Arskama.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Анимации работы реактивных двигателей

Превращение самого мощного в мире реактивного двигателя в 65-мегаваттную газотурбинную установку

Турбина самого крупного среди существующих в мире турбовентиляторных авиадвигателей – GE90-115B – стала «сердцем» новейшей газотурбинной установки (ГТУ) LM9000. Авиационный «предок» машины развивает тягу более 58 тонн и занесен в Книгу рекордов Гиннеса, как самый мощный авиадвигатель. Мощность ГТУ LM9000 подстать родителю-рекордсмену — 65 МВт. В варианте газотурбинной электростанции данной мощности достаточно, чтобы обеспечить электричеством более 6500 частных домов. Время выхода ГТУ на полную мощность составляет всего 10 минут. «Мы взяли лучшие технологии GE и создали самую большую и самую мощную ГТУ авиационного типа из когда-либо существовавших,» – рассказал технический директор проекта, GE Oil & Gas, Маурицио Циофини.
Идея использовать реактивные двигатели в качестве наземных приводных ГТУ не нова и давно применяется на практике. Отсюда в названии таких машин и появилось словосочетание «авиационного типа»: оно отсылает нас к истокам проекта, вобравшего в себя лучшие технологии и опыт специалистов по аэрокосмическим системам GE Aviation.

Создание этой машины – яркий пример использования уникального ресурса, который в GE называют GE Store. Он позволяет бизнесам компании по всему миру обмениваться технологиями, опытом и профессиональными знаниями. Сегодня ГТУ авиационного типа служат источником энергии не только для социальных городских объектов и заводов, но и для нефтяных платформ и судов.

Изображение наверху страницы:

На фото представлен GE90 – самый мощный турбовентиляторный двигатель в мире – в момент, когда Boeing 747 разгоняет турбины перед взлетом на испытательном авиационном полигоне GE в Викторвилле (штат Калифорния, пустыня Мохаве). Воздушный поток, создаваемый двигателем, настолько сильный, что способен вырвать куски грунта позади взлетной полосы и поднять их в воздух. GIF—анимация из архива GE Aviation.

Фото здесь и далее:

На фото представлены ключевые компоненты турбореактивных двигателей, используемых в конструкции LM9000. Некоторые детали турбины будут произведены при помощи 3D-печати. Мощность ГТУ составляет 65 МВт.

Славные предки LM9000

Первое поколение турбин авиационного типа – LM100 – инженеры GE создали на основе вертолетного двигателя в конце 50-х годов прошлого века. Следующая установка, LM1500, уже содержала в себе компоненты первого сверхзвукового двигателя от GE – J79 – и производила более 10 МВт энергии. GE Power продолжила совершенствовать конструкцию турбины уже на основе двигателя CF6, который был установлен на самолет президента США и другие лайнеры Boeing 747s. Турбовентиляторный агрегат GE F404 также оказал влияние на развитие авиатурбинных технологий: он использовался в военных самолетах F/A-18 Hornet и F-117 Nighthawk. Энергоустановки на основе этих двигателей производят электричество в самых отдаленных уголках мира, а также работают на самом быстром в мире пассажирском пароме.

Больше мощности, больше эффективности, меньше недостатков

LM9000 поднимает отрасль на новый технический уровень. Команда GE Oil & Gas разработала данную ГТУ, прежде всего, в качестве механического привода компрессоров для заводов по сжижения природного газа (СПГ). Она также может применяться в составе газотурбинной электростанции (ГТЭС). «Завод по производству СПГ похож на гигантский холодильник, только вместо производства льда и охлаждения продуктов, он переводит природный газ в жидкое состояние, охлаждая его до -160 градусов по Цельсию,» – отметил Тайо Монтгомери, инженер по работе с клиентами GE Oil & Gas. Он также отметил, что LM9000 обладает достаточной мощностью, позволяющей операторам завода СПГ возобновить производство без сброса хладагента со всего оборудования, установленного на предприятии. «Установка имеет такую мощность и крутящий момент, что вы можете просто запустить рабочий процесс, встать и уйти,» — говорит Монтгомери.

Двигатели GE90, послужившие основной для новой установки, наработали 41 млн. летных часов с момента ввода в эксплуатацию в 90-х годах прошлого века. По данным GE, они продемонстрировали впечатляющие показатели вероятности вылета по расписанию — 99,98%. Кроме того, они просты в обслуживании. «Капитальный ремонт газовых турбин на заводах СПГ предыдущего поколения, может продолжаться в течение 24 дней, – рассказал Монтгомери, – А мы можем провести полную замену всех комплектующих LM9000 за 24 часа».

Команда инженеров внесла и другие усовершенствования в конструкцию и функционал машины, чтобы LM9000 максимально соответствовала потребностям промышленного применения. Они адаптировали турбину для работы на природном газе, в то время как двигатель, послуживший ее основой, проектировался для работы на авиационном топливе. Установка также будет иметь инновационную камеру сгорания, созданную при помощи технологии 3D-печати. Благодаря ее внутреннему устройству турбина выделяет меньше вредных выбросов и отвечает современным международным стандартам по экологической безопасности.

Напрасно любители техники будут искать «под капотом» установки мультипликатор. ГТУ имеет в своей конструкции «свободную силовую турбину», что позволяет установке работать максимально эффективно в широком диапазоне мощности и частоты вращения. «LM9000 обеспечивает самый высокий коэффициент готовности в сочетании с низкой стоимостью эксплуатации на СПГ-предприятиях,»– говорит Притэм Баласубраманьям, менеджер продукта LM9000, GE Oil & Gas. Он также отметил и другие преимущества новой ГТУ: LM9000 производит на 20% больше мощности, сохраняет работоспособность при увеличении межремонтных интервалов на 50% и в выхлопе ГТУ содержится на 40% меньше оксидов азота, по сравнению с существующими аналогами. По словам Притэма, такая комбинация преимуществ позволила бы заводам СПГ снизить производственные издержки на 20%.

Ввод первой установки в эксплуатацию запланирован на первую половину 2019 года.

реактивное движение

Максимальная скорость привычных водных транспортных средств ограничена. В их двигателях происходит непрямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды: через преобразование в механическую энергию различного рода движителей (гребных винтов, турбин, насосов). Неизбежные при непрямом преобразовании потери приводят к ограничению на максимальную скорость — на уровне 100-130 км/ч (это связано с кавитацией, разрушающей лопасти винтов, импеллеров и др.). Но это ограничение преодолеть можно.

Читать еще:  Большие обороты при пуске холодного двигателя

В Центре импульсно-детонационного горения (Центр ИДГ) при Институте химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ИХФ РАН) разработаны, созданы и испытаны экспериментальные образцы прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя, работающие на иных физических принципах и не имеющие мировых аналогов. В новом движителе происходит прямое преобразование химической энергии топлива в энергию движения воды. В результате надводному объекту сообщается гидрореактивная тяга, ускоряющая его до скоростей, недостижимых при использовании традиционных движителей. Отличительная особенность нового движителя — применение наиболее энергоэффективного и энергосберегающего рабочего цикла: цикла Зельдовича* с управляемым детонационным горением смеси моторного топлива с окислителем. Кроме того, в нем нет подвижных механических частей.

Экспериментальные образцы спроектированы специалистами ИХФ РАН на основе гидродинамических расчетов, позволивших оптимизировать параметры движителя. Конструкция и принцип работы движителя просты (рис. 1). Он представляет собой водовод (профилированную трубу с водозаборным устройством и соплом, погруженную в воду) с введенной в него импульсно-детонационной трубкой. Импульсно-детонационная трубка — сердце движителя — предназначена для генерации коротких, но очень интенсивных периодических импульсов давления в виде ударных волн, выходящих в водовод и выбрасывающих забортную воду из водовода через сопло. Каждый импульс давления в импульсно-детонационной трубке — это детонационная волна, образованная в результате зажигания топливной смеси и последующего быстрого, но управляемого перехода горения в детонацию — ускорения пламени от

2000 м/c. Каждая ударная волна, выходящая в водовод, вовлекает воду в движение к соплу и, следовательно, придает движителю импульс силы — реактивной тяги.

Рис. 1. Схема плоского прямоточного водометного движителя

Важнейший фактор, влияющий на передачу количества движения от ударной волны к воде, а значит, и на энергоэффективность,— это сжимаемость воды, которая сильно зависит от содержания в ней газов. Вода в таком движителе всегда насыщена пузырьками с газообразными продуктами детонации предыдущего цикла, а при высокой скорости — еще и кавитационными пузырьками. Сжимаемость пузырьковой среды велика, больше, чем сжимаемость чистого газа. Расчет показывает, что при газосодержании в 20-25% прибавка скорости воды за ударной волной в водоводе может достигать 30-40 м/c.

На рис. 2 показан пример расчета одного цикла (частота циклов 10 Гц) на установившемся режиме работы плоского прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ИДГРД) при набегающем со скоростью 5 м/с потоке воды. Сверху вниз на шести картинках показана эволюция распределения объемной доли. Верхняя и нижняя картинки очень похожи, значит, начальные условия для каждого рабочего цикла хорошо воспроизводятся. К такому же выводу приводит рис. 3, на котором показана расчетная зависимость мгновенной тяги движителя от времени в первых семи рабочих циклах. Повторяемость формы импульсов достигается уже после двух-трех начальных «выстрелов», а средняя тяга в них положительна, то есть направлена против набегающего потока воды. Если разделить значение средней тяги на секундный расход топливной смеси, придем к ключевому показателю энергоэффективности — удельному импульсу тяги. Расчеты показали, что такой прямоточный движитель может иметь удельный импульс на уровне 400 с при начальном давлении топливной смеси в импульсно-детонационной трубке, близком к атмосферному. Это выше, чем у самых современных ракетных двигателей (200-300 с на уровне моря) при очень высоком давлении в их камере сгорания.

Рис. 2. Рабочий цикл прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя при частоте 10 Гц. Красный цвет соответствует газу, синий — воде, а промежуточные цвета — воде с разным объемным газосодержанием. Расчет проведен для половины движителя

Рис. 3. Расчетная зависимость мгновенной тяги прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от времени при рабочей частоте 10 Гц. Горизонтальная штриховая линия — средняя тяга после нескольких первых циклов

На рис. 4 показана схема экспериментального образца импульсно-детонационного гидрореактивного движителя (ЭО ИДГРД). Как и в расчетной схеме (см. рис. 1), ЭО состоит из импульсно-детонационной трубки и из прямоточного водовода с водозаборным устройством и соплом. Всего создано и испытано шесть ЭО ИДГРД разных конфигураций: пять в бесклапанном исполнении и один с механическим клапаном.

Рис. 4. Схема экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя

Компоненты топлива — горючее (бензин) и окислитель (кислород) — подаются в импульсно-детонационную трубку раздельно. Чтобы исключить преждевременное воспламенение топливной смеси, непосредственно перед ее подачей в трубку кратковременно подается продувочный газ — азот.

Система зажигания состоит из электронного модуля зажигания и двух автомобильных свечей. Система управления включает блок управления и исполнительные устройства — электромагнитные клапаны подачи кислорода и азота, форсунки и модуль зажигания. Программное обеспечение блока управления позволяет задавать интервалы подачи топливных компонентов, продувочного газа и импульса зажигания .

Для организации быстрого перехода горения в детонацию и образования детонационной волны в импульсно-детонационной трубке установлены турбулизаторы-завихрители. Трубка изгибается, так что донорная детонационная волна выходит в сопло водовода соосно (параллельно) потоку воды и, трансформируясь в ударную волну, передает воде запасенное количество движения.

Для проведения огневых испытаний ЭО ИДГРД изготовлен испытательный стенд. Схема испытательного стенда — бассейна с системой создания затопленной струи воды — представлена на рис. 5. Для измерения тяги используется тягоизмерительная рама с датчиком усилия (рис. 6). При обтекании ЭО струей воды без подачи топливных компонентов показания датчика усилия принимаются за ноль, а при работе ЭО датчик измеряет тягу.

Читать еще:  Что такое двигатель полуавтомат на мотоцикле

Рис. 6. Экспериментальный образец прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя на тягоизмерительной раме

Фото: Сергей Фролов

Рис. 5. Схема испытательного стенда

Система создания затопленной струи включает мотопомпу, а также приемный и подающий водоводы. Вода засасывается в мотопомпу через приемный водовод и вводится обратно в бассейн в виде затопленной струи через подающий водовод. Выходной диаметр сопла подающего водовода практически совпадает с входным диаметром водозаборного устройства ЭО, так что через него проходит большая часть водяного потока, и лишь небольшая часть обтекает ЭО снаружи. Таким образом, испытания проводятся в условиях, когда внешним гидродинамическим сопротивлением можно пренебречь.

На рис. 7 показаны примеры записей датчика усилия при работе ЭО ИДГРД с частотой 1 и 20 Гц. Экспериментальные записи мгновенной тяги очень похожи на расчетные (см. рис. 3), причем средняя тяга в эксперименте также существенно положительна.

Рис. 7. Измерения мгновенной тяги при работе экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя с частотой 1 Гц (сверху) и 20 Гц (снизу)

На рис. 8 показана итоговая экспериментальная зависимость основного показателя энергоэффективности движителя — удельного импульса тяги — от рабочей частоты для всех испытанных ЭО ИДГРД. Видно, что с увеличением рабочей частоты удельный импульс тяги в среднем снижается от

1000 с при частоте 1 Гц до

300 с при 20 Гц, причем при частоте 10 Гц эксперимент хорошо согласуется с расчетом (см. рис. 3). При этом средняя измеренная тяга возрастает с увеличением рабочей частоты от

10 Н при частоте 1 Гц до

40 Н при частоте 20 Гц. Как и в расчете, при экспериментальном определении тяги и удельного импульса первые рабочие циклы не учитывались. В отдельных сериях испытаний показано, что удельный импульс тяги возрастает с увеличением скорости набегающего потока. Это связано с улучшением наполнения водовода водой перед следующим рабочим циклом. Следует подчеркнуть, что во всех испытаниях начальное давление топливной смеси в импульсно-детонационной трубке было близким к атмосферному .

Рис. 8. Измеренные зависимости удельного импульса тяги экспериментального образца прямоточного импульсно-детонационного гидрореактивного движителя от рабочей частоты (разные значки для разных образцов)

Отдельно отметим низкий уровень шума при работе ИДГРД и практически полное отсутствие вредных веществ в выхлопных газах. Низкий уровень шума связан с быстрым затуханием ударных волн в струе пузырьковой среды, а отсутствие вредных веществ — с использованием детонационного горения топлива, при котором высокотемпературные химические превращения происходят в режиме самовоспламенения с очень большой скоростью и высокой полнотой реакции.

Таким образом, впервые в мире спроектированы, изготовлены и испытаны ЭО движителя нового типа для скоростного водного транспорта — прямоточного ИДГРД с прямым преобразованием химической энергии топлива в движение воды.

Испытания проведены на специально разработанном стенде, позволяющем создавать набегающий поток воды со скоростью до 10 м/с. Для лучших образцов движителя экспериментально получены удельные импульсы тяги на уровне 1400 с при низкой рабочей частоте (1 Гц) и 400 с при высокой рабочей частоте (20 Гц). То есть удельный импульс оказался значительно выше, чем у современных жидкостных ракетных двигателей с высоким давлением в камере сгорания (до 200-300 атм.).

Создание практического ИДГРД должно стать одной из приоритетных задач для отечественного скоростного флота. Но новый движитель может использоваться и на тихоходных судах, особенно на мелководье и в арктических водах, где ледяная шуга вызывает эрозию гребных винтов. Он отличается энергоэффективностью, простотой конструкции, отсутствием видимых ограничений по быстроходности, чистотой выхлопных газов и низкой шумностью. Для него также характерны: простота регулирования тяги за счет изменения рабочей частоты, простота масштабирования тяги за счет укрупнения и/или изменения количества импульсно-детонационных трубок, простота регулирования вектора тяги без использования поворотных рулей, а также способность работать на любом топливе, причем при использовании воздуха в качестве окислителя.

Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ

(По материалам проекта Минобрнауки «Разработка технологии создания гидрореактивной тяги в водометных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств и создание стендового демонстрационного образца гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя»).

*О демонстрационном образце ракетного двигателя с детонационным горением, использующем цикл Зельдовича, «Наука» рассказывала в февральском номере.

PDF-версия

  • 32
  • 33

Реактивная тяга или как устроен ионный реактивный двигатель

Не секрет, что все реактивные двигатели работают за счёт закона сохранения импульса. Именно из него вытекает, что реактивная тяга — это произведение массового расхода на скорость выхода рабочего тела из сопла.

Эту скорость принято называть удельным импульсом реактивного двигателя. Давайте для примера найдём реактивную тягу при стрельбе из автомата Калашникова, которая является основной составляющей отдачи. Пусть масса пули будет 0,016 кг, начальная скорость пули 700 м/с, а скорострельность 10 выстр./с. Тогда отдача F=700∙0,016∙10=112 Н (или 11 кгс). Большая отдача, но тут приведена техническая скорострельность 600 выстр./мин. В реальности стрельба ведётся очередями или одиночными и составляет ≈50 выстр./мин.

Вернёмся к реальным реактивным двигателям, в которых вместо пуль обычно используются потоки выходящего с гиперзвуковой скоростью газа. Химические реактивные двигатели являются самыми распространёнными, но не единственными.

В этой статье, с большим предисловием, я хочу рассказать об ионных реактивных двигателях (далее ИРД). ИРД используют в качестве рабочего тела заряженные частицы — ионы. Ионы имеют массу, и если их разогнать электрическим полем, то можно создать реактивную тягу. Это всё в теории, а теперь подробнее. ИРД имеет некоторый запас газа, который ионизируют (т.е. нейтрально-заряженные атомы газа разбивают на отрицательные электроны и положительные ионы) с помощью газового разряда. Далее ионы разгоняются электрическим полем с помощью специальной системы сеток, и эта же система сеток блокирует движение электронов. После того, как положительные ионы вылетели из сопла, их нейтрализуют отрицательными электронами (в результате этого происходит рекомбинация и газ начинает светиться), чтобы ионы не притягивались обратно к двигателю, и тем самым не снижали его тяги.

Читать еще:  Что нужно для диагностики дизельного двигателя

Удельный импульс ионных реактивных двигателей достигает 50 км/с, что в 150 раз превышает скорость звука! Увы, но тяга таких двигателей составляет около 0,2 Н. Почему же так? Ведь удельный импульс очень большой. Дело в том, что масса ионов очень маленькая и массовый расход получается небольшим. Для чего тогда такие двигатели нужны, если они ничего не смогут сдвинуть с места? На Земле может быть не смогут, а вот в космосе, где нет сил сопротивления, они достаточно эффективные. Существует такое понятие как полный импульс — произведение тяги на время или произведение удельного импульса на массу топлива, который у ИРД является достаточно большим.

Решим следующую задачу. Пусть жидкостный ракетный двигатель имеет удельный импульс 5 км/с, а у нашего ИРД он будет 50 км/с. И давайте масса рабочего тела (в ЖРД она равна массе топлива) у обоих двигателей будет 50 кг. Примем массу космического аппарата равной 100 кг.
Найдём по формуле Циолковского конечную скорость аппарата (т.е. когда в нём закончится рабочая масса).

И что получается, если ионный и химический реактивные двигатели будут иметь одинаковую массу топлива, то ИРД сможет разогнать космический аппарат до больших скоростей, нежели химический РД. Правда на ИРД космический аппарат будет разгонятся дольше до конечной скорости, чем на ЖРД. Но в путешествиях к далёким планетам, высокая конечная (разгонная) скорость будет компенсировать этот недостаток.

ИРД используются и в наше время. Например, аппарат Deep Space 1 сблизился с астероидом Брайль и кометой Борелли, передал на Землю значительный объём ценных научных данных и изображений.


Deep Space 1

Также космическая антенна LISA, которая сейчас находится на стадии проектирования, будет использовать ИРД для корректировки орбиты.


Laser Interferometer Space Antenna

И напоследок, давайте определим тягу ИРД, зная массу иона М=6,5∙10^-26 кг, ускоряющие напряжение U=50 кВ, ток нейтрализации I=0,5 А, элементарный заряд е=1,6∙10^-16 Кл.

Напряжение — это работа по переносу заряда, т.е. на выходе из сопла ион будет иметь кинетическую энергию равную произведению напряжения на заряд иона. Из кинетической энергии выражаем скорость (удельный импульс). Найдём массовый расход из определения тока, электрический ток — это проходящий заряд во времени. Получается, что массовый расход — это произведение массы иона и тока, делённое на заряд иона. Перемножая удельный импульс и массовый расход, получаем тягу равную 0,1 Н.

Подводя итог, хочу сказать, что существуют плазменные реактивные двигатели, у которых схожее устройство, но которые имеют намного больший массовый расход рабочего тела. Кто знает, может быть уже завтра на таких двигателях человечество будет летать на Марс и Луну.

Виртуальный программный комплекс «Устройство и принцип работы турбореактивного двигателя Д-18»

Данный комплекс позволяет с помощью трехмерной графики и наглядного действующего макета изучить устройство, принцип работы и конструкцию двухконтурного турбореактивного (ТРДД) двигателя Д-18.

В данном комплексе реализованы подробные трехмерные модели, полностью аналогичные реальным узлам и деталям исследуемого двигателя.

Программное обеспечение содержит трехмерные разрезы основных элементов двигателя, а также позволяет проиллюстрировать процесс его работы с помощью анимации и системы частиц.

По каждому элементу двигателя приведена справочная информация об устройстве и принципе его действия.

ПО позволяет изучать работу основных систем двигателя.

Комплекс может поставляться в комплекте с физическим действующим макетом двигателя, приводимым в действие компрессором.

Действующий макет позволяет изучить кинематику подвижных частей турбин и компрессоров двигателя и провести демонстрацию работы с возможностью включения и отключения различных ступеней компрессора действующей физической модели прямо из приложения.

Физическая модель двигателя позволяет повысить наглядность моделируемых процессов и лучше соотнести виртуальную копию двигателя с физической реализацией.

Перечень лабораторных работ, проводимых на данном стенде:

  • Изучение конструкции и принципа работы двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД)
  • Тестирование знаний по конструкции и назначению основных элементов реактивных двигателей.
  • Отработка на модели визуализации типовых аварийных ситуаций.
  • Изучение схем систем двигателя и расположения основных узлов на цифровой копии.

Комплекс представлен в трёх комплектациях:

Комплектация 1

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором.

Программное обеспечение комплекса позволяет с помощью трехмерной графики и анимации изучить устройство и конструкцию двигателя, а также продемонстрировать процесс работы двигателя по этапам с визуализацией внутренних процессов.

Стоимость 624 830,00

Комплектация 2

Состав:

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором;
  3. Комплект виртуальной реальности.

Программное обеспечение комплекса позволяет с помощью трехмерной графики и анимации изучить устройство и конструкцию двигателя, а также продемонстрировать процесс работы двигателя по этапам с визуализацией внутренних процессов.
Также данный комплекс содержит в составе систему виртуальной реальности, позволяющей оперировать виртуальной копией двигателя в реальном времени и масштабе а также более детально изучить его внутреннее строение.

Стоимость 798 400,00

Комплектация 3

Состав:

  1. Специализированное ПО на носителе;
  2. Персональный компьютер с монитором;
  3. Комплект виртуальной реальности;
  4. Действующий физический макет двигателя выполненный с помощью трехмерной печати.

Дополнительный модуль в виде действующего трехмерного макета сопряженного и гармонизированного с виртуальной копией двигателя.

Макет имеет настольное исполнение и приводится в движение сжатым воздухом.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector