Silniki lotnicze muszą stać się bardziej ekologiczne. Czy jednak rozwiązaniem są nowe systemy napędowe, czy też paliwa odnawialne spalane w tradycyjnych samolotach odrzutowych ? Metalworking World przyjrzał się silnikom lotniczym przyszłości.
Silnik turboodrzutowy bazujący na turbinie gazowej istnieje w lotnictwie już od 50 lat. W tym czasie w jego konstrukcji nastąpiły jedynie niewielkie zmiany. Coraz bardziej restryktywne prawodawstwo dotyczące emisji spalin i hałasu w połączeniu z rosnącymi kosztami paliwa sprawiają jednak, że poszukuje się dziś nowych rozwiązań. W jakim zatem kierunku podążają najnowsze trendy? Czy będzie to niekończący się proces ulepszania turbiny gazowej, czy też powstaną całkowicie nowe metody napędu, które spowodują, że silnik odrzutowy stanie się historią?
Transport lotniczy odpowiada za około dwa procent światowej emisji dwutlenku węgla. Emisja ta jednak wzrasta wraz z nasilaniem się zapotrzebowania na ten rodzaj transportu. Równocześnie, do roku 2020, ma się podwoić emisja tlenku azotu (NOx), powstającego w wyniku spalania paliwa lotniczego, powodującego kwaśne deszcze i smog oraz gigantyczne straty w wyniku chorób i przedwczesnej śmierci. Z drugiej jednak strony europejski przemysł lotniczy wyznaczył w 2001 roku cel: redukcję o 50 procent zużycia paliwa w przeliczeniu na pasażerokilometr oraz redukcję o 80 procent emisji tlenku azotu przez samoloty – do roku 2020.
Na krótką metę eksperci są zgodni co do tego, że postęp w zakresie bardziej ekologicznych silników będzie oznaczał raczej szereg małych kroków niż radykalną rewolucję. Projekty rozwojowe na uczelniach, w instytutach badawczych i w firmach produkujących silniki oznaczają dziś ciągłe małe ulepszenia silników, prowadzące do mniejszego zużycia paliwa. Przykładem może być projekt PANACEA prowadzony przez firmę Rolls-Royce, w którym Sandvik Coromant jest kluczowym partnerem (patrz osobny artykuł). Poprzez wprowadzenie elementów silnika z nowych materiałów projekt umożliwi zmniejszenie zużycia paliwa o 0,3 do 0,5 procent, redukując w ten sposób emisję dwutlenku węgla o 600 kilogramów w czasie przelotu jednego samolotu pasażerskiego przez Atlantyk.
W tym samym czasie inny producent silników, firma GE Aviation, zaprezentowała nowy system napędowy dla samolotów, łączący technologie cywilne i wojskowe. Silniki Passport tej firmy, które mają być poddane końcowym testom w roku 2013, oferują wyższy stopień sprężania oraz sprężarkę z całkiem nowego materiału. GE zapowiada, że nowe silniki pozwolą zmniejszyć zużycie paliwa o 8 procent i znacznie zredukować emisję NOx. – Passport to pierwszy na świecie zintegrowany system napędowy zaprojektowany specjalnie dla dużych, międzykontynentalnych samolotów pasażerskich – mówi Brad Mottier, wiceprezes i dyrektor generalny działu Business & General Aviation w GE Aviation.
Inny projekt firmy GE, tym razem dla mniejszych samolotów, zapewni zmniejszenia zużycia paliwa o 15 procent dzięki utrzymywanym jeszcze w tajemnicy materiałom, nowej technologii chłodzenia i nowemu zespołowi komory spalania – części silnika, gdzie paliwo jest mieszane z powietrzem i następuje zapłon.
Takie niewielkie kroki są niewątpliwie bardzo potrzebne, tym bardziej, że radykalne zmiany w konstrukcji silników lotniczych nie będą wcale łatwe. – Wyzwania są liczne – podkreśla Tomas Grönstedt, profesor na wydziale mechaniki stosowanej politechniki Chalmers w Göteborgu, w Szwecji. – Należy do nich chociażby przejście na silniki z wyższym stopniem sprężania w związku z wyższą temperaturą powietrza chłodzącego czy ograniczenia z powodu nowych technologii materiałowych i szkodliwego wpływu wagi oraz oporu na silniki z wysokim współczynnikiem dwuprzepływowości. Przez cały czas poszukujemy nowych materiałów, ale nie ma gwarancji, że obecne, szybkie tempo rozwoju będzie utrzymane.
– Do technologii, nad którymi obecnie trwają prace, możliwych do wdrożenia w najbliższym czasie, należą otwarty wirnik, silnik z chłodzeniem międzystopniowym oraz rekuperacyjny silnik z chłodzeniem międzystopniowym – wyjaśnia Grönstedt. – Te dwa ostatnie warianty silnika raczej nie wejdą do eksploatacji przed rokiem 2020. Uważam, że podobnie ma się rzecz z silnikiem z otwartym wirnikiem.
Silnik z detonacją impulsową (PDE ), który posiada potencjał radykalnego zwiększenia sprawności cieplnej, jest jedną z najciekawszych technologii napędu, jakie pojawiły się w ostatnich latach. Grönstedt uważa jednak, że w tym przypadku pozostaje jeszcze wiele kwestii do rozwiązania. – Trzeba na przykład pokonać problem chłodzenia turbiny w sytuacji przerywanego spalania. Wyzwaniem jest także hałas.
Kiedy te problemy zostaną rozwiązane, korzyści dla środowiska będą znaczne. – Łącząc PDE, technologię otwartego wirnika, nowe konstrukcje korpusu i skrzydeł samolotu oraz niższe prędkości lotu, można by w roku 2050 osiągnąć nawet 75-procentową redukcję zużycia paliwa na pasażerokilometr w porównaniu z rokiem 2000 – twierdzi Grönstedt.
Jakkolwiek takie technologie są oczywiście dużym krokiem naprzód, to są one jednak tylko wariantami tradycyjnego silnika odrzutowego. Kiedy więc pojawi się silnik z napędem rodem z filmów „science fiction”?
– Mówi się o radykalnych koncepcjach mających się pojawić do roku 2050, ale osobiście odnoszę się sceptycznie do takich możliwości – mówi Grönstedt, dodając, że turbina gazowa w silniku turboodrzutowym nadal oferuje niezrównane zalety. – Pozwala ona osiągnąć dużą siłę ciągu przy małej wadze. Możliwe jest zatem, że będziemy korzystać z tej technologii jeszcze w roku 2200, nie będąc jej równocześnie w stanie zbytnio ulepszyć pod względem sprawności cieplnej i efektywności napędu.
Być może nie ma powodu, aby zastępować silnik ze spalaniem wewnętrznym. – Moim zdaniem na dzień dzisiejszy celem powinna być wyższa sprawność silnika i zastosowanie paliw odnawialnych – twierdzi Grönstedt. – Metodą na wyprodukowanie wystarczającej ilości biopaliwa, bez ograniczania produkcji żywności, mogłyby być algi. Ale wymaga to rozwiązania bieżących technicznych ograniczeń.
Nowe silniki i zielone paliwa
Silnik z otwartym wirnikiem:
Znane też jako silniki śmigłowo-wentylatorowe lub silniki z wysokim współczynnikiem dwuprzepływowości, oferuje zużycie paliwa silnika turbośmigłowego i prędkość silnika turbowentylatorowego. Opatentowany w roku 1979 silnik z otwartym wirnikiem umożliwia oszczędność paliwa wynoszącą ok. 30 procent. Jest jednak bardzo hałaśliwy.
Silnik z detonacją impulsową (PDE):
Pierwsze pomysły na silnik pulsacyjny pojawiły się już 70 lat temu. Stosowane są tu fale detonacyjne w celu spalania paliwa i mieszanki tlenowej. Zamiast spalania paliwa, następuje jego eksplozja. Teoretycznie silnik PDE mógłby zapewnić samolotowi prędkość Mach 5, jednak do dziś taki silnik nie został wyprodukowany. Problemem jest hałas i drgania.
Rekuperacyjny silnik z chłodzeniem międzystopniowym:
Zintegrowane w silniku rekuperator (wymiennik ciepła) i chłodzenie międzystopniowe umożliwiają odzyskiwanie ciepła z gorących spalin z powrotem do komory spalania i zapobiegają wzrostowi temperatury w komorze spalania. Umożliwia to oszczędność paliwa do 30 procent i zmniejszenie emisji tlenku azotu i hałasu.
Paliwa odnawialne:
Jatrofa, roślina rosnąca w suchym środowisku, uważana jest za potencjalne źródło paliwa. Szereg firm lotniczych przeprowadziło już zakończone sukcesem próby zastosowania oleju z nasion jatrofy jako paliwa. Można w ten sposób ograniczyć emisję gazów cieplarnianych aż o 60 procent – w porównaniu ze spalaniem tradycyjnego paliwa. W czerwcu 2011 samolot Gulfstream G450 z silnikiem napędzanym mieszanką tradycyjnego paliwa i biopaliwa z lniczka siewnego (Camelina sativa) wykonał pierwszy tego rodzaju lot nad Atlantykiem.
Zastosowanie biopaliw wzrośnie drastycznie.
Nowe wyzwania dla skrawania
Czas na zielone technologie
Niektóre dane i liczby dotyczące silników lotniczych poruszają wyobraźnię: jedna łopatka turbiny wywiera siłę odśrodkową wynoszącą 70 ton, czyli tyle, ile waży współczesna lokomotywa; każda łopatka turbiny generuje tyle mocy co bolid Formuły 1; łopatki w gorącej części silnika operują w temperaturze o kilkaset stopni wyższej niż temperatura topnienia materiału, z którego są wykonane.
„Mamy tu kilka dość ciekawych liczb”, mówi Steve Weston, specjalista ds. rozwoju zastosowań w Sandvik Coromant. Gdy próbujesz zwiększać temperaturę w celu zwiększania wydajności i kiedy przekracza już ona temperaturę topnienia materiału – to jest dopiero wyzwanie”.
Weston jest zdania, że niektóre materiały nowej generacji, z którymi Sandvik Coromant pracuje na zlecenie producentów silników lotniczych, mają zupełnie niewiarygodną strukturę i skład. – Gdy pojawiają się w naszych zakładach obróbki, wyglądają czasem jak skały księżycowe – mówi Weston. – Są trudno skrawalne, gdyż posiadają wysoką dynamiczną wytrzymałość na ścinanie oraz niskie rozpraszanie ciepła, co powoduje szybkie zużywanie się płytek. Jednak gdy powiedzą nam, czego dokładnie chcą i dadzą nam trochę czasu, to zawsze znajdziemy sposób na ich obróbkę.
Jednym z projektów, w którym wziął udział Sandvik Coromant był PANACEA , który obejmował obróbkę zaawansowanego stopu niklu na elementy silników o krytycznym znaczeniu. Inni partnerzy zaangażowani w projekt to firma Rolls-Royce oraz Advanced Manufacturing Research Centre na Uniwersytecie w Sheffield, gdzie Sandvik Coromant jest głównym partnerem.
Celem projektu było opracowanie nowych elementów – szczególnie tarcz do turbin gazowych – z „dwoistą mikrostrukturą”, tak aby nadać im odmienne właściwości mechaniczne w środku i na krawędzi. Pozwoli to silnikom na pracę w temperaturze wyższej o 50 stopni i w wyniku tego zmniejszy zużycie paliwa o 1,5 procent. Dzięki technologii PANACEA za każdym razem, gdy samolot pasażerski przeleci nad Atlantykiem, w atmosferze pozostanie o 600 kg dwutlenku węgla mniej.
Sandvik Coromant był zaangażowany w obróbkę tego niezwykłego materiału. – Wykonaliśmy pełną obróbkę tarczy na jednej obrabiarce, co zdarza się dość rzadko, gdyż normalnie do takiego przedmiotu potrzebne jest kilka obrabiarek – mówi Weston. – Udało się nam stworzyć nowe narzędzia i opracować nowe strategie, tak aby wykonać obróbkę każdej powierzchni tarczy.
Obecnie produkowana jest większa wersja tarczy w celu przeprowadzenia testów. Już za dwa lata powinna ona wejść do masowej eksploatacji, przyczyniając się do zmniejszenia zużycia paliwa i emisji spalin.
Sandvik Coromant był kluczowym partnerem w prowadzonym przez Rolls-Royce’a projekcie PANACEA.
