Americké námořnictvo plánuje v budoucnu modernizovat elektrárny s plynovými turbínami, které jsou v současné době instalovány na jejích letadlech a lodích, a nahradit konvenční motory Brightonova cyklu detonačními rotačními motory. Díky tomu se očekává úspora paliva zhruba 400 milionů dolarů ročně. Sériové využívání nových technologií je však podle odborníků možné nejdříve za deset let.
Vývoj rotačních nebo spřádacích rotačních motorů v Americe provádí výzkumná laboratoř amerického námořnictva. Podle prvních odhadů budou nové motory výkonnější a také zhruba o čtvrtinu úspornější než konvenční motory. Základní principy provozu elektrárny přitom zůstanou stejné - plyny z vyhořelého paliva se dostanou do plynové turbíny a budou se jí otáčet lopatky. Podle laboratoře amerického námořnictva budou i v relativně vzdálené budoucnosti, kdy bude celá americká flotila poháněna elektřinou, stále zodpovědné za výrobu energie, do určité míry modifikované, plynové turbíny.
Připomeňme si, že vynález pulzujícího proudového motoru pochází z konce devatenáctého století. Vynálezcem byl švédský inženýr Martin Wiberg. Nové elektrárny se rozšířily během druhé světové války, přestože byly svými technickými vlastnostmi výrazně horší než letecké motory, které v té době existovaly.
Je třeba poznamenat, že v tomto okamžiku má americká flotila 129 lodí, které používají 430 motorů s plynovou turbínou. Každý rok se náklady na jejich zásobování palivem pohybují kolem 2 miliard dolarů. V budoucnosti, kdy budou moderní motory nahrazeny novými, se výše nákladů na palivo změní.
Aktuálně používané spalovací motory pracují v Brightonově cyklu. Pokud definujete podstatu tohoto konceptu několika slovy, pak to všechno přijde na postupné míchání oxidačního činidla a paliva, další stlačení výsledné směsi, pak - žhářství a spalování s expanzí produktů spalování. Toto rozšíření se používá pouze k pohonu, pohybu pístů, otáčení turbíny, tj. Provádění mechanických činností zajišťujících konstantní tlak. Proces spalování palivové směsi se pohybuje podzvukovou rychlostí - tento proces se nazývá dufflagration.
Pokud jde o nové motory, vědci v nich hodlají použít výbušné spalování, tedy detonaci, při které dochází ke spalování nadzvukovou rychlostí. A přestože v současné době není fenomén detonace dosud plně studován, je známo, že u tohoto druhu spalování vzniká rázová vlna, která se šíří směsí paliva a vzduchu, způsobuje chemickou reakci, jejímž výsledkem je uvolnění poměrně velkého množství tepelné energie. Když rázová vlna prochází směsí, zahřívá se, což vede k detonaci.
Při vývoji nového motoru se plánuje použít určitý vývoj, který byl získán v procesu vývoje detonačního pulzujícího motoru. Princip jeho fungování spočívá v tom, že předem stlačená palivová směs je přivedena do spalovací komory, kde je zapálena a detonována. Produkty spalování expandují v trysce a provádějí mechanické činnosti. Poté se celý cyklus opakuje od začátku. Nevýhodou pulzujících motorů je však to, že rychlost opakování cyklů je příliš nízká. V případě zvýšení počtu pulzací se navíc samotná konstrukce těchto motorů stává složitější. Je to dáno potřebou synchronizovat činnost ventilů, které jsou zodpovědné za zásobování palivovou směsí, a také přímo samotnými detonačními cykly. Pulzující motory jsou také velmi hlučné, k provozu vyžadují velké množství paliva a práce je možná pouze s konstantním odměřovaným vstřikováním paliva.
Pokud porovnáme detonační rotační motory s pulzujícími, pak je princip jejich fungování mírně odlišný. Nové motory tedy zejména zajišťují konstantní kontinuální detonaci paliva ve spalovací komoře. Tento jev se nazývá rotace nebo rotační detonace. Poprvé byl popsán v roce 1956 sovětským vědcem Bogdanem Voitsekhovským. A tento jev byl objeven mnohem dříve, v roce 1926. Průkopníky byli Britové, kteří si všimli, že v určitých systémech se místo ploché detonační vlny objevila jasně zářící „hlava“, která se pohybovala ve spirále.
Voitsekhovsky pomocí fotografického záznamníku, který sám navrhl, fotografoval přední stranu vlny, která se pohybovala v prstencové spalovací komoře v palivové směsi. Spin detonace se liší od rovinné detonace v tom, že v ní vzniká jediná rázová příčná vlna, následovaná zahřátým plynem, který nereagoval, a již za touto vrstvou je zóna chemické reakce. A právě taková vlna brání spalování samotné komory, kterou Marlene Topchiyan nazvala „zploštělou koblihou“.
Je třeba poznamenat, že detonační motory již byly použity v minulosti. Zejména mluvíme o pulzujícím vzduchovém proudovém motoru, který Němci používali na konci druhé světové války na řízených střelách V-1. Jeho výroba byla celkem jednoduchá, jeho použití bylo dost snadné, ale zároveň tento motor nebyl příliš spolehlivý pro řešení důležitých problémů.
Dále v roce 2008 vzlétl do vzduchu experimentální letoun Rutang Long-EZ, vybavený pulzujícím detonačním motorem. Let trval jen deset sekund ve výšce třiceti metrů. Během této doby vyvinula elektrárna tah řádově 890 Newtonů.
Experimentálním prototypem motoru, který představila americká laboratoř amerického námořnictva, je prstencová spalovací komora ve tvaru kužele o průměru 14 centimetrů na straně přívodu paliva a 16 centimetrů na straně trysek. Vzdálenost mezi stěnami komory je 1 centimetr, zatímco „trubice“je 17,7 centimetrů dlouhá.
Jako palivová směs se používá směs vzduchu a vodíku, která je dodávána pod tlakem 10 atmosfér do spalovací komory. Teplota směsi je 27,9 stupňů. Tato směs je považována za nejvhodnější pro studium fenoménu spinové detonace. Podle vědců však v nových motorech bude možné použít palivovou směs sestávající nejen z vodíku, ale také z jiných hořlavých složek a vzduchu.
Experimentální studie rotačního motoru ukázaly jeho větší účinnost a výkon ve srovnání se spalovacími motory. Další výhodou je výrazná úspora paliva. Během experimentu bylo zároveň odhaleno, že spalování palivové směsi v rotačním „testovacím“motoru není rovnoměrné, proto je nutné optimalizovat konstrukci motoru.
Produkty spalování, které expandují v trysce, lze pomocí kužele shromáždit v jednom plynovém paprsku (jedná se o takzvaný Coandův efekt), a poté lze tento paprsek poslat do turbíny. Turbína se bude pod vlivem těchto plynů otáčet. Část práce turbíny tedy může být použita k pohonu lodí a částečně k výrobě energie, která je nezbytná pro vybavení lodí a různé systémy.
Samotné motory lze vyrábět bez pohyblivých částí, což výrazně zjednoduší jejich konstrukci, což zase sníží náklady na elektrárnu jako celek. Ale to je jen v perspektivě. Před spuštěním nových motorů do sériové výroby je nutné vyřešit mnoho obtížných problémů, jedním z nich je výběr trvanlivých tepelně odolných materiálů.
Všimněte si, že v tuto chvíli jsou rotační detonační motory považovány za jeden z nejslibnějších motorů. Vyvíjejí je také vědci z University of Texas v Arlingtonu. Elektrárna, kterou vytvořili, se nazývala „motor pro nepřetržitou detonaci“. Na stejné univerzitě probíhá výzkum výběru různých průměrů prstencových komor a různých palivových směsí, které v různých poměrech obsahují vodík a vzduch nebo kyslík.
Vývoj v tomto směru probíhá i v Rusku. V roce 2011 tedy podle generálního ředitele výzkumného a výrobního sdružení Saturn I. Fedorova vyvíjejí vědci z Vědeckotechnického centra Lyulka pulzující vzduchový proudový motor. Práce probíhají souběžně s vývojem slibného motoru s názvem „Produkt 129“pro T-50. Fedorov navíc také řekl, že asociace provádí výzkum na vytvoření slibných letadel další etapy, které mají být bezpilotní.
Hlava zároveň nespecifikovala, o jaký pulzující motor jde. V současné době jsou známy tři typy takových motorů - bezventilové, ventilové a detonační. Obecně se uznává, že pulzující motory jsou nejjednodušší a nejlevnější na výrobu.
Dnes několik velkých obranných firem provádí výzkum vysoce výkonných pulzujících proudových motorů. Mezi tyto firmy patří americká společnost Pratt & Whitney a General Electric a francouzská SNECMA.
Lze tedy vyvodit určité závěry: vytvoření nového slibného motoru má určité potíže. Hlavní problém v tuto chvíli je teoreticky: co přesně se stane, když se detonační rázová vlna pohybuje v kruhu, je známo pouze obecně, což značně komplikuje proces optimalizace návrhů. Proto je nová technologie, přestože je velmi atraktivní, v měřítku průmyslové výroby stěží proveditelná.
Pokud se však vědcům podaří vyřešit teoretické problémy, bude možné hovořit o skutečném průlomu. Turbíny se koneckonců používají nejen v dopravě, ale také v energetice, ve které může mít zvýšení účinnosti ještě silnější účinek.
