Vinniger, Stiller, Skoner - Nuwe Vliegtuig-enjin

Dit blyk dat om baie in lugvaart te verander, hoef jy nie na nuwe skroewe, futuristiese ontwerpe of ruimtemateriaal te soek nie. Dit is genoeg om 'n relatief eenvoudige meganiese transmissie te gebruik ...

Dit is een van die belangrikste innovasies van die afgelope jare. Gerat turbowaaiermotors (GTF) laat die kompressor en waaier teen verskillende snelhede draai. Die waaieraandrywingrat draai saam met die waaieras maar skei die waaiermotor van die laedrukkompressor en turbine. Die waaier draai teen 'n stadiger spoed, terwyl die kompressor en laedrukturbine teen 'n hoër spoed werk. Elke enjinmodule kan met optimale doeltreffendheid werk. Na 20 jaar van R&D en R&D-besteding van sowat $1000 2016 miljard, was die Pratt & Whitney PurePower PWXNUMXG-turbofanfamilie 'n paar jaar gelede in werking en is sedert XNUMX grootliks in kommersiële vliegtuie bekendgestel.

Moderne turbofan-enjins genereer stukrag op twee maniere. Eerstens is die kompressors en verbrandingskamer in sy kern geleë. Aan die voorkant is 'n waaier wat, aangedryf deur die kern, lug deur die verbyvloeikamers om die motorkern lei. Die omleidingsverhouding is die verhouding van die hoeveelheid lug wat deur die kern gaan tot die hoeveelheid lug wat daardeur gaan. Oor die algemeen beteken ’n hoër verbyvloeiverhouding stiller, doeltreffender en kragtiger enjins. Konvensionele turbowaaier-enjins het ’n omleidingsverhouding van 9 tot 1. Pratt PurePower GTF-enjins het ’n omleidingsverhouding van 12 tot 1.

Om die omleidingsverhouding te verhoog, moet motorvervaardigers die lengte van die waaierblaaie vergroot. Wanneer dit egter verleng word, sal die rotasiespoed wat aan die einde van die lem verkry word so hoog wees dat ongewenste vibrasies sal voorkom. Jy het waaierblaaie nodig om stadiger te ry, en dit is waarvoor die ratkas is. So 'n enjin kan so hoog as 16 persent wees, volgens Pratt & Whitney. groot brandstofverbruik en 50 persent. minder uitlaatgasse en is 75 persent. stil. Onlangs het SWISS en Air Baltic aangekondig dat hul GTF C-reeks straalmotors selfs minder brandstof verbruik as wat die vervaardiger belowe.

PW1100G-JM-enjin op die produksielyn

Die tydskrif TIME het die PW1000G-enjin as een van die 50 belangrikste uitvindings van 2011 en een van die ses mees omgewingsvriendelike uitvindings aangewys, aangesien Pratt & Whitney PurePower ontwerp is om skoner, stiller, kragtiger te wees en minder brandstof te gebruik as bestaande straalmotors. In 2016 het Richard Anderson, destyds president van Delta Air Lines, die enjin "die eerste ware innovasie" genoem sedert Boeing se Dreamliner 'n rewolusie in saamgestelde konstruksie gemaak het.

Besparing en vermindering van emissies

Die kommersiële lugvaartsektor stel jaarliks ​​meer as 700 miljoen ton koolstofdioksied vry. Alhoewel dit net sowat 2 persent is. globale koolstofdioksiedvrystellings, is daar bewyse dat kweekhuisgasse in vliegtuigbrandstof 'n groter impak op die atmosfeer het aangesien dit op hoër hoogtes vrygestel word.

Groot enjinvervaardigers probeer brandstof bespaar en emissies verminder. Pratt-mededinger CFM International het onlangs sy eie gevorderde enjin genaamd die LEAP bekend gestel, wat volgens maatskappybeamptes soortgelyke resultate as 'n gerat-turbowaaier lewer ten koste van ander oplossings. CFM beweer dat in 'n tradisionele turbowaaier-argitektuur dieselfde voordele behaal kan word sonder die bykomende gewig en sleep van die dryfstelsel. LEAP gebruik liggewig saamgestelde materiale en koolstofveselwaaierblaaie om energiedoeltreffendheidverbeterings te bereik wat volgens die maatskappy vergelykbaar is met dié wat met die Pratt & Whitney-enjin behaal word.

Tot op datum is bestellings vir Airbus-enjins vir die A320neo rofweg eweredig verdeel tussen CFM en Pratt & Whitney. Ongelukkig vir laasgenoemde maatskappy veroorsaak PurePower-motors probleme vir gebruikers. Die eerste het vanjaar verskyn toe ongelyke verkoeling van GTF-enjins in Qatar Airways Airbus A320neo aangeteken is. Oneweredige verkoeling kan lei tot vervorming en wrywing van onderdele, en terselfdertyd die tyd tussen vlugte verhoog. Gevolglik het die lugredery tot die gevolgtrekking gekom dat die enjins nie aan bedryfsvereistes voldoen nie. Kort daarna het die Indiese lugvaartowerhede die vlugte van 11 Airbus A320neo-vliegtuie opgeskort wat deur PurePower GTF-enjins aangedryf word. Volgens die Economic Times het die besluit gekom nadat Airbus GTF-aangedrewe vliegtuie in die loop van twee weke drie enjinonderbrekings opgedoen het. Pratt & Whitney verminder hierdie probleme en sê dit is maklik om te oorkom.

Airbus elektroniese waaier

Nog 'n reus op die gebied van vliegtuigenjins, Rolls-Royce, ontwikkel sy eie Power Gearbox, wat teen 2025 brandstofverbruik in groot turbowaaiers met 25% sal verminder. vergeleke met ouer modelle van die bekende Trent-enjinreeks. Dit beteken natuurlik 'n nuwe Pratt & Whitney-ontwerpkompetisie.

Die Britte dink ook aan ander soorte innovasie. Tydens die onlangse Singapore Airshow het Rolls-Royce die IntelligentEngine Initiative bekendgestel, wat daarop gemik is om intelligente vliegtuigenjins te ontwikkel wat veiliger en doeltreffender is deur die vermoë om met mekaar te kommunikeer en deur 'n ondersteuningsnetwerk. Deur deurlopende tweerigtingkommunikasie met die enjin en ander dele van die diens-ekosisteem te verskaf, sal die enjin probleme kan oplos voordat dit voorkom en leer hoe om werkverrigting te verbeter. Hulle sou ook leer uit die geskiedenis van hul werk en ander enjins, en oor die algemeen sou hulle hulself onderweg moes herstel.

Drive benodig beter batterye

Die Europese Kommissie se lugvaartvisie vir 2050 vra vir 'n vermindering in CO-vrystellings.₂ met 75 persent, stikstofoksiede met 90 persent. en geraas met 65 persent. Hulle kan nie met bestaande tegnologieë bereik word nie. Elektriese en hibriede-elektriese aandrywingstelsels word tans gesien as een van die mees belowende tegnologieë om hierdie uitdagings die hoof te bied.

Daar is tweesitplek elektriese ligte vliegtuie op die mark. Viersitplek hibried-elektriese voertuie is op die horison. NASA voorspel dat hierdie tipe kortafstandvliegtuig met nege sitplek in die vroeë 20's lugvaartdienste na kleiner gemeenskappe sal terugbring. Sowel in Europa as in die VSA glo wetenskaplikes dat dit teen 2030 moontlik is om 'n hibriede-elektriese vliegtuig met 'n kapasiteit van tot 100 sitplekke te bou. Beduidende vordering sal egter op die gebied van energieberging vereis word.

Tans is die energiedigtheid van batterye eenvoudig nie genoeg nie. Dit alles kan egter verander. Tesla-baas Elon Musk het gesê dat sodra die batterye in staat is om 400 watt-uur per kilogram te produseer, en die verhouding van selkrag tot totale gewig 0,7-0,8 is, die elektriese transkontinentale vliegtuig 'n "moeilike alternatief" sal word. As in ag geneem word dat litiumioonbatterye 'n energiedigtheid van 113 Wh/kg in 1994 kon bereik, 202 Wh/kg in 2004, en nou ongeveer 300 Wh/kg kan bereik, kan aanvaar word dat hulle binne die volgende dekade sal die vlak 400 Wh/kg bereik.

Kitty Hawk elektriese tweesitplek lugtaxi-projek

Airbus, Rolls-Royce en Siemens het onlangs 'n vennootskap aangegaan om die E-Fan X-vliegdemonstrator te ontwikkel, wat 'n belangrike stap vorentoe sal wees in kommersiële vliegtuie hibriede-elektriese aandrywing. E-Fan X hibriede elektriese tegnologie-demonstrasie sal na verwagting wees -Fan X sal in 2020 vlieg na 'n uitgebreide grondtoetsveldtog. In die eerste fase sal die BAe 146 een van die vier enjins met 'n XNUMX MW elektriese motor vervang. Daarna word beplan om die tweede turbine met 'n elektriese motor te vervang nadat die volwassenheid van die stelsel gedemonstreer is.

Airbus sal verantwoordelik wees vir die algehele integrasie sowel as die hibriede elektriese aandrywing- en batterybeheerargitektuur en die integrasie daarvan met vlugbeheerstelsels. Rolls-Royce sal verantwoordelik wees vir die gasturbine-enjin, XNUMX megawatt kragopwekker en kragelektronika. Saam met Airbus sal Rolls-Royce ook daaraan werk om die waaiers by die bestaande Siemens-gondel en elektriese motor aan te pas. Siemens sal XNUMX MW elektriese motors en 'n elektroniese kragbeheerder verskaf, sowel as 'n omskakelaar, omsetter en kragverspreidingstelsel.

Baie navorsingsentrums regoor die wêreld werk aan elektriese vliegtuie, insluitend NASA, wat die X-57 Maxwell bou. Die Kitty Hawk elektriese tweesitplek lugtaxiprojek en baie ander strukture van groot sentrums, maatskappye of klein beginners word ook ontwikkel.

Gegewe dat die gemiddelde lewensduur van passasiers- en vragvliegtuie onderskeidelik ongeveer 21 en 33 jaar is, selfs al is alle nuwe vliegtuie wat môre vervaardig word heeltemal elektries, sal dit twee tot drie dekades neem om fossielbrandstof-aangedrewe vliegtuie uit te faseer.

Dit sal dus nie vinnig werk nie. Intussen kan biobrandstof die omgewing in die lugvaartsektor verlig. Hulle help om koolstofdioksiedvrystellings met 36-85 persent te verminder. Ten spyte van die feit dat biobrandstofmengsels vir straalenjins reeds in 2009 gesertifiseer is, is die lugvaartbedryf nie haastig om veranderinge te implementeer nie. Daar is min tegnologiese struikelblokke en uitdagings verbonde daaraan om biobrandstofproduksie op industriële vlakke te bring, maar die belangrikste afskrikmiddel is prys – dit neem nog tien jaar om gelykheid met fossielbrandstowwe te bereik.

Stap in die toekoms in

Terselfdertyd werk die laboratoriums aan ietwat meer futuristiese vliegtuigenjinkonsepte. Tot dusver klink 'n plasma-enjin byvoorbeeld nie baie realisties nie, maar dit kan nie uitgesluit word dat wetenskaplike werke tot iets interessants en nuttig sal ontwikkel nie. Plasma-stuwers gebruik elektrisiteit om elektromagnetiese velde te skep. Hulle druk 'n gas, soos lug of argon, saam en prikkel dit saam tot 'n plasma—'n warm, digte, geïoniseerde toestand. Hul navorsing lei nou tot die idee om satelliete in die buitenste ruimte (ioonstootkragte) te lanseer. Berkant Goeksel van die Tegniese Universiteit van Berlyn en sy span wil egter plasma-stuwers op vliegtuie sit.

Die doel van die navorsing is om 'n lugstraalplasma-enjin te ontwikkel wat vir beide opstyg- en hoëhoogtevlugte gebruik kan word. Plasmastraalenjins is tipies ontwerp om in 'n vakuum- of laedrukatmosfeer te werk waar 'n gastoevoer benodig word. Göksel se span het egter 'n toestel getoets wat in lug kan werk teen 'n druk van een atmosfeer. "Ons plasma-spuitpunte kan spoed van tot 20 kilometer per sekonde bereik," sê Göckel in die Journal of Physics-konferensiereeks.

SABER-enjin in die hipersoniese voertuig van die toekoms

Om mee te begin het die span miniatuurstuwers van 80 millimeter lank getoets. Vir 'n klein vliegtuig sal dit tot 'n duisend wees van wat die span as moontlik beskou. Die grootste beperking is natuurlik die gebrek aan liggewigbatterye. Die wetenskaplikes oorweeg ook hibriede vliegtuie, waarin 'n plasma-enjin met binnebrandenjins of vuurpyle gekombineer sal word.

Wanneer ons praat oor innoverende straalmotorkonsepte, laat ons nie die SABER (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) wat deur Reaction Engines Limited ontwikkel is, vergeet nie. Daar word aanvaar dat dit 'n enjin sal wees wat beide in die atmosfeer en in vakuum werk en op vloeibare waterstof werk. In die aanvanklike stadium van die vlug sal die oksideermiddel lug uit die atmosfeer wees (soos in konvensionele straalmotors), en vanaf 'n hoogte van 26 km (waar die skip 'n spoed van 5 miljoen jaar bereik) - vloeibare suurstof. Nadat na vuurpylmodus oorgeskakel is, sal dit snelhede van tot 25 Mach bereik.

HorizonX, Boeing se beleggingsarm wat by die projek betrokke is, moet nog besluit hoe SABER dit kan gebruik, behalwe dat hy verwag om "revolusionêre tegnologie te gebruik om Boeing te help in sy soeke na supersoniese vlug."

RAMJET en scramjet (supersoniese straalenjin met 'n verbrandingskamer) is lank reeds op die lippe van aanhangers van hoëspoedlugvaart. Tans word hulle hoofsaaklik vir militêre doeleindes ontwikkel. Soos die geskiedenis van lugvaart egter leer, sal dit wat in die weermag getoets gaan word na burgerlugvaart gaan. Al wat nodig is, is 'n bietjie geduld.

Rolls Royce Intelligent Engine Video:

Rolls-Royce | Innovasie in IntelligentEngine