Všichni se shodují na tom, že by letecké motory měly být „zelenější.“ Dočkáme se revolučního pohonného systému nebo se i v budoucnu bude létat se starými tryskovými motory na paliva z obnovitelných zdrojů? Metalworking World se vydal zjistit, jaké budou letecké motory budoucnosti.
Tryskové motory s plynovou turbínou slouží leteckému průmyslu téměř beze změn již déle než padesát let. Letecký průmysl se dnes potýká nejen s přísnějšími regulacemi ohledně znečišťování životního prostředí emisemi i hlukem, ale i s rostoucími cenami paliva, a proto se klade stále větší důraz na urychlení technologického vývoje. Kam tento vývoj směřuje? Budou se plynové turbíny vylepšovat donekonečna nebo se objeví radikálně nový pohonný systém, který odsoudí proudový motor k historickému zániku?
Emise z leteckého průmyslu tvoří asi dvě procenta celkových emisí CO2 z fosilních paliv. S poptávkou po letecké dopravě stoupají i emise. Očekává se, že do roku 2020 se emise oxidu dusnatého (NOx) ze spalování paliva v tryskových motorech, který způsobuje kyselé deště, smog a stojí společnost miliardy dolarů ročně na výdajích na nemoci a úmrtí, zdvojnásobí. Proto si v roce 2001 dala asociace evropského leteckého průmyslu za úkol do roku 2020 snížit emise na osobokilometr o padesát procent a emise NOx z komerčních letadel o osmdesát procent.
V krátkodobém výhledu se odborníci shodují na tom, že vývoj čistších a účinnějších leteckých motorů se bude odehrávat spíše v malých krůčcích než v revolučních skocích. Vývoj na univerzitách, ve výzkumných střediscích a u výrobců motorů přináší nové, ale drobné návrhy úprav motorů, které přispívají ke snížení spotřeby paliva. Jedním z příkladů je projekt PANACEA, který probíhá pod vedením firmy Rolls-Royce, a na kterém se podílí jako hlavní partner společnost Sandvik Coromant (o spolupráci se dočtete ve zvláštním článku). Nový materiál pro letecké motory sníží spotřebu paliva o 0,3 až 0,5 procent, čímž se při přeletu jednoho letadla přes Atlantik sníží emise CO2 o 600 kilogramů.
Mezitím konkurenční výrobce leteckých motorů GE Aviation nedávno oznámil, že připravuje nový pohonný systém pro obchodní trysková letadla, který vychází z vojenských a civilních technologií. Jeho motory Passport, které jsou dosud ve fázi vývoje a jejichž provozní testy lze očekávat v roce 2013, se vyznačují vyšší hodnotou stlačeného vzduchu a kompresorem vyrobeným z nového, zatím nejmenovaného, materiálu. Podle GE budou mít tyto motory o osm procent nižší spotřebu a výrazně nižší emise NOx. „Passport je ... prvním integrovaným pohonným systémem na světě, který je určený pro ultradlouhé lety obchodních tryskových letadel s velkou kabinou, které umožní zákazníkům létat … tišeji a efektivněji,” říká Brad Mottier, viceprezident a generální ředitel GE pro obchod a obecnou aviatiku.
Další motor firmy GE, tentokrát pro regionální lety, nabídne o patnáct procent nižší spotřebu paliva než dosavadní motory, a to opět díky použití dosud tajných materiálů, nové chladicí technologii, a nové konstrukci spalovací komory, tedy té součásti motoru, kde dochází ke smísení vzduchu s palivem a k jeho vznícení.
Tyto malé krůčky jsou rozhodně vítaným zlepšením v omezení negativního dopadu letecké přepravy na životní prostředí, ale podniknout zásadní změnu v této oblasti nebude jednoduché. „Před námi stojí několik překážek,” vysvětluje Tomas Grönstedt, docent na katedře aplikované mechaniky na Chalmersově univerzitě ve švédském Göteborgu. „Jsou to jednak problémy, které vznikají při zvyšování tlaku v motoru a snižování teploty chlazeného vzduchu, jednak omezení, která přináší vývoj nových materiálů, ale také negativní vliv hmotnosti a odporu motorů s otevřeným rotorem (tj. motory s ultravysokým obtokovým poměrem stlačeného vzduchu). Je potřeba vyvinout nové materiály, ale nejsem si jist, zda toho lze dosáhnout při současném tempu technologického rozvoje.”
Mezi možná střednědobá řešení, která jsou v současné době ve fázi vývoje, patří motor s mezichladičem, motor s mezichladičem rekuperovaného vzduchu a motor s otevřeným rotorem. „Pokud se je podaří zkonstruovat, budou motory s mezichladičem rekuperovaného vzduchu a motory s mezichladičem uvedeny do provozu nejdříve po roce 2020,” dodává Grönstedt. „I motory s otevřeným rotorem se pravděpodobně neobjeví dřív než na začátku dvacátých let, počítáno od doby jejich uvedení do provozu.”
Motor s pulzním spalováním, který se vyznačuje možností radikálního zvýšení využití tepelné účinnosti, patří mezi další zajímavé technologie pohonných systémů. Avšak podle Grönstedta je třeba vyřešit několik zásadních problémů. „Musí se vyřešit, například, chlazení turbíny při přerušovaném spalování,” vysvětluje. „A dalším problémem je hlučnost.”
Ale pokud by se to podařilo, přínos pro životní prostředí by byl značný. „Kombinací PDE s otevřeným rotorem, vylepšením spojení trupu a křídel (zapuštěná křídla) a při snížení letové rychlosti, by bylo možné do roku 2050 snížit spotřebu paliva na osobokilometr o sedmdesát pět procent v porovnání s rokem 2000,” říká Grönstedt.
Takové technologie by sice byly velkým skokem vpřed, ale pořád se jedná o varianty dnešních proudových motorů. Takže, kdy nás budou přepravovat sci-fi motory, vycházející ze zcela nových a radikálně odlišných technologií pohonných systémů?
„Existuje několik projektů, které by se měly materializovat kolem roku 2050, ale neočekávejme žádnou opravdu revoluční změnu,” pokračuje Grönstedt a vysvětluje, že předností plynových turbín je stále jejich obrovská hustota výkonu. „Jsou schopny při i při velmi nízké hmotnosti vyprodukovat obrovský tah, a to nelze snadno překonat. Je dost dobře možné, že je budeme používat i v roce 2200. V té době však nebude třeba investovat do vývoje, protože se již dnes pohybujeme na hranici jejich možností, co se týče tepelné a hnací účinnosti.”
Možná není nutné stávající motor nahrazovat. „Letectví může být ještě zelenější, zlepšíme-li využití energie a začneme-li naplno využívat biopaliva,” říká Grönstedt. „Dostatečným zdrojem biopaliva by se mohly stát mořské řasy, které by navíc nekonkurovaly zemědělské produkci potravin. Ale k tomu je zapotřebí překonat současné technické překážky.”
Novější motory, novější paliva
Motor s otevřeným rotorem:
Je také znám pod jménem propfan či motor s ultravysokým obtokovým poměrem stlačeného vzduchu. Motory s otevřeným rotorem šetří palivo stejně jako turbovrtulové motory (turboprop), ale zároveň dosahují rychlosti a výkonu jako motory turboventilátorové (turbofan). Motor s otevřeným rotorem byl patentován v roce 1979. Je možné s ním ušetřit až třicet procent paliva, je však hlučnější než ostatní typy motorů.
Motor s pulzním spalováním paliva:
Poprvé se o pulzním motoru uvažovalo před sedmdesáti lety (PDE). Jedná se o motor, při němž se využívá pulzních vln k zážehu paliva a kyslíkové směsi. Místo spalování paliva, dochází k explozi. Teoreticky by letadla s PDE motory dokázala vyvinout rychlost až 5 machů, ale dodnes nezačal nikdo takový motor sériově vyrábět. Nevýhodami motoru PDE jsou hluk a vibrace.
Motor s mezichladičem rekuperovaného vzduchu:
Integrace mezichladiče a rekuperátoru do tepelného výměníku, umožňuje zachytit teplo ze spalin a přivést je zpět do spalovací komory a snížit tak stoupající teplotu spalovací trysky. Tímto způsobem lze ušetřit třicet procent paliva a zároveň snížit emise NOx i znečištění hlukem.
Palivo z obnovitelných zdrojů:
Dávivec černý, plevelovitá rostlina, která roste i na neúrodné zemi, by se mohl stát zdrojem paliva pro trysková letadla. Několik aerolinek již vyzkoušelo palivo ze semen dávivce, které snižuje emise skleníkového plynu o šedesát procent v porovnání s ropnými palivy. V červnu roku 2011 podnikl Gulfstream G450 první transatlantický let, při němž polovina paliva pocházela z tradičních zdrojů a druhou polovinu tvořilo biopalivo vyrobené z lničky seté.
Spotřeba biopaliv výrazně poroste.
Nové výzvy při obrábění
Tlak na „zelená“ zlepšení
Některé statistiky a čísla týkající se leteckých motorů si lze těžko představit: každý ventilátor s širokými lopatkami produkuje odstředivou sílu 70 tun, což se rovná hmotnosti dnešních lokomotiv; každá lopatka vysokotlaké turbíny vyprodukuje stejně energie jako automobil Formule 1; lopatky v horké části motoru pracují při teplotách o několik set stupňů vyšších, než je tavicí bod materiálu, z něhož jsou vyrobeny.
„Pohybujete se za hranicí nemožného,” říká Steve Weston, specialista na vývoj aplikací, Sandvik Coromant. „Když se, například, snažíte zvýšit teplotu a tím zvýšit účinnost a už se pohybujete nad bodem tavení materiálu, to je pak teprve zajímavé.”
Weston říká, že některé materiály, které se do firmy Sandvik Coromant dostanou ke zpracování od výrobců motorů mají téměř neuvěřitelnou strukturu a složení. „V dílně se najednou objeví něco, co připomíná měsíční kámen,” říká. „Tyto materiály se nesmírně těžce obrábějí, protože mají vlastnosti, jež se vyznačují vysokou dynamickou pevností ve smyku, a špatně proto odvádějí teplo, což způsobuje značné opotřebení VBD. Ale pokud nám zákazníci řeknou, co chtějí a dají nám čas, určitě přijdeme na to, jak materiál obrábět, na to vemte jed.”
Jeden z projektů, na kterém se Společnost Sandvik Coromant podílela, se nazývá PANACEA (zkratka z prvních písmen: processing of an advanced nickel alloy for critical engine applications, čili zpracování pokročilých slitin niklu pro důležité součástky motorů). Mezi partnery byla firma Rolls-Royce a Advanced Manufacturing Research Centre při univerzitě v Sheffieldu, jehož je Sandvik Coromant partnerem.
Součástí projektu byl vývoj součástek motorů – kol plynových turbín – s „duální mikrostrukturou”. Cílem bylo zajistit, aby kolo mělo jiné mechanické vlastnosti u středu a na okraji. Tato technologie umožní, aby motory pracovaly při teplotách o padesát stupňů vyšších, což sníží spotřebu paliva o 1,5 procent. Pomocí technologie PANACEA se sníží emise CO 2 o 0,6 tuny při každém přeletu letadla přes Atlantik.
Společnost Sandvik Coromant se podílela na přípravě obrábění tohoto speciálního materiálu. „Kolo jsme kompletně obrobili na jednom stroji, což je něco neslýchaného, protože normálně se profily kol turbín obrábějí na několika různých strojích,” říká Weston. „Ale my jsme pro všechny profily kola turbíny vyrobili nové nástroje a připravili nové postupy.”
V současné době se vyrábí zvětšená součástka pro reálné testy. Nové kolo by mělo začít šetřit palivo a snižovat emise do dvou let.
Sandvik Coromant byl klíčovým partnerem projektu PANACEA firmy Rolls-Royce.
