Mio-tech-service.ru

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

Что такое квд двигателя

КВД и ТНД

О разработке в России авиационных деталей из алюминида титана

Снизить общую массу летательного аппарата, одновременно сохранив или улучшив его эксплуатационные характеристики, — один из способов усовершенствовать любой современный пассажирский самолет. Это позволило бы, например, уменьшить расход топлива в полете или разместить в самолете дополнительное оборудование. Облегчить конструкцию летательного аппарата можно, в частности, за счет использования новых материалов, поиск которых для нужд авиастроения ведется практически непрерывно. Например, применение деталей из алюминида титана в авиационных турбореактивных двигателях позволяет существенно снизить массу силовой установки. Над разработкой таких деталей ученые из НИТУ «МИСиС», в партнерстве с которым написан этот материал, активно работают с 2010 года в рамках федеральной целевой программы.

О чем речь?

Развитие современной гражданской пассажирской авиации в значительной степени определяется экономическими факторами: самолеты должны быть недорогими, перевозить много пассажиров, расходовать мало топлива и иметь невысокую стоимость обслуживания. Так, добиться уменьшения расхода топлива позволяют турбовентиляторные двухконтурные двигатели, которые сегодня устанавливаются почти на все гражданские реактивные пассажирские и грузовые самолеты. Конечно, гражданские турбовентиляторные двигатели не могут обеспечивать быстрый набор скорости и выход, например, на сверхзвуковую скорость полета, но зато они расходуют меньше топлива и издают меньше шума, чем реактивные двигатели боевых самолетов. Фактически отцом современных двухконтурных авиационных двигателей в апреле 1941 года стал советский конструктор Архип Люлька, запатентовавший новый вид силовой установки.

Турбореактивный двухконтурный двигатель с вентилятором большого диаметра (турбовентиляторный двигатель) состоит из двух частей. Одна из них — внутренний контур. В его состав входят зона компрессоров, камера сгорания, одна или несколько турбин и сопло. В полете воздух затягивается и немного сжимается вентилятором — самым большим и самым первым винтом по ходу полета. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сжимается еще сильнее, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания горючего раскаленные газы вырываются из камеры сгорания и вращают турбину. Последняя представляет собой жаропрочный воздушный винт, жестко посаженный на вал. Этим валом турбина напрямую или через редуктор связана с компрессорами и вентилятором на входе двигателя. После турбины газовый поток попадает в сопло и истекает из него, формируя часть тяги двигателя.

Вторая часть двигателя — внешний контур — зачастую представляет собой направляющий аппарат, воздуховод и, в некоторых случаях, собственное кольцевое сопло. Во время полета часть немного сжатого вентилятором воздуха, не попавшая во внутренний контур, попадает в направляющий аппарат, где тормозится. Из-за торможения давление в воздушном потоке повышается. Затем сжатый воздух поступает в воздуховод, а затем — в сопло и формирует остаток тяги. В современных турбовентиляторных двигателях гражданских самолетов основная часть тяги, вопреки мнению далеких от авиации людей, формируется не внутренним контуром, а вентилятором и внешним контуром — на их долю в общей тяге силовой установки может приходиться до 80 и более процентов. В отличие от турбореактивных двигателей боевых самолетов, где бо́льшую часть тяги создает как раз внутренний контур.

Вентилятор, компрессор, турбина в авиационном двигателе представляют собой воздушные винты с лопатками особой формы, которые позволяют сжимать поступающий воздух или преобразовывать линейное движение воздушного потока во вращательное. Часть этих элементов работает в зоне очень высоких температур. Например, температура в зоне турбины может достигать 1,8 тысячи Кельвинов. По этой причине та же турбина должна изготавливаться из жаропрочных, но в то же время легких сплавов. В современных двигателях лопатки компрессора и турбины выполняются из никелевых сплавов, причем существующие технологии литья позволяют создавать такие элементы полыми с сохранением общих показателей прочности и температурной устойчивости. Это позволяет снизить массу деталей из никелевых сплавов. Однако в современных авиационных двигателях все чаще применяется и новый материал — алюминид титана.

1. Схема работы турбовентиляторного двигателя. 1 — сопло, 2 — вентилятор, 3 — компрессор низкого давления, 4 — компрессор высокого давления, 5 — камера сгорания, 6 — турбина высокого давления, 7 — турбина низкого давления, 8 — сопло газогенератора, 9 — сопло внешнего контура

При этом изготовление графитовых форм для литья требует меньшего количества шагов и в целом позволяет упростить и ускорить производство. В частности, такие формы изготавливаются из графита на станках с числовым программным управлением — это повышает скорость и точность изготовления. При этом разработанная конструкция форм для отливки лопаток компрессора высокого давления и турбины низкого давления позволяет одновременно отливать несколько десятков деталей, причем масштабы одновременного литья можно увеличить.

Читать еще:  Экстремальный тюнинг двигателя ваз

И какая там наука?

В рамках первого этапа работ необходимо было разработать технологию серийного литья деталей из алюминида титана по выплавляемым моделям. Эта технология предполагает изготовление так называемой мастер-модели, которая используется для производства формы для литья. Затем эта модель просто выплавляется из формы по мере ее прокаливания. В случае со сплавом TNM-B1 использовались традиционные химически нейтральные водорастворимые огнеупорные смеси. Хитрость заключалась в том, чтобы конечная литейная форма при остывании отливки предсказуемо разрушалась в нужных местах. Ученым из НИТУ «МИСиС» удалось, в том числе и с помощью компьютерного моделирования, разработать такие формы и подобрать такие материалы для форм, которые допускали свободную усадку отливок из алюминида титана — у различных выступающих элементов, например у полок в основании лопаток, части формы просто ломались при усадке отливки, предотвращая тем самым появление трещин в самой детали.

Наконец, определенную сложность представляла разработка технологии получения сплавов на основе алюминида титана. Дело в том, что даже для повторения того же сплава TNM-B1 недостаточно знать, пусть даже очень точно, его состав. Из-за высокой химической активности элементов важно было соблюсти последовательность их введения при приготовлении сплава. Нарушение этой последовательности приведет либо к получению сплава с иными, чем ожидается, свойствами, либо вообще к напрасному расходованию материалов без получения стабильного сплава. Ученым удалось разработать способ получения сплава на основе алюминида титана и подобрать такие легирующие добавки, которые позволяют получать интерметаллидный литейный сплав с повышенными технологическими характеристиками.

Кому это нужно?

В конце сентября 2017 года кабинет министров России одобрил стратегию развития экспорта гражданской продукции авиационного назначения: двигателей, бортового оборудования и приборов. Эта программа рассчитана до 2025 года. Она предполагает вхождение российской продукции на новые рынки, повышение ее узнаваемости у клиентов и формирование спроса, а также построение разветвленной системы послепродажного обслуживания и сервиса. Для повышения спроса, например, на российские двигатели они должны иметь характеристики, по меньшей мере не уступающие иностранным силовым установкам. И технологии изготовления деталей из алюминида титана могут позволить этого добиться. Не исключено, что это поможет поддерживать и конкурентный уровень цен на авиадвигатели, поскольку сплав для их деталей будет производиться в России, а не поступать из-за рубежа.

Исследования по отливке лопаток компрессора высокого давления были завершены в НИТУ «МИСиС» в 2013 году, а лопаток турбины низкого давления — в 2015-м. В 2016 году разработчики представили российские технологии получения сплава на основе алюминида титана и изготовления форм из графита. Детали авиационного двигателя, выполненные из интерметаллидного сплава, получаются в среднем в два раза легче аналогичных деталей из никелевого сплава. Даже при сохранении исходной конструкции двигателя, в котором использовались компрессор и турбина из сплава на основе никеля, применение новых лопаток из алюминида титана позволит существенно уменьшить его массу. Это, в свою очередь, приведет к улучшению сразу нескольких показателей силовой установки, включая тяговооруженность (отношение тяги двигателя к его массе) и удельный расход топлива на крейсерском режиме. В условиях растущих объемов пассажироперевозок и цен на авиационное топливо последний показатель относится к числу наиболее важных.

Серийно разработки НИТУ «МИСиС» в области получения сплавов на основе алюминида титана и литья из них различных деталей в России пока не применяются. Однако в их использовании сегодня заинтересована Объединенная двигателестроительная корпорация, разрабатывающая и выпускающая силовые установки практически для всей российской авиационной техники. Лопатки компрессора и турбины (исследователи из НИТУ «МИСиС» планируют разработать технологию изготовления и лопаток турбины высокого давления из интерметаллидных сплавов) могут быть использованы в перспективных образцах российских авиационных двигателей.

КПД электродвигателей

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Читать еще:  Шаговый двигатель msjc200a91 характеристики

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

  • электрические;
  • магнитные;
  • механические.

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

Примеры расчета КПД

Пример 1. Нужно рассчитать коэффициент для классического камина. Дано: удельная теплота сгорания березовых дров – 107Дж/кг, количество дров – 8 кг. После сгорания дров температура в комнате повысилась на 20 градусов. Удельная теплоемкость кубометра воздуха – 1,3 кДж/ кг*град. Общая кубатура комнаты – 75 кубометров.

Чтобы решить задачу, нужно найти частное или отношение двух величин. В числителе будет количество теплоты, которое получил воздух в комнате (1300Дж*75*20=1950 кДж ). В знаменателе – количество теплоты, выделенное дровами при горении (10000000Дж*8 =8*107 кДж). После подсчетов получаем, что энергоэффективность дровяного камина – около 2,5%. Действительно, современная теория об устройстве печей и каминов говорит, что классическая конструкция не является энергоэффективной. Это связано с тем, что труба напрямую выводит горячий воздух в атмосферу. Для повышения эффективности устраивают дымоход с каналами, где воздух сначала отдает тепло кладке каналов, и лишь потом выходит наружу. Но справедливости ради, нужно отметить, что в процессе горения камина нагревается не только воздух, но и предметы в комнате, а часть тепла выходит наружу через элементы, плохо теплоизолированные – окна, двери и т.д.

Пример 2. Автомобиль проделал путь 100 км. Вес машины с пассажирами и багажом – 1400 кг. При этом было затрачено14 литров бензина. Найти: КПД двигателя.

Для решения задачи необходимо отношение работы по перемещению груза к количеству тепла, выделившемуся при сгорании топлива. Количество тепла также измеряется в Джоулях, поэтому не придется приводить к другим единицам. A будет равна произведению силы на путь( A=F*S=m*g*S). Сила равна произведению массы на ускорение свободного падения. Полезная работа = 1400 кг x 9,8м/с2 x 100000м=1,37*108 Дж

Читать еще:  Двигатель td27t расход топлива

Удельная теплота сгорания бензина – 46 МДж/кг=46000 кДж/кг. Восемь литров бензина будем считать примерно равными 8 кг. Тепла выделилось 46*106*14=6.44*108 Дж. В результате получаем η ≈21%.

Особенности КПД двигателя в автомобиле

Нужно также понимать, что КПД двигателей, работающих на бензине намного ниже таких же моторов, которые работают на дизтопливе. Отличительной особенностью этих видов топлива является использование дополнительных зажигательных элементов (в случае с бензином), либо же подача готовой топливной смеси в заранее подготовленную камеру со сжатым воздухом, где такое топливо самостоятельно воспламеняется.

Отдельно важно остановиться и на качестве самого топлива. Ведь неполное сгорание топлива может стать причиной потери до 25% выделяемой энергии. Поэтому многие компании тщательно подходят к выбору поставщиков топлива. Ведь четвертая часть потери это достаточно внушительный показатель. Более того, несгоревшее топливо имеет свойство не только попадать в атмосферу и загрязнять ее (а за это можно получить солидный штраф), но и оседает на внутренних стенках двигателя и его частей, тем самым приводя к засорению и преждевременному износу.

Используя качественное топливо, вы имеете возможность без проведения какой-либо внутренней модернизации машины, либо же замены отдельных его частей, фактически на ровном месте существенно повысит КПД мотора.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

Какие функции выполняет каждый элемент

От нагревателя рабочее тело — газ, или пар, получает запас тепловой энергии (рис. 2). Затем, полученная энергия делится на две, как правило, неравные части. За счет одной части совершается работа.


Рис. 2. Функции ключевых элементов тепловых машин

А оставшаяся часть передается холодильнику (например, атмосфере) и рассеивается окружающей средой.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Совершая работу, рабочее тело – расширяющийся газ, охлаждается. Температура (T_), до которой газ охладился, называется температурой холодильника.

Так как газ, расширяясь, охлаждается, а при охлаждении энергию нужно куда-то девать, то никакая тепловая машина без холодильника работать не сможет. Чтобы функционировать, тепловая машина обязательно должна отдавать часть тепловой энергии холодильнику.

Обычно температура (T_) немного выше температуры окружающей среды. Но если речь идет о паровых машинах, оснащенных специальным приспособлением для конденсации отработанного пара и его охлаждения – конденсатором, то (T_) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).


Рис. 3. Если холодильником служит атмосфера, то температура холодильника выше атмосферной, а если – конденсатор, то температура холодильника ниже температуры окружающей среды

Примечание: Паровой конденсатор применяется только в конструкциях паровых двигателей.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector