Så fungerar den roterande detonationsmotorn

Du kan tänka på en roterande detonationsmotor som en typ av pulsdetoneringsmotor - med en vridning. Detta är en General Electric Frame 7FA gasturbin. Med tillstånd av General Electric Company

En motor som är designad för ett fartyg kommer inte att passa in i en bil ... men biltyper tenderar att bli fascinerade av den senaste tekniken inom lugg och bom. När allt kommer omkring är en motor en motor som har enorm kraft (och vem vet när sådana innovationer kommer att sippra ner till den civila sektorn).

Så med tanke på det, låt oss titta på den roterande detonationsmotorn - en typ av gasturbin som är designad för effektivitet med dess noggrant konstruerade, konsekventa injektionscykel och explosioner. Det är inte exakt nytt - patentet tilldelades för ungefär 20 år sedan - men i slutet av 2012 skrapar det just nu ytan på dess potential att generera kraft för stora transportsätt.

Forskare säger att den roterande detonationsmotorn också kan anpassas för att generera elkraft för allelektriska fartyg och flyg ... när vi väl är avancerade för att ha tillförlitliga båtar och flygplan som främst drivs av el,.

USA: s militär valde att investera i den roterande detonationsmotorns forskning och utveckling, delvis eftersom tekniken är lätt skalbar - motorens storlek kan ökas, och kraftproduktionen kommer också att ökas. (Tro det eller inte, det fungerar inte alltid så.) Så vi vet aldrig - kanske den roterande detonationsmotorn kan skalas ner en dag och dess smidiga kraftproduktion kan driva alla typer av rullande materiel.

Vi tenderar att tänka på trycket som skapas i en motor som mer kontrollerade snarare än disorganiserad "detonation" - vi vill att det ska vara förutsägbart, inte kaotiskt. Men om en motor kan styra en typisk cykel med tillräcklig precision för att producera jämn kraft, kan den också kontrollera detoneringar. Och det tryckutbrott som en detonation producerar kan resultera i en effektivare motor om den används korrekt. Vanligtvis blandar en motor luft och bränsle för att förbereda den för detonering, vilket är när bränslet släpper sin energi. Effektiviteten för bränslets energiförbrukning är dock mycket beroende av motortypen.

Det är här den roterande detonationsmotorn skiljer sig från vanligare typer av gasturbinmotorer. Luften och bränslet blandas (som vanligt) innan de injiceras i en lång, cirkulär förbränningskammare, på vad "Physics Today" har beskrivit som "ett sekventiellt, cirkulärt sätt." Den första detonationen sätter igång en cykel där trycket från antändningen fortsätter runt kammaren och tänder varje injektion i följd. Trycket från varje tändning håller cykeln i rörelse. Trycket tvingar sedan avgaserna ut från förbränningskammaren genom ett avgasmunstycke, som faktiskt är det drivkraft som genereras av motorn, och går vidare för att driva vilken typ av fordon motorn är installerad i (i detta fall, typiskt, ett fartyg eller ett flygplan).

Den roterande detonationsmotorn är faktiskt en variation av en annan motorkonstruktion: pulsdetoneringsvågsmotorn. Även om pulsdetoneringsmotorer ger energibesparingar jämfört med många andra typer av motorer, har de fortfarande sina egna ineffektiviteter. En anledning är förbränningskammaren som måste rensas efter varje puls. Den roterande detonationsmotorn är en förbättring jämfört med den pulserande konstruktionen, eftersom detonationsvågen kontinuerligt cyklar runt kammaren, vilket eliminerar behovet av att slösa bort tid och energi genom att rensa.

Eftersom detonationer skapar extrema tryck kan en detonationsmotor konstrueras utan den extra kompressor som vanligtvis krävs. Inte bara är kompressorer vanligtvis komplexa, utan deras drift genererar i allmänhet också mycket energi. Men att lägga till en kompressor till en detonationsmotor gör det faktiskt ännu effektivare. Denna kompatibilitet gör det lättare att eftermontera gasturbinmotorfordon som ska användas med detonationsmotorteknik [källa: Green Car Congress].

Ommontering av befintliga marinfartyg, som den guidade missilförstöraren USS Arleigh Burke (DDG 51) som visas här, med roterande detonationsmotorteknik kan resultera i miljontals dollar i besparingar varje år. Med tillstånd av U.S. Navy, foto av Journalist 2nd Class Patrick Reilly

Den amerikanska marinen får all kredit för sina senaste investeringar i tekniken (och uppgraderar nyhetscykeln), men den roterande detonationsmotorn har faktiskt varit i verk i några decennier, just nu. Patentet för motorn lämnades in 1982 och beviljades 1988 till en Rockville, Md-baserad uppfinnare med namnet Shmuel Eidelman. (Patentet kallas faktiskt "roterande detonationsmotor", snarare än "roterande" - det är oklart när moniker bytte.)

Shmuel Eidelman har varit en upptagen man. Han har tilldelats 14 patent sedan 1982, med fokus på luftfart, framdrivning och kemikalier genom sitt arbete med vetenskapliga företag och militära organisationer [källa: PatentBuddy]. Så när patentet lämnades in såg det ut som marinen hade drivit gasturbinen så långt den kunde gå, och det var dags att börja tänka nytt.

Den amerikanska flottan var ursprungligen intresserad av pulsdetoneringsmotorer (som beskrivits tidigare) och investerade i forskning för att utveckla dessa bränslebesparande system. Marinens forskare säger att maximering av potentialen för denna typ av motor beror på att förstå dess komplexa fysik [källa: U.S. Naval Research Laboratory]. Den roterande detonationsmotorn är fortfarande en gasturbinmotor, liksom de motorer som för närvarande driver flottans flottans fartyg och flygplan, men justering och förfining av cykeln låser upp mycket extra kraft. Marinforskare tror att roterande detonationsmotorer har potential att minska bränsleförbrukningen i ny utrustning med 25 procent, vilket skulle vara en årlig besparing på mellan $ 300 och $ 400 miljoner [källa: Quick]. En annan fördel med systemet är att det kan konfigureras för att driva en elmotor, vilket i teorin skulle tillåta militära flottor att börja övergå till (potentiellt) renare, billigare och effektivare elektriska drivlinor.

Roterande detonationsmotorer är inte redo att gå ännu, så simuleringar är den bästa prediktorn för deras effektivitet - men de lovar fortfarande nog att marinen fortsätter med utvecklingen. Det finns ingen offentligt känd ETA för färdigställande eller implementering, men den roterande detonationsmotorn kommer sannolikt att anlända - en dag, ändå - till en flottbas nära dig.

Författarens anmärkning: Hur den roterande detonationsmotorn fungerar

Det verkar inte som om någon har föreslagit (ännu inte, ändå) att den roterande detonationsmotorn faktiskt kan ha potential att användas i bilar eller lastbilar. Det uppfanns av en kille som specialiserat sig på militär teknik och drivs till utveckling av den amerikanska marinen. Den faktiska storleken på motormodellen under utveckling har inte nämnts någonstans, så det här är allt spekulation. Men vi vet detta: Det är uppenbarligen tillräckligt stort för att driva fartyg och flygplan, och det är så mycket mer kraft än en bil behöver. Var skulle effektiviteten vara i det??

Men åratal med att skriva om bilar och transportteknik har visat mig att en hel del av de saker vi använder varje dag ursprungligen utvecklades för helt andra ändamål - och racerbilar och militära fordon är två vanliga källor. Även om bränsleeffektiva bilar för närvarande går i en annan riktning (hybrider, elektricitet och biobränslen), är det inte obegripligt att säga att någon en dag kan hitta ett sätt att nedskala en supereffektiv gasturbinmotor och fylla den under huven på en bil.

relaterade artiklar

• Hur en Atkinson Cycle Engine fungerar
• Hur bilmotorer fungerar
• Så fungerar Hüttlin sfäriska motor
• Hur rotationsmotorer fungerar
• Hur Stirling Motorer fungerar
• Hur Tesla-turbinen fungerar
• Hur Wave Disk Generator fungerar

källor

• Google-patent. "Patent US4741154 - Roterande detonationsmotor." (17 februari 2013) http://www.google.com/patents/US4741154
• Green Car Congress. "Marinforskare projekt Rotating Detonation-Wave Engines skulle kunna ge 10 procent effektökning, 25 procent minskning av bränslet förbränns över gasturbiner." 2 november 2012. (13 februari 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. "Eidelman, Shmuel." 2013. (17 februari 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Fysik idag. "US Navy utvecklar roterande detonationsmotor." 6 november 2012. (13 februari 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Snabb, Darren. "U.S. Navy undersöker användning av bränslebesparande roterande detonationsmotorer." Gizmag.com. 4 november 2012. (13 februari 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• U.S. Naval Research Laboratory. "Marinforskare ser till roterande detonationsmotorer för att driva framtiden." 2 november 2012. (13 februari 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -framtiden