Jak działa obrotowy silnik detonacyjny

Możesz myśleć o obrotowym silniku detonacyjnym jako o typie silnika do detonacji impulsowej - z niespodzianką. To jest turbina gazowa General Electric Frame 7FA. Dzięki uprzejmości General Electric Company

Silnik zaprojektowany dla statku nie będzie pasował do samochodu… ale typy samochodów są zwykle zaintrygowane najnowszą technologią w zakresie uderzeń i bomów. Przecież silnik to silnik o ogromnej mocy (i kto wie, kiedy takie innowacje spłyną do sektora cywilnego).

Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się wirującemu silnikowi detonacyjnemu - typowi turbiny gazowej zaprojektowanej z myślą o wydajności, ze starannie skonstruowanym, spójnym cyklem wtrysku i eksplozji. Nie jest to zupełnie nowe - patent został przyznany około 20 lat temu - ale pod koniec 2012 roku dopiero teraz zarysowuje powierzchnię swojego potencjału do wytwarzania energii dla dużych środków transportu.

Naukowcy twierdzą, że obracający się silnik detonacyjny mógłby być również przystosowany do generowania energii elektrycznej dla statków i samolotów w pełni elektrycznych… kiedy będziemy wystarczająco zaawansowani, aby mieć niezawodne łodzie i samoloty napędzane głównie elektrycznością, to znaczy.

Wojsko Stanów Zjednoczonych zdecydowało się zainwestować w badania i rozwój obracającego się silnika detonacyjnego, po części dlatego, że technologia jest łatwa do skalowania - można zwiększyć rozmiar silnika, a także zwiększyć produkcję mocy. (Wierzcie lub nie, ale to nie zawsze działa w ten sposób.) Więc nigdy nie wiemy - być może obracający się silnik detonacyjny może kiedyś zostać zmniejszony, a jego płynne wytwarzanie mocy może napędzać wszystkie rodzaje taboru..

Zwykle myślimy o ciśnieniach wytwarzanych w silniku jako o bardziej kontrolowanej niż zdezorganizowanej „detonacji” - chcemy, aby była przewidywalna, a nie chaotyczna. Ale jeśli silnik może kontrolować typowy cykl z wystarczającą precyzją, aby wytwarzać stałą moc, może również kontrolować detonacje. A nagły wzrost ciśnienia wywołany przez detonację może skutkować wydajniejszym silnikiem, jeśli zostanie odpowiednio wykorzystany. Zwykle silnik miesza powietrze z paliwem, aby przygotować go do detonacji, kiedy to paliwo uwalnia swoją energię. Jednak efektywność uwalniania energii przez paliwo w dużym stopniu zależy od typu silnika.

W tym miejscu obracający się silnik detonacyjny różni się od bardziej powszechnych typów silników turbinowych. Powietrze i paliwo są mieszane (jak zwykle), zanim zostaną wtryskiwane do długiej, okrągłej komory spalania, w sposób, który „Physics Today” opisał jako „sekwencyjny, kolisty sposób”. Pierwsza detonacja uruchamia cykl, w którym ciśnienie od zapłonu utrzymuje się wokół komory, zapalając kolejno każdy wtrysk. Ciśnienie z każdego zapłonu utrzymuje cykl w ruchu. Ciśnienie następnie wypycha spaliny z komory spalania przez dyszę wydechową, która jest w rzeczywistości ciągiem generowanym przez silnik, i przenosi się do zasilania dowolnego typu pojazdu, w którym silnik jest zainstalowany (w tym przypadku zwykle jest to statek lub samolot).

Obracający się silnik do detonacji jest w rzeczywistości odmianą innego projektu silnika: silnika impulsowego do detonacji. Chociaż silniki z detonacją impulsową zapewniają oszczędność energii w porównaniu z wieloma innymi typami silników, nadal mają swoją własną nieefektywność. Jednym z powodów jest komora spalania, którą należy czyścić po każdym impulsie. Obrotowy silnik detonacyjny jest ulepszeniem w stosunku do pulsującej konstrukcji, ponieważ fala detonacyjna nieustannie krąży wokół komory, eliminując potrzebę marnowania czasu i energii na czyszczenie.

Ponieważ detonacje powodują powstawanie ekstremalnych ciśnień, silnik do detonacji można zaprojektować bez dodatkowej sprężarki, która jest zwykle wymagana. Sprężarki są nie tylko zazwyczaj złożone, ale ich działanie generalnie pochłania również dużo energii. Jednak dodanie sprężarki do silnika detonacyjnego sprawia, że ​​jest on jeszcze bardziej wydajny. Ta kompatybilność ułatwia doposażenie pojazdów z silnikami turbinowymi w celu ich wykorzystania w technologii silników detonacyjnych [źródło: Green Car Congress].

Modernizacja istniejących okrętów marynarki wojennej, takich jak pokazany tutaj niszczyciel pocisków kierowanych USS Arleigh Burke (DDG 51), w technologię obrotowego silnika detonacyjnego może przynieść miliony dolarów oszczędności każdego roku. Dzięki uprzejmości US Navy, fot. Dziennikarz 2.klasy Patrick Reilly

Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych przypisuje sobie całą zasługę za niedawną inwestycję w tę technologię (i ożywienie cyklu informacyjnego), ale obracający się silnik detonacyjny faktycznie pracuje od kilku dziesięcioleci, w tym momencie. Patent na silnik został złożony w 1982 r. I przyznany w 1988 r. Wynalazcy z Rockville w stanie Maryland imieniem Shmuel Eidelman. (Patent faktycznie nazywany jest „obrotowym silnikiem detonacyjnym”, a nie „obrotowym” - nie jest jasne, kiedy zmieniło się pseudonim).

Shmuel Eidelman był zajętym człowiekiem. Otrzymał 14 patentów od 1982 roku, koncentrując się na aeronautyce, napędzie i chemikaliach dzięki pracy z korporacjami naukowymi i organizacjami wojskowymi [źródło: PatentBuddy]. Kiedy więc patent został złożony, wydawało się, że marynarka wojenna pchnęła turbinę gazową tak daleko, jak się dało, i nadszedł czas, aby zacząć myśleć od nowa.

Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych była początkowo zainteresowana silnikami na detonację impulsową (jak opisano wcześniej) i zainwestowała w badania nad opracowaniem tych systemów oszczędzających paliwo. Naukowcy z Marynarki Wojennej twierdzą, że maksymalizacja potencjału tego typu silnika zależy od zrozumienia jego złożonej fizyki [źródło: U.S. Naval Research Laboratory]. Obracający się silnik detonacyjny jest nadal silnikiem z turbiną gazową, podobnie jak silniki obecnie napędzające flotę statków i samolotów Marynarki Wojennej, ale poprawianie i udoskonalanie cyklu odblokowuje dużo dodatkowej mocy. Badacze marynarki wojennej uważają, że obrotowe silniki detonacyjne mogą potencjalnie zmniejszyć zużycie paliwa w nowym sprzęcie o 25 procent, co dałoby roczne oszczędności rzędu 300 do 400 milionów dolarów [źródło: Quick]. Kolejną zaletą systemu jest to, że można go skonfigurować do zasilania silnika elektrycznego, co teoretycznie pozwoliłoby flotom wojskowym rozpocząć przechodzenie na (potencjalnie) czystsze, tańsze i bardziej wydajne elektryczne układy napędowe..

Obracające się silniki detonacyjne nie są jeszcze gotowe do działania, więc symulacje są najlepszym wskaźnikiem ich skuteczności - jednak wciąż są na tyle obiecujące, że Marynarka Wojenna przyspiesza rozwój. Nie ma publicznie znanego ETA do ukończenia lub wdrożenia, ale obracający się silnik detonacyjny prawdopodobnie dotrze - w każdym razie pewnego dnia - do pobliskiej bazy morskiej.

Uwaga autora: Jak działa obrotowy silnik detonacyjny

Nikt nie sugeruje (w każdym razie jeszcze nie), że obracający się silnik do detonacji może rzeczywiście mieć potencjał do zastosowania w samochodach osobowych lub ciężarowych. Został wymyślony przez gościa, który specjalizował się w technologii wojskowej i jest wprowadzany do rozwoju przez marynarkę wojenną USA. Faktyczny rozmiar opracowywanego modelu silnika nie został nigdzie wspomniany, więc to wszystko spekulacje. Ale wiemy to: jest oczywiście wystarczająco duży, aby zasilać statki i samoloty, a to o wiele więcej mocy niż potrzebuje samochód. Gdzie byłaby w tym efektywność?

Ale lata pisania o samochodach i technologii transportu pokazały mi, że wiele rzeczy, których używamy na co dzień, zostało pierwotnie opracowanych do zupełnie innych celów - a samochody wyścigowe i pojazdy wojskowe to dwa wspólne źródła. Mimo że oszczędne samochody zmierzają obecnie w innym kierunku (hybrydy, elektryka i biopaliwa), nie jest niezrozumiałe stwierdzenie, że kiedyś ktoś mógłby znaleźć sposób na zmniejszenie wydajności super wydajnego silnika z turbiną gazową i wsadzenie go pod maska ​​samochodu.

Powiązane artykuły

• Jak działa silnik cykliczny Atkinsona
• Jak działają silniki samochodowe
• Jak działa silnik sferyczny Hüttlin
• Jak działają silniki obrotowe
• Jak działają silniki Stirlinga
• Jak działa turbina Tesli
• Jak działa generator dysków falowych

Źródła

• Patenty Google. „Patent US4741154 - Obrotowy silnik do detonacji”. (17 lutego 2013 r.) Http://www.google.com/patents/US4741154
• Kongres Zielonych Samochodów. "Naukowcy z marynarki wojennej projektu Rotating Detonation-Wave Engines mogą zapewnić 10-procentowy wzrost mocy, 25-procentową redukcję spalania paliwa przez turbiny gazowe." 2 listopada 2012. (13 lutego 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. - Eidelman, Shmuel. 2013. (17 lutego 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Fizyka dzisiaj. „US Navy opracowuje obrotowy silnik detonacyjny”. 6 listopada 2012. (13 lutego 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Szybko, Darren. „Marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych bada zastosowanie oszczędzających paliwo obrotowych silników detonacyjnych”. Gizmag.com. 4 listopada 2012. (13 lutego 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• US Naval Research Laboratory. „Naukowcy marynarki wojennej oczekują, że obracające się silniki detonacyjne zasilą przyszłość”. 2 listopada 2012. (13 lutego 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -przyszłość