Kỹ sư Nga phát minh động cơ chưa từng có, được Viện Sở hữu Công nghiệp cấp bằng sáng chế luôn

Cánh quạt động cơ máy bay với "lõi gỗ": Kỹ sư Nga tìm ra cách giảm tải cho tuabin

Nghe có vẻ nghịch lý: Một chiếc động cơ phản lực, nơi nhiệt độ có thể vượt quá 500°C, lại chứa gỗ bên trong.

Nhưng đó chính xác là những gì một kỹ sư người Nga, ông Anatoly Onishchenko, vừa được Viện Sở hữu Công nghiệp Liên bang Nga (trực thuộc Cơ quan Sở hữu trí tuệ Liên bang Nga) cấp bằng sáng chế cho phát minh của mình: Sản xuất cánh quạt động cơ tuabin khí có lõi rèn từ gỗ carbon hóa, truyền thông nước này đưa tin ngày 10/8.

Nhờ cấu trúc composite, cánh quạt có thể hoạt động ở nhiệt độ trên 500°C. Theo tác giả, điều này giúp giảm chi phí sản xuất, giảm trọng lượng linh kiện và đơn giản hóa thiết kế động cơ tuabin khí mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Trong tương lai, công nghệ này có thể được ứng dụng trong động cơ máy bay dân dụng và quân sự, cũng như trong các thiết bị nén khí trên mặt đất.

Hợp kim bên ngoài, gỗ carbon hóa bên trong

Về bản chất, phương pháp này dựa trên kỹ thuật dập tạo hình khối cho phôi cánh tuabin, gồm hai phần là lớp vỏ ngoài và lõi bên trong.

Lớp vỏ được làm từ hợp kim chịu nhiệt, chẳng hạn như titan, nhằm đảm bảo cánh quạt chịu được nhiệt độ khắc nghiệt và áp lực cơ học trong buồng đốt.

Phần lõi bên trong, thay vì đặc kín bằng kim loại như truyền thống, lại được làm từ gỗ đã qua carbon hóa (gỗ than hóa), có thể là gỗ hoàng dương, gỗ sồi hoặc gỗ bạch dương.

Kết quả của sự kết hợp "lạ mà quen" này là một cánh tuabin nhẹ hơn đáng kể so với cánh đặc truyền thống, nhưng vẫn giữ được khả năng chịu nhiệt trên 500°C, đủ để hoạt động ổn định trong môi trường vận hành khắc nghiệt của động cơ phản lực.

Vì sao phát minh này là một bước tiến đáng chú ý cho môi trường?

Trọng lượng luôn là kẻ thù số một của hiệu suất nhiên liệu trong ngành hàng không.

Mỗi kilogram giảm được trên một chiếc máy bay đồng nghĩa với việc tiêu thụ ít nhiên liệu hơn trong suốt vòng đời vận hành, và do đó thải ra ít khí CO2 hơn.

Cánh tuabin là một trong những bộ phận chuyển động chịu tải nặng và lặp lại hàng nghìn lần mỗi phút khi động cơ hoạt động, nên bất kỳ sự cắt giảm khối lượng nào ở đây cũng có tác động khuếch đại lên toàn bộ hệ thống, từ lực ly tâm tác động lên trục, đến năng lượng cần thiết để duy trì vòng quay.

Nếu công nghệ lõi gỗ than hóa được áp dụng rộng rãi trong các đội máy bay dân dụng và quân sự, cũng như trong các trạm nén khí đặt trên mặt đất, tác động cộng dồn về mặt tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải có thể rất đáng kể, đặc biệt trong bối cảnh ngành hàng không toàn cầu đang chịu áp lực ngày càng lớn phải giảm dấu chân carbon.

Bên cạnh đó là câu chuyện về chi phí sản xuất.

So với việc gia công một khối kim loại đặc hoàn toàn, vốn tiêu tốn nhiều nguyên liệu quý hiếm, năng lượng nung chảy và thời gian gia công cơ khí chính xác, thì việc sử dụng lõi gỗ than hóa giúp giảm lượng hợp kim chịu nhiệt cần thiết.

Đây không chỉ là bài toán kinh tế mà còn là bài toán tài nguyên. Hợp kim titan và các hợp kim chịu nhiệt khác thường đòi hỏi quy trình khai thác, tinh luyện tốn nhiều năng lượng và có tác động môi trường không nhỏ.

Giảm lượng vật liệu này xuống, dù chỉ ở phần lõi, cũng đồng nghĩa với việc giảm áp lực lên chuỗi cung ứng khoáng sản chiến lược.

Một hướng đi không hoàn toàn mới, nhưng đầy tiềm năng

Đáng chú ý, đây không phải lần đầu tiên ngành công nghiệp hàng không Nga công bố những cải tiến trong công nghệ chế tạo cánh tuabin.

Trước đó đã có những công bố về công nghệ sản xuất cánh tuabin bằng phương pháp kết tinh định hướng đơn tinh thể trên các dòng động cơ PD-8 và PD-14; hay công nghệ chế tạo linh kiện động cơ từ bột kim loại thiêu kết.

Sự xuất hiện của phương pháp lõi gỗ than hóa cho thấy ngành công nghiệp này đang tích cực tìm kiếm nhiều hướng đi song song để giải quyết cùng một bài toán cốt lõi: Làm sao vừa nhẹ, vừa bền, vừa rẻ, vừa thân thiện với môi trường hơn.

Về mặt kỹ thuật, gỗ carbon hóa là vật liệu đã được biết đến với đặc tính chịu nhiệt và cách nhiệt tốt, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ vật liệu composite đến tấm chắn nhiệt.

Việc đưa nó vào làm lõi cho một bộ phận quay tốc độ cao, chịu ứng suất lớn như cánh tuabin đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ quy trình carbon hóa để đảm bảo tính đồng nhất và độ bền cơ học. Đây có lẽ là phần khó nhất, và có khả năng cũng là điểm mấu chốt trong sáng chế được cấp bằng.

Chặng đường phía trước

Tất nhiên, từ một bằng sáng chế đến việc ứng dụng thực tế trên các động cơ thương mại là một hành trình dài, đòi hỏi hàng loạt vòng thử nghiệm độ bền, kiểm định an toàn hàng không nghiêm ngặt và tối ưu hóa quy trình sản xuất ở quy mô công nghiệp.

Nhưng nếu thành công, đây có thể là một minh chứng cho thấy đôi khi lời giải cho những bài toán công nghệ cao - giảm khối lượng, giảm phát thải, giảm chi phí - lại đến từ một vật liệu tưởng chừng giản dị và cổ xưa như gỗ.