Что такое кпд авиационного двигателя

Турбиностроение

1. Турбостроение: основные направления
2. Турбиностроение в России
3. Инновации в турбостроении и пути дальнейшего развития отрасли

Турбиностроение (турбостроение) – это отрасль машиностроения, специалисты которой занимаются разработкой и строительством энергетических турбин, преобразующих ресурс входящего рабочего тела в механическую работу генератора энергии.

Турбостроение: основные направления

Турбинные агрегаты в своей конструкции имеют два основных элемента – ротор и статор. Первый представляет собой вращающийся вал, на который установлены диски с металлическими пластинами – лопатками.

Статор – это неподвижная часть турбины, которая состоит из корпуса и лопастей, служащих для направления потоков вещества на рабочие лопатки.

Для приведения вала турбины в движение используют мощность рабочих тел.

В зависимости от используемого вещества турбостроение делится на три основных отрасли: строительство паросиловых, газотурбинных и парогазовых установок.

Рис. 1. Паровая турбина

В структуре современной энергетики увеличивается доля газотурбинных и парогазовых агрегатов. Последние используют два двигателя, отработанный газ первой установки применяется для подогрева котла второй, благодаря чему увеличивается КПД работы.

Турбиностроение в России

Отечественное турбиностроение начало развиваться с конца 19 века. В 1895 году была сконструирована и собрана газотурбинная установка, которая не была введена в производство из-за быстрого выхода камеры сгорания из строя.

Первая советская паровая турбина была создана в 1924 году на Металлическом заводе.

В дальнейшем разрабатывалось большое количество турбинных установок, однако их мощность не была удовлетворительной.

В конце 90х годов был открыт проект по созданию высокомощного газотурбинного двигателя. Прогресс в его осуществлении был достигнут только после 2010х годов, когда в него вступили «Роснано», «ОДК-Сатурн» и «Интер РАО».

В 2019 году турбину, которая получила название ГТД-110М, внедрили в парогазовые установки.

Для ее обслуживания применяются только материалы российского производства, такие как антифрикционные твердосмазочные покрытия от отечественной компании «Моденжи». На хвостовики лопаток, подшипники скольжения, конденсатоотводчики, прессовые посадки, ходовые винты наносятся составы MODENGY 1001, MODENGY 1002, MODENGY 1005, MODENGY 1014, которые снижают трение подвижных деталей, защищают металлические элементы от коррозии и увеличивают ресурс оборудования.

Рис. 2. Лопатки турбин до и после нанесения защитного покрытия

Инновации в турбостроении и пути дальнейшего развития отрасли

Инновации в турбиностроении – это внедрение новых технологий для повышения эффективности работы турбинных двигателей.

Основные направления совершенствования разработки газотурбинных установок:

• Повышение рабочей температуры воздуха перед турбиной (достижение температуры горения топлива) и степени его сжатия внутри компрессора. Для этого необходимо создание более жаропрочных и жаростойких материалов для строительства камер сгорания, роторов, пластин
• Отказ от системы охлаждения путем изготовления керамических или углеродных лопаток, не требующих снижения температуры
• Строительство турбинных установок с учетом достижений авиастроения
• Увеличение срока службы турбин
• Совершенствование программного обеспечения
• Снижение количества вредных выбросов за счет применения более экологичного топлива и создания малоэмиссионных камер сгорания, выделяющих меньшее количество оксидов азота
• Уменьшение габаритов

Стандартные современные газотурбинные агрегаты имеют КПД 35 процентов, при этом температура газа на входе в двигатель составляет около +1300 °С.

Были созданы газовые турбины на базе авиационных двигателей, что позволило увеличить нагрев тела перед рабочей камерой до +1500 °С. Благодаря этому КПД достиг 44 процентов.

Рис. 3. Газовая турбина на базе авиационного двигателя

Если включить такие турбины в парогазовые установки, то КПД поднимется до 60 процентов.

Одной из инноваций современного турбостроения стало создание устройства с промежуточным охлаждением. При температуре воздуха в +1380 °С был достигнут КПД, равный 46 процентам.

Авиа двигатели. Типы двигателей используемых в авиастроении

Именно благодаря использованию авиа двигателей, прогресс развития современной авиации продолжает развиваться. Первые самолёты которые не были оснащены двигателями практически не получили своего практического применения, так как не могли перевозить более одного человека, да и значительные расстояния преодолеваемые такими воздушными судами большими никак не назовёшь.

Все авиа двигатели принято разделять на 9 основных категорий.

1. Паровые авиа двигатели;
2. Поршневые авиа двигатели;
3. Атомные авиа двигатели;
4. Ракетные авиа двигатели;
5. Реактивные авиа двигатели;
6. Газотурбинные авиа двигатели;
7. Турбовинтовые авиа двигатели;
8. Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;
9. Турбовентиляторные авиа двигатели.

Паровые авиа двигатели

Паровые авиа двигатели практически не нашли своего практического применения в авиации из-за низкого КПД своей работы. Главным принципом работы парового авиационного двигателя является преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение винтов за счёт энергии пара.

Стоит отметить, что первоначально паровые авиа двигатели предполагалось использовать на заре авиации, когда источник пара был наиболее доступным, однако из-за массивности своей конструкции паровые двигатели не смогли поднимать воздушные суда.

Поршневые авиа двигатели

Поршневой авиа двигатель представляет собой обычный двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяемого газа превращает поступательное движение поршня во вращательное движение винта. Такие авиа двигатели нашли своё применение, и применяются и по сегодняшний день из-за простоты своего функционирования и недорогостоящего изготовления.

КПД поршневого авиационного двигателя, как правило, не превышает 55 %, однако это ничуть не смущает современных авиаконструкторов, так как у этого двигателя имеется высокая надёжность.

Атомные авиа двигатели

Первые атомные авиа двигатели начали появляться в середине минувшего века, когда начались мирные исследования атома. Основным принципом работы атомного авиационного двигателя является осуществление контролируемой цепной ядерной реакции, что позволяло выдавать огромную мощность, при сравнительно небольшом уровне затрат.

Атомные авиа двигатели практически одновременно появились и в США и в СССР, однако сама идея того, что самолёт, пусть и с весьма компактным атомным реактором на своём борту может упасть и это впоследствии приведёт к катастрофе, заставила отказаться от этой идеи.

В США атомный авиационный двигатель применялся на самолёте Convair NB-36H, а в СССР на самолётах Ту-95 и Ан-22.

Ракетные авиа двигатели

Первые ракетные авиа двигатели появились в начале 40 годов прошлого столетия в Германии, когда немцы всеми усилиями пытались создать быстрый самолёт, который мог бы принести им победу во Второй мировой войне. Тем не менее, стоит отметить, что наука в те годы не позволяла совершить точный расчёт некоторых параметров, поэтому проект так и не был реализован. Впоследствии ракетные авиа двигатели испытывались исключительно с возможностью их применения для разгона самолётов в стратосфере, но применимость их весьма ограничена, и потому на сегодняшний день они практически не используются.

Основным недостатком ракетного авиационного двигателя является практически полное отсутствие управляемости на высоких скоростях.

Реактивные авиа двигатели

Реактивные двигатели весьма распространены на сегодняшний день в авиации и авиаконструкторском деле. Принцип работы этих авиа двигателей основывается на то, что необходимая тяга для воздушного судна создаётся за счёт преобразования в кинетическую энергию реактивную струи внутренней энергии авиационного топлива.

Реактивные двигатели весьма надёжны и эффективны и потому в ближайшее время стоит ожидать их дальнейшего совершенствования и развития.

Газотурбинные авиа двигатели

Принцип работы газотурбинного авиационного двигателя основывается на сжатии и нагреве газа, энергия которого впоследствии преобразуется в механическую работу, заставляя вращаться газовую турбину. Первые двигатели данного класса появились в Германии ещё в начале 40-х годов прошлого века, и на сегодняшний день они по-прежнему продолжают широко применяться в военной авиации, в частности устанавливаются на самолётах Су-27, МиГ-29, F-22, F-35 и т.д.

Газотурбинные авиа двигатели весьма эффективны на сравнительно небольших скоростях перемещения воздушных судов, и потому их применение в гражданской авиации также весьма обоснованно.

Турбовинтовые авиа двигатели

Турбовинтовые авиа двигатели представляют собой своеобразную разновидность газотурбинный авиационных двигателей, принцип действия которых основывается на том, что энергия горячих газов преобразуется во вращение винта, а около 10% от совокупной энергии превращается в толкающую реактивную струю.

Турбовинтовые авиа двигатели имеют хороший КПД и надёжны, что делает их эффективными и применимыми в гражданской авиации на многих воздушных судах.

Пульсирующие воздушно-реактивные авиа двигатели

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не нашли применения в современной авиации из-за неудовлетворительной своей эффективности. Главной особенностью их функционирования является то, что работают они на принципе воздушно-реактивного двигателя. С той лишь разницей, что топливо в камеру сгорания подаётся периодически, создавая своеобразные импульсы, позволяющие двигать объект в заданном направлении.

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели эффективны лишь при однократном своём использовании, в последующих же случаях, их использование снижает и саму надёжность и увеличивает затраты.

Турбовентиляторные авиа двигатели

Принцип работы турбовентиляторных авиационных двигателей сводится к тому, что подаваемый за счёт вентилятора воздух. Обеспечивает полное сгорание топлива за счёт избытка кислорода, что делает такие авиа двигатели и более эффективными и в тоже время наиболее экологически чистыми. Применяются подобные турбовентиляторные авиа двигатели как правило на крупных авиалайнерах, так как практически всегда у них имеется большая конструкция за счёт необходимости нагнетания дополнительного объёма воздуха.

Что такое кпд авиационного двигателя

• Новости
• Истории
• Тренды
• Игры
• Календарь

Сверхпроводящий электродвигатель для авиации называется ASuMED (Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator), создают его под руководством немецкой электрокомпании Oswald Elektromotoren. Инициаторы исследования получили европейский грант по программе Horizons 2020 в 2017 году, и сейчас к тестам почти все готово. Названа дата испытаний — февраль 2020 года. О сути проекта и прогрессе рассказывает Aviation Weekly.

Миллиардер Илон Маск уверен, что даже без сверхпроводников три четверти пути к триумфу электросамолетов уже пройдено. Например, такая схема впервые позволит разделить производство и приложение энергии, что откроет дорогу для невиданных дизайнерских решений.

Главная проблема — недостаточная плотность хранения энергии в аккумуляторах. Но как раз в этой области электродвигателю на сверхпроводниках нет равных: отсутствие потерь означает расчетный КПД 99,9% при тепловых потерях не более 1%. Тестовый двигатель весом 50 кг будет вырабатывать 1МВт мощности, что дает удельную мощность в 20 кВт на килограмм.

Это открывает дорогу к установке электродвигателей на магистральные лайнеры, а не только на легкие самолеты, как это происходит сейчас в рамках скромных пилотных проектов.

Инженер Oswald Ева Берберич говорит, что 1МВт — это лишь демонстрация, и для большого самолета, конечно, и двигатели нужны мощнее. Однако она уверена, что в случае успеха ASuMED ту же технологию можно масштабировать минимум в десять раз.

Oswald обсуждает возможности применения двигателя с Airbus, производителем турбовинтовых двигателей Rolls-Royce, а также Siemens — европейским лидером в создании электросамолетов.

Как это работает

ASuMED — это синхронный двигатель, в котором крутящий момент создается за счет взаимодействия магнитных полей в роторе и статоре. В роторе размещены сверхпроводящие цепи, которые создают более мощное магнитное поле, чем современные постоянные магниты из редкоземельных металлов. В статоре — сверхпроводящие катушки.

Главная проблема на нынешнем этапе — охлаждение, рассказывает Берберич. Сверхпроводники хотя и называются «выскотемпературными», но на деле для появления сверхпроводимости их надо охладить до -250 градусов Цельсия. Статор ASuMED охлаждается жидким водородом. Ротор, выделяющий 150 Вт тепла, — за счет испарения гелия.

К февралю 2020 года предстоит решить немало технических сложностей: стабилизировать намагниченность сверхпроводящих элементов, испытать отказоустойчивую систему питания.

В случае успеха авиаторы получат в свое распоряжение не только небывало эффективную, но и очень гибкую систему, указывает Берберич: «Если размещать двигатели под крылом, как сейчас, конструкция потребует нескольких больших двигателей. Для распределенной тяги потребуется больше двигателей, но поменьше размером. Разработчики сами скажут нам, что требуется».

Ранее ЭлектроВести писали, что а виационная отрасль генерирует миллион тонн выбросов CO2. Производство наносит существенный вред окружающей среде. Создание прочных деталей из титана, применяемые в конструировании оставляет после себя заметный углеродный след. Дмитрий Ковальчук, директор предприятия «Червона Хвиля», рассказал как украинская компания с помощью 3D-печати ищет решение этой проблемы.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Фантастический КПД. Полностью сверхпроводящий авиационный двигатель снизит выбросы и расход топлива

Ожидается, что в ближайшем будущем объем воздушных перевозок во всем мире возрастет, ежегодно увеличиваясь на 5%. Задуматься о снижении выбросов надо уже сейчас.

Эффективное использование топлива напрямую связано с сокращением выбросов. Создан готовый для испытаний прототип полностью сверхпроводящего авиационного двигатель, обеспечивающий удельные мощность и КПД, необходимые для гибридно-электрической распределительной тяги будущих крупных гражданских самолетов (A320, A350), который должен снизить выбросы CO₂ на 75%, NOx и твердых частиц на 90%, шума на 65% и расхода топлива на 70% (базовые расчеты 2000 года).

Двигатель создан в рамках программы Advanced Superconducting Motor Experimental Demonstrator (ASuMED), координируемой немецкой компанией Oswald Elektromotoren при поддержке европейской программы Horizon 2020.

Это синхронный двигатель, в котором вращающий момент создается за счет магнитного поля, генерируемого в высокотемпературных сверхпроводящих роторе и статоре, работающих при температуре — 250°C .

Двигатель имеет мощность 1 МВт и плотность — 20 кВт⋅ч. Такой силовой агрегат рассчитан на работу с общей эффективностью более 99,9% при тепловых потерях менее 1%.

Среди трудностей, с которыми команда инженеров столкнулась при разработке ASuMED, — устройство системы охлаждения для статора и ротора, а также контроль намагниченности сверхпроводящих элементов. В качестве источника низких температур криостата для статора выбран водород, тогда как для ротора — гелий.

В перспективе Oswald Elektromotoren планируют повысить мощность силового двигателя с 1 до 10 и более мегаватт. Программа ASuMED, стартовавшая в 2007 году, должна завершиться в феврале-марте 2020 года созданием полностью готового демонстратора.

Сверхпроводимостью называется обращение в ноль электрического сопротивления при достижении проводником некоторой (критической) температуры.

Низкотемпературная сверхпроводимость связана с прекращением теплового движения атомов вещества и образованием куперовских квазичастиц (связанных пар электронов).

Высокотемпературные сверхпроводники имеют отличающиеся от низкотемпературных свойства, прежде всего, квазидвумерность и многозонность, которые приводят к появлению сверхпроводимости, как правило, при температурах до минус 243°C . Двумерность обусловлена слоистой структурой сверхпроводника, а многозонность — различием в организации кристаллических решеток слоев и их взаимодействием.