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? 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?
Emise a Regulace
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. Letecký průmysl se v posledních letech dostal pod palbu kritiků kvůli neúměrnému množství uhlíkových emisí, které vytváří.
Krátkodobý Výhled: Postupné Zlepšení
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. 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. 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.
Technologické Překážky a Možná Řešení
„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). 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.
Alternativní Technologie Pohonu
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. Ale pokud by se to podařilo, přínos pro životní prostředí by byl značný.
Čtěte také: Znečištění ovzduší způsobené spalovacími motory
Takové technologie by sice byly velkým skokem vpřed, ale pořád se jedná o varianty dnešních proudových motorů. „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. Možná není nutné stávající motor nahrazovat.
Biopaliva jako Součást Řešení
„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. Letectví patří k velmi konzervativním oborům. Velký důraz je kladen na dlouhodobou spolehlivost používaných zařízení a vyžaduje se pečlivé ověřování nově zaváděných technologií.
Prediktivní Metody a Modernizace Systémů
Výjimkou nebylo ani zavádění prediktivních metod, tj. plánování oprav podle skutečného stavu stroje. Zatímco v průmyslu se objevily nové trendy už v průběhu osmdesátých let minulého století, pro oblast letecké techniky byla ještě dlouho základní metodou údržba podle časového plánu. Ta má však dvě základní nevýhody - není příliš ekonomická (vyměňují se i díly objektivně dosud neopotřebené) a není úplně bezpečná (neumožňuje reagovat na dynamické příčiny poruch rychle se rozvíjejících v čase).
Výrobci letadel reagovali postupným doplňováním časového plánu měřicími metodami ověřujícími skutečný stav pevných částí stroje, jako je např. zjišťování poruch a deformací pevnostních dílů draku. Opotřebení pohonné jednotky je však poněkud odlišné. Daleko častěji zde působí jevy, které nelze statisticky předpokládat, např. vlivy materiálové změny při přetížení, krátkodobé překročení výkonových parametrů, nečekané rázy při přistávání, abraze motorových částí poletujícím pískem nebo i takové zdánlivě okrajové jevy jako střetnutí s letícím ptákem.
Také mezi výrobci motorů se rozpoutal tvrdý konkurenční boj - počet letových hodin mezi dvěma generálními opravami se stal klíčovým kvalitativním parametrem a mnozí výrobci začali nabízet jeho zvýšení při podmínce současné aplikace trvalé kontroly stavu motoru měřením. Cílem měření vibrací je sledování změny technického stavu stroje - neočekávaných či neobvyklých stavů, které mohou s určitou pravděpodobností nastat. Prostor pro modernizaci spočívá ve využití vyšších složek spektra mechanického kmitání. Patří sem především akustická emise (AE), poskytující specifické informace o stavech opotřebení valivých ploch ložisek a rotujících částí převodovky nebo o jejich nedostatečném či nesprávném mazání.
Čtěte také: Vývoj dvoutaktních motorů
Páteří měřicích a kontrolních systémů letounu jsou tak často zařízení konstrukčně vyvinutá v době jeho vývoje, a to může být před třiceti a více lety. Technicky i morálně zastaralé systémy kontroly a diagnostiky přinášejí zásadní omezení v možnosti aplikace prediktivních metod. Modernizace systémů měření a diagnostiky nalézáme od konce osmdesátých let, také u výrobců a provozovatelů vrtulníků.
Dva základní směry jsou označovány jako: a) HUMS - Health and usage monitoring systém je zaměřený především na zpracování aktuálních informací o stavu stroje on-line už během letu a následně v předletové přípravě. b) VMEP - Vibration Management Enhancement Program je určen především jako podpora armádních opravárenských služeb. Rozhodující složkou systému je totiž báze znalostí, tj. propojení mezi modely a metodami vyhodnocování a zkušenostmi z opravářské a provozní praxe.
V roce 2010 zahájila akciová společnost AURA ve spolupráci s LOM Praha s. p. a Ústavem termomechaniky AV vývoj zařízení a metodik určených pro pohonnou jednotku vrtulníků řady Mi. Jde o program s aplikačním výstupem omezující se na měření vibrací a akustické emise motoru a převodovky. Projekt je ve fázi letového ověřování prototypu a již v roce 2013 by se nová zařízení měla aktivně využívat.
Vodík jako Palivo Budoucnosti
Firma Rolls Royce a její partner v testovacím programu easyJet, se snaží prokázat, že vodík může bezpečně a efektivně dodávat energii pro civilní letecké motory. Společnost Rolls a její partner v testovacím programu easyJet, se snaží prokázat, že vodík může bezpečně a efektivně dodávat energii pro civilní letecké motory. Nasazení tohoto pohonu je však stále v relativně daleké budoucnosti. Zatím bylo „pouze” experimentálně prokázáno, že proudový motor na vodík lze nastartovat a provozovat při nízkých otáčkách.
Pro reálné nasazení vodíkového pohonu je třeba vyřešit mnoho technických výzev. Jednou z nich je například problém, že vodík v kapalné podobě zabírá zhruba 4x více místa, než odpovídající množství kerosinu a musí být podchlazen na -253 stupňů Celsia, aby byl použitelný. „Z pohledu letadla je to velká změna,“ říká Alan Newby ze společnosti Rolls-Royce. „Budou muset mít nádrž s vodíkem. Musíte ho udržovat při velmi, velmi nízké teplotě. Rolls-Royce v rámci vývoje uzavřel partnerství s leteckou firmou EasyJet. Jde o první proudový motor na vodíkový pohon na světě a v testu byl použit tzv. „zelený vodík“. Ten je vytvořený elektrolýzou a elektřinou čistě z obnovitelných zdrojů.
Čtěte také: Jak opravit cukání motoru u Octavie 2?
Společnost easyJet se udržitelností letecké dopravy zaobírá dlouhodobě. Na svém webu uvádí následující vizi: Společně se společností Rolls-Royce jsme průkopníky ve vývoji technologie vodíkových spalovacích motorů, které by v budoucnu mohly pohánět i letadla velikosti easyJet. Vodík má nulové emise oxidu uhličitého a potenciál výrazně snížit i jiné než CO2 dopady letecké dopravy. Rolls Royce není jen výrobce luxusních automobilů, ale několik desetiletí se věnuje i výrobě proudových motorů pro komerční letectví. A jelikož i tato značka si je vědoma, že existuje něco jako vodík a elektřina, začal se Rolls-Royce zaměřovat na vývoj prvního proudového motoru na vodíkový pohon. Ten nese označení AE 2100-A a před pár dny byl dokončen jeho první prototyp.
I když vodík stále nedosahuje energetické hustoty leteckého petroleje, má mnohem větší výkon než baterie a při spalování neprodukuje žádné emise. Aby jej ovšem mohla letadla využívat, je nutné přepracovat celý jejich systém pohonu. Na vývoji vodíkového proudového motoru proto v současnosti pracuje hned několik společností. Technických výzev je však mnohem více. Ač je energetická hustota kapalného vodíku výrazně lepší než u baterií, letadlo ho na překonání stejné vzdálenosti potřebuje oproti běžnému leteckému palivu téměř čtyřikrát tolik. Kapalný vodík musí být navíc ochlazen na −253 stupňů Celsia a udržován pod tlakem. Navzdory uvedeným překážkám je vedení easyJetu přesvědčeno, že právě toto palivo představuje pro dekarbonizaci letectví nejrealističtější možnost ze všech dostupných.
Inovace a Nové Materiály
Rolls Royce a další výrobci, jako je Airbus, General Electric a CFM International, se proto začali věnovat hledání nových zdrojů paliva, kterými lze nahradit v současnosti používané palivo a snížit emise. Firma General Electric vyvíjí kompozitní lopatky pro novou generaci proudových motorů GE9X. Místo titanu nebo jiných kovových slitin testuje kompozitní materiály. Motor GE9X je tak navrhován s menším počtem kompozitních lopatek o menší tloušťce. „Vývoj kompozitních materiálů z uhlíkových vláken za posledních deset let pokročil. Pokrok nám umožňuje navrhovat tenčí lopatky, které jsou stejně pevné, jako naše současné kompozitní lopatky dmychadla,“ říká Tod David, hlavní konstruktér kompozitních lopatek pro motor GE9X.
Například současný Boeing 777-300ER při standardním obsazení (365 cestujících) spotřebuje při letu dlouhém 3000 námořních mil (New York - Londýn) 121,2 kg paliva na každé sedadlo. Pro celý let New York - Londýn si tak letoun řekne o 44,5 tun paliva. Úspora 5 % u motorů GE9X nezní na první poslech nijak ohromně. Při přibližné ceně dolar za 1 kg leteckého paliva (nyní 2,82 dolarů/galon), ušetří Boeing-777X na trase New York - Londýn okolo 2250 dolarů (48 350 Kč). Bonusem jsou dále nižší náklady za logistiku (čerpání a doprava paliva) a také nižší emise škodlivých látek do ovzduší.
Princip Fungování Proudového Motoru
Proudový motor je na první pohled velmi jednoduchý mechanický stroj. Na centrální hřídeli jsou usazeny lopatky stlačující vzduch do spalovací komory, kde je vstřikováno palivo. Spaliny vycházející z motoru pak působí silou opačným směrem na motor, který tím ženou vpřed. Ve skutečnosti však stojí za konstrukci proudových motorů nesmírně komplikované matematické výpočty. Lopatky proudových motorů musí odolávat obrovským tlakům, teplotám a korozivním plynům. Návrh, výroba a testy lopatek nejsou rozhodně snadnou záležitostí. Lopatky se například vyrábějí z drahého titanu, jehož strojní opracování je však nesmírně náročné.
První proudový motor, neboli turbojet, zkonstruovali Němci v roce 1939. Stlačený vzduch vstupuje do spalovací komory, kde se smísí s parafínem a zapálí. Když plyny opouštějí kompresor, pohánějí turbínu umístěnou na stejné ose jako kompresor. Třetí Newtonův zákon je základem fungování proudových motorů. Když letadlo při vysoké rychlosti vyvrhuje plyny dozadu, působí na ně reakční síla (tah), která pohání letadlo vpřed. Vzduch v reakci na to působí opačnou silou směrem vzhůru, tzv.
Ve 30. letech 20. století oživily zájem o tryskový pohon práce Rumuna Henriho Coanda a Francouze Maxima Guillauma. V roce 1937 Whittle navrhl inovativní proudový motor: místo pístového motoru, který stlačuje vzduch, instaloval za ním turbínu, která využívá energii výfukových plynů k pohonu kompresoru. Téměř současně vyvinul Němec Hans von Ohain podobný motor pro společnost Heinkel. V roce 1939 se Heinkel He-178 stal prvním proudovým letadlem na světě.
Druhá světová válka urychlila technologický pokrok. Německo a Velká Británie se předháněly ve výkonech, zatímco Spojené státy a SSSR je po roce 1945 rychle doháněly. V 50. letech 20. 1. Odstředivé kompresorové proudové motory: Odstředivé kompresorové proudové motory jsou jednoduché na výrobu a robustní. Vyžadují však motor o velkém průměru, což snižuje konečnou rychlost letadla. Axiální kompresorové proudové motory: Jsou výkonnější díky řadě vrtulí, které stlačují vzduch. Vyžadují však pokročilejší materiály. 2. V turboventilátorovém motoru je před kompresorem umístěn ventilátor. Primární proudění: Primární proudění prochází do spalovací komory, jedná se tedy o proudění horkého vzduchu. Na výstupu se studený vzduch mísí s horkým vzduchem, což vede k ochlazování. 3. Výhody: Jejich tah je vyšší, protože palivo je znovu vstřikováno do spalovací komory, což je proces známý jako přídavné spalování. Nevýhody: Vyžadují počáteční rychlost a časem se špatně vyrovnávají s extrémními teplotami. 4. Turbovrtulové motory zvyšují tah tím, že vyvrhují co největší množství plynu. Turbovrtulové letouny představují nejekonomičtější řešení pro lety na krátké vzdálenosti. 5. Turbovrtulové motory byly navrženy pro vrtulníky.
PBS Velká Bíteš
PBS Velká Bíteš (PBS) je česká strojírenská společnost, jejíž historie se začala psát už před 200 lety. Svým zákazníkům z oblasti leteckého průmyslu z celého světa dodala přes 14 000 kusů zařízení a řadí se tak k uznávaným výrobcům leteckých proudových motorů. Prvotřídní kvalitu a spolehlivost výrobků odráží i skutečnost, že proudové motory PBS byly instalovány ve více než 1 300 aplikacích. Jedinou možností, jak uspět na trhu mezi širokou konkurencí, je prověřená kvalita produktů a také dlouhodobý a kontinuální vývoj nových technologií.
PBS TJ100P je bezolejovou verzí nejúspěšnějšího a celosvětově uznávaného proudového motoru z dílny společnosti - PBS TJ100. Oproti své původní verzi je výhodou motoru PBS TJ100P také jeho menší hmotnost. S tím se pojí i nižší pořizovací náklady, což jistě potěší hlavně zákazníky. Motor PBS TJ100P dále umožňuje integraci až dvou externích měničů s výstupním elektrickým výkonem až 2.3kW, což znamená, že motor vyhovuje požadavkům moderních UAV systémů, které mají vysoké požadavky na dodávky elektrické energie. Další novinkou od PBS je proudový motor PBS TJG40-G1NS speciálně vyvinutý pro UAV a létající terče.
Společnost PBS je dále hrdá i na to, že je součástí projektu Hermeus Corporation, který představuje nadzvukové letadlo pro urychlení globální sítě pro přepravu lidí. Do roku 2050 proto plánuje Evropská komise učinit Evropu prvním světovým klimaticky neutrálním kontinentem. Snižování emisí tak bude vyžadovat rozsáhlé inovace, čímž vznikají nové příležitosti pro nefosilní paliva a hybridní letouny.
Rolls-Royce UltraFan
Rolls-Royce dokončil výrobu největšího proudového motoru na světě. Nová pohonná jednotka UltraFan má průměr vstupní části 3,56 metru. Při vývoji byly použity nové materiály, technologie a nové postupy. Na konci prosince oznámil Rolls-Royce dokončení kompletace nového turbodmychadlového motoru. UltraFan s sebou přináší několik novinek. Oproti jiným motorům nabízí především sníženou spotřebu paliva, nižší hlučnost a o 40 % nižší emise oxidů dusíku. Spotřeba paliva je v porovnání s motory řady Trent nižší o čtvrtinu. Pro dopravce bude také zajímavé výrazné snížení provozních nákladů a větší dolet. Motor se bude vyrábět robotizovaným procesem založeným na 3D tisku. Tato technologie zjednoduší výrobu lopatek, které mají složitý aerodynamický tvar a jejichž náběžná hrana je z titanu a zbytek tvoří uhlíkový kompozit.
Oblíbené příspěvky:
Kontakt
Zelaná Hrebová, z.s.
[email protected]
IČ: 06244655
Paskovská 664/33
Ostrava-Hrabová
72000
Bc. Jana Veclavaková, DiS.
tel. 774 454 466
[email protected]
Jaena Batelk, MBA
tel. 733 595 725
[email protected]