Δημήτριος-Περικλής Γιαννούλης
Δρ Πανεπιστημίου Πατρών, Μηχανικός ΣΜΑ
Οι κινητήρες τζετ έχουν παραμείνει σχετικά όμοιοι, ως προς τις βασικές αρχές λειτουργίας τους, εδώ και δεκαετίες: αναρρόφηση αέρα, συμπίεση, καύση, εκτόνωση (Εικόνα 1). Ειδικά τα τρία τελευταία στάδια, συνθέτουν αυτό που ονομάζεται πυρήνας του κινητήρα και αποτελεί το τμήμα το οποίο συνδέεται με την παραγωγή ισχύος. Στις μέρες μας έχουν κυριαρχήσει οι turbofan κινητήρες. Πρόκειται για μηχανολογικές κατασκευές υψίστης ακριβείας, παρόλα αυτά όμως, υπάρχουν περισσότερα που μπορούν να γίνουν για να καταστούν ακόμα πιο αποδοτικοί.
Τα τελευταία χρόνια, κυριαρχεί μια διαφορετική φιλοσοφία ως προς τη σχεδίαση των κινητήρων αυτών, ειδικά σε ό,τι αφορά το μέγεθος του πυρήνα. Με τη συρρίκνωση του πυρήνα, αυξάνει αυτό που είναι γνωστό ως λόγος παράκαμψης του κινητήρα, που σημαίνει ότι η κατανάλωση καυσίμου αλλάζει ελάχιστα, με την προσθήκη μεγαλύτερου fan στην είσοδο. Επομένως, ο κινητήρας παράγει περισσότερη ώση για την ίδια περίπου κατανάλωση, και καθίσταται πιο αποδοτικός.
Το ερώτημα, βέβαια, είναι πόσο μικρός ή συμπαγής μπορεί να είναι ο πυρήνας και τα διάφορα εξαρτήματά του, και παράλληλα να βελτιώνεται η απόδοση. Αυτό γιατί, όσο μικρότερα γίνονται τα εξαρτήματα, τόσο πιο δύσκολη γίνεται η βελτίωση της απόδοσης διατηρώντας παράλληλα την ανθεκτικότητά τους. Εάν όλα είναι μικρότερα, για να διατηρηθεί η ισχύς για την κίνηση του fan και των συμπιεστών, οι θερμοκρασίες θα αυξηθούν κατά 200oF ή περισσότερο, ειδικά στο θερμό τμήμα του κινητήρα. Για το λόγο αυτό, αναπτύσσονται τα τελευταία χρόνια καινοτόμα σύνθετα υλικά κεραμικής μήτρας (Ceramic Matrix Composites), υψηλής θερμοκρασίας, σε μια προσπάθεια ενίσχυσης της αντοχής των εξαρτημάτων του θερμού τμήματος των κινητήρων στις αυξημένες θερμοκρασίες λειτουργίας που απαιτούνται.
Στο ανωτέρω πλαίσιο, μια σύμπραξη των GE Aviation, Pratt & Whitney και NASA, φιλοδοξεί να αντιμετωπίσει συγκεκριμένες τεχνικές προκλήσεις, που σχετίζονται με τη μείωση του μεγέθους του πυρήνα του κινητήρα, όπως:
Προηγμένος συμπιεστής υψηλής πίεσης
Ανάπτυξη προηγμένων μεθόδων κατεργασιών για τα μεταλλικά κράματα του περιβλήματος και νέα σχεδίαση με μικρότερων διαστάσεων εξαρτήματα και στενότερα διάκενα, για διατήρηση της λειτουργικότητας και βελτιστοποίηση των επιδόσεων και της απόδοσης.
Προηγμένη αεροδυναμική στροβίλου υψηλής πίεσης
Αποτελεσματικότερη λειτουργία του στροβίλου, με ανάπτυξη προηγμένης σχεδίασης πτερυγίων και μεθόδων ψύξης τους καθώς και βελτιωμένα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά.
Βελτιωμένα υλικά τμήματος καύσης
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών κεραμικής μήτρας (CMC) για χρήση σε θαλάμους καύσης, με στόχο την αύξηση της απόδοσης και της ανθεκτικότητας. Τα CMC βελτιώνουν την απόδοση του κινητήρα, επιδρώντας ευεργετικά σε τρεις τομείς σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μεταλλικά κράματα που βρίσκονται σε χρήση: Αντοχή στη θερμότητα, βάρος και ανθεκτικότητα.
Υλικά στροβίλων υψηλής θερμοκρασίας
Ανάπτυξη CMC και ειδικών επικαλύψεων (Environmental Barrier Coatings) για πτερύγια σταθερών και κινητών βαθμίδων στροβίλων, ώστε να καταστεί εφικτή η αύξηση της θερμοκρασίας και της απόδοσης των στροβίλων.
Την ίδια περίοδο, στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού ένα ευρωπαϊκό project, το Intermediate Compressor Case Duct Aerodynamics (IDA), φιλοδοξεί να επανασχεδιάσει την περιοχή του αγωγού μετάβασης (transition duct). Λόγω του αυξημένου λόγου παράκαμψης και της μείωσης του μεγέθους του πυρήνα, υπάρχει μεγάλη διαφορά στην ακτίνα των αξόνων των τμημάτων του συμπιεστή (low, intermediate, high-pressure compressors), ενώ η απαίτηση σταθερής απόδοσης της περιοχής σε διάφορες συνθήκες πτήσης, καθιστά τον αεροδυναμικό σχεδιασμό ιδιαίτερα περίπλοκο.
Τέλος, και καθώς η σύγχρονη τάση προς την ηλεκτροκίνηση αρχίζει να επηρεάζει τις εξελίξεις και στον τομέα της αεροπλοΐας, αξίζει να σημειωθεί ότι ο βελτιωμένος και συρρικνωμένος πυρήνας των κινητήρων, δύναται να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου κατά 5-10%, οδηγώντας σε παράλληλη μείωση των βλαβερών εκπομπών. Επίσης, θα μπορεί να παρέχει έως τέσσερις φορές περισσότερη ισχύ στα διάφορα υποσυστήματα του αεροπλάνου, όπως ο έλεγχος θερμοκρασίας καμπίνας και τα υδραυλικά, ενώ οι κατασκευαστές μπορεί ακόμη και να αντικαταστήσουν ορισμένα υδραυλικά συστήματα με ηλεκτρικά εξαρτήματα. Η αύξηση της διαθέσιμης ενέργειας είναι εξαιρετικά σημαντική καθώς, όπως αναμένεται, τα μελλοντικά υβριδικά αεροσκάφη θα απαιτούν τεράστια ποσά ισχύος.
Προς το παρόν, το Boeing 787 Dreamliner έχει την υψηλότερη χρήση ισχύος από τον πυρήνα των κινητήρων του για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε ποσοστό περίπου 5% ενώ οι αναπτυσσόμενες τεχνολογίες εξαγωγής ισχύος, υπολογίζεται να αυξήσουν σημαντικά τη χρήση ισχύος του πυρήνα στο 10-20%. Αυτή η αύξηση της εξαγωγής ισχύος θα μπορούσε να δώσει νέα ώθηση σε μελλοντικά υβριδικά-ηλεκτρικά αεροσκάφη, όπου η ισχύς που αντλείται από τους στροβιλοκινητήρες θα χρησιμοποιείται για την κίνηση των πλήρως ηλεκτρικών fan, ώστε να παραχθεί η απαιτούμενη ώση για την πρόωση των αεροσκαφών.
Πηγές:
https://www.nasa.gov/feature/glenn/2021/smaller-is-better-for-jet-engines/
https://technology.nasa.gov/patent/LEW-TOPS-136
https://blog.geaviation.com/technology/42869/
https://www.lboro.ac.uk/departments/aae/research/applied-aerodynamics/ida-project/
