Snabbare, tystare, renare - Ny flygmotor

Det visar sig att för att förändra mycket inom flyget behöver du inte leta efter nya propellrar, futuristisk design eller rymdmaterial. Det räcker med att använda en relativt enkel mekanisk transmission ...

Detta är en av de senaste årens viktigaste innovationer. Kuggväxlade turbofläktmotorer (GTF) låter kompressorn och fläkten rotera med olika hastigheter. Fläktens drivhjul roterar med fläktaxeln men separerar fläktmotorn från lågtryckskompressorn och turbinen. Fläkten roterar med lägre hastighet, medan kompressorn och lågtrycksturbinen arbetar med högre hastighet. Varje motormodul kan arbeta med optimal effektivitet. Efter 20 år av FoU- och FoU-utgifter på cirka 1000 2016 miljarder USD var Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG turbofanfamiljen i drift för några år sedan och har introducerats massivt i kommersiella flygplan sedan XNUMX.

Moderna turbofläktmotorer genererar dragkraft på två sätt. Först är kompressorerna och förbränningskammaren placerade i dess kärna. Framtill sitter en fläkt som, driven av kärnan, leder luft genom bypass-kamrarna runt motorkärnan. Bypass-förhållandet är förhållandet mellan mängden luft som passerar genom kärnan och mängden luft som passerar genom den. I allmänhet innebär ett högre bypass-förhållande tystare, effektivare och kraftfullare motorer. Konventionella turbofläktar har ett bypass-förhållande på 9 till 1. Pratt PurePower GTF-motorer har ett bypass-förhållande på 12 till 1.

För att öka bypass-förhållandet måste motortillverkarna öka längden på fläktbladen. Men när den är förlängd kommer rotationshastigheterna som erhålls vid änden av bladet att vara så höga att oönskade vibrationer kommer att uppstå. Du behöver fläktblad för att sakta ner, och det är vad växellådan är till för. En sådan motor kan vara så hög som 16 procent, enligt Pratt & Whitney. bra bränsleekonomi och 50 procent. mindre avgasutsläpp och är 75 procent. tyst. Nyligen meddelade SWISS och Air Baltic att deras jetmotorer i GTF C-serien förbrukar ännu mindre bränsle än vad tillverkaren lovar.

PW1100G-JM-motor på produktionslinjen

Tidningen TIME utnämnde PW1000G-motorn till en av de 50 viktigaste uppfinningarna 2011 och en av de sex mest miljövänliga uppfinningarna, eftersom Pratt & Whitney PurePower är designad för att vara renare, tystare, kraftfullare och använda mindre bränsle än befintliga jetmotorer. 2016 kallade Richard Anderson, dåvarande president för Delta Air Lines, motorn "den första sanna innovationen" sedan Boeings Dreamliner revolutionerade kompositkonstruktionen.

Besparingar och minskning av utsläpp

Den kommersiella flygsektorn släpper ut mer än 700 miljoner ton koldioxid årligen. Fast det är bara cirka 2 procent. globala koldioxidutsläpp, finns det bevis för att växthusgaser i flygbränsle har en större inverkan på atmosfären då de släpps ut på högre höjder.

Stora motortillverkare vill spara bränsle och minska utsläppen. Pratt-konkurrenten CFM International introducerade nyligen sin egen avancerade motor kallad LEAP, som företagets tjänstemän säger ger liknande resultat som en turbofläkt med växellåda på bekostnad av andra lösningar. CFM hävdar att i en traditionell turbofan-arkitektur kan samma fördelar uppnås utan den extra vikten och motståndet från drivlinan. LEAP använder lättviktskompositmaterial och fläktblad i kolfiber för att uppnå energieffektivitetsförbättringar som företaget säger är jämförbara med dem som uppnås med Pratt & Whitney-motorn.

Hittills är beställningarna på Airbus-motorer till A320neo ungefär jämnt fördelade mellan CFM och Pratt & Whitney. Tyvärr för det senare företaget orsakar PurePower-motorer problem för användarna. Den första dök upp i år, när ojämn kylning av GTF-motorer registrerades i Qatar Airways Airbus A320neo. Ojämn kylning kan leda till deformation och friktion av delar, och samtidigt öka tiden mellan flygningar. Som ett resultat av detta drog flygbolaget slutsatsen att motorerna inte uppfyllde driftskraven. Kort därefter avbröt de indiska luftfartsmyndigheterna flygningarna med elva Airbus A11neo-flygplan som drivs av PurePower GTF-motorer. Enligt Economic Times kom beslutet efter att Airbus GTF-drivna flygplan drabbats av tre motorhaverier under loppet av två veckor. Pratt & Whitney förringar dessa svårigheter och säger att de är lätta att övervinna.

Airbus elektronisk fläkt

En annan jätte inom området för flygmotorer, Rolls-Royce, utvecklar sin egen Power Gearbox, som till 2025 kommer att minska bränsleförbrukningen i stora turbofläktar med 25 %. jämfört med äldre modeller av det välkända Trent-motorprogrammet. Detta innebär naturligtvis en ny designtävling från Pratt & Whitney.

Britterna funderar också på andra typer av innovation. Under den nyligen genomförda flygmässan i Singapore lanserade Rolls-Royce initiativet IntelligentEngine, som syftar till att utveckla intelligenta flygplansmotorer som är säkrare och effektivare genom förmågan att kommunicera med varandra och genom ett supportnätverk. Genom att tillhandahålla kontinuerlig tvåvägskommunikation med motorn och andra delar av serviceekosystemet kommer motorn att kunna lösa problem innan de uppstår och lära sig hur man förbättrar prestandan. De skulle också lära sig av historien om deras arbete och andra motorer, och i stort sett skulle de till och med behöva reparera sig själva på språng.

Drive behöver bättre batterier

Europeiska kommissionens flygvision för 2050 kräver en minskning av CO-utsläppen.₂ med 75 procent, kväveoxider med 90 procent. och buller med 65 procent. De kan inte uppnås med befintlig teknik. Elektriska och hybridelektriska framdrivningssystem ses för närvarande som en av de mest lovande teknikerna för att möta dessa utmaningar.

Det finns tvåsitsiga lätta elektriska flygplan på marknaden. Fyrsitsiga hybrid-elbilar är vid horisonten. NASA förutspår att i början av 20-talet kommer den här typen av kortdistansflygplan med nio platser att återföra flygtjänster till mindre samhällen. Både i Europa och i USA tror forskare att det år 2030 är möjligt att bygga ett hybridelektriskt flygplan med en kapacitet på upp till 100 platser. Det kommer dock att krävas betydande framsteg på området för energilagring.

För närvarande räcker helt enkelt inte batteriernas energitäthet. Allt detta kan dock förändras. Tesla-chefen Elon Musk sa att när batterierna väl kan producera 400 wattimmar per kilogram, och förhållandet mellan celleffekt och totalvikt är 0,7-0,8, kommer det elektriska transkontinentala flygplanet att bli ett "svårt alternativ". Med tanke på att litiumjonbatterier kunde nå en energitäthet på 113 Wh/kg 1994, 202 Wh/kg 2004 och nu kan nå ca 300 Wh/kg, kan man anta att de inom det närmaste decenniet kommer att nå nivån 400 Wh/kg.

Kitty Hawk elektrisk tvåsitsiga flygtaxiprojekt

Airbus, Rolls-Royce och Siemens samarbetade nyligen för att utveckla E-Fan X flygande demonstrator, som kommer att vara ett betydande steg framåt för kommersiella flygplans hybridelektrisk framdrivning. E-Fan X hybridelektrisk teknikdemonstration förväntas bli -Fan X kommer att flyga 2020 efter en omfattande marktestkampanj. I den första fasen kommer BAe 146 att ersätta en av de fyra motorerna med en XNUMX MW elmotor. Därefter är det planerat att ersätta den andra turbinen med en elmotor efter att ha demonstrerat systemets mognad.

Airbus kommer att ansvara för den övergripande integrationen såväl som hybridelektrisk framdrivning och batteristyrningsarkitektur och dess integration med flygkontrollsystem. Rolls-Royce kommer att ansvara för gasturbinmotorn, XNUMX-megawattsgeneratorn och kraftelektroniken. Tillsammans med Airbus kommer Rolls-Royce även arbeta med att anpassa fläktarna till den befintliga Siemens gondolen och elmotorn. Siemens kommer att leverera XNUMX MW elmotorer och en elektronisk effektregulator, samt en växelriktare, omvandlare och kraftdistributionssystem.

Många forskningscentra runt om i världen arbetar med elektriska flygplan, inklusive NASA, som bygger X-57 Maxwell. Kitty Hawks elektriska tvåsitsiga flygtaxiprojekt och många andra strukturer för stora centra, företag eller små nystartade företag håller också på att utvecklas.

Med tanke på att den genomsnittliga livslängden för passagerar- och fraktflygplan är runt 21 respektive 33 år, även om alla nya flygplan som tillverkas i morgon är helelektriska, skulle det ta två till tre decennier att fasa ut fossildrivna flygplan.

Så det går inte snabbt. Samtidigt kan biobränslen lätta upp miljön inom flygsektorn. De bidrar till att minska koldioxidutsläppen med 36-85 procent. Trots att biobränsleblandningar för jetmotorer certifierades redan 2009, har flygindustrin ingen brådska med att genomföra förändringar. Det finns få tekniska hinder och utmaningar förknippade med att få biobränsleproduktionen till industriella nivåer, men det främsta avskräckningsmedlet är priset – det tar ytterligare tio år att uppnå paritet med fossila bränslen.

Kliv in i framtiden

Samtidigt arbetar labben med något mer futuristiska flygmotorkoncept. Än så länge låter till exempel en plasmamotor inte särskilt realistisk, men det går inte att utesluta att vetenskapliga arbeten kommer att utvecklas till något intressant och användbart. Plasmapropeller använder elektricitet för att skapa elektromagnetiska fält. De komprimerar och exciterar en gas, såsom luft eller argon, till ett plasma - ett varmt, tätt, joniserat tillstånd. Deras forskning leder nu till idén om att skjuta upp satelliter i yttre rymden (jonpropeller). Berkant Goeksel från Berlins tekniska universitet och hans team vill dock sätta plasmapropeller på flygplan.

Syftet med studien är att utveckla en luftjetplasmamotor som kan användas för både start och höghöjdsflyg. Plasmastrålar är vanligtvis utformade för att fungera i vakuum eller lågtrycksatmosfär där gastillförsel krävs. Göksels team testade dock en enhet som kan arbeta i luft vid ett tryck på en atmosfär. "Våra plasmamunstycken kan nå hastigheter på upp till 20 kilometer per sekund", säger Göckel i konferensserien Journal of Physics.

SABRE-motor i framtidens hypersoniska fordon

Till att börja med testade teamet miniatyrpropeller 80 millimeter långa. För ett litet flygplan blir detta upp till tusen av vad teamet anser vara möjligt. Den största begränsningen är förstås bristen på lätta batterier. Forskarna överväger också hybridflygplan, där en plasmamotor skulle kombineras med förbränningsmotorer eller raketer.

När vi pratar om innovativa jetmotorkoncept, låt oss inte glömma SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) utvecklad av Reaction Engines Limited. Det antas att detta kommer att vara en motor som arbetar både i atmosfären och i vakuum, som körs på flytande väte. I det inledande skedet av flygningen kommer oxidationsmedlet att vara luft från atmosfären (som i konventionella jetmotorer) och från en höjd av 26 km (där fartyget når en hastighet på 5 miljoner år) - flytande syre. Efter att ha bytt till raketläge kommer den att nå hastigheter på upp till 25 Mach.

HorizonX, Boeings investeringsarm som är involverad i projektet, har ännu inte beslutat hur SABER skulle kunna använda det, förutom att man förväntar sig att "använda revolutionerande teknologi för att hjälpa Boeing i sin strävan efter överljudsflygning."

RAMJET och scramjet (supersonisk jetmotor med förbränningskammare) har länge varit på läpparna hos fans av höghastighetsflyg. För närvarande utvecklas de främst för militära ändamål. Men som flygets historia lär, kommer det som kommer att testas i armén att gå till civil luftfart. Allt som krävs är lite tålamod.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Innovation i IntelligentEngine