نیروی دریایی ایالات متحده قصد دارد نیروگاه های توربین گازی را که در حال حاضر در هواپیماها و کشتی های آن نصب شده است ارتقا دهد و موتورهای دوار انفجاری را جایگزین موتورهای معمولی چرخه برایتون کند. با توجه به این امر ، پیش بینی می شود سالانه حدود 400 میلیون دلار صرفه جویی در سوخت انجام شود. با این حال ، به گفته کارشناسان ، استفاده سریالی از فناوری های جدید نه زودتر از یک دهه امکان پذیر است.
توسعه موتورهای دوار دوار یا چرخان در آمریکا توسط آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده انجام می شود. طبق برآوردهای اولیه ، موتورهای جدید قدرتمندتر و همچنین حدود یک چهارم مقرون به صرفه تر از موتورهای معمولی خواهند بود. در همان زمان ، اصول اساسی کار نیروگاه ثابت می ماند - گازهای سوخت سوخته وارد توربین گاز شده و تیغه های آن را می چرخاند. بر اساس آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده ، حتی در آینده ای نسبتاً دور ، هنگامی که کل ناوگان آمریکایی از برق تغذیه می کند ، توربین های گازی همچنان مسئول تولید نیرو هستند که تا حدی تغییر یافته است.
به یاد بیاورید که اختراع موتور جت تپنده به اواخر قرن نوزدهم برمی گردد. مخترع مهندس سوئدی مارتین وایبرگ بود. نیروگاههای جدید در طول جنگ جهانی دوم گسترده شدند ، اگرچه آنها از نظر فنی از موتورهای هواپیماهای موجود در آن زمان بسیار پایین تر بودند.
لازم به ذکر است که در این مقطع زمانی ناوگان آمریکایی دارای 129 کشتی است که از 430 موتور توربین گازی استفاده می کنند. هر سال ، هزینه تامین سوخت آنها حدود 2 میلیارد دلار است. در آینده ، هنگامی که موتورهای مدرن با موتورهای جدید جایگزین می شوند ، میزان هزینه سوخت تغییر می کند.
موتورهای احتراق داخلی که در حال حاضر استفاده می شوند بر روی چرخه برایتون کار می کنند. اگر جوهر این مفهوم را در چند کلمه تعریف کنید ، همه چیز به مخلوط شدن پی در پی اکسید کننده و سوخت ، فشرده سازی بیشتر مخلوط حاصل می رسد ، سپس - آتش سوزی و احتراق با گسترش محصولات احتراق. این انبساط فقط برای رانندگی ، حرکت پیستون ها ، چرخاندن توربین ، یعنی انجام اقدامات مکانیکی ، ایجاد فشار ثابت استفاده می شود. فرایند احتراق مخلوط سوخت با سرعت زیر صوت حرکت می کند - این فرایند دافلاگراسیون نامیده می شود.
در مورد موتورهای جدید ، دانشمندان قصد دارند از احتراق انفجاری در آنها استفاده کنند ، یعنی انفجار ، که در آن احتراق با سرعت مافوق صوت اتفاق می افتد. و اگرچه در حال حاضر پدیده انفجار هنوز به طور کامل مطالعه نشده است ، مشخص است که با این نوع احتراق ، یک موج ضربه ای ایجاد می شود ، که از طریق مخلوطی از سوخت و هوا منتشر می شود ، باعث ایجاد واکنش شیمیایی می شود که نتیجه آن انتشار مقدار نسبتاً زیادی انرژی حرارتی هنگامی که موج ضربه از مخلوط عبور می کند ، گرم می شود ، که منجر به انفجار می شود.
در توسعه یک موتور جدید ، برنامه ریزی شده است تا از پیشرفتهای خاصی که در روند توسعه یک موتور تپنده انفجار به دست آمده استفاده شود.اصل عملکرد آن این است که مخلوط سوخت از پیش فشرده شده وارد محفظه احتراق شده و در آنجا مشتعل و منفجر می شود. محصولات احتراق در نازل گسترش می یابند و اقدامات مکانیکی را انجام می دهند. سپس کل چرخه از ابتدا تکرار می شود. اما عیب موتورهای تپنده این است که سرعت تکرار چرخه ها بسیار کم است. علاوه بر این ، طراحی این موتورها در صورت افزایش تعداد ضربان ها پیچیده تر می شود. این به دلیل نیاز به همگام سازی عملکرد دریچه ها است که وظیفه تأمین مخلوط سوخت را بر عهده دارند و همچنین به طور مستقیم توسط خود چرخه های انفجار. موتورهای تپنده نیز بسیار پر سر و صدا هستند ، برای کار به مقدار زیادی سوخت احتیاج دارند و کار فقط با تزریق مداوم اندازه گیری سوخت امکان پذیر است.
اگر موتورهای دوار انفجاری را با موتورهای تپنده مقایسه کنیم ، اصل عملکرد آنها کمی متفاوت است. بنابراین ، به طور خاص ، موتورهای جدید یک انفجار مداوم سوخت در محفظه احتراق را فراهم می کنند. این پدیده اسپین یا انفجار چرخشی نامیده می شود. اولین بار در سال 1956 توسط دانشمند شوروی بوگدان وویتسکوفسکی توصیف شد. و این پدیده خیلی زودتر ، در سال 1926 کشف شد. پیشگامان انگلیسی بودند که متوجه شدند در سیستم های خاصی "سر" درخشان درخشانی ظاهر می شود که به جای موج انفجار مسطح به صورت مارپیچ حرکت می کند.
Voitsekhovsky ، با استفاده از دستگاه ضبط عکس که خود طراحی کرده بود ، از جلوی موج که در محفظه احتراق حلقوی در مخلوط سوخت حرکت می کرد ، عکس گرفت. انفجار اسپین با انفجار هواپیما متفاوت است زیرا یک موج عرضی تک شوکی در آن بوجود می آید ، به دنبال آن یک گاز گرم شده که واکنش نشان نداده است ، و در حال حاضر پشت این لایه یک منطقه واکنش شیمیایی وجود دارد. و دقیقاً چنین موجی است که مانع احتراق خود محفظه می شود ، که مارلن توپچیان آن را "پیراشکی پهن" نامید.
لازم به ذکر است که در گذشته از موتورهای انفجار استفاده می شده است. به طور خاص ، ما در مورد موتور تپنده هوا-جت صحبت می کنیم ، که توسط آلمان ها در پایان جنگ جهانی دوم در موشک های کروز V-1 استفاده شد. تولید آن بسیار ساده بود ، استفاده از آن به اندازه کافی آسان بود ، اما در عین حال این موتور برای حل مشکلات مهم چندان قابل اعتماد نبود.
علاوه بر این ، در سال 2008 ، هواپیمای آزمایشی Rutang Long-EZ ، مجهز به موتور انفجار تپنده ، به هوا رفت. این پرواز تنها ده ثانیه در ارتفاع سی متری به طول انجامید. در این مدت ، نیروگاه نیرویی برابر با 890 نیوتون تولید کرد.
نمونه آزمایشی موتور ، ارائه شده توسط آزمایشگاه آمریکایی نیروی دریایی ایالات متحده ، یک محفظه احتراق مخروطی شکل حلقوی است که قطر آن در طرف منبع سوخت 14 سانتی متر و در سمت نازل 16 سانتی متر است. فاصله بین دیوارهای اتاق 1 سانتی متر است ، در حالی که "لوله" 17.7 سانتی متر طول دارد.
مخلوطی از هوا و هیدروژن به عنوان مخلوط سوخت استفاده می شود که با فشار 10 اتمسفر به محفظه احتراق عرضه می شود. دمای مخلوط 27.9 درجه است. توجه داشته باشید که این مخلوط برای مطالعه پدیده انفجار اسپین مناسب ترین است. اما ، به گفته دانشمندان ، در موتورهای جدید امکان استفاده از مخلوط سوخت نه تنها از هیدروژن بلکه از سایر اجزای قابل احتراق و هوا نیز وجود دارد.
مطالعات تجربی یک موتور دوار ، کارایی و قدرت بیشتر آن را در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی نشان داده است. مزیت دیگر مصرف سوخت قابل توجه است. در همان زمان ، در طول آزمایش مشخص شد که احتراق مخلوط سوخت در موتور "آزمایش" دوار غیر یکنواخت است ، بنابراین لازم است طراحی موتور بهینه شود.
محصولات احتراق که در نازل گسترش می یابند را می توان در یک جت گاز با استفاده از مخروط جمع آوری کرد (این به اصطلاح اثر کوآندا نامیده می شود) ، و سپس این جت را می توان به توربین ارسال کرد. توربین تحت تأثیر این گازها می چرخد. بنابراین ، بخشی از کار توربین را می توان برای حرکت کشتی ها و بخشی نیز برای تولید انرژی ، که برای تجهیزات کشتی و سیستم های مختلف ضروری است ، استفاده کرد.
موتورهای خود را می توان بدون قطعات متحرک تولید کرد ، که طراحی آنها را بسیار ساده می کند ، که به نوبه خود هزینه کل نیروگاه را کاهش می دهد. اما این فقط در چشم انداز است. قبل از راه اندازی موتورهای جدید به تولید سری ، بسیاری از مشکلات دشوار را باید حل کرد ، یکی از آنها انتخاب مواد مقاوم در برابر حرارت است.
توجه داشته باشید که در حال حاضر موتورهای انفجار دوار یکی از امیدوار کننده ترین موتورها محسوب می شوند. آنها همچنین توسط دانشمندان دانشگاه تگزاس در آرلینگتون در حال توسعه هستند. نیروگاهی که آنها ایجاد کردند "موتور انفجار مداوم" نامیده می شد. در همان دانشگاه ، تحقیقات در مورد انتخاب قطرهای مختلف محفظه های حلقوی و مخلوط های مختلف سوخت ، که شامل هیدروژن و هوا یا اکسیژن در نسبت های مختلف است ، انجام می شود.
توسعه در این جهت در روسیه نیز در حال انجام است. بنابراین ، به گفته مدیر عامل انجمن تحقیق و تولید زحل I. Fedorov ، در سال 2011 ، دانشمندان مرکز علمی و فنی لیولکا در حال توسعه یک موتور جت هوایی تپنده هستند. این کار به موازات توسعه یک موتور امیدوار کننده به نام "محصول 129" برای T-50 در حال انجام است. علاوه بر این ، فدوروف همچنین گفت که این انجمن در حال تحقیق در مورد ایجاد هواپیماهای امیدوار کننده مرحله بعدی است که قرار است بدون سرنشین انجام شود.
در عین حال ، رئیس مشخص نکرد که در مورد چه نوع موتور تپنده ای صحبت می شود. در حال حاضر ، سه نوع از چنین موتورهایی شناخته شده است - بدون سوپاپ ، سوپاپ و انفجار. در عین حال ، به طور کلی پذیرفته شده است که موتورهای تپنده ساده ترین و ارزان ترین ساخت هستند.
امروزه چندین شرکت بزرگ دفاعی در حال تحقیق روی موتورهای جت تپنده ای با عملکرد بالا هستند. از جمله این شرکت ها می توان به Pratt & Whitney آمریکایی و General Electric و SNECMA فرانسوی اشاره کرد.
بنابراین ، نتیجه گیری های خاصی می توان انجام داد: ایجاد یک موتور امیدوار کننده جدید دارای مشکلات خاصی است. مشکل اصلی در حال حاضر از نظر تئوری است: اینکه دقیقاً چه اتفاقی می افتد که موج ضربه ای انفجار در یک دایره حرکت می کند ، فقط به طور کلی شناخته می شود و این امر بهینه سازی طرح ها را بسیار پیچیده می کند. بنابراین ، فناوری جدید ، گرچه بسیار جذاب است ، اما در مقیاس تولید صنعتی به سختی امکان پذیر است.
با این حال ، اگر محققان بتوانند مسائل نظری را مرتب کنند ، می توان در مورد یک پیشرفت واقعی صحبت کرد. به هر حال ، توربین ها نه تنها در حمل و نقل ، بلکه در بخش انرژی نیز مورد استفاده قرار می گیرند ، که در آن افزایش بهره وری می تواند تأثیر حتی قوی تری داشته باشد.
