Efektyviausi varytuvai

Variklis, varikliai, varytuvas, varytuvai – apie tai šiandien trumpai. Anksčiau buvo publikuotas bendras tekstas Raketos ir startūnai

Variklis ir varytuvas

Merlin 1D varytuvas

Raptor varytuvas

Technikos visokeriopo tobulėjimo dėka sukuriama efektyvių variklių ir varytuvų. Variklis kuro energiją verčia kinetine, o varytuvas kuria judinimo jėgą bei atlieka transportavimo darbą. Efektyvumas vertintinas kuro savitųjų sąnaudų rodikliu: q = Q/P g/kWh (ar g/MJ), kur Q g/h (ar g/s) – degalų debitas, P kW- sukuriama galia. Pvz, benzininių variklių q = 280-350 g/kWh. Dar vaizdžiau efektyvumą atspindi naudingumo koef, pvz šiluminių įrenginių vien terminis sandas nt = 1 – Tmin/Tmax = 1 – 0,25 = 0,75; t.y. dėl menko temperatūrų skirtumo (maždaug 500 K/2000 K) prarandamas ketvirtis potencialios energijos. Dar daugiau jos prarandama dėl hidrodinaminės ir mechaninės trinčių bei aušinimo būtinybės, tad šiluminių variklių bendrasis naud koef n = 0,32-0,4.

Turbiniai varikliai

Kiek efektyvesni, ypač savitaja galia (plius mažesniais matmenimis ir masyvumu) yra turbininiai varikliai; pvz rekordinio turboautomobilio „Turbinator“ 0,12 kg/kW. Tarp turbininių efektyviausiais (ištobulintais Rolls-Roice konkurencjos su Engine Alliance) laikomi lėktuviniai turboventiliatoriniai varytuvai „Trent“ (0,06 MN/t stūmumo) ir „GEnx-787“ (0,056 MN/t). Juose kompresorius didina oro slėgį iki 3,8 MPa, degimo kameron purkštukai įterpia degalus, mišinys liepsnoja ir dujos plečiasi, verždamosi pro turbinos mentes kol pasiekia 3 km/s greitį generuojančioje stūmą tūtoje. Papildomą stūmą generuoja ir priekyje sukamas ventiliatorius (periferine menčių dalimi).

Elektriniai varikliai

Žymiai efektyvesni yra elektriniai varikliai (n = 0,78-0,96), nes beveik nepatiria terminių ir hidrodinaminių nuostolių.

Varytuvų efektyvumas dažniau teikiamas stūmumo rodikliu (stūmos santykiu su mase MN/t).

Efektyviausiu laikytinas SpaceX sukurtas kriogeninis uždaro ciklo „Raptor“, kuriam kuru parinktas pigus (ir prieinamas Marse) suskystintas metanas (111 K), dujofikuojant priekameroje su inžektoriais neaukšta temperatūra ir primaišant deguonies. Šis dujų mišinys suka turbosiurblius (net 80 MW galios) ir, tiekiant kuro bei oksidatoriaus, 30 MPa slėgiu pakliūva degimo kameron. Bendras metano debitas siekia 0,93 t/s, o deguonies – 0,7 t/s, išvystant 3,05-3,28 MN stūmą. „Raptor“ būna kelių variantų: trumpatūčiai (o2x3,2 m didumo 0,9-1 t masės ir tinkamesni startūnams) bei ilgatūčiai (o2x6,2 m 2,3 t tinkamesni erdvėlaiviams). Tūtose dujos plečiasi iki 0,07 MPa slėgio ir 3,45 km/s greičio. Dar 2016 m. bandymai patvirtino puikius efektyvumo rodiklius (MW/MN ir MN/t, dar neskelbtų verčių).

Werner Braun prie Saturn V startūno

Varytuvas F1

Varytuvai ir startūnai

* 1,16 mlrd USD 2016 metų kainomis, ** nevienkartinio naudojimo.

Joniniai termoelektriniai varytuvai yra naudingesni (n = 0,5-0,65), energingesni (1,25 GJ/kg) bet mažos stūmos (<25 N, 47-56 mN/kW), tad tinka tik erdvėlaiviams, ypač nutolusiems nuo Saulės.