Ударна хвиля робить газ твердим, як кувалда, і чим більше енергія газу, тим важче ця кувалда стає. Вже більше ста років вчені б'ються над тим, щоб могутній газовий молот замінив класичний поршень у двигуні внутрішнього згоряння.
Метод прямої передачі енергії між газами з різним тиском за допомогою ударної хвилі був запатентований в 1906 році британським інженером Робертом Кнауффом. Щоправда, далі патенту справа не пішла. У Кнауффа просто не було математичних інструментів, за допомогою яких можна було коректно описати надзвичайно короткочасні процеси, що відбуваються в зоні екстремального тиску фронту хвилі.
Проте ідея не була забута, і в 1928 році француз Антуан Лебре оприлюднив концепцію «динамічного обмінника тиску», що представляв собою барабан з поздовжніми каналами, закритий нерухомими торцевими пластинами-статорами. У пластинах були розташовані впускні та випускні порти: з одного боку для холодного атмосферного повітря, з іншого - для гарячих газів, що розширюються з якоїсь камери згоряння. У міру обертання барабана отвори послідовно поєднувалися, забезпечуючи необхідну циклічність процесу.
Всередині каналів, за задумом Лебре, повинен був відбуватися обмін енергією між «зарядженим» розпеченим газом і атмосферним повітрям, як між кієм і більярдною кулею. А що потім? А потім розігнаний до величезної швидкості, але все ще холодне повітря через випускний порт повинен був спрямовуватися на гіпотетичні турбінні лопатки, а відпрацьований (і став «повільним») газ - видалятися у випускний тракт. Природне продовження процесу - наскрізне продування розрідженого каналу і наповнення його свіжою порцією повітря в момент закриття випускного порту. І все це в тисячні частки секунди.
Вдалий дизайн машини Лебре став еталоном для всіх наступних систем такого типу. Під час своїх досліджень винахідник зумів сформулювати три важливі властивості хвильових роторних систем. По-перше, в момент контакту двох газів з різною енергією фронт ударної хвилі поводиться як поршень, і чим вища різниця вихідних тисків і температури, тим цей поршень тверіше. В результаті під час передачі «естафетної палички» гази просто не встигають змішуватися, а стискуване повітря - нагріватися.
По-друге, робочі канали ротора продуваються настільки ефективно, що йому не потрібне примусове охолодження. Це дає можливість системі працювати на максимально високих перепадах температур і з точки зору термодинаміки мати більший потенціал з ККД. По-третє, швидкість (до 370 м/с) ударно-хвильового обміну практично виключає виникнення турболагу - затримки відгуку системи на подачу газу.
Винахід Френком Віттлом 1930 року газотурбінного двигуна і перспективи використання хвильових роторних нагнітачів як альтернативи компресору з метою зниження витрати палива і збільшення ККД підстьобнуло дослідження в цій галузі. Правда, результату довелося чекати ціле десятиліття.
Гасова фортеця
Першою людиною в історії техніки, яка зуміла коректно розрахувати, побудувати і успішно випробувати хвильовий обмінник, став інженер швейцарської компанії Brown Boveri & Cie Клод Сейппел. Почалося все з того, що в 1939 році Brown Boveri & Cie (BBC) отримала вигідне замовлення від британської Great Western Railways на розробку ефективного самоохолоджуваного нагнітача до 2500-сильного газотурбінного двигуна (ВМД) для локомотивів проекту British Rail 18000.
Всього через рік після отримання техзавдання група Клода Сейппела поклала на стіл глави компанії готові креслення і кілька заповнених патентних заявок, а вже в 1941 році перший екземпляр хвильового обмінника був встановлений в заводській лабораторії. І це при тому, що обчислення в ті роки велися на арифмометрах і логарифмічних лінійках.
Згідно з розрахунками Сейппела, хвильовий наддув з приводом від валу повинен був підняти потужність силової установки на 80% при одночасному зниженні витрати гасу на чверть. У тестах 1941-1943 років нагнітач барабанного типу з 30 каналами і двома портами на кожній з торцевих кришок продемонстрував феноменальну надійність. Його ККД в діапазоні оборотів близько 6000 досягав 69%, а безпосередньо процес стиснення-розширення протікав з ККД 83% при передавальному співвідношенні тиску 3:1.
Проте у виробництво система Сейппела не пішла, і винахідник тут ні до чого. За чотири роки двигунисти BBC так і не змогли налаштувати базовий агрегат на роботу в парі з настільки незвичним нагнітачем. У підсумку British Rail 18000 на прізвисько «Гасова фортеця» побудували за звичайною компресорною схемою, а величезний масив даних про обмінники тиску до пори до часу був відправлений в архів.
Вибуховий потенціал
У середині 1950-х на тлі бурхливого розвитку технологій ВМД ідея надефективного хвильового наддуву отримала новий поштовх до розвитку. У 1952 році британська компанія Ruston-Hornsby приступила до розробки серії компактних ВМД для важкого промислового обладнання потужністю від 1 до 10 МВт, якими планувалося замінити громіздкі дизельні агрегати. Керівництву Ruston-Hornsby вдалося роздобути до своїх лав справжнього джокера - блискучого фізика Рона Пірсона, учня, колегу і друга самого Френка Віттла. Пірсон з «закритими очима» орієнтувався в дебрях газодинаміки і «на раз» вирішував складні технічні завдання в області ВМД. Але найголовніше - у нього була концепція хвильової роторної турбіни (ВРТ) - ДВЗ абсолютно нового типу, що поєднує гідності газотурбінних і поршневих машин, але при цьому позбавленого їх недоліків.
Побудований «з нуля» всього за дев'ять місяців п'ятикілограмовий прототип ВРТ з дисковим барабаном діаметром 23 і довжиною 7,6 см на 18000 обертів «відвантажував» на вал майже 35 к. с. І це при тому, що на один оборот ротора припадав всього один робочий цикл стиснення-розширення.
На відміну від Лебре і Сейппела, Пірсон використовував в роторі не прямолінійні, а спіралевидні канали, що служили одночасно камерами згоряння для суміші повітря і гасу. Завдяки цьому під час розширення пружні хвилі газу, ковзя по зовнішньому радіусу стінок, розкручували ротор. Незважаючи на примітивність механізму газорозподілу прототип однаково стійко працював у всьому діапазоні обертів, а на максимумі легко тримав температуру до 800 ° C.
І все-таки це була досить сира штука, яка вимагала ретельного доопрацювання. Слабенький ККД, що топтався між 12 і 20%, можна було підняти за рахунок поліпшення наскрізного продування каналів, мінімізації зазорів і подвоєння кількості робочих циклів на обіг валу. Пірсон був готовий братися за модернізацію машини, коли сталася безглузда аварія. З честю рушій, що витримав 900 годин безперервної роботи, зруйнувався прямо на стенді через прикру поломку клапана подачі палива. Перелив гасу миттєво підняв оберти ротора до 25000 і підшипники, не розраховані на таке навантаження, «попливли» в лічені секунди. Лише завдяки щасливому випадку в момент аварії не постраждав ніхто з техніків.
Компрекс і хайпрекс
Бензинові двигуни виявилися творцям Comprex Brown Boveri не по зубах. Проблема була вирішена тільки в кінці 90-х років. І теж - у Швейцарії. Інженери компанії Swissauto WENKO в середині 90-х навчилися приборкувати примхливі ударні хвилі і створили «бензиновий» аналог Comprex. Прямоточний багатосекційний ударно-хвильовий ротор під назвою Hyprex довелося «відв'язати» від валу, оснастивши власним електроприводом. Незалежне обертання і вигнута конфігурація каналів системи забезпечували високий тиск наддува при мінімальній щільності потоку відпрацьованих газів на низьких обертах. А, як відомо, ця частина діапазону завжди була слабким місцем бензинових силових установок, особливо малолітражних. Випробування Hyprex, проведені на початку минулого десятиліття на Renault Twingo, довели високий ККД, економічність і екологічну чистоту хвильового наддува. Тим не менш, інтерес великих автокомпаній до новинки виявився нульовим. І не тому, що турбонаддув краще. Набагато важливіше те, що він дешевше і простіше.
Самого Пірсона це анітрохи не збентежило. Чого не скажеш про його босів. Відразу після того, що сталося, посилаючись на нестачу коштів і більш актуальні завдання з ВМД, вони заморозили проект. Незважаючи на спроби вченого зацікавити своїм двигуном інші компанії, стадія «глибокої заморозки» розтягнулася на чверть століття. Коли ж у 1980 році ідеями Пірсона всерйоз зацікавився аерокосмічний гігант Pratt & Whittney, у винахідника були вже зовсім інші пріоритети. А ось науковій спадщині Клода Сейппела пощастило набагато більше.