Nowatorskie silniki samolotów zmniejszają wpływ lotnictwa na środowisko
Choć przemysł lotniczy ma kluczowe znaczenie dla europejskiej gospodarki, jest on również znaczącym emitentem gazów cieplarnianych. „Emitujemy po prostu zbyt dużo CO2 do atmosfery”, wyjaśnia koordynator projektu ROTATOR David Powell, pracownik brytyjskiej spółki Magnomatics. „Sektor lotniczy jest tego doskonale świadomy. Obecnie mamy sytuację, w której paliwo lotnicze nie jest opodatkowane i dodatkowo jest zwolnione z opłat za emisję. Wkrótce może to jednak ulec zmianie, co stanowi ważny impuls skłaniający do inwestycji w technologie zmniejszające zużycie paliwa”.
Silniki z otwartym wirnikiem
Najważniejszym wyzwaniem jest wskazanie przystępnych cenowo, bezpiecznych i niezawodnych metod, które skutecznie ograniczą emisje lotnicze. Jednym z rozwiązań, które cieszy się rosnącym zainteresowaniem, jest technologia silników z otwartym wirnikiem. Wyposażone w dwa zestawy łopat i pozbawione osłony otwarte wirniki zostały zaprojektowane w celu skutecznego zwiększenia ciągu, a tym samym zmniejszenia zużycia paliwa i emisji. „Jeśli uda nam się zmniejszyć spalanie paliwa o 20 %, nasze rozwiązanie będzie prawdziwą rewolucją w sektorze”, dodaje Powell. Celem finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu ROTATOR był rozwój technologii poprzez zastąpienie układów hydraulicznych elektromechanicznym magnetycznym systemem sterowania, wpisującym się w dążenie do większej elektryfikacji samolotów. W silnikach z otwartym wirnikiem stała i precyzyjna regulacja kąta nachylenia łopat jest kluczem do maksymalizacji oszczędności paliwa. Dotychczas parametr ten był kontrolowany za pomocą układów hydraulicznych. Takie rozwiązania wymagają jednak stałej konserwacji, która pozwala zapobiec wyciekom płynu hydraulicznego. Często trapią je także inne problemy techniczne.
Układy elektromechaniczne zastępują hydraulikę
W celu udowodnienia wykonalności i zaprezentowania możliwości rozwiązania elektromechanicznego zespół projektu zgromadził wielu ekspertów ze środowisk akademickich i przedstawicieli przemysłu. Celem było opracowanie odpornych na awarie silników z przekładnią magnetyczną, odpornej na wysokie temperatury urządzeń elektronicznych z węglika krzemu, elektromagnetycznych układów przesyłu mocy oraz lekkich podzespołów. „Jednym z największych wyzwań od początku było opracowanie sposobu zapewnienia działania układów elektronicznych w tak trudnych warunkach”, wyjaśnia Powell. „Silnik z otwartym wirnikiem pracuje z prędkością obrotową przekraczającą 1000 obrotów na minutę, a wewnątrz panują wysokie temperatury. Można to porównać do włożenia urządzenia elektronicznego do wirującej i rozgrzanej do czerwoności pralki”. Kolejnym wyzwaniem było opracowanie magnetycznych, mechanicznych i elektronicznych komponentów, których wymiary umożliwiają zastosowanie ich w silniku. Zespół wykorzystał narzędzia do symulacji, aby zwizualizować działanie całego układu oraz zweryfikować, które materiały poradzą sobie najlepiej w trudnych warunkach.
Znaczące oszczędności paliwa
Jak wyjaśnia Powell, najważniejszym sukcesem projektu było opracowanie i skonstruowanie pełnowymiarowego mechanizmu sterowania nachyleniem łopat wirnika. Rozwiązanie to zostało przetestowane w siedzibie spółki Magnomatics w Sheffield, co pozwoliło na potwierdzenie jego wykonalności i skuteczności. „Pomimo przekroczenia wagi docelowej rozwiązania o 15 %, jesteśmy bardzo zadowoleni z naszych rezultatów”, dodaje Powell. „Układ spełnił określone przez nas wymagania, takie jak dokładność pozycji łopaty wirnika i czas potrzebny do jej ustawienia. Jesteśmy przekonani, że kontynuując prace będziemy w stanie osiągnąć także zakładaną wagę”. W ramach prac badacze i inżynierowie rozwinęli także szereg innych technologii. Prace dotyczyły obrotowych urządzeń elektromagnetycznych przenoszących moc, kompozytów opartych na włóknach węglowych oraz metalicznych komponentów hybrydowych, a także dwukanałowych silników wyposażonych w przekładnię magnetyczną. „Zaletą tego rozwiązania jest to, że nawet jeśli jeden kanał ulegnie awarii, silnik może pracować nadal zupełnie tak, jakby nic się nie stało”, opisuje Powell. Badacz uważa przede wszystkim, że w ramach projektu zespół wykazał, że zastąpienie układów hydraulicznych ich elektromechanicznymi odpowiednikami może sprawić, że technologia silników z otwartym wirnikiem stanie się atrakcyjnym rozwiązaniem dla wszystkich, którym zależy na oszczędności paliwa. „Mamy nadzieję, że nasze prace doprowadzą do bezpiecznego i szybkiego wdrożenia technologii silników z otwartym wirnikiem, a także pozwolą ograniczyć emisje CO2 o miliony ton, wspierając walkę ze zmianą klimatu”, zauważa koordynator.
Słowa kluczowe
ROTATOR, silnik, lotnictwo, elektromechaniczne, emisje, wirnik, CO2
