1-2-3D-print blog banner

Klima-print: Er 3D-print en bæredygtig løsning?

I disse dage er verdens ledere samlet i Glasgow til COP26 for at indgå nye aftaler om, hvordan vi kan redde det klima, som betyder så meget for os alle – både nu og i fremtiden. Det store fokus på klima og miljø er berettiget, og derfor har vi også en forventning om, at vores folkevalgte politikere løser problemerne - eller i hvert fald bliver enige om rammerne.

Vi skal også selv gøre en indsats. Derhjemme skal vi sortere affald, lukke for vandet og spise mindre kød, og næste bil skal nok være en elbil, hvis den ikke allerede er det. Klimakampen kæmpes på alle niveauer. Så hvorfor ikke også på arbejdet?

Der ER mange initiativer i industrien omkring grøn omstilling, bæredygtig produktion og mere energieffektive produkter. Men får vi nok ud af initiativerne, gør vi det rigtige, og gør vi det hurtigt nok? De produkter, vi sender på markedet i dag med en levetid på både 10, 20 og 30 år, har jo stor betydning for vores CO2 udledning i 2030.

Det er så nemt at brokke sig – kom med løsninger i stedet!

Korrekt – det løser ikke nogen problemer blot at brokke sig. Så hvad kan fx 3D-print gøre i klimakampen? Hvordan og på hvilke punkter giver det mening at se mod 3D-print som (en del af) løsningen.

Herunder følger en gennemgang af, hvordan 3D-print kan bruges til at fremstille mere klimavenlige produkter.

Lokal produktion

At producere lokalt kan have mange fordele: besparelser på transport, hurtigere udviklingsforløb og mere robuste forsyningskæder. Lokal produktion kræver dog stadig, at råmaterialerne er tilgængelige. Ydermere bør man overveje energikilden. Hvor grøn er den strøm, der anvendes lokalt, og bruger vi evt. mere energi fordi vi går glip af stordriftsfordele? Fra et klimasynspunkt er lokal produktion den mindst betydende faktor – om det er 3D-print eller andet.

Der arbejdes i Danmark pt. på flere projekter og ansøgninger, som fokuserer på lokal genanvendelse af materiale til 3D-print. REPOWDER-projektet fokuserer på genanvendelse af fx afklip fra standsning og hjemtag af udtjente produkter til fremstilling af metalpulver til 3D-print (shorturl.at/flqBX), og VARETIT-projektet arbejder med genbrugstitanium uden energikrævende gensmeltning (shorturl.at/hiAFL).

Illustration: Teknologisk Institut

Her vist ved en vægtreduceret snittap fra Thürmer Tools.

Materialereduktion

Energireduktion er afgørende, og her spiller materialereduktion en stor rolle. Jo mere materiale (ved produktionsstart) der er i et emne, des mere energi kræver det at fremstille. Tilsvarende kræver det også mere energi at transportere, så særligt hvis det endelige produkt skal transporteres, er der energibesparelser at hente ved at reducere materialeforbruget.

3D-print med metalpulver er ikke markant grønnere eller mindre energikrævende end fx støbning og varmsmedning pr. kilo. Dog kan 3D-print ofte fremstilles med mindre materialeforbrug, så veldesignet 3D-print kan være materiale- og energibesparende pga. bedre designmuligheder og en produktionsform med meget lidt spildmateriale. Produktion af færre produkter til lager kan også være en væsentlig fordel.

Et eksempel kunne være CeramicSpeeds pulley-hjul, som er verdens letteste. (shorturl.at/vwZ69),Her udnyttede man de geometriske friheder, som 3D-print giver i fremstillingsprocessen, samtidig med at man printede i titanium. Et andet eksempel er Marels laksegriber, som ikke er designet med fokus på materialereduktion, men hvor en konventionel CNC-bearbejdning ville medføre et markant materialespild fra spåntagningsprocessen.

Illustration: CeramicSpeed
Illustration: Marel

Bedre designs

3D-print kommer virkelig til sin ret i forhold til at skabe mere klimavenlige designs, når mulighederne for meget frie geometriske designs bruges til at skabe produkter, der har et mindre energiforbrug i selve brugsfasen.

Det bedst kendte eksempel er nok GE’s brændstofdyse til deres LEAP-jetmotor, som har hjulpet dem med at reducere brændstofforbruget med 15 % sammenlignet med det tidligere design. Et andet eksempel er en hydraulikblok fra Hollandske Hydrauvision, hvor et re-design har reduceret flowmodstanden med 25 % og dermed den pumpekraft, der skal leveres. For en anvendelse, hvor pumpen kører kontinuerligt, bliver det en stor energibesparelse – og metal 3D-print reducerede samtidig vægten fra 20,5 kg til 0,95 kg.

Illustration: Teknologisk Institut

Energigenanvendelse

Som jeg ser det, er den ultimative anvendelse der, hvor 3D-print bruges til at designe og udvikle produkter, som genindvinder energi fra fx varme. Dette arbejder vi med i projektet EASY-E, hvor partneren Asetek A/S laver køleløsninger til datacentre, som pga. den høje køleeffektivitet kan trække varme ud ved en høj nok temperatur (pt. 60°C) til, at dette kan bruges til husopvarmning. Det er interessant, når Energistyrelsen forventer, at 17 % Danmarks samlede energiforbrug i 2030 vil gå til datacentre. (shorturl.at/mHRW4)

Illustration: Holo

3D-printet CPU-køler i kobber fra amerikanske Holo (shorturl.at/nqFUX).

Hvor starter man?

Første skridt er at forstå mulighederne – ikke mindst mulighederne for at designe produkter, som er mere effektive og over tid, og som giver besparelse på både energi og penge. Det er bestemt ikke alt, som skal 3D-printes i håbet om, at produktet på magisk vis bliver grønt og klimavenligt - men visse steder er der et ganske stort potentiale. Samtidig skal business casen også hænge sammen. Hvis ikke man kan sælge produkterne, så sparer vi jo ikke noget CO2.

Start med at se på design – særligt med henblik på brugsfasen. Hvis det lykkes, vil langt de fleste designs også have medført en materialereduktion og måske bedre komponentlevetid.

Det vigtigste er dog, at vi gør noget. Hvis vi bliver ved med at vente på den gyldne teknologi, der skal komme og redde vores klima, er jeg bange for, at vi kommer til at vente forgæves. Vi skal bruge alt det værktøj, vi har i værktøjskassen - og vi skal ikke vente til 2029 med at gå i gang.

Løser 3D-print klimakrisen. På ingen måde og slet ikke alene. Men det er et værktøj i værktøjskassen som, hvis man vil, kan bruges til klimavenlig optimering, og vi skal nok spille på alle strenge hvis vi skal nå målet om 70 % CO2-reduktion i 2030.

Nikolaj Vedel-Smith er sektionsleder ved afdeling for industriel 3D print under Teknologisk Institut. Afdelingens fokus ligger på forskning og udvikling på nogle af de nyeste tendenser inden for teknologien – både plast og metal - såsom materialer, printparametre, anvendelsesområder og kvalitetssikring.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Nogle maskiner f.eks. i kontorer og hjem må i dag kasseres, fordi reservedele ikke længere kan købes eller er for dyre eller tager for længe at få importeret fra Asien. Mange reservedele vil kunne 3D printes og "redde" hele masinen fra kassering.

  • 5
  • 0

Helt korrekt Pia.

Refurbishment (eller på danske renovation), er også et vigtigt område hvor 3D-print kan gøre en forskel. Det gælder udskiftning af defekte komponenter, men faktisk også pålægning af nyt materiale på slidte komponenter i metal.

MarineShaft i Hirtshals benytter bl.a. teknologien til at reparere aksler som er slidte eller har fået skader. Det er både en klimavenlig løsning og langt hurtigere end at bestille en helt ny komponent. (https://marineshaft.dk/llv-kaprodon-fishin...)

  • 4
  • 0

Forudsætningerne for at 3D print til levetidsforlængelse, kommer til at have nogen indflydelse er:

  • At dimsen forefindes i et format som hvemsomhelst kan udprinte (STL)
  • At dimsen ikke tager lang tid og koster mange penge at udprinte
  • At dimsen er nem at komme til at udskift
  • At en ny komplet enhed er væsentlig dyrere end reparation af den gamle, og ikke har væsentlig mere "interessante" nye funktioner.

Fælles for 3D print idag, er at godt nok findes printerne forholdsvist billigt, og kunne ver hvermands eje. Men det at bruge dem og faktisk få noget fornuftigt og brugbart ud kræver at brugeren har sat sig nogenlunde ind i det at 3D printe. Desuden så kræver det at man har filament (print materiale) liggende i de rette kvaliteter, typer og måske farver, for at kunne lave en erstatnings del.

Det fortæller mig, at det nok primært vil være reparations værksteder som i højere grad vil benytte sig af muligheden for 3D print til levetidsforlængelse af udsty, og der tror jeg vi ender op med at tidsforbruget på at finde/redesigne/printe en dims kan ende med at blive væsentlig dyrere i mktidskroner end at anskaffe en ny enhed, som jo så også er "moderne" og har de nyeste funktioner.

Så det bliver op ad bakke, med mindre der skabes en kunstig mangel situation på nye billige enheder.

  • 1
  • 0

At dimsen forefindes i et format som hvemsomhelst kan udprinte (STL)

At dimsen ikke tager lang tid og koster mange penge at udprinte

At dimsen er nem at komme til at udskift

At en ny komplet enhed er væsentlig dyrere end reparation af den gamle, og ikke har væsentlig mere "interessante" nye funktioner.

Meget enig.

Selve det at bruge en 3D printer er idag nok ikke sværere end at lære at bruge Excel.

Men design af praktiske printfiler har stadig en meget høj indlæringsbarriere, hvis ikke man kun skal lave meget simple ting. Der er en del der har prøvet. F.eks TinkerCAD. Men man kommer kun så langt, inden man bliver frusteret og kigger efter et mere komplekst værktøj.

Tilsvarende for f.eks blender til prints, hvor det visuelle er primært. Figurer og den slags. Svært, indtil man når over en vis barriere.

Men der sker fortsat en rivende udvikling. Filamentprintere er blevet meget automatiske og brugervenlige i forhold bed levelling mm.

Og resinprintere er kommet ned i en pris hvor man kan få et komplet sæt med rense/hærdestation for under 3000 kr, hvis man selv importerer.

Der er mange hobbyfolk, som køber printere. FPV dronefolk printer kameraholdere og den slags.

Og figurspil a la Warhammer gennemgår en decideret disruption, hvor markedet pludselig i høj grad består af digitalt salg, som folk så selv printer på deres resinprintere.

Og så er der selvfølgelig også stadig dem for hvem selve 3D printning er en hobby i sig selv.

Til emnet: Det er 5 år siden jeg printede min første hjemmedesignede reservedel. En ny powerknap til kærestens tørretumbler. Knappen er still going strong, selvom maskinen synger på sidste vers af almindelig slitage.

  • 1
  • 0

Der er helt klar de nævnte udfordringe med at printe reservedele derhjemme på hobbyprinteren. Enten skal man kunne tegne den selv eller finde den på Thingiverse eller lignende hjemmesider.

Det er dog en interessant tankte hvad der kan være muligt hvis virksomhederne vil frigive deres filer til 3D-print af reservedele så folk har mulighed for at udskifte småting på ellers gode forbrugsvarer. Der skal dog nok være udfordringer med både jura og tabt økonomi fra nysalg, men tanken er spændende.

Professionelt er vi måske tættere på, særligt de steder hvor det er ejerne som står for vedligehold.

  • 1
  • 0

Ja. Jeg tænker at der vil være en modstand imod at frigive filer, som potentielt kan koste mer-salg.

Man kan jo håbe at det med tiden bliver et salgsparameter om man har mulighed for at hente de reservedelsfiler, man har behov for. Det gælder sådan set både professionelt såvel som privat. Der er lidt hønen og ægget over problemstillingen.

  • 1
  • 0

Jeg ser du gjentar løgnen om den nye dysens invirkning på Leap-motoren: "Det bedst kendte eksempel er nok GE’s brændstofdyse til deres LEAP-jetmotor, som har hjulpet dem med at reducere brændstofforbruget med 15 % sammenlignet med det tidligere design". Jeg trodde vi var enige om at denne dysen har så godt som ingen virkning i forhold til større effektivitet for motoren (din artikkel om 3D print i september 2021).

I beste fall er det du skriver her en meningsløs overdrivelse ("hjulpet med at redusere") eller mer riktig en loddrett løgn!

Leapmotorens bedre effektivitet har flere årsaker, der dysens bidrag er tilnærmet lik null. Ut fra navnet på motoren skjønner man at det er en neste genersjon av en motortype (og andre motorer har samme effektivitetsforbedring i forbindelse med nye generasjoner).

  • 2
  • 0

Hej Ketill,

Jeg vil tildels svare dig det samme som på din kommentar til det tidligere blogindlæg (https://ing.dk/blog/maaske-vigtigste-komme...).

Tallet på 15% brændstofsbesparelse kommer fra GE selv, og dysen betydende virkning er beskrevet på CFMs hjemmeside (https://www.cfmaeroengines.com/engines/leap/), som er dem der har udviklet dysen. De beskriver selve dysen som instrumental i den revolutionerende måde brændstoffet preblandes for at sikre en mere mager forbrænding.

"Unlike traditional combustors that mix fuel and air inside the combustion chamber, the LEAP nozzle pre-mixes these elements to provide what our engineers call lean burn combustion. We just call it revolutionary."

Link gerne til andet som dokumenterer at dysens virkning skulle være så ubetydelig som du beskriver. Jeg vil rigtig gerne blive klogere på emnet.

  • 0
  • 0

Hej Mogens,

Der er helt sikkert en modstand mod at frigive filer som kan betragtes som IPR - hvilket også er forståligt. Der sker dog en del på dette område da mange virksomheder ser det som en vigtig barriere der skal klares før de tør sende filer afsted til print hos fx kunder.

Danske Create it REAL arbejder bl.a. på en løsning. (https://www.createitreal.com/3d-printer-el...)

Der er dog også eksempler på virksomheder som tager teknologien til sig og gøre noget kreativt med den. https://thisables.com/en/ som IKEA har lanceret er ikke rigtigt reservedele, men det er nytilpasninger af deres produkter så de bedre passer til personer med et handikap. Og det er helt gratis.

  • 1
  • 0

Tallet på 15% brændstofsbesparelse kommer fra GE selv, og dysen betydende virkning er beskrevet på CFMs hjemmeside (https://www.cfmaeroengines.com/engines/leap/), som er dem der har udviklet dysen. De beskriver selve dysen som instrumental i den revolutionerende måde brændstoffet preblandes for at sikre en mere mager forbrænding.

Takk for svar og jeg skulle nok vært litt hyggeligere med hensyn til språkbruk!

Det er ikke oppgitt noe konkret om virkningen av den nye dysen. Wikipedia har en større omtale av denne motoren og dysen er kun nevnt indirekte:

"The engine has some of the first FAA-approved 3D-printed components."

Derimot nevnes viktigste grunner til 15% lavere drivstofforbruk:

"GE is using ceramic matrix composites (CMC) to build the turbine shrouds.[8] These technological advances are projected to produce 16% lower fuel consumption".

Fra omtalen den forrige generasjonen (CFM 56):

"The LEAP is a new engine design based on and designed to replace the CFM56 series, with 16% efficiency savings by using more composite materials and achieving higher bypass ratios of over 10:1. LEAP entered service in 2016".

"While the LEAP is designed to operate at a higher pressure than the CFM56 (which is partly why it is more efficient), GE plans to set the operating pressure lower than the maximum to maximize the engine's service life and reliability".

Det som nevnes her som grunn til økt effektivitet er typisk for alle de nye motorgenerasjonene som har kommet de siste år (og effektivitetsforbedringen ligger på rundt 15% for alle sammen):

Langt høyere bypass, fra ca 6 (CFM 56) til 10 og 11 for Leap.

Høyere temperaturer inn på turbinbladene. For Leap bruk av keramisk matrise kompositt som tåler langt høyere temperaturer.

Høyere kompresjonsforhold gjennom kompressorer til brennkammer.

Overgang til vifte laget av karbonkompositt, lettere og sterkere og større diameter.

Nedsatt hastighet for vifte grunnet flere aksler eller girkasse (ikke relevant for Leap)

Den nye dysen i titan er et strålende ekempel på bruk av 3D printing, med lavere vekt, antall deler redusert fra 25 til 1, billigere å lage og lengre levetid. En kan lage et svært komplekst luft/drivstoff blandekammer i dysen) som bidrar til bedre kvalitet i forbrenningen. Forbedringen i virkningsgraden på motoren er allikevel marginal på grunn av dysen (den ene motorversjonen viste seg å ha 5% lavere effektivitet enn forventet).

  • 0
  • 1

Hej igen Kjetill,

Tak for henvisningen til Wiki-siden og citaterne. Jeg har gravet lidt ned i hvad de skriver på de to wikisider - hhv. for LEAP-motoren (https://en.wikipedia.org/wiki/CFM_Internat...) og for den tidligere version CFM56 som du også henviser til (https://en.wikipedia.org/wiki/CFM_Internat...).

Herunder mine observationer til de enkelte citater du lister:

"The engine has some of the first FAA-approved 3D-printed components."

Enig, det er også det tidligste (kommercielle) eksempel jeg kender til. Citatet er på wiki linket til denne artikel (https://web.archive.org/web/20170629213122...).

"GE is using ceramic matrix composites (CMC) to build the turbine shrouds.[8] These technological advances are projected to produce 16% lower fuel consumption".

Der er også to kildehenvisninger på wikisiden efter den sidste af de citere de sætninger med referencen til de 16% brændstofforbedring for LEAP-motoren. De to kilder er hhv. (https://www.cfmaeroengines.com/press-artic...) fra 13/7-2008 og (https://www.flightglobal.com/new-engines-f...) 6/10-2009.

The first full demonstrator engine is scheduled to run in 2012, and LEAP-X could be certified by 2016. This advanced new turbofan will reduce the engine contribution to aircraft fuel burn by up to 16 percent compared to current CFM56 Tech Insertion engines that power Airbus A320 and Boeing Next-Generation 737 aircraft. Additional fuel burn improvements will be achieved once this engine is paired with new aircraft technology.

Fra første artikel findes ovenstående som henviser til 16% forbedringer generelt for motoren (turbofan er typen). Den anden artikel citerer følgende:

GE and Snecma joint venture CFM is marketing a 16% reduction in fuel burn with its advanced-technology Leap X ducted turbofan.

Artiklerne nævner altså ikke specifikt hvilken del af motoren som bidrager til forbedringen. Interessant er det dog at begge referencer er fra hhv. 2008 og 2009. Den 3D-printede dyse var så vidt jeg ved et hemmeligt udviklingsprojekt i flere år, og er derfor ikke omtalte i de tidlige udmeldinger omkring teknologien bag motoren. Første annoncering af den 3D-printede dyse som jeg kan finde, er denne artikel fra 12/9-2013 (https://additivemanufacturing.com/2013/09/...).

"The LEAP is a new engine design based on and designed to replace the CFM56 series, with 16% efficiency savings by using more composite materials and achieving higher bypass ratios of over 10:1. LEAP entered service in 2016".

Teksten er som du nævner en henvisning til wikisiden for den tidligere CFM-motor, CFM56. Den citere tekst henviser til følgende artikel (https://www.cfmaeroengines.com/press-artic...) hvis eneste beskrivelse af motorens teknologi er nedenstående afsnit som nævner kompositmaterialer men også nævner den 3D-printede dyse. Det øgede tryk nævnes ikke i denne artikel.

The LEAP-1A, which powers the Airbus A319neo, A320neo, and the A321neo aircraft, features some of the industry’s most advanced technologies, including 3-D woven carbon fiber composite fan blades and fan case; a unique debris rejection system; 4th generation three dimensional aerodynamic designs; the Twin-Annular, Pre-Swirl (TAPS) combustor featuring additively manufactured fuel nozzles; ceramics matrix composite shrouds in the high-pressure turbine; and titanium aluminide (Ti-Al) blades in the low-pressure turbine.

"While the LEAP is designed to operate at a higher pressure than the CFM56 (which is partly why it is more efficient), GE plans to set the operating pressure lower than the maximum to maximize the engine's service life and reliability".

Citat fra LEAP-wikien. Der står ikke noget om at trykket har betydning for dysens virkning eller omvendt. Citatet linkes til denne artikel (https://aviationweek.com/air-transport/smo...) omkring de første tests af motoren, men er bag en abonnementsmur så jeg har ikke kunne kontrollere om der er mere information at hente der.

Der er uden tvivl mange komponenter og følgende designs som har betydning for den øgede effektivitet af motoren. Det var også hvad jeg svarede på din kommentar på det andet blogindlæg d. 29/9-2021.

Brændstofdysen er naturligvis en del af en større innovation af GE LEAP-motor i sammenligning med den tidligere generation. Så den 3D-printede dyse er en vigtig komponent, om end ikke den eneste, i at opnå de 15 % brændstofbesparelse.

Så vidt jeg kan se, så er de kilder som ikke nævner den 3D-printede dyse alle før den blev offentliggjort i 2013, hvilket kan forklare hvorfor GE og CFM ikke har nævnte dette i beskrivelsen af motoren.

Du nævner at ene motorversion, LEAP-1B, viste sig at have 5% lavere effektivitet end forventet. Har du et link til dette for artiklen som wikisiden henviser til som kinder er taget ned. (https://www.postandcourier.com/article/201...)

  • 0
  • 0

Artiklerne nævner altså ikke specifikt hvilken del af motoren som bidrager til forbedringen.

Artiklene (om Leap) nevner spesifikt hvilke deler av motoren som bidrar til økt effektivitet. Hvis en begynner forfra på motoren så har en bypassfaktor som øker fra 6 til 10 og 11 (altså bare en tiendedel av luften går gjennom motoren (engine core). Dagens motorer er egentlig tubopropmotorerer der propellbladene er inne i et rør). Moderne teknologi som karbonfiber gjør det mulig å realisere høy bypass ved at det enkelte vifteblad kan fritt formes og at viften blir både sterk og lett. Økt bypass er viktigste faktor for økt virknings grad. Deretter har en økt kompresjonsgrad gjennom lav og høytrykkskompressorer bedret effektiviteten. Videre så kan en operere med høyere temperaturer mot høytrykksturbinen ved hjelp av CMC (turbinblader dekket med keramisk matrise kompositt). Dette gir også et vesentlig bidrag til økt effektivitet.

Leapmotorene sliter nå med at belegget forsvinner hurtigere enn forutsatt!

Leap's nye dyser gir nok bare et minimalt bidrag til bedre virkningsgrad. Jeg tror ikke du vil klare å finne tall for noe bidrag fra dysene da et slikt bidrag knapt lar seg måle!

  • 0
  • 1

Hej Kjetill,

Hvis du henviser til de artikler jeg har listede ovenfor, så nævner de nogle årsager til forbedret brændstofforbrug. Det er dog som nævnt værd at huske, at at de to artikler er udgivet hhv. 4 og 5 år før GE offentliggjorde deres 3D-printede dyse, så det er vel ikke overraskende at den ikke er nævnt det.

Jeg har ikke kunne finde nøjagtige tal for det specifikke bidrag fra de 3D-printede dyser. Sand nok. Jeg vil vende den om og spørge om du kan finde tallet, for så er det jo nemt at lukke debatten. :-)

Tilsvarende har jeg heller ikke kunne finde et eneste tal for bidraget fra de andre motordele og designændringer - det ville også kunne give en indikation om forholdet.

Jeg tror personligt ikke at de enkelte deles bidrag kan måles individuelt. Det er et fintunet maskineri hvor tingene skal passe sammen for at fungere optimalt.

  • 1
  • 0

Jeg har ikke kunne finde nøjagtige tal for det specifikke bidrag fra de 3D-printede dyser. Sand nok. Jeg vil vende den om og spørge om du kan finde tallet, for så er det jo nemt at lukke debatten. :-)

Tilsvarende har jeg heller ikke kunne finde et eneste tal for bidraget fra de andre motordele og designændringer - det ville også kunne give en indikation om forholdet.

Hvis bidraget fra dysene er opp til 0,5% `(hvilket ville være fantastisk!), vil så liten påvirkning være veldig vanskelig å måle. Da måtte en ha to identiske fly (med unntak av brennkamre/dyser) som fløy samtidig fra A til B . Så måtte en skifte brennkamre/dyser mellom de to flyene og fly fra B til A. Så kunne en se på eventuell forskjell i brennstofforbruk.

Motorfabrikantene vet naturligvis ganske nøyaktig hvor de forskjellige forbedringene på motorene kommer fra. De arbeider naturligvis ikke i blinde. All utvikling fra femtitallet har stort sett gått langs de samme linjer, stadig større bypass faktor, stadig høyere temperaturer inn på høytrykksturbinen (materialer, avansert kjøling og avansert utforming av blader med kjølekanaler), og høyere kompresjonsforhold i kompressor, bruk av stadig mer raffinerte produksjonsteknologi for vifter og nå til sist bruk av karbonfiber. I tillegg kommer optimale turtall for komponente med aksler inne i aksler (Roll-Royce typisk tre aksler) og noen har gir mot viften for å få ned turtallet.

Om du ønsker det, kan jeg sikkert finne mye materiale som forteller hvor en fordobling av virkningsgrad av jetmotorene fra femtitallet til i dag kommer fra!

Utvikling av turbofanmotorer er ikke svart magi! En måler virknings grad på hvert trinn (vifte, lavtrykkskompressor, høytrykkskompressor, brennkammer, høytrykkssturbin, lavtrykksturbin og eksosdyse). Total virkningsgrad får ved å multiplisere alle virkningsgradene med hverandre (i dag 40+ for de beste motorene).

  • 0
  • 0

Hej Ketill,

Jeg har ikke påstået at udviklingen af disse motorer er hverken sort magi eller udført i blinde. Jeg er helt sikker på at producenterne har ganske gode tal for de forskellige designs og komponenter. Min påstand er blot at systemet skal være designet til at passe sammen. Korrekt størrelse og kompression iht. støkiometri, etc.

Hvis du kan må du meget gerne finde tallene for jetmotorernes forbedringer findes. De 15% som omtales er for LEAP iht. CFM56-motoren som kørte første gang i 1974. Så hvis der er sket en fordobling i virkningsgraden siden 1950'erne, så er 15% siden 1974 jo relativt beskedent.

  • 0
  • 0

Korrekt størrelse og kompression iht. støkiometri, etc.

Støkiometri er forholdet melom brensel og luft. For en bensinmotor dreier det seg om 1 til 14,7, mens turbofanmotorer ligger i området 50 til 130 (altså meget magert).

Jeg finner på Internett at forbrenningen (i brennkammer/dyse) ligger på 99% effektivitet. Her er det altså opp til 1 % å bedre virkningsgrad å finne i forhold til dagens praksis. Se følgende:

Combustion converts the chemical energy into a heat flow pretty successfully, with about 1% lost in incomplete combustion. This takes place in the combustion chamber.

Kilde: https://www.aviation.stackexchange.com/que...

The combustion efficiency of most aircraft gas turbine engines at sea level takeoff conditions is almost 100%. It decreases nonlinearly to 98% at altitude cruise conditions. Air-fuel ratio ranges from 50:1 to 130:1.

Kilde: https://www.en.wikipedia.org/wiki/Jet_engine

  • 0
  • 0

Hej Ketill,

Det er vel ikke procentdelen af forbrændt brændstof som er essentiel. Det er vel motorens overordnede virkningsgrad - altså hvor stor en del af den kemiske energi i brændstoffet der effektivt omsættes til fremdrift.

Hvis vi taler om forbedring af forbrændingsprocenten alene, så skal det nok passe at den 3D-printede dyse i LEAP-motoren ikke flytter mere end 0,5% hvis man i forvejen ligger så tæt på 100% forbrændt brændstof.

Som jeg har forstået princippet med LEAP-motoren og dysen, så handler det om at få mere arbejde (fremdrift) for mindre brændstof - altså en mere mager forbrænding til forhåbentligt samme effekt. En bedre konverteringsrate, mere end blot en fuldstændig forbrænding.

Det er i hvert fald sådan at jeg læser citatet fra CFM (https://www.cfmaeroengines.com/engines/leap/):

"Unlike traditional combustors that mix fuel and air inside the combustion chamber, the LEAP nozzle pre-mixes these elements to provide what our engineers call lean burn combustion. We just call it revolutionary."

  • 0
  • 0

Det er vel ikke procentdelen af forbrændt brændstof som er essentiel. Det er vel motorens overordnede virkningsgrad - altså hvor stor en del af den kemiske energi i brændstoffet der effektivt omsættes til fremdrift.

I stedet for å holde på din hypotese om magisk virkning av ny dyse, bør du prøve å sette deg inn i de naturviteskapelig fakta om drivstoff og forbrenning. Jeg har tidligere gitt deg en referanse som angir at forbrenningen i dagens jetmotorer er nær 100% i området fra mager til meget mager blanding (brensel luft 1:50 til 1:130). Mot yttergrensen (130) synker effektiviteten noe.

Her er en veldig god referanse dom går gjennom både motorenes historie (teknologi og ytelser), dagens teknologi og hva en har i vente, alt meget detaljert:

https://www.nap.edu/read/23490/chapter/6#41

Her kan en lese:

"Current combustion systems are better than 99 percent efficient in converting the chemical energy in fuel to heat. The design challenges are mainly ones of retaining this level of performance and the reliability needed for commercial airline service while reducing regulated emissions. Both lean burn and rich burn approaches have proven competitive to date".

Til tross for lengre kapittel om brennkamre/dyser sies intet om potensial for bedre virkningsgrad i brennkammeret (naturlig siden den allerede er 99%!).

Det meste av tapet i virkningsgrad er gjennom viften (i dag ca 75% effektiv) og den varme eksosen. Om Tc (ca 2000 K) er maks temperatur inn på høytrykksturbin og To (800 K) er temperatur på eksosen ut av motoren og standard temperatur Ts (200 K), så er virkningsgraden for kjernen = (Tc-To)/(Tc-Ts) = 67%. Multipliserer vi med vifteeffektivitet får en (67 x 0,75) = 50% som er maksimal effektivitet ut fra en temperaturbetraktning. Øvrige tap gjør at en ender på 40%+ for dagens beste motorer.

Dert er kort sagt ikke mulig at en magisk dyse skal endre virkningsgraden!

På Rolls-Royce hjemmesider kan en lese om deres brennkammersystem:

"The ALECSys (Advanced Low Emissions Combustion System) demonstrator is testing lean-burn system that improves the pre-mixing of fuel and air prior to ignition – delivering a more complete combustion of the fuel and, as a result, lower NOx and particulate emissions".

Det en oppnår er primært er altså lavere NOx-utslipp og partikkelutslipp. R-R gjennomgår de mange grunnene til at deres Ultrafan-motor vil bli 25% mer effektiv enn Trent-generasjonen. Brennkammer/dyser er over hodet ikk nevnt som basis for økt virkningsgrad.

  • 0
  • 0

Hej Ketill,

Tak for den uddybende forklaring og henvisningen til ”Commercial Aircraft Propulsion and Energy Systems Research - Reducing Global Carbon Emissions”. Bogen er fra 2016 så det må antages at forfatterne har været bekendt med GE’s 3D-printede dyse på tidspunktet for udgivelsen.

Og tak for at gøre mig lidt klogere på de tekniske aspekter af turbofan-motorer. Hvis dysen kun har betydning for første stadie, dvs. konverteringen af kemisk potentiale til varme, så medgiver jeg at de 99% som lader til at være standard fra slutningen af 1980’erne er svær at forbedre markant. Jeg ville tro at forbrændingen og støkiometrien ifm. forbrænding ville blive påvirket mere af dysen og at dette efterfølgende har ”down stream” effekter for resten af motoren, særligt under forskellige belastninger. Det var det jeg spurgte til i post #17. Jf. dine referencer lader det ikke til at være tilfældet.

Tak for en god debat og gode saglige argumenter og referencer.

  • 0
  • 0

eg ville tro at forbrændingen og støkiometrien ifm. forbrænding ville blive påvirket mere af dysen og at dette efterfølgende har ”down stream” effekter for resten af motoren, særligt under forskellige belastninger.

Så vidt jeg kan forstå så kjører alle motorer veldig likt med varierende grad av lean burn (altså mager blanding som igjen betyr mye luft i forhold til brensel). For eksempel må blandingsforholdet styres etter temperatur inn på høytrykksturbinen. Blir denne temperaturen for høy smelter turbinbladene. En måte å få ned temperaturen på er å slippe inn mer luft (altså gjøre blandingen magrere). Mer luft (i forhold til bresel) kjøler altså eksosen i brennkammeret ned.

Etter hvert som bladene på høytrykksturbinen blir mer "skitne" vil de lettere smelte og temparaturen må ned. Når maks temperatur går ned, blir motorens virkningsgrad dårligere. Dette kan rettes opp ved å rense bladene eller erstatte dem med nye. Utslaget på virkningsgraden er nok ikke stort. En CMF-56 motor har sittet på vingen opp til 50.000 timer før den er tatt ned for hovedoverhaling. En bensinmotor i en bil som har 300.000 km bak seg, har til sammenligning vært i drift ca 5.000 timer! Så turbofanmotorer er fantastiske på pålitelighet og utholdenhet særlig sammenlignet med siste generasjons radial motorer (mot slutten av 1950-tallet) med 18 sylindre (Wright R-3350).

Det er hyggelig å høre at vi begge har hatt nytte av denne diskusjonen! Helt enige er vi nok ikke, men dette var så langt vi kom!

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten