Motores de detonación rotativos: una perspectiva económica.
La Marina de los EE. UU. Planea actualizar sus centrales eléctricas de turbinas de gas en el futuro, que actualmente están instaladas en sus aviones y barcos, reemplazando los motores convencionales con motor de Brighton por motores de detonación rotativa. Debido a esto, se supone que el ahorro de combustible es de aproximadamente 400 millones de dólares anuales. Sin embargo, el uso en serie de las nuevas tecnologías es posible, según los expertos, no antes de una década.
El laboratorio de investigación lleva a cabo el desarrollo de motores rotativos o giratorios en América flota Estados Unidos Según las estimaciones iniciales, los motores nuevos tendrán más potencia, así como alrededor de una cuarta parte más económicos que los motores convencionales. Al mismo tiempo, los principios básicos del funcionamiento de la central eléctrica seguirán siendo los mismos: los gases del combustible quemado entrarán en la turbina de gas y rotarán sus aspas. Según el laboratorio de la Marina de los EE. UU., Incluso en un futuro relativamente lejano, cuando toda la flota de EE. UU. Será alimentada por electricidad, las turbinas de gas continuarán siendo responsables de generar energía, hasta cierto punto modificadas.
Recordemos que la invención del motor a reacción pulsante cae a fines del siglo XIX. El inventor fue un ingeniero sueco Martin Wiberg. Las nuevas centrales eléctricas se extendieron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial, aunque fueron significativamente inferiores en sus características técnicas a los motores de aviones que existían en ese momento.
Cabe señalar que en este momento, los números de la flota estadounidense que 129 envía con el motor de turbina de gas 430. Cada año, el costo de proporcionarles combustible asciende a miles de millones de dólares de 2. En el futuro, cuando los motores modernos se reemplacen por otros nuevos, el volumen de costos para el componente de combustible también cambiará.
Los motores de combustión interna actualmente en uso se basan en el ciclo de Brighton. Si define la esencia de este concepto en pocas palabras, entonces todo se reduce a la mezcla secuencial del oxidante y el combustible, la compresión adicional de la mezcla resultante, la quema y la combustión con la expansión de los productos de combustión. Esta expansión solo se utiliza para conducir, mover los pistones, rotar la turbina, es decir, realizar acciones mecánicas, proporcionando presión constante. El proceso de combustión de la mezcla de combustible se mueve a una velocidad subsónica: este proceso se denomina dafflagración.
En cuanto a los nuevos motores, los científicos pretenden utilizar combustión explosiva en ellos, es decir, detonación, en la que la combustión se produce a velocidades supersónicas. Y aunque en la actualidad el fenómeno de la detonación aún no está totalmente estudiado, se sabe que con este tipo de combustión se produce una onda de choque, que se propaga a través de una mezcla de combustible y aire y provoca una reacción química, lo que resulta en la liberación de una cantidad bastante grande de energía térmica. Cuando la onda de choque pasa a través de la mezcla, se calienta, lo que conduce a la detonación.
En el desarrollo del nuevo motor, se planea utilizar ciertos desarrollos que se obtuvieron en el proceso de desarrollo de un motor pulsante de detonación. Su principio de funcionamiento es que la mezcla de combustible precomprimido se alimenta a la cámara de combustión, donde se incendia y se detona. Los productos de combustión se expanden en la boquilla realizando acciones mecánicas. Entonces todo el ciclo se repite desde el principio. Pero la desventaja de los motores pulsantes es que la tasa de repetición de los ciclos es demasiado baja. Además, el diseño de estos motores en caso de un aumento en el número de pulsaciones se vuelve más complejo. Esto se debe a la necesidad de sincronizar el funcionamiento de las válvulas que son responsables del suministro de la mezcla de combustible, así como directamente por los propios ciclos de detonación. Los motores pulsantes también son muy ruidosos, necesitan una gran cantidad de combustible para su trabajo, y el trabajo solo es posible con una inyección constante de combustible.
Si comparamos los motores rotativos de detonación con los motores pulsantes, entonces el principio de su funcionamiento es ligeramente diferente. Así, en particular, en los nuevos motores se proporciona una constante detonación continua de combustible en la cámara de combustión. Un fenómeno similar se llama giro, o detonación rotatoria. Fue descrito por primera vez en 1956 por el científico soviético Bogdan Wojciechowski. Pero este fenómeno fue descubierto mucho antes, en el año 1926. Los pioneros fueron los británicos, quienes notaron que en ciertos sistemas había una "cabeza" luminosa y brillante que se movía en espiral, en lugar de una onda de detonación que tenía una forma plana.
Wojciechowski, utilizando un grabador fotográfico, que él mismo diseñó, fotografió el frente de onda, que se movía en una cámara de combustión de anillo en la mezcla de combustible. La detonación de espines difiere de la plana en que surge una onda transversal de choque único, seguida de un gas caliente que no ha reaccionado, y una zona de reacción química ya está detrás de esta capa. Y es precisamente esa onda la que evita que la cámara se queme, lo que Marlene Topchiyan llamó "el panecillo oblato".
Cabe señalar que en el pasado, los motores de detonación ya se han utilizado. En particular, estamos hablando de un motor a reacción pulsante, que fue utilizado por los alemanes al final de la Segunda Guerra Mundial en los misiles de crucero "V-1". Su producción fue bastante simple, su uso fue bastante fácil, sin embargo, este motor no era muy confiable para resolver problemas importantes.
Además, en 2008, el Rutang Long-EZ, un avión experimental equipado con un motor pulsante de detonación, despegó en el aire. El vuelo duró solo diez segundos a una altura de treinta metros. Durante este tiempo, la central eléctrica ha desarrollado el orden de empuje 890 Newtons.
Un modelo experimental del motor, presentado por el laboratorio de la US Navy, es una cámara de combustión anular con forma de cono que tiene un diámetro de 14 centímetros en el lado de suministro de combustible y 16 centímetros en el lado de la boquilla. La distancia entre las paredes de la cámara es 1 centímetro, mientras que el "tubo" tiene una longitud de 17,7 centímetros.
Se utiliza una mezcla de aire e hidrógeno como una mezcla de combustible, que se alimenta a la presión de las atmósferas 10 en la cámara de combustión. La temperatura de la mezcla es 27,9 grados. Notamos que esta mezcla fue reconocida como la más conveniente para estudiar el fenómeno de la detonación de espín. Pero, según los científicos, será bastante posible utilizar una mezcla de combustible en los nuevos motores, que consiste no solo en hidrógeno sino también en otros componentes combustibles y aire.
Los estudios experimentales de un motor rotativo han demostrado su mayor eficiencia y potencia en comparación con los motores de combustión interna. Otra ventaja es la significativa economía de combustible. Al mismo tiempo, en el transcurso del experimento, se reveló que la combustión de la mezcla de combustible en un motor rotativo de "prueba" no es uniforme, por lo que es necesario optimizar el diseño del motor.
Los productos de combustión que se expanden en la boquilla se pueden recolectar en un solo chorro de gas usando un cono (este es el llamado efecto Coanda), y luego este chorro se puede enviar a la turbina. Bajo la influencia de estos gases, la turbina girará. Por lo tanto, la operación de la turbina se puede usar parcialmente para la propulsión de barcos, y en parte para la generación de energía, que es necesaria para el equipo de barcos y varios sistemas.
Los propios motores pueden producirse sin partes móviles, lo que simplificará significativamente su diseño, lo que, a su vez, reducirá el costo de la planta de energía en su conjunto. Pero esto es solo en perspectiva. Antes de lanzar nuevos motores a la producción en serie, es necesario resolver muchos problemas difíciles, uno de los cuales es la selección de materiales duraderos resistentes al calor.
Tenga en cuenta que en este momento los motores de detonación rotativa se consideran uno de los motores más prometedores. Los científicos de la Universidad de Texas en Arlington también los están desarrollando. La planta de energía, que fue creada por ellos, fue llamada el "motor de detonación continua". En la misma universidad, se están realizando estudios sobre la selección de varios diámetros de cámaras anulares y diversas mezclas de combustibles, que incluyen hidrógeno y aire u oxígeno en diversas proporciones.
Rusia también se está desarrollando en esta dirección. Así, en el año 2011, según I. Fedorov, director gerente de la asociación de producción e investigación Saturn, los científicos del Centro Científico y Técnico de Lyulka están realizando una investigación sobre un motor de chorro de aire pulsado. El trabajo se lleva a cabo en paralelo con el desarrollo de un motor prometedor, llamado "Producto 129" para el T-50. Además, Fedorov también dijo que la asociación está realizando una investigación sobre la creación de aviones prometedores para la siguiente fase, que se supone que no están tripulados.
En este caso, la cabeza no especificó qué tipo de motor pulsante en cuestión. En este momento, hay tres tipos conocidos de tales motores: sin válvula, válvula y detonación. Sin embargo, en general se acepta que los motores pulsantes son los más simples y más baratos de fabricar.
Hoy en día, algunas de las principales empresas de defensa están investigando motores a reacción pulsantes de alto rendimiento. Estas firmas incluyen la estadounidense Pratt & Whitney y General Electric y la francesa SNECMA.
Por lo tanto, podemos sacar ciertas conclusiones: la creación de un nuevo motor prospectivo tiene ciertas dificultades. El principal problema en este momento radica en la teoría: qué sucede exactamente cuando una onda de detonación de choque se mueve en un círculo solo se conoce en términos generales, y esto complica enormemente el proceso de optimización del desarrollo. Por lo tanto, la nueva tecnología, aunque tiene un atractivo muy grande, no es realizable en la escala de la producción industrial.
Sin embargo, si los investigadores logran abordar cuestiones teóricas, podemos hablar de un verdadero avance. Después de todo, las turbinas se utilizan no solo en el transporte, sino también en el sector energético, en el que un aumento de la eficiencia puede tener un efecto aún mayor.
Materiales utilizados:
http://science.compulenta.ru/719064/
http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
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