Криогенен двигател. Криогенни електродвигатели. Принципът на работа на криогенен хладилен агрегат

Двигателите са предназначени за използване на самолети с криогенно гориво, за високоскоростен наземен транспорт, в електрически задвижващи системи за морски плавателни съдове, космическо и общоиндустриално криогенно оборудване за задвижване на криогенни помпи, "студени" аксиални компресори и др.

Като активни материали за ротора се използват високотемпературни свръхпроводящи (HTSC) керамични елементи на базата на итрий или бисмут.

Основни предимства

HTSC двигатели различни видовеработещи в среда с течен азот, имат специфична изходна мощност 3-4 пъти по-висока от тази на конвенционалните електродвигатели.

От 2005 г. МАИ разработва високодинамични електродвигатели за задвижвания на криопомпи за водородна енергия и криогенни системи за захранване на захранващи кабелни JV кабели. Експериментално е доказано, че високодинамичните двигатели с постоянни магнити и обемни HTSC елементи имат изходна мощност 1,3-1,5 пъти по-висока от конвенционалните синхронни двигатели със същите режими на охлаждане в течен азот.

През 2007 г. в MAI съвместно с АД НПО Енергомаш на име ак. VP Glushko "и OJSC" AKB Yakor "създадоха и успешно тестваха индустриален прототип на криопомпа с HTSC електрическо задвижване за криогенни системи за захранване на силови JV кабели.

Завършено е разработването и тестването на двигатели с мощност до 100 kW. В процес на разработка са двигатели до 500 kW.

Новостта на предлаганите решения е защитена със седем патента за изобретения.

Изследването се извършва в рамките на съвместни немско-руски проекти, обединяващи MAI (Москва), VNIINM im. A. A. Bochvara (Москва), VEI (Москва), ISSP RAS (населено място Черноголовка, Московска област), IPHT (Йена, Германия), Oswald Elektromeotoren GmbH (Милтенберг, Германия), IEMA (Щутгарт, Германия), IFW (Дрезден, Германия) , както и по проекта Science for Peace между MAI и Oxford University (Великобритания).

Основни технически характеристики

• Двигатели тип хистерезис

• Реактивни двигатели

Както вече споменахме, за работата на топлинен двигател са необходими топлинен двигател и хладилник, който по дефиниция трябва да има по-висока температура. Температурата на хладилника почти винаги е същата като температурата на въздуха, докато температурата на топлинния източник на горивната камера, реактора или слънчевия колектор може да варира. В източник на топлина обаче може да се използва тяло с температура на околната среда iJ. В този случай хладилникът трябва да има по-ниска температура, която може да се получи с помощта на криогенни течности, които двигателите се наричат ​​криогенни. Известни са разработки на _ умствени двигатели, работещи съгласно отворения цикъл на Ранкин, използващи течен азот. На фиг. 3.16 показва диаграма на такива мустаци - * и.

Лекият азот е в специален криогенен резервоар под налягане - От този резервоар течността се насочва към топлообменника, през който се подава определено количество топлина към работния флуид, достатъчно; относно изпарението. В този случай ще получим вече газообразен азот с налягане pt __ и температура Tv

в изходно положение изходният клапан на работния цилиндър е затворен, а входът е I ікріт. Цилиндърът получава | і kmol изпарен азот. Действащ. Ниското налягане на газа го кара да пада. Този процес се осъществява чрез отстраняване на топлината при постоянно налягане (p2 = p,) и температура (T2 = Ty) пори, докато газът запълни обема на цилиндъра v2.

Ние имаме:

В следващото работно положение входящият клапан се затваря. Високото налягане на газа вътре в цилиндъра ще доведе до продължително движение на буталото и ще увеличи обема, докато налягането на газа стане равно на p3 и обема, зает от него - v3. Този процес може да се случи както изотермично (T3 = Tu) с продължаване на подаването на топлина, така и адиабатично (T3< Тх) в завн! симости от типа используемого устройства. Рассмотрим более предпочтительны изотермический процесс:

Нека сега разгледаме случая на адиабатното разширение, което е много по-лесно за осъществяване в реалния живот. Ако няма топлообмен по време на разширение, температурата на газа ще се промени по следния закон:

Тук за азот y = 1,4. Разширителна работа

s, = R / (y - 1) = 20,8 kJDcmol K).

I / atm = Ra ™ "" 3 = ^ LT3 "

В този случай полезната работа ще бъде равна на

И s = pRT1-pRT3 + W23 = iiRT (Tl-T3) + iicv (T1-T3) = ii (Tl-T3) R -? - i. (38)

По този начин, в разгледания по-горе пример, крайната работа, получена по време на разширение, ще бъде равна на 4,2 MJ / kmol, или 150 kJ / kg. Сравнете тази цифра с 5,7 MJ / kmol, или 204 kJ / kg, в случай на изотермично разширение и със специфичната топлина на изгаряне на бензина 47 000 kJ / kg.

Ясно е, че специфичната енергия на криогенния работен флуид може да се увеличи -> чрез увеличаване на работното налягане. Този растеж обаче е подчинен на логаритмичната | Законът. По този начин, с увеличаване на налягането 10 пъти (до 10 MPa), специфичната енергия ще се увеличи до 11,4 MJ / kmol, или само 2 пъти. Имайте предвид, че налягане от 10 MPa съответства на 100 atm. Създаването на двигател за такова работно налягане е трудна техническа задача: двигателят ще бъде тежък и много скъп.

Бензиновите двигатели с вътрешно горене имат средна ефективност под 20%. Тоест полезната работа на 1 кг работна течност в бензинов двигател е 8000 kJ / kg или повече, или почти 40 пъти повече, отколкото в криогенен двигател.

В създадените първи експериментални криогенни двигатели, постигнатите стойности на специфичната работа са по-малко от 50 kJ / kg. В демонстрационна кола с този двигател се изразходва 1 гало азот на 0,3 мили. Тоест, все още не е било възможно да се създаде достатъчно практичен криогенен двигател. Възможно е след подходящи модификации ефективността да е както следва: * „двигателите могат да бъдат значително подобрени1).

Криогенните двигатели за превозни средства все още не са осигурили голям пробег. Текущата цена на течния азот е $ 0,5 / kg, или $ 1,52 / галон. Като се вземат предвид постигнатите стойности на конкретния пробег, това означава, че при същия пробег цената на използваното d - това гориво ще бъде десет пъти по-висока от тази на бензиновите двигатели.

В същото време по-високият специфичен разход на "гориво" изисква по-голям резерв от него. превозно средство... А това от своя страна води до намаляване на полезния товар, който превозното средство може да носи.

Прибл. изд. Първият и един от малкото разработчици на криогенен двигател е. Университета на Вашингтон (САЩ), който създаде своя прототип LN2000, базиран на пощенското превозно средство Grumman-Olson. На автомобила е монтиран опитен 5-цилиндров двигател с обем 15 литра. с., работещи върху течен азот в отворен цикъл на Ранкин. Криогенният двигател осигурява максимална скорост на превозното средство от 35,4 км/ч и съд на Дюар от 80 литра, който се използва за съхранение на течен азот при налягане от 24 бара, осигурявайки обхват на плаване от около 2 мили (3,2 км). Криогенната кола е създадена в средата на 90-те години в хода на търсенето на електроцентрали за автомобил от екологична категория ZEV (с нулев работен обем), алтернатива на електрическото задвижване. В Русия също има ентусиасти, които се опитват да създадат ефективен криогенен двигател. Въпреки това, значителни успехи, които говорят за ефективността и уместността на тази посока за автомобилния транспорт, нито в Русия, нито в чужбина, все още не е постигнато.

Единственото несъмнено предимство на криогенните двигатели е тяхната екологичност. Екологичната безвредност на такива системи обаче не е нула, тъй като производството на течен азот изисква разходи на rgi, придружени от вредни емисии. Въпросът е дали ползите за околната среда компенсират сериозните недостатъци на криогенните горелки, описани по-горе.

Докажете, че теоретичната ефективност на двигател на Стърлинг без регенерация

където ПCamot е ефективността на цикъла на Карно, съответстващ на дадения температурен диапазон; v е броят на степените на свобода на работния флуид (газ); g - степен на компресия.

Какъв газ е по-добре да се използва като работен флуид? Обясни защо?

В примерите сме приели коефициент на компресия от 10. Каква би била ефективността на двигателя при степен на компресия от 20? Какви недостатъци ще има gsto при по-висока степен на компресия? Има ли смисъл да увеличавате степента на компресия?

Начертайте процесите, типични за двигателя на Стърлинг в диаграми и T, S за примера, даден в текста. Какъв е физическият смисъл на дължините под кривите p, V - и 7 ~, V - за v и s и m osty?

Помислете за два цилиндъра A и B с бутала вътре. Обемите на Ra-e вътре в цилиндрите могат да се променят независимо. Максималният h на всеки от тези цилиндри е 10 m3, минималният обем е нула. Цилиндър - те са хидравлично свързани помежду си, така че газът във всяка точка от обема на цилиндрите ще има едно и също налягане. В началния момент от времето обемът на цилиндър А е равен на 10 m3, а обемът на цилиндър B е нула. С други думи, бутало А ще се издигне нагоре, а бутало В ще слезе надолу. Показателят на адиабата на неговото тяло е y = 1,4.

Само газ (kmol) е в системата при налягане от 0,1 MPa и температура 400 K.

3. Сега си представете, че бутало А се е повишило така, че обемът в цилиндъра е намален до 1 m3, а обемът в цилиндър B остава непроменен. Какви са m> температурата на газа и неговото налягане при условие на адиабатен процес? Как се изразходва енергията при компресия?

4. След това буталата започнаха да се движат едновременно, докато обемът в цилиндър А стане равен на нула, а в цилиндър В - 1 m3. Какви са налягането и температурата на газа в цилиндър B!

5. Следващата стъпка е предаването на топлина към цилиндър B, така че * обемът да се е увеличил до 10 m3. Температурата на газа не се променя по време на процеса. Колко топлина е предадено на газа по време на този процес Каква работа е извършило бутало В? Какво е крайното налягане на газа?

6. Сега бутало B започва да се издига, докато бутало A се спуска. Газът тече от един цилиндър към друг. Този процес. " теоретично се случва без консумация на енергия. От цилиндър А топлината се изхвърля в околната среда и газът се охлажда до температура 400. В крайно положение, когато цилиндър А има максимален обем, ci се счита за напълно завършен. Колко енергия се отдели в околната среда по време на този процес?

7. Каква е ефективността на дадена машина, тоест какво е отношението на количеството извършена работа към топлината, получена от нагревателя?

8. Как се сравнява тази ефективност с ефективността на цикъла на Карно?

9. Начертайте разглежданите процеси в p, Y - и 7, ^ диаграми.

10. Вземете формулата за ефективност спрямо съотношение на компресия. Начертайте крива на ефективност спрямо g в диапазона 1< г < 100.

11. Ако получената стойност на ефективност се окаже явно надценена (n реалистична), например равна на 10 000, каква би била действителната ефективност? Може ли да надхвърли ефективността на цикъла на Карно? Обяснете констатациите си.

3.4. Представете си определена машина, оборудвана с искровен двигател: с вътрешно горене (цикъл на Ото). Този двигател използва бензин (за пр< стоты допустим, что бензин состоит из чистого пентана), и поэтому его степе сжатия ограничена и равна девяти. Номинальный удельный расход топлива а томобиля 40 миль/галлон.

Тъй като бензиновите двигатели могат да използват нол като гориво, собственикът на автомобила решава да го преобразува в този вид гориво. В същото време стъпката "компресия" се увеличи на 12. Да приемем, че във всеки случай реалното ефективно превозно средство е приблизително равно на половината от теоретичната ефективност. Какъв е специфичният разход на гориво на автомобил, работещ на етанол?

Най-ниската калоричност и плътност на разглежданите вещества: пентан - 28,16 MJ / l, 0,626 kg / l; етанол - 21,15 MJ / l, 0,789 kg / l.

Решете тази задача два пъти, веднъж за y = 1,67, а другия за y = 1,4.

3.5. Помислете за цилиндър с бутало без триене. В началния етап на експеримента той съдържа 1 литър газ (y = 1,4, c = 20 kJ / (K kmol)) при температура 400 K и налягане от 105 Pa.

Колко газ, в километри, има в цилиндъра?

2 Какво е произведението pV в този случай!

GKst сега буталото се движи с намаляване на обема на газа до 0,1 l. Компресията е адиабатична.

Какво е налягането на газа след компресия? і На какво е равна температурата на газа?

J Каква работа е извършена от компресора?

1 мярка изотермично доставя 500 J топлина към газа.

і Какъв е обемът на газа след това?

Какво беше равно на запушването?

Тъй като при подаване на топлина газът се разширява (буталото се движи), каква работа върши?

Сега газът се разширява адиабатично, докато обемът му стане равен на 1 литър.

Какво е налягането на газа след адиабатно разширение? і Каква е температурата на газа?

каква работа се извършва при адиабатно разширение?

Оставете топлината да се отдели от газа изотермично, докато налягането му стане равно на 105 Pa. В този случай системата се връща в състояние 1.

2. Каква е общата работа на буталото, прехвърлено към външния товар? какво е общото количество топлина, получено от системата (отхвърлената топлина не се взема предвид тук)?

Каква е ефективността на устройството?

5 Каква е съответната ефективност на цикъла на Карно?

Не. Начертайте процесите и целия цикъл в стр. К-диаграма.

Да приемем, че бензинът има октаново число 86. Октановото число на етанола е 160. Да приемем, че y = 1,4.

1. Как се е променила калоричността на 1 литър от сместа в сравнение с калоричността на чистия бензин?

2. Какво е октановото число на цялата смес?

Да приемем, че максимално допустимият коефициент на компресия на горивото е r = 0,093 Og, където Og е октановото число.

3. Каква е максималната степен на компресия на бензинов двигател? Двигател със смесено гориво?

4. Каква е относителната ефективност на двигателя?

5. Какъв е специфичният разход на гориво за единица изминато разстояние, когато се използва чист бензин и когато се използва горивна смес?

3.7. Буталният двигател с отворена верига работи на атмосферен въздух. който влиза в него в количество от 23 * 10 () kmol при температура 300 K и налягане 105 Pa. Степента на сгъстяване на двигателя е 5,74.

Свиването и разширяването са адиабатни. Топлината се доставя изобарно, докато топлината се отвежда изотермично. 500 Jb топлина се подава към газа на цикъл. Въздухът има c. = 20 790 J/ (K - kmol) и y = 1,4.

Каква е теоретичната ефективност на двигателя? Сравнете това с ефективността на цикъла на Карно.

Следвай тези стъпки:

изчисляване на първоначалния обем на цилиндъра;

определете за процеса на адиабатно компресиране крайните стойности на V, p, T и необходимата работа:

определят термодинамичните параметри на системата след подаване на топлина; изчислете перфектната работа в процеса на разширяване.

3.8. Някои двигатели на Стърлинг реализират само половината, когато работят; неговата теоретична ефективност. Двигателят работи в температурния диапазон от 1000 до 400 K. Каква ще бъде ефективността на устройството в следните случаи:

1. Ако използвате идеален топлинен регенератор, като работна среда е аргон, а съотношението на компресия е 10:1.

2. При същите условия като в претенция 1, степента на компресия е 20:1.

3. При същите условия като в т. 1, но без използване на регенератор.

4. При същите условия като в т. 2, но без използване на регенератор.

3 9. При използване на богати смеси ефективността на двигателя Ото намалява, докато при работа на бедна смес може да има проблеми със запалването. Решението на този проблем може да бъде използването на двигатели със стратифицирано горене.

Помислете за двигател със съотношение на компресия 9: 1. Богатата смес има y = 1,2, бедната смес y = 1,6. При равни други условия, какво е съотношението на ■ »ефективността на използване на постната смес към ефективността на използване - V. 4-та от богатата смес?

3.8. Помислете за двигател на Otto със запалване на искри, който има следните характеристики:

максимален обем на цилиндъра VQ = 1 l (KN m3); степен на компресия r = 9: 1; налягане в края на входа p0 = 5 104 Pa; температура на сместа в края на входа 70 = 400 K; средната стойност на индекса на адиабата на сместа е 1,4;

специфична топлина на сместа (при постоянен обем) c = 20 kJDC - kmol).

Каква мощност се предава на товара, ако валът на двигателя се върти при > * 00 rpm?

Chtomnye маси: N - 1 далтона: C - 12 далтона; N - 14 Далтона: 0-16 Дал - тон. Наличието на аргон в сместа може да се пренебрегне.

3.12. Най-високата топлина на изгаряне на i-хептан (при 1 атм и 20 ° C) е 48,11 MJ / kg. Каква е нетната калоричност?

3.13. 1 мол газ (y = 1,6, cv = 13,86 J / (K kmol) при 300 K отнема 1 литър. За всяка стъпка, описана по-долу, определете стойностите на p, Vu T.

Стъпка 1 -> 2.

Адиабатно компресиране на газ до обем от 0,1 l. Колко енергия tV12 е изразходвано при компресия?

Стъпка 2 -> 3.

Изотермичен пренос на 10 kJ топлина към работния флуид. На какво се равнява външната работа?

Стъпка 3 -> 4.

Адиабатно газово разширение 10:1.

Стъпка 4 -> 1.

Изотермично топлоотвеждане с връщане на газ в състояние 1. На какво е равна отнетата енергия?

Каква е общата ефективност на цикъла?

Каква е ефективността на съответния цикъл на Карно?

Колко мощност ще има двигателят, ако валът му се върти с 5000 rpm (5000 цикъла в минута)?

3.14. В двигателя на Стърлинг, обсъден по-рано, възниква изотермично компресиране, последвано от изохорно подаване на топлина, изотермично компресиране и изохорно отвеждане на топлината.

Изотермичната компресия е трудно постижима, особено при високоскоростни двигатели. Следователно приемаме, че двигателят извършва адиабатична компресия по време на работа. Имайте предвид, че другите фази на въпросния двигател съответстват на фазите на описания по-горе двигател. Така че при изотермично подаване на топлина към работния флуид се подава 293 J. Тоест "горещият" цилиндър след процеса на адиабатно компресиране ще има температура от 652 K до края на процеса на подаване на топлина.

Определете теоретичната ефективност на двигателя (без рекуперация на топлина) и я сравнете с ефективността на съответния цикъл на Карно.

Определете мощността, произведена от един цилиндър на даден двигател, като приемете, че ефективността на реален двигател ще бъде приблизително 2 пъти по-малка от тази на идеален двигател. Оборотите на вала на двигателя са 1800 rpm. Всеки оборот на въртене на вала съответства на един пълен цикъл на двигателя. За изчисления вземете y = 1,4.

3.15. Да предположим, че двигателят работи в температурен диапазон между 1000 и 500 K с ефективността на двигател на Карно. Източникът на топлина е с мощност 100 kW и температура 1500 K. Тази топлина се предава на работния флуид на описания по-горе двигател. Да приемем, че преносът на топлинния поток се извършва при температурен градиент, който намалява температурата от 1500 до 1000 K. Ефективността на топлопреминаването се приема за 100%, тоест 100 kW мощност се подава към двигателя без загуби.

Каква е ефективността на двигателя, описан по-горе, работещ по цикъла на Ирно? Каква е нетната мощност на тази система (двигател)?

3.16. Парният котел подава пара към въздушна турбина... В стените на котела има канали, през които тече пара. От едната страна тези стени са в зоната на пламъка на пещта. Температурата на нагрятата пара е 500 К, температурата на стената в контакт с пламъка е 1000 К. През всеки квадратен сантиметър от нагревателната повърхност преминава топлинен поток от 1 kW. Топлопроводимостта на металните стени на канала X зависи от температурата, както следва: X = 355 - 0,111Т (в SI). Температурата е дадена в Келвин.

Изчислете дебелината на стената.

2 Определете температурата в средната точка между вътрешната и външната стена на канала.

I ". 4-тактовият двигател с искрово запалване Otto има общ обем 2 литра и работи с метан (брутна калоричност 55,6 MJ / kg). Топлината на компресия в двигателя е 10: 1. горивото по такъв начин, че се поддържа определено стехиометрично съотношение. Адиабатният показател на сместа е 1,4.< температуре 350 К, так как гидравлические потери на входе можно считать небрежимо малыми.

предавана ли е мощността от двигателя към товара, ако честотата на въртене на неговия вал е 5000 об/мин? Като се вземат предвид особеностите на двигателя, изчислението трябва да се направи въз основа на най-ниската топлина на изгаряне на горивото.

18. Помислете за двигател с искрово запалване със съотношение на компресия 9: 1. Газът вътре в цилиндъра има y = 1,5.

първоначалното състояние на работния флуид има следните параметри: = I l;

I atm; Tx = 300 K.

В края на процеса на компресиране се впръскват 10 mg бензин, след което запалителната смес е g "I. Изгарянето на горивото става мигновено. Да приемем, че специфичната топлина на бензина е 45 MJ / kg.

Определете идеалната ефективност на двигателя.

Изчислете ефективността на съответния цикъл на Карно.

3. Докажете, че намаляването на количеството впръскано гориво в един пик ще доближи ефективността на цикъла на Ото до ефективността на CEC на Карно.

3.19. При дизелов двигател горивото се впръсква в горещ сгъстен въздух в цилиндъра, след което сместа се запалва спонтанно. Да предположим, че горивото се подава сравнително бавно, така че изгарянето на сместа се извършва при по същество постоянно налягане. Коефициентът на сгъстяване, използван в повечето дизелови двигатели, е между 16:1 и 22:1. При дизеловите двигатели спонтанното запалване надеждно възниква при температура на въздуха най-малко 800 K.

Въздухът има съотношение на специфичната топлина при постоянно налягане към специфичната топлина при постоянен обем, равно на 1,4 (y = 1,4). Стартова температура на въздуха на входа на студен дизелов двигател 300 K.

Каква трябва да бъде минималната степен на компресия, необходима за стартиране на двигателя?

3.20. Помислете за машина, която използва въздух> i (y = 1,4) като работна среда и изпълнява последователна серия от термодинамични процеси. В края на всеки процес определете характеристиките на състоянието на газа (налягане, обем и температура), както и енергийната характеристика на всеки процес.

В изходно състояние (състояние 1) газът има следните характеристики рх = 105 Pa; Vx = 10-3 m3; Tx = 300 K.

1. 1-ви процес (стъпка I -> 2): адиабатно компресиране, намаляване на обема до 10-4 m3.

2. 2-ри процес (стъпка 2 -> 3): изобарно подаване на 200 J топлина.

3.3-ти процес (стъпка 3 -> 4): адиабатно разширение до V4 = 10_3m3.

Изчислете цялата топлинна и механична енергия, която се подава към двигателя и цялата механична енергия, която се отстранява от него. Въз основа на това определете ефективността на машината. (Съвет: Не забравяйте да вземете предвид всички процеси, при които енергията се отстранява.)

3.21 В цикъла на дизелов двигател могат да се разграничат следните фази:

фаза 1 2. Адиабатно компресиране на чист въздух от обем Vx до обем ":

фаза 2 -> 3. Изгаряне на гориво при постоянно налягане с разширение от обем V2 до обем K3;

фаза 3 ^ 4. Адиабатно разширение от обем V3 до обем V4; фаза 4 - »1. Изохорно топлоотвеждане, при което газът е в начални условия.

t цикълът е подобен на цикъла на Ото с единствената разлика, че горенето в Ото никел протича изохорно, докато при дизелов двигател е изобарно, разглеждаме цикъл, в който Fj = K) 3 m3, V2 = 50 W-6 m3 , V3 = 100 10-6 m3, = 105 Pa, 7] - 300 K и за всички процеси ще разгледаме y = 1,4.

Изчислете теоретичната ефективност на цикъла.

Изчислете ефективността, като използвате уравнението за ефективност на дизеловия цикъл, получено в гл. 4.

Изчислете ефективността, като оцените цялата механична енергия (компресия и разширение) и всички термични процеси (подаване и отвеждане на топлина). Бъдете достатъчно внимателни, когато анализирате какво се случва по време на фазата на горене (2-> 3), когато енергията на горене се освобождава и в същото време се извършва някаква механична работа.

отстъпки за ПП. 2 и 3 трябва да са еднакви.

Всички знаем, че една от основите на материалния живот на съвременното човечество са добре познатите минерали нефт и газ. Благословените въглеводороди присъстват по един или друг начин във всяка област от нашия живот и първото нещо, което идва на ум на всеки човек, е горивото. Това са бензин, керосин и природен газ, използвани в различни енергийни системи (включително двигатели на превозни средства).

Колко коли по пътищата на света и самолети изгарят във въздуха в двигателите си... Броят им е огромен и също толкова огромно е количеството гориво, което излиза, така да се каже, в тръбата (и при Същевременно се стреми да допринесе със значителния си дял за атмосферното отравяне :-)). Този процес обаче не е безкраен. Запасите от петрол, от които се произвежда лъвският пай от световното гориво (въпреки факта, че постепенно губи позиции пред природния газ), бързо намаляват. Постоянно поскъпва и дефицитът му се усеща все повече.

Тази ситуация отдавна принуждава изследователи и учени от цял ​​свят да търсят алтернативни източници на гориво, включително за авиацията. Една от направленията на тази дейност беше разработването на използване на самолети криогенно гориво.

Криогенен означава " роден от студа”, А горивото в този случай е втечнен газ, който се съхранява при много ниски температури. Първият газ, който привлече вниманието на разработчиците в това отношение, беше водородът. Този газ има три пъти по-висока калоричност от керосина и освен това, когато се използва в двигател, в атмосферата се отделят вода и много малко количество азотни оксиди. Тоест, той е безвреден за атмосферата.

Самолет ТУ-154Б-2.

В средата на 80-те години на миналия век конструкторското бюро на А. Н. Туполев започва да създава самолет, който използва течен водород като гориво. Той е разработен на базата на серийния TU-154B с помощта на байпасен турбореактивен двигател NK-88. Този двигател е създаден в двигателната сграда конструкторско бюро им. Кузнецова(Самара), отново базиран на сериен двигател за Ту-154 НК-8-2 и е предназначен да работи с водород или природен газ. Трябва да се каже, че в това бюро се работи по нови теми от 1968 г.

Същият Ту-155 е на склад... За съжаление отвратително съхранение :-(.

Работи нов самолет криогенно горивополучи името ТУ-155. Нещата обаче не са толкова прости. Въпросът е, че водородът е опасно гориво. Той е изключително запалим и експлозивен. Притежава изключителна проникваща способност и може да се съхранява и транспортира само във втечнено състояние при много ниски температури, близки до абсолютната нула (-273 градуса по Целзий). Тези характеристики на водорода са голям проблем.

Следователно ТУ-155 беше летяща лаборатория за изследване и решаване на съществуващи проблеми, а базовият самолет претърпя радикална промяна по време на създаването си. Вместо десния двигател NK-8-2 беше монтиран нов криогенен NK-88 (другите двама останаха роднини :-)). В задната част на фюзелажа, на мястото на купето, беше поставен специален резервоар за криогенно гориво, течен водород, с обем 20 куб.м. с засилено екран-вакуумизолация, където водородът може да се съхранява при температури под минус 253 градуса по Целзий. Доставяше се към двигателите със спец турбо помпакато на ракета.

Двигател НК-88. Отгоре на двигателя се вижда масивна турбопомпа.

Поради високата опасност от експлозия почти цялото електрическо оборудване трябваше да бъде извадено от отделението с резервоара за гориво, за да се изключи и най-малката възможност за искри, а цялото отделение беше постоянно продухвано с азот или въздух. За управление на единици електроцентралабеше създадена специална система за управление на хелий. Освен това, изпаренията на водорода от резервоара трябваше да бъдат отклонени от двигателите, за да се избегне запалване. За това е направена дренажна система. На самолета ясно се виждат неговите разклонения в задната част на фюзелажа (особено на кила).

Схема на оформление на ТУ-155. Син - резервоар за гориво. Предното отделение съдържа поддържащо оборудване. Криогенен двигател в червено.

Като цяло бяха създадени и внедрени над 30 нови самолетни системи. Като цяло работата беше извършена огромна :-). Но имаше нужда и от наземно, не по-малко сложно оборудване, което да осигури зареждане и съхранение. Вярно е, че тогава развитието на системата Буран беше в разгара си, на чиято ракета носител беше течен водород едно от горивните горива. Затова се смяташе, че всичко ще се доставя на индустриална основа и няма да има недостиг на гориво. Но мисля, че всеки разбира, че криогенното гориво в такава система става просто "злато" по отношение на разходите. А това означава, че комерсиалното използване на течен водород едва ли е възможно в близко бъдеще. Ето защо още тогава течаха подготовка за преминаването към друг вид. криогенно гориво – втечнен природен газ(LNG).

Въпреки това, първият полет на ТУ-155 на течен водород се състоя на 15 април 1988 г. Освен това имаше 4 такива полета. След това ТУ-155 беше модифициран за полети с втечнен природен газ (LNG).

В сравнение с водорода този вид гориво е много по-евтино и по-достъпно, освен това е няколко пъти по-евтино от керосина. Неговата калоричност е с 15% по-висока от тази на керосина. Освен това той също така не замърсява атмосферата и може да се съхранява при температура от минус 160 градуса, което е с цели 100 градуса по-високо от тази на водорода. Освен това, на фона на водорода, LNG все още е по-малко пожароопасен (въпреки че, разбира се, такава опасност все още съществува) и има достатъчно опит в поддържането му в безопасно състояние. Организацията на газоснабдяването (LNG) на летищата като цяло също не е изключително трудна. Газопроводи са свързани с почти всяко голямо летище. Като цяло има достатъчно предимства :-).

Първите полети на ТУ-155 вече се използват криогенно горивовтечнен природен газ се проведе през януари 1989 г. (Видеото по-долу говори за това). Имаше и около 90 такива полета. Всички те показаха, че разходът на гориво е намален с почти 15% в сравнение с керосина, тоест самолетът става по-икономичен и по-изгоден.

Сега малко за перспективите ... В края на 90-те години главният мениджър на руските газови запаси, Газпром, излезе с инициатива да построи в началото товарно-пътнически самолет, а след това само пътнически самолет, който може да работи изцяло на LNG. Самолетът получава името TU-156 и е създаден на базата на съществуващия TU-155. На него трябваше да се монтират три нови двигателя НК-89. Те са подобни на NK-88, но с две независими горивни системи: едната за и другата за криогенно гориво(LNG). Това беше удобно в смисъл, че далеч не винаги е било възможно да се зарежда с газ и самолетът може да превключва от една енергийна система в друга, ако е необходимо. Според разработената технология това отне само пет минути. NK-89 имаше и топлообменник в турбинното пространство, където втечненият газ преминаваше в газообразно състояние и след това влизаше в горивната камера.

Бяха извършени много изследователски и дизайнерски работи по пренареждането на отделенията и разположението на резервоарите за гориво. До 2000 г. в Самарския авиационен завод трябваше да бъдат произведени три ТУ-156 и да започне тяхното сертифициране и пробна експлоатация. Но... За съжаление това не беше направено. А пречките пред изпълнението на замислените планове бяха изключително финансови.

След това бяха разработени още няколко проекта на самолети, използващи криогенно гориво (LNG), като например ТУ-136 с турбовитлови двигатели, работещи както на керосин, така и на втечнен газ, и широкофюзеляжният TU-206 с турбореактивни двигатели, работещи на LNG .... В момента обаче всички тези проекти са все още проекти и са останали.

Модел на самолет Ту-136.

Модел на самолет TU-206 (TU-204K).

Времето ще покаже как ще се развият нещата в тази област на авиационната наука и технологии. Докато създаването на самолети използва криогенно горивовъзпрепятствани от различни обстоятелства, както обективни, така и субективни. Остава да се направи много в разработването на специални самолетни системи, развитието на наземната инфраструктура, системите за транспортиране и съхранение на гориво. Но тази тема е изключително обещаваща (и според мен много интересна :-)). Водородът, със своята огромна енергийна интензивност и практически неизчерпаеми запаси, е горивото на бъдещето. Можем да говорим за това с пълна увереност. Преходният етап към това е използването на природен газ.

И тази решителна стъпка в бъдещето е направена именно в Русия. Горд съм да го кажа отново :-). Никъде по света не е имало и до ден днешен няма самолети, подобни на нашия ТУ-155. Бих искал да цитирам думите на известния американски авиационен инженер Карл Бревър: „ Руснаците са свършили работа в авиацията, съизмерима с полета на първия спътник на Земята!»

Това е истинската истина! Просто искам тези неща да вървят в поток (и руснаците могат да го направят :-)) и така този поток да е непрекъснат, а не да се движи на шутове, както често се случва при нас...

Dearman в партньорство с учени, лидери промишлени предприятияи специалисти по криогенно оборудване, специализирани в разработването на технологии, използващи втечнени газове. Основното постижение на това изследване е двигателят на Dearman, най-съвременен бутален двигател, който работи чрез разширяване на течен азот или течен въздух, за да произвежда екологично чиста студена и механична енергия.

Когато азотът преминава от течно в газообразно агрегатно състояние, този газ се разширява 710 пъти. Това увеличение на обема се използва за задвижване на буталата на двигателя. Двигателите на Dearman работят като парни двигатели високо налягане, но при ниска точка на кипене на течен азот. Това означава, че както отпадната топлина, така и температурата на околната среда могат да се използват като източник на топлинна енергия, елиминирайки нуждата от традиционни горива.

Уникална характеристика на двигателите на Dearman е използването на смес от вода и гликол като охлаждаща течност. Когато тази охлаждаща течност се смеси с изключително охладен азот, тази течност се разширява квази-изотермично, което значително подобрява ефективността на двигателя.

Важно е да се отбележи, че когато двигателят на Dearman работи, той отделя само въздух или азот, без емисии на азотни оксиди (NOx), въглероден диоксид (CO2) или прахови частици.

Технологията на Dearman има много предимства пред други нисковъглеродни технологии:

• Ниски капиталови разходи и свързан въглерод - двигателите на Dearman се произвеждат от обикновени материали, използвайки технологии, обичайни в производството на двигатели.
• Бързо пълнене - течен газ може да се прехвърля между резервоарите към високи скорости... Съвременната газова индустрия използва системи, способни да дестилират повече от 100 литра течен газ в минута.
• Големи количества съществуваща инфраструктура – ​​газовата индустрия е глобална по природа. В момента има добре развито съоръжение за производство на течен азот, което може да работи с хиляди двигатели на Dearman.
• Ефективността на производствения процес на "гориво" е втечняването на въздуха, отдавна установен процес, който изисква само въздух и електричество.

• Съоръжението за втечняване на въздуха може да се използва много гъвкаво - например в извънработно време или по време на частично натоварване. Възобновяемите енергийни източници могат да се използват за допълнително намаляване на разходите.

Как работи

Двигателят на Dearman работи както следва:
1.охладителната течност се изпомпва в цилиндрите на двигателя, запълвайки почти целия им обем;

2. след това в цилиндъра се вкарва криогенен азот, който влиза в контакт с топлообменната течност и започва да се разширява;

3. топлината от охлаждащата течност се абсорбира от разширяващия се газ, което води до почти изотермично разширение;

4. буталото се движи надолу, изпускателният клапан се отваря и сместа газ-течност излиза от двигателя;

5. Охлаждащата течност се възстановява, нагрява и се използва повторно, докато азотът или въздухът се изпускат в атмосферата.

На територията на Института за летателни изследвания Громов в Жуковски край Москва има самолет с надпис на борда на Ту-155. Тази уникална машина е летяща лаборатория за тестване на криогенни горивни системи и двигатели. Работата в тази посока е извършена в края на 80-те години. Ту-155 стана първият самолет в света, който използва като гориво течен водород и втечнен природен газ. Изминаха 27 години от първия полет на тази необичайна машина. И сега тя тихо стои сред изведените от експлоатация самолети. Няколко пъти искаха да го нарежат на метал. И така, какво прави този самолет уникален?
1.

Преди да говорим за този самолет, си струва да обясним какво е криогенно гориво и как се различава от въглеводородното гориво. Криогениката е промяна в свойствата на различни вещества при изключително ниски температури. Тоест криогенното гориво означава „родено от студа“. Това е течен водород, който се съхранява и транспортира в течно състояние при много ниски температури. И за втечнения природен газ, който също има много ниски температури.

В сравнение с керосина, течният водород има няколко предимства. Има три пъти по-висока калоричност. Тоест при изгаряне на еднакви маси водородът отделя повече топлина, което пряко влияе икономически характеристикиелектроцентрала. Освен това, когато се използва, в атмосферата се отделят вода и много малки количества азотни оксиди. Това прави електроцентралата екологична. Водородът обаче е много опасно гориво. Когато се смеси с кислород, той е изключително запалим и експлозивен. Притежава изключителна проникваща способност и може да се съхранява и транспортира само във втечнено състояние при много ниски температури (-253°C).

Тези характеристики на водорода са голям проблем. Ето защо, заедно с течния водород, природният газ също се считаше за авиационно гориво. В сравнение с водорода, той е много по-евтин и по-достъпен. Може да се съхранява втечнен при -160°C и в сравнение с керосина има 15% по-висока калоричност. Той е няколко пъти по-евтин от керосина, което го прави и икономически изгоден като авиационно гориво. Природният газ обаче е също толкова запалим, макар и в по-малка степен от водорода. Именно с тези трудности трябваше да се справят инженерите от конструкторското бюро Туполев при създаването на експериментален самолет Ту-155.
2.

За първи път авиационните конструктори се сблъскват с криогенната технология. Затова проектирането премина не само в тишината на дизайнерските зали, но и в изследователските лаборатории. Конструкторите, стъпка по стъпка, въведоха нови дизайнерски решения и технологии, които гарантират създаването на принципно нови системи за самолети, криогенна електроцентрала и системи, позволяващи безопасната й експлоатация.
3.

Летящата лаборатория е създадена на базата на серийния Ту-154, модифициран за стандарта Ту-154В. Номер на борда СССР-85035. Владимир Александрович Андреев е назначен за главен конструктор на Ту-155. Самолетът имаше много фундаментални разлики от основната версия. Криогенен горивен резервоар с обем 17,5 m 3, заедно със система за подаване на гориво и система за поддържане на налягането, представляваха експериментален горивен комплекс, разположен в задната част на фюзелажа, отделен от другите отделения на самолета с буферна зона. Резервоарът, тръбопроводите и агрегатите на горивния комплекс имаха екранно-вакуумна изолация, осигуряваща определения топлинен поток. Буферните зони защитаваха екипажа и жизненоважни самолетни отделения в случай на теч във водородните системи.
4.

Самолетът е оборудван с експериментален турбореактивен байпасен двигател NK-88, създаден в Самара в двигателостроителното конструкторско бюро под ръководството на акад. Николай Дмитриевич Кузнецов на базата на серийния двигател за Ту-154 НК-8-2. Той е инсталиран вместо десния редовен двигател и използва водород или природен газ за работа. Другите два двигателя бяха родни и работеха на керосин. Сега те са премахнати. Но NK-88 остана на мястото си.
5.

6.

7.

Има редица системи за управление и наблюдение на криогенния комплекс на самолета:

Хелиева система, която управлява блоковете на електроцентралата. Тъй като двигателят работеше на водород, беше невъзможно да се захранват електрически задвижвания към него. Ето защо неговата система за управление е заменена с хелиева.

Азотна система, заместваща въздуха в отделения, където са възможни течове на криогенно гориво.

Система за контрол на газа, която следи газовата среда в отделенията на самолета и предупреждава екипажа в случай на изтичане на водород много преди експлозивната концентрация.

Система за управление на вакуума в топлоизолационни кухини.

В товарното отделение на предната част на фюзелажа има кръгли азотни цилиндри. Монтират се и в кабината на самолета над прозорците. На пода, вместо пътническите седалки, са монтирани хелиеви цилиндри. Плюс стойки с инструментална и записваща техника.

Като цяло бяха създадени и внедрени над 30 нови самолетни системи. Сред новите технологии важно място заема технологичният процес, който осигурява почистването на вътрешните кухини на тръбопроводи и агрегати. Тъй като с високоефективна изолация и вакуум херметичност, чистотата е ключът към безопасността на вашия бъдещ полет.

Кокпитът е претърпял промени. Преградата беше преместена по-дълбоко в кабината, а в кабината бяха монтирани работните места на втория бордов инженер, който отговаряше за работата на експерименталния двигател и инженера-изпитател, който контролираше работата на бордовите експериментални системи. В пода на пилотската кабина е монтиран люк за аварийна евакуация.

Създаден е авиационен криогенен комплекс за обслужване на самолета и извършване на изпитателна работа. Състои се от система за пълнене с течен водород (или втечнен природен газ), пневматично захранване, захранване, телевизионен мониторинг, анализ на газ, напояване с вода в случай на пожар и криогенен контрол на качеството на горивото.

На етапа на наземни изпитания беше проверено функционирането на всички експериментални системи, включително работата на двигателя NK-88 на течен водород. Разработени са режимите на зареждане с гориво, поддръжка на вакуумни системи, режими на работа на горивната система и системата за поддържане на налягането в комбинация с работещ двигател. В същото време се практикува подготовката на самолета за полет, зареждане на бордовите системи с хелий и азот.

Снимката показва дълга тръба, простираща се от под фюзелажа до дюзата на централния двигател. Това е система за аварийно изпускане на течен водород (природен газ). Това даде възможност, ако е необходимо, да се източи криогенното гориво върху дюзата на среден стандартен двигател. В хода на наземните изпитания бяха отработени различни ситуации, свързани с опасност от експлозия и пожар.

9.

10.

11.

В процеса на директна подготовка за полета течен водород беше доставен от зареждащи с гориво. Те бяха свързани към самолета чрез стационарни криогенни тръбопроводи със спирателна и съединителна арматура, която осигуряваше необходимите противопожарни пролуки между самолета, танкера и мястото, където се изхвърля в атмосферата източен водороден газ. След скачването на танкерите се извършва контрол на качеството на течния водород с помощта на специален пробоотборник и газов хроматограф. Освен обичайните операции по подготовката на самолета за полет е извършена подготовката на експерименталния двигател, експерименталните системи на самолета и наземния комплекс. Особено внимание беше обърнато на оборудването за взривна и пожарна безопасност, системите за контрол на газа, системите за контрол на азота, контрола на вакуума в изолационните кухини, системите за гасене на пожар, вентилацията на отделението на горивния комплекс и гондолата на двигателя. По време на тестовете бяха тествани различни средства за защита срещу повишаване на концентрацията на водород в отделенията, както с използване на неутрална среда (азот), така и с вентилация с въздух от бордовата климатична система.

Поради високата опасност от експлозия почти цялото електрическо оборудване трябваше да бъде извадено от отделението с резервоара за гориво. Това елиминира и най-малката възможност за искри и цялото отделение непрекъснато се продухва с азот или въздух. Освен това, изпаренията на водорода от резервоара трябваше да бъдат отклонени от двигателите, за да се избегне запалване. За това е направена дренажна система. Един от неговите елементи е първият, който хваща окото на кила на самолета. Това е обтекател на изпускателния колектор.
12.

13.

За първия полет самолетът е подготвен в полетна изпитателна и развойна база Жуковская на Туполев (ЖЛиДБ). Ту-155 е изтеглен до мястото, където са стартирани двигателите. "Аз съм 035, моля, излитайте." "035, одобрен за излитане." На 15 април 1988 г. в 17.10 ч. самолет Ту-155 с двигател с течен водород излита от летище край Москва с първия си полет. Пилотира се от екипаж, състоящ се от: първи пилот - заслужил пилот-изпитател на СССР Владимир Андреевич Севанкаев, втори пилот - заслужил изпитател на СССР Андрей Иванович Талалакин, борден инженер - Анатолий Александрович Криулин, втори борден инженер - Юрий Михайлович Кремлев, водещ тестов инженер - Валерий Владимирович Архипов.

Полетът протече нормално. Всички наземни служби и ескортният самолет Ту-134 следяха изпълнението му. Системите, които са били тествани и тествани на земята, са тествани във въздуха за първи път. Полетът продължи само 21 минути в малки кръгове на различни височини не по-високи от 600 метра. Той приключи малко по-рано от планираното, за което инженерът-изпитател Валери Архипов имаше сериозни причини: в азотното отделение сензорите регистрираха наличието на азот, който трябваше да се появи автоматично в случай на изтичане на водород. Но, слава Богу, причината беше друга. Азотът се подава през балонен клапан, който е разхерметизиран, когато самолетът се накланя от двете страни на оста. Това стана ясно само на земята.

Беше направена само първата стъпка към решаването на сложните проблеми с въвеждането на течен водород като авиационно гориво. По време на полетните изпитания бяха извършени полети за проверка на работата на електроцентралата и системите на самолета в различни режими на полет и по време на еволюцията на самолета. Експерименталният двигател е стартиран, работата на системите за експлозивна и пожарна безопасност беше тествана в режимите на създаване на неутрална среда и въздушна вентилация. През юни 1988 г. програмата за летни тестове с течен водород е завършена. След това Ту-155 беше модифициран за полети с втечнен природен газ. Първият полет с това гориво е извършен на 18 януари 1989 г. Самолетът е изпитан от екипажа, състоящ се от: командир на кораба - почетен пилот-изпитател на СССР Владимир Андреевич Севанкаев, втори пилот - Валерий Викторович Павлов, борден инженер - Анатолий Александрович Криулин, втори борден инженер - Юрий Михайлович Кремлев, водещ изпитателен инженер - Валери Владимирович Архипов...

Както каза генералният конструктор Алексей Андреевич Туполев: „Днес за първи път в света излетя самолет, използващ като гориво втечнен природен газ. И се надяваме, че този първи полет на този самолет ще ни даде възможност да съберем всички научни и експериментални данни и да построим самолет, който ще може да лети с пътници в близко бъдеще.

Тестовете показват, че разходът на гориво е намален с почти 15% в сравнение с керосина. Освен това те потвърдиха възможността за безопасна експлоатация на самолета с криогенно гориво. По време на обширен набор от изпитания на Ту-155 бяха поставени 14 световни рекорда, както и няколко международни полета от Москва до Братислава (Чехословакия), Ница (Франция) и Хановер (Германия). Общото време на работа на експерименталната електроцентрала надхвърли 145 часа.

В края на 90-те години главният мениджър на руските газови запаси, Газпром, излезе с инициатива за изграждане в началото на товарен пътнически самолет, а след това само на пътнически самолет, който може да работи изцяло с втечнен природен газ . Самолетът е наречен Ту-156 и е създаден на базата на съществуващия Ту-155. На него трябваше да се монтират три нови двигателя NK-89, подобни на NK-88, но с две независими горивни системи: едната за керосин, а другата за криогенно гориво. Бяха извършени много изследователски и дизайнерски работи по пренареждането на отделенията и разположението на резервоарите за гориво.

До 2000 г. в Самарския авиационен завод трябваше да бъдат произведени три Ту-156 и да започне тяхното сертифициране и пробна експлоатация. За съжаление това не беше направено. А пречките пред изпълнението на замислените планове бяха изключително финансови.

Вероятно можем да кажем, че Ту-155 изпреварва времето си. За първи път използваха системи, към които човечеството ще се върне. И Ту-155 е достоен да бъде в музей, а не сред забравените изведени от експлоатация самолети.

На Международния авиационен и космически салон МАКС-2015 Научно-инженерна фирма "НИК" и ББлаготворителната фондация „Авиационни легенди“ с подкрепата на градската администрация Жуковски и ОАО „Авиасалон“ представи този уникален самолет на широката публика за първи път.

Текстът е предимно привидно