De Amerikaanse marine is van plan om in de toekomst de gasturbine-voortstuwingssystemen die momenteel op haar vliegtuigen en schepen zijn geïnstalleerd, te upgraden en conventionele Brayton-cyclusmotoren te vervangen door roterende detonatiemotoren. Dit zal naar verwachting jaarlijks ongeveer 400 miljoen dollar aan brandstof besparen. Het serieel gebruik van nieuwe technologieën is volgens experts echter niet eerder dan over een decennium mogelijk.
De ontwikkeling van rotatie- of spin-rotatiemotoren in Amerika wordt uitgevoerd door het Research Laboratory vloot VERENIGDE STATEN VAN AMERIKA. Volgens eerste schattingen zullen de nieuwe motoren meer vermogen hebben en ook ongeveer een kwart zuiniger zijn dan conventionele motoren. Tegelijkertijd blijven de basisprincipes van de werking van de energiecentrale hetzelfde: de gassen van de verbrande brandstof zullen in de gasturbine stromen en de bladen laten draaien. Zelfs in de relatief verre toekomst, als de hele Amerikaanse vloot op elektriciteit zal rijden, zullen volgens het laboratorium van de Amerikaanse marine gasturbines, enigszins aangepast, nog steeds verantwoordelijk zijn voor het opwekken van energie.
Bedenk dat de uitvinding van de pulserende luchtstraalmotor aan het einde van de negentiende eeuw valt. De auteur van de uitvinding was de Zweedse ingenieur Martin Wiberg. Nieuwe energiecentrales werden wijdverbreid tijdens de Tweede Wereldoorlog, hoewel ze qua technische kenmerken aanzienlijk inferieur waren aan vliegtuigmotoren die op dat moment bestonden.
Opgemerkt moet worden dat de Amerikaanse vloot momenteel 129 schepen telt, die 430 gasturbinemotoren gebruiken. Elk jaar bedragen de kosten om hen van brandstof te voorzien ongeveer 2 miljard dollar. In de toekomst, wanneer moderne motoren worden vervangen door nieuwe, zal ook het volume van de brandstofkosten veranderen.
Interne verbrandingsmotoren die momenteel in gebruik zijn, werken op de Brayton-cyclus. Als we de essentie van dit concept in een paar woorden definiëren, dan komt het allemaal neer op het achtereenvolgens mengen van de oxidator en brandstof, verdere compressie van het resulterende mengsel, vervolgens brandstichting en verbranding met de expansie van verbrandingsproducten. Deze uitzetting wordt precies gebruikt om in beweging te komen, de zuigers te bewegen, de turbine te laten draaien, dat wil zeggen om mechanische acties uit te voeren, waardoor een constante druk ontstaat. Het verbrandingsproces van het brandstofmengsel beweegt met subsonische snelheid - dit proces wordt daflagratie genoemd.
Wat betreft nieuwe motoren, wetenschappers zijn van plan er explosieve verbranding in te gebruiken, dat wil zeggen ontploffing, waarbij verbranding plaatsvindt met supersonische snelheden. En hoewel het fenomeen ontploffing op dit moment nog niet volledig is bestudeerd, is het bekend dat bij dit type verbranding een schokgolf ontstaat die zich voortplant door een mengsel van brandstof en lucht en een chemische reactie veroorzaakt, waarvan het gevolg is het vrijkomen van een vrij grote hoeveelheid thermische energie. Wanneer de schokgolf door het mengsel gaat, warmt het op, wat leidt tot ontploffing.
Bij de ontwikkeling van een nieuwe motor is het de bedoeling om bepaalde ontwikkelingen te gebruiken die zijn verkregen tijdens het ontwikkelen van een detonatie-pulserende motor. Het werkingsprincipe is dat een voorgecomprimeerd brandstofmengsel in de verbrandingskamer wordt gevoerd, waar het wordt ontstoken en ontploft. Verbrandingsproducten zetten uit in het mondstuk en voeren mechanische acties uit. Dan herhaalt de hele cyclus zich vanaf het begin. Maar het nadeel van pulserende motoren is dat de cyclusfrequentie te laag is. Bovendien wordt het ontwerp van deze motoren zelf complexer naarmate het aantal pulsaties toeneemt. Dit komt door de noodzaak om de werking van de kleppen die verantwoordelijk zijn voor de toevoer van het brandstofmengsel te synchroniseren, evenals rechtstreeks met de ontploffingscycli zelf. Pulserende motoren zijn ook erg luidruchtig, ze hebben een grote hoeveelheid brandstof nodig om te werken en werken is alleen mogelijk met constant gedoseerde brandstofinjectie.
Als we detonatie-rotatiemotoren vergelijken met pulserende, dan is het principe van hun werking iets anders. Met name nieuwe motoren zorgen dus voor een constante ongedempte ontploffing van brandstof in de verbrandingskamer. Dit fenomeen wordt spin of roterende detonatie genoemd. Het werd voor het eerst beschreven in 1956 door de Sovjetwetenschapper Bogdan Voitsekhovsky. En dit fenomeen werd veel eerder ontdekt, in 1926. De pioniers waren de Britten, die opmerkten dat er in bepaalde systemen een heldere lichtgevende "kop" was die in een spiraal bewoog, in plaats van een ontploffingsgolf die een platte vorm had.
Voitsekhovsky fotografeerde met behulp van een door hemzelf ontworpen fotorecorder de voorkant van de golf die in de ringvormige verbrandingskamer in het brandstofmengsel bewoog. Spin-detonatie verschilt van vliegtuig-detonatie doordat er een enkele dwarse schokgolf in ontstaat, daarna volgt een verwarmd gas, dat niet heeft gereageerd, en al achter deze laag bevindt zich een chemische reactiezone. En het is precies zo'n golf die de verbranding van de kamer zelf verhindert, die Marlen Topchyan 'een afgeplatte donut' noemde.
Opgemerkt moet worden dat detonatiemotoren in het verleden al zijn gebruikt. We hebben het met name over een pulserende luchtstraalmotor, die aan het einde van de Tweede Wereldoorlog door de Duitsers werd gebruikt op V-1-kruisraketten. De productie was vrij eenvoudig, het gebruik is vrij eenvoudig, maar tegelijkertijd was deze motor niet erg betrouwbaar voor het oplossen van belangrijke taken.
Verder vertrok in 2008 de Rutang Long-EZ, een experimenteel vliegtuig uitgerust met een pulsontploffingsmotor. De vlucht duurde slechts tien seconden op dertig meter hoogte. Gedurende deze tijd heeft de energiecentrale een stuwkracht ontwikkeld van ongeveer 890 Newton.
Een experimenteel model van de motor, gepresenteerd door het Amerikaanse laboratorium van de Amerikaanse marine, is een ringvormige kegelvormige verbrandingskamer met een diameter van 14 centimeter aan de brandstofzijde en 16 centimeter aan de zijde van het mondstuk. De afstand tussen de wanden van de kamer is 1 centimeter, terwijl de "buis" een lengte heeft van 17,7 centimeter.
Als brandstofmengsel wordt een mengsel van lucht en waterstof gebruikt, dat onder een druk van 10 atmosfeer in de verbrandingskamer wordt gevoerd. De temperatuur van het mengsel is 27,9 graden. Merk op dat dit mengsel wordt erkend als het handigst voor het bestuderen van het fenomeen spin-detonatie. Maar volgens wetenschappers zal het heel goed mogelijk zijn om in nieuwe motoren een brandstofmengsel te gebruiken, dat niet alleen uit waterstof bestaat, maar ook uit andere brandbare componenten en lucht.
Experimentele studies van een rotatiemotor hebben zijn grotere efficiëntie en kracht aangetoond in vergelijking met verbrandingsmotoren. Een ander voordeel is een aanzienlijke brandstofbesparing. Tegelijkertijd bleek tijdens het experiment dat de verbranding van het brandstofmengsel in een roterende "proef" -motor niet-uniform is, dus het is noodzakelijk om het motorontwerp te optimaliseren.
De verbrandingsproducten, die uitzetten in het mondstuk, kunnen met behulp van een kegel worden verzameld in één gasstraal (dit is het zogenaamde Coanda-effect), waarna deze straal naar de turbine wordt gestuurd. Onder invloed van deze gassen gaat de turbine draaien. Zo kan een deel van het werk van de turbine worden gebruikt om schepen voort te stuwen, en deels om energie op te wekken, wat nodig is voor scheepsapparatuur en verschillende systemen.
De motoren zelf kunnen worden geproduceerd zonder bewegende delen, wat hun ontwerp aanzienlijk zal vereenvoudigen, wat op zijn beurt de kosten van de energiecentrale als geheel zal verlagen. Maar dit is alleen in perspectief. Voordat nieuwe motoren in massaproductie worden gelanceerd, is het noodzakelijk om veel moeilijke taken op te lossen, waaronder de selectie van duurzame hittebestendige materialen.
Merk op dat roterende detonatiemotoren momenteel worden beschouwd als een van de meest veelbelovende motoren. Ze worden ook ontwikkeld door wetenschappers van de Universiteit van Texas in Arlington. De energiecentrale die ze creëerden, werd de 'continue ontploffingsmotor' genoemd. Aan dezelfde universiteit wordt onderzoek gedaan naar de keuze van verschillende diameters van ringvormige kamers en verschillende brandstofmengsels, waaronder waterstof en lucht of zuurstof in verschillende verhoudingen.
Ook Rusland ontwikkelt zich in deze richting. Dus volgens de algemeen directeur van de onderzoeks- en productievereniging I. Fedorov van Saturnus, ontwikkelen wetenschappers van het Lyulka Scientific and Technical Center in 2011 een pulserende luchtstraalmotor. Het werk wordt parallel uitgevoerd met de ontwikkeling van een veelbelovende motor, genaamd "Product 129" voor de T-50. Bovendien zei Fedorov ook dat de vereniging onderzoek doet naar de creatie van geavanceerde vliegtuigen van de volgende fase, die onbemand zouden moeten zijn.
Tegelijkertijd specificeerde het hoofd niet over wat voor soort pulserende motor hij het had. Op dit moment zijn er drie typen van dergelijke motoren bekend: ventielloos, ventiel en detonatie. Inmiddels is algemeen aanvaard dat pulserende motoren het eenvoudigst en goedkoopst te vervaardigen zijn.
Tot op heden doen verschillende grote defensiebedrijven onderzoek naar de creatie van pulserende krachtige straalmotoren. Onder deze firma's bevinden zich het Amerikaanse Pratt & Whitney en General Electric en het Franse SNECMA.
We kunnen dus bepaalde conclusies trekken: het creëren van een nieuwe veelbelovende motor heeft bepaalde moeilijkheden. Het grootste probleem op dit moment ligt in de theorie: wat er precies gebeurt als een schokdetonatiegolf in een cirkel beweegt, is alleen in algemene termen bekend, en dit bemoeilijkt het proces van het optimaliseren van ontwikkelingen enorm. Daarom is de nieuwe technologie, hoewel zeer aantrekkelijk, nauwelijks haalbaar op de schaal van industriële productie.
Als onderzoekers er echter in slagen om met theoretische kwesties om te gaan, is het mogelijk om van een echte doorbraak te spreken. Turbines worden immers niet alleen in de transportsector gebruikt, maar ook in de energiesector, waar een verhoging van het rendement een nog sterker effect kan hebben.
Gebruikte materialen:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/