 centimeter på munstyckssidan. Avståndet mellan kammarens väggar är 1 centimeter, medan”röret” är 17,7 centimeter långt.
En blandning av luft och väte används som bränsleblandning, som tillförs vid ett tryck av 10 atmosfärer till förbränningskammaren. Blandningstemperaturen är 27,9 grader. Observera att denna blandning är känd som den mest praktiska för att studera fenomenet spinndetonation. Men enligt forskare kommer det i de nya motorerna att vara möjligt att använda en bränsleblandning som inte bara består av väte utan också av andra brännbara komponenter och luft.
Experimentella studier av en roterande motor har visat dess större effektivitet och effekt jämfört med förbränningsmotorer. En annan fördel är betydande bränsleekonomi. Samtidigt avslöjades det under experimentet att förbränningen av bränsleblandningen i den roterande "test" -motorn är ojämn, därför är det nödvändigt att optimera motorns design.
Förbränningsprodukter som expanderar i munstycket kan samlas upp i en gasstråle med hjälp av en kon (detta är den så kallade Coanda-effekten), och sedan kan denna stråle skickas till turbinen. Turbinen roterar under påverkan av dessa gaser. Således kan en del av turbinens arbete användas för att driva fartyg, dels för att generera energi, vilket är nödvändigt för fartygsutrustning och olika system.
Motorerna själva kan tillverkas utan rörliga delar, vilket kommer att förenkla deras design avsevärt, vilket i sin tur minskar kostnaden för kraftverket som helhet. Men detta är bara i perspektiv. Innan nya motorer lanseras i serieproduktion är det nödvändigt att lösa många svåra problem, varav ett är valet av hållbara värmebeständiga material.
Observera att roterande detonationsmotorer för närvarande anses vara en av de mest lovande motorerna. De utvecklas också av forskare från University of Texas i Arlington. Kraftverket som de skapade kallades "kontinuerlig detonationsmotor". Vid samma universitet forskas det om val av olika diametrar av ringformade kammare och olika bränsleblandningar, som inkluderar väte och luft eller syre i olika proportioner.
Utveckling i denna riktning pågår också i Ryssland. Så, under 2011, enligt den verkställande direktören för Saturnus forsknings- och produktionsförening I. Fedorov, utvecklar forskare från Lyulka Scientific and Technical Center en pulserande luftstrålmotor. Arbetet utförs parallellt med utvecklingen av en lovande motor kallad "Produkt 129" för T-50. Dessutom sa Fedorov också att föreningen forskar om skapandet av lovande flygplan i nästa etapp, som ska vara obemannade.
Samtidigt specificerade huvudet inte vilken typ av pulserande motor det var fråga om. För närvarande är tre typer av sådana motorer kända - värdelös, ventil och detonation. Det är allmänt accepterat att pulserande motorer är de enklaste och billigaste att tillverka.
Idag forskar flera stora försvarsföretag om högpresterande pulserande jetmotorer. Bland dessa företag finns amerikanska Pratt & Whitney och General Electric och franska SNECMA.
Således kan vissa slutsatser dras: skapandet av en ny lovande motor har vissa svårigheter. Huvudproblemet för tillfället är i teorin: vad som exakt händer när detonationschockvågen rör sig i en cirkel är bara känt i allmänna termer, och detta komplicerar processen med att optimera design mycket. Därför är den nya tekniken, även om den är mycket attraktiv, knappast genomförbar i industriell produktion.
Men om forskare lyckas reda ut de teoretiska frågorna kommer det att gå att tala om ett riktigt genombrott. När allt kommer omkring används turbiner inte bara inom transport, utan också inom energisektorn, där en effektivisering kan få en ännu starkare effekt.
