Криогенный двигатель. Криогенные электрические двигатели. Принцип работы криогенной рефрижераторной установки

Двигатели предназначены для использования на летательных аппаратах с криогенным топливом, для высокоскоростного наземного транспорта, в системах электродвижения морских судов, космической и общепромышленной криогенной технике для привода криогенных насосов, «холодных» осевых компрессоров и т. д.

В качестве активных материалов ротора использованы высокотемпературные сверхпроводящие (ВТСП) керамические элементы на основе иттрия или висмута.

Основные преимущества

ВТСП двигатели различных типов, работающие в среде жидкого азота, имеют удельную выходную мощность в 3-4 раза выше, чем обычные электромоторы.

С 2005 г. в МАИ ведутся разработки высокодинамичных электродвигателей для приводов крионасосов водородной энергетики и систем криообеспечения силовых СП кабелей. Экспериментально показано, что высокодинамичные двигатели с постоянными магнитами и объемными ВТСП элементами имеют выходную мощность в 1,3-1,5 раза выше, чем обычные синхронные двигатели при тех же режимах охлаждения в среде жидкого азота.

В 2007 г. в МАИ совместно с ОАО «НПО Энергомаш имени ак. В. П. Глушко» и ОАО «АКБ Якорь» создан и успешно испытан промышленный образец крионасоса с ВТСП электроприводом для систем криообеспечения силовых СП кабелей.

Завершена разработка и испытания двигателей мощностью до 100 кВт. В стадии разработки находятся двигатели мощностью до 500 кВт.

Новизна предложенных решений защищена семью патентами на изобретения.

Исследования выполняются в рамках совместных немецко-российских проектов, объединяющих МАИ (Москва), ВНИИНМ им. А. А. Бочвара (Москва), ВЭИ (Москва), ИФТТ РАН (пос. Черноголовка, Московская область), IPHT (Jena, Deutschland), Oswald Elektromеotoren GmbH (Miltenberg, Deutschland), IEMA (Stuttgart, Deutschland), IFW (Dresden, Deutschland), а также по проекту «Наука ради мира» между МАИ и Оксфордским университетом (Великобритания).

Основные технические характеристики

• Электродвигатели гистерезисного типа

• Электродвигатели реактивного типа

Как уже было сказано, для работы теплового двигателя требуются шк теплоты и холодильник, который по определению должен иметь более ю температуру. Почти всегда температура холодильника равна температуре ^ющего воздуха, тогда как температура источника тепла камеры сгорания, ого реактора или солнечного коллектора может варьироваться. Однако в е источника тепла можно использовать тело с температурой окружающей iJ При этом холодильник должен будет иметь более низкую температуру, ю можно получить с помощью криогенных жидкостей, кие двигатели получили название криогенных. Известны разработки _ри ментальных двигателей, работающих по открытому циклу Ренкина ользованием жидкого азота. На рис. 3.16 представлена схема такой ус - *и.

лкий азот находится в специальном криогенном резервуаре под давлени - Из этого резервуара жидкость направляется в теплообменник, через ко - к рабочему телу подводится некоторое количество теплоты, достаточное; о испарения. При этом мы получим уже газообразный азот с давлением pt __ иературой Tv

исходном положении выпускной клапан рабочего цилиндра закрыт, а впуск - I ікрьіт. В цилиндр поступает |і кмолей испарившегося азота. Действующее. ень давление газа заставляет его опускаться. Данный процесс происхо - ‘олводом тепла при постоянных давлении (р2 = р,) и температуре (Т2= Ту) пор, пока газ не заполнит объем цилиндра v2.

Мы имеем:

В следующем рабочем положении впускной клапан закрывается. Высомг давление газа внутри цилиндра приведет к продолжению движения поршня увеличению объема до тех пор, пока давление газа не станет равным р3 а занк маемый им объем - v3. Этот процесс может происходить как изотермическ" (Т3 = Ту) с продолжением подвода тепла, так и адиабатически (Т3 < Тх) в завн! симости от типа используемого устройства. Рассмотрим более предпочтительны изотермический процесс:

Рассмотрим теперь случай адиабатического расширения, который в реальных ■товиях осуществить гораздо легче. Если во время расширения теплообмен от - ствует, то температура газа будет изменяться по следующему закону:

Здесь для азота у = 1,4. Производимая при расширении работа

с, = R/(y - 1) = 20,8 кДжДкмоль К).

И/атм=Ра™""3 = ^ЛТ3"

В этом случае полезная работа будет равна

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

Таким образом, в рассмотренном выше примере конечная работа, полученн при расширении, окажется равной 4,2 МДж/кмоль, или 150 кДж/кг. Сравнич эту цифру с 5,7 МДж/кмоль, или 204 кДж/кг, для случая изотермического рас­ширения и с удельной теплотой сгорания бензина 47 ООО кДж/кг.

Ясно, что удельная энергия криогенного рабочего тела может быть увеличена -> счет повышения рабочего давления. Однако этот прирост подчиняется логарифмиче-| скому закону. Так, при увеличении давления в 10 раз (до 10 МПа) удельная энег ■ гия возрастет до 11,4 МДж/кмоль, или всего в 2 раза. Заметим, что давлені 10 МПа соответствует 100 атм. Создание двигателя на такое рабочее давление - сложная техническая задача: двигатель окажется тяжелым и очень дорогим.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания имеют средний КПД на урог не 20 %. То есть полезная работа в расчете на 1 кг рабочего тела в бензиново двигателе равна 8000 кДж/кг и более, или почти в 40 раз больше, чем в криоген­ном двигателе.

В созданных первых экспериментальных образцах криогенных двигателей до­стигнутые значения удельной работы составляли менее 50 кДж/кг. В демонстра­ционном автомобиле с таким двигателем на 0,3 мили пути затрачивался 1 галло азота. То есть пока не удалось создать достаточно практичный криогенный дви гатель. Возможно, что после соответствующих доработок эффективность так:*" двигателей можно значительно улучшить1).

Криогенные двигатели для транспортных средств не обеспечивав пока большого пробега. В настоящее время стоимость жидкого азота равна оке 0,5 долл./кг, или 1,52 долл./галлон. С учетом достигнутых значений удельног пробега это значит, что при одинаковом пробеге стоимость используемого д - этого топлива будет в десятки раз больше, чем у бензиновых двигателей.

При этом больший удельный расход «топлива» требует большего его запа на транспортном средстве. А это, в свою очередь, приводит к уменьшению п лезного груза, который может перевозить автомобиль.

Прим. ред. Первым и одним из немногих разработчиков криогенного двигателя являє. Вашингтонский университет (США), который создал свой прототип LN2000 на базе почтово автомобиля Grumman-Olson. На автомобиль был установлен опытный 5-цилиндровый двигате мощностью 15 л. с., работающий на жидком азоте по открытому циклу Ренкина. Криогенны» двигатель обеспечивал максимальную скорость автомобиля 35,4 км/ч, а сосуд Дюара объек 80 л, который использовался для хранения жидкого азота под давлением 24 бара, обеспечив запас хода около 2 миль (3,2 км). Криогенный автомобиль был создан в середине 90-х годов і ходе поиска энергоустановок для автомобиля экологической категории ZEV (с нулевыми вь_ бросами), альтернативных электроприводу. В России также имеются энтузиасты, пытающие создать эффективный криогенный двигатель. Однако значительных успехов, говорящих о пе спективности и актуальности этого направления для автомобильного транспорта, ни в Росси, ни за рубежом, пока не достигнуто.

Единственным несомненным преимуществом криогенных двигателей являет - н экологическая чистота. Однако экологическая безвредность таких систем іеко не нулевая, поскольку для получения жидкого азота необходимы затраты ргии, сопровождающиеся вредными выбросами. Вопрос состоит в том, ком - нсируют ли экологические преимущества серьезные недостатки криогенных гателей, описанные выше.

Докажите, что теоретическая эффективность двигателя Стирлинга без реге­нерации

где ПCamot - эффективность цикла Карно, соответствующего данному тем­пературному диапазону; v - число степеней свободы рабочего тела (газа); г - степень сжатия.

Какой газ лучше использовать в качестве рабочего тела? Объясните почему?

В примерах мы принимали степень сжатия равной 10. Какой была бы эф­фективность двигателя при степени сжатия 20? Какие недостатки будут иметь гсто при более высокой степени сжатия? Есть ли смысл увеличивать степень сжатия?

Нарисуйте процессы, характерные для двигателя Стирлинга, в диаграммах и Т, S для примера, приведенного в тексте. Какой физический смысл имеют дли под кривыми р, V - и 7~, .У - за в и с и м остей?

Рассмотрим два цилиндра А и В, внутри которых находятся поршни. Ра - е объемы внутри цилиндров могут меняться независимо. Максимальный ч каждого из этих цилиндров 10 м3, минимальный объем нулевой. Цилинд - гмдравлически соединены между собой так, что газ в любой точке объемов цилиндров будет иметь одинаковое давление. В начальный момент вре- объем цилиндра А равен 10 м3, а цилиндра В - нулю. Другими словами, ень А будет подниматься, а поршень В опускаться. Показатель адиабаты его тела у = 1,4.

жолько газа (кмоль) находится в системе при давлении 0,1 МПа и темпера - “гре 400 К.

3. Теперь представим, что поршень А поднялся так, что объем в цилиндре умек шился до 1 м3, а объем в цилиндре В остался неизменным. Чему равны т> пература газа и его давление при условии адиабатического процесса? Как энергия затрачена при сжатии?

4. Затем поршни стали двигаться одновременно до тех пор, пока объем в ц линдре А не стал равным нулю, а в цилиндре В - 1 м3. Чему равны давлен, и температура газа в цилиндре В!

5. Следующим этапом является передача теплоты в цилиндр В так, что* объем увеличился до 10 м3. Температура газа во время процесса не и> меняется. Сколько теплоты было предано газу во время этого процесс Какую работу совершил поршень В? Каково давление газа в конечном сс стоянии?

6. Теперь поршень В начинает подниматься, тогда как поршень А опускаете Происходит перетекание газа из одного цилиндра в другой. Этот проце». теоретически происходит без затрат энергии. Из цилиндра А теплота сбр сывается в окружающую среду, и газ охлаждается до температуры 400 В конечном положении, когда цилиндр А имеет максимальный объем, ці считается полностью завершенным. Сколько энергии в течение этого прс цесса было сброшено в окружающую среду?

7. Чему равна эффективность данной машины, т. е. чему равно отношение с" марной произведенной работы к поступившей от нагревателя теплоте?

8. Как эта эффективность соотносится с эффективностью цикла Карно?

9. Нарисуйте рассмотренные процессы в р, У - и 7, ^диаграммах.

10. Получите формулу для эффективности в зависимости от степени сжатия Нарисуйте кривую зависимости КПД от г в диапазоне 1 < г < 100.

11. Если полученное значение эффективности окажется явно завышенным (н реалистичным), например, равным 10 000, какой тогда будет действителы эффективность? Может ли она превышать эффективность цикла Карно? Об ясните свои выводы.

3.4. Представим себе некоторую машину, снабженную искровым двигател.: внутреннего сгорания (цикл Отто). Этот двигатель использует бензин (для 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.

Поскольку в бензиновых двигателях в качестве топлива можно использовать ъ нол, владелец машины решил перевести её на этот вид топлива. При этом степ», сжатия "увеличилась до 12. Примем, что в любом случае реальная эффективное автомобиля приблизительно равна половине теоретической эффективности. Че равен удельный расход топлива автомобилем на этаноле?

Низшая теплота сгорания и плотность рассматриваемых веществ: пентана - 28.16 МДж/л, 0,626 кг/л; этанола - 21,15 МДж/л, 0,789 кг/л.

Решите эту задачу дважды, один раз для у = 1,67, а другой для у = 1,4.

3.5. Рассмотрим цилиндр с бесфрикционным поршнем. В начальной стадии эк­сперимента он содержит 1 л газа (у = 1,4, с. = 20 кДж/(К кмоль)) при темпера - ■ре 400 К и давлений 105 Па.

Сколько газа в кмолях находится в цилиндре?

2 Чему в данном случае равно произведение pV!

ГКсть теперь поршень перемещается с уменьшением объема газа до 0,1 л. Сжа­тие происходит адиабатически.

Чему равно давление газа после сжатия? і Чему стала равна температура газа?

J Какая работа была совершена компрессором?

1 мерь к газу изотермически подведем 500 Дж теплоты.

і Чему после этого стал равен объем газа?

Чему стало равно лавление?

Поскольку при подводе теплоты газ расширяется (поршень перемещается), какую работу он совершает?

Г „чъ теперь газ расширяется адиабатически до тех пор, пока его объем не ста - равным 1 л.

Чему равно давление газа после адиабатического расширения? і Чему равна температура газа?

какая работа совершена при адиабатическом расширении?

Перь пусть теплота от газа отводится изотермически, пока его давление не іет равным 105 Па. При этом система возвращается в состояние 1.

2. Чему равна суммарная работа поршня, переданная внешней нагрузке? каково общее количество теплоты, полученной системой (отведенную теп - .оту здесь не учитываем)?

Чему равна эффективность устройства?

5 Чему равна соответствующая эффективность цикла Карно?

№ Нарисуйте процессы и весь цикл в р. К-диаграмме.

Предположим, что бензин имеет октановое число 86. Октановое число этанола равно 160. Примем у= 1,4.

1. Как изменилась теплотворная способность 1 л смеси по сравнению с тепло­творной способностью чистого бензина?

2. Чему равно октановое число всей смеси?

Примем, что максимально допустимая степень сжатия топлива г = 0,093 Ог, гле Ог - октановое число.

3. Чему равна максимальная степень сжатия бензинового двигателя? Двигателг работающего на смешанном топливе?

4. Чему равна относительная эффективность двигателя?

5. Чему равен удельный расход топлива на единицу пройденного пути в сл> чае, когда используется чистый бензин и когда применяется топливная смесь?

3.7. Поршневой двигатель открытого цикла работает на атмосферном возду>е. который поступает в него в количестве 23 ■ 10 () кмоль при температуре 300 К и давлении 105 Па. Степень сжатия двигателя равна 5,74.

Сжатие и расширение происходят адиабатически. Подвод тепла осуществляется изобарически, а его отвод - изотермически. За цикл к газу подводится 500 Jb теплоты. Воздух имеет с. = 20 790 Дж/(К - кмоль) и у = 1,4.

Чему равна теоретическая эффективность двигателя? Сравните её с эффектив­ностью цикла Карно.

Выполните следующие действия:

рассчитайте начальный объем цилиндра;

определите для процесса адиабатического сжатия конечные значения V, р, Т и требуемой работы:

определите термодинамические параметры системы после подвода тепла; вычислите совершенную в процессе расширения работу.

3.8. Некоторый двигатель Стирлинга реализует при работе только половин; своей теоретической эффективности. Двигатель работает в диапазоне темпе­ратур от 1000 до 400 К. Какой будет эффективность устройства в следующих случаях:

1. Если использовать идеальный регенератор тепла, аргон в качестве рабочего тела, и степень сжатия 10:1.

2. При тех же, что и в п. 1, условиях степень сжатия равна 20:1.

3. При тех же, что и в п. 1, условиях, но без использования регенератора.

4. При тех же, что и в п. 2, условиях, но без использования регенератора.

3 9. При использовании обогащенных смесей уменьшается эффективность дви­гателя Отто, тогда как при работе на обедненной смеси могут возникнуть про - темы ее поджига. Решением этого вопроса может быть применение двигателей со стратифицированным горением.

Рассмотрим двигатель со степенью сжатия 9:1. Богатая смесь имеет у = 1,2, бедная смесь у = 1,6. При всех прочих равных условиях чему равно отношение ■»Ффективности использования обедненной смеси к эффективности использо - В. 4ия обогащенной смеси?

3.8. Рассмотрим двигатель Отто с искровым зажиганием, имеющий следующие характеристики:

максимальный объем цилиндра VQ= 1 л (КН м3); степень сжатия г = 9:1; давление в конце впуска р0= 5 104 Па; температура смеси в конце впуска 70 = 400 К; среднее значение показателя адиабаты смеси 1,4;

удельная теплоемкость смеси (при постоянном объеме) с = 20 кДжДК - кмоль).

кая мощность передается нагрузке, если вал двигателя вращается с частотой > *00 об/мин?

Чтомные массы: Н - 1 дальтон: С - 12 дальтон; N - 14 дальтон: 0-16 даль - тон. Присутствием аргона в смеси можно пренебречь.

3.12. Высшая теплота сгорания и-гептана (при 1 атм и 20 °С) равна 48,11 МДж/кг. Чему равна низшая теплота сгорания?

3.13. 1 моль некоторого газа (у = 1,6, cv = 13,86 Дж/(К кмоль) при 300 К занимает ьем 1 л. Для каждого шага, описанного ниже, определите величины р, Vu Т.

Шаг 1 -> 2.

Адиабатическое сжатие газа до объема 0,1 л. Какое количество энергии tV12 было затрачено при сжатии?

Шаг 2 -> 3.

Изотермическая передача рабочему телу 10 кДж тепла. Чему равна внешняя работа?

Шаг 3 -> 4.

Адиабатическое расширение газа 10:1.

Шаг 4 -> 1.

Изотермический отвод теплоты с возвратом газа в состояние 1. Чему равна отведенная энергия?

Чему равна общая эффективность цикла?

Чему равна эффективность соответствующего цикла Карно?

Какую мощность будет иметь двигатель, если его вал вращается с частотой 5000 об/мин (5000 циклов в минуту)?

3.14. В двигателе Стирлинга, рассмотренном ранее, происходит изотермическое сжатие, за которым следует изохорический подвод тепла, изотермическое сжатие и изохорический отвод тепла.

Изотермическое сжатие достаточно сложно обеспечить, особенно в дви­гателях, имеющих большую частоту врашения. Поэтому предположим, что двигатель при работе осуществляет адиабатическое сжатие. Примел., что другие фазы работы рассматриваемого двигателя соответствуют фа­зам ранее описанного двигателя. Так, при изотермическом подводе тепла к рабочему телу подводится 293 Дж. То есть «горячий» цилиндр после процесса адиабатического сжатия будет иметь температуру 652 К до окончания процесса подвола теплоты.

Определите теоретическую эффективность двигателя (без регенерации тепла) и сравните её с эффективностью соответствующего цикла Карно.

Определите мощность, производимую одним цилиндром данного двигателя, при­нимая условие, что эффективность реального двигателя будет приблизительно в 2 раза меньше, чем эффективность идеального. Частота вращения вала двига­теля 1800 об/мин. Каждый оборот врашения вала соответствует одному полному циклу двигателя. Для расчетов примите у = 1,4.

3.15. Предположим, что двигатель работает в температурном диапазоне меж­ду 1000 и 500 К с эффективностью двигателя Карно. Источник теплоты имеет мощность 100 кВт и температуру 1500 К. Данное тепло передается рабочему телу ранее описанного двигателя. Допустим, что передача теплового потока осуществляется при температурном градиенте, снижающем температуру от 1500 до 1000 К. Эффективность передачи тепла при этом примем равной 100 %, т. е. мощность 100 кВт подводится к двигателю без потерь.

Чему равна эффективность описанного выше двигателя, работающего по циклу Іирно? Чему равна полезная мощность данной системы (двигателя)?

3.16. Паровой котел подает пар в паровую турбину. В стенках котла име­йся каналы, по которым протекает пар. Эти стенки с одной стороны на­ходятся в зоне действия пламени топки. Температура нагретого пара 500 К, -.чпература стенки, контактирующей с пламенем, 1000 К. Через каждый квадратный сантиметр поверхности нагрева проходит тепловой поток 1 кВт. Теплопроводность металлических стенок канала X зависит от температуры следующему закону: X = 355 - 0.111Т (в системе СИ). Температура под- с" чвляется в кельвинах.

Рассчитайте толщину стенки.

2 Определите температуру в средней точке между внутренней и внешней стен­кой канала.

I". Четырехтактный двигатель Отто с искровым зажиганием имеет общий объем линдров 2 л и работает на метане (высшая теплота сгорания 55,6 МДж/кг). тепень сжатия в двигателе 10:1. Для впрыска топлива используется инжек - ная система, которая подает топливо таким образом чтобы выдерживалось аанное стехиометрическое соотношение. Показатель адиабаты смеси равен 1,4. ■стена обладает среднестатистическим уровнем потерь, поэтому действитель - ч мощность, которую вырабатывает двигатель, составляет 30 % идеальной, начале процесса сжатия давление рабочей смеси составляет только 5 104 На < температуре 350 К, так как гидравлические потери на входе можно считать небрежимо малыми.

му равна мощность, передаваемая двигателем на нагрузку, если частота вра - ргния его вала равна 5000 об/мин? С учетом особенностей двигателя расчет Сходимо произвести исходя из низшей теплоты сгорания топлива.

18. Рассмотрим двигатель с искровым зажиганием, степень сжатия которого на 9:1. Газ внутри цилиндра имеет у= 1,5.

начальном состоянии рабочее тело имеет следующие параметры: = I л;

I атм; Тх = 300 К.

конце процесса сжатия впрыскивается 10 мг бензина, затем смесь поджига - г"я. Сгорание топлива происходит мгновенно. Примем, что удельная теплота ания бензина 45 МДж/кг.

Определите идеальную эффективность двигателя.

Подсчитайте эффективность соответствующего заданным условиям цикла Карно.

3. Докажите, что уменьшение количества впрыскиваемого топлива за один пики приведет к приближению эффективности цикла Отто к эффективности ЦИК Карно.

3.19. В дизельном двигателе топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух, находящийся в цилиндре, после чего смесь самопроизвольно возгорается. Пред­положим, что топливо подается относительно медленно, так что сгорание смеси имеет место практически при постоянном давлении. Степень сжатия г, использ> ■ емая в большинстве дизельных двигателей, находится в диапазоне между 16:1 и 22:1. В дизельных двигателях самопроизвольный поджиг надежно происходи при температуре воздуха не ниже 800 К.

Воздух имеет отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме, равное 1,4 (у = 1,4). Пус температура воздуха на входе в холодный дизельный двигатель 300 К.

Какой должна быть минимальная степень сжатия, требуемая для запуска дви­гателя?

3.20. Рассмотрим машину, которая использует в качестве рабочего тела возд> і (у = 1,4) и выполняет последовательный ряд термодинамических процессов В конце каждого процесса определите характеристики состояния газа (давлениг. объем и температуру), а также энергию, характерную для каждого процесса.

В начальном состоянии (состояние 1) газ имеет следующие характеристики рх = 105 Па; Vx = 10-3 м3; Тх = 300 К.

1. 1-й процесс (шаг I -> 2): адиабатическое сжатие, уменьшение объема до 10-4 м3.

2. 2-й процесс (шаг 2 -> 3): изобарический подвод 200 Дж теплоты.

3. 3-й процесс (шаг 3 -> 4): адиабатическое расширение до V4 = 10_3м3.

Подсчитайте всю тепловую и механическую энергию, которая подводится к дви­гателю, и всю механическую энергию, отводящуюся от него. Исходя из этого определите эффективность машины. (Подсказка: не забудьте учесть все процес­сы, в которых отводится энергия.)

3. 21.В цикле дизельного двигателя можно различить следующие фазы:

фаза 1 2. Адиабатическое сжатие чистого воздуха от объема Vx до объема " :

фаза 2 -> 3. Сжигание топлива при постоянном давлении с расширением от объема V2 до объема К3;

фаза 3^4. Адиабатическое расширение от объема V3 до объема V4; фаза 4 -» 1. Изохорический отвод тепла, при котором газ оказывается в пер­воначальных условиях.

т цикл похож на цикл Отто с той лишь разницей, что в никле Отто сгорание исходит изохорически, тогда как в дизельном двигателе - изобарически, смотрим цикл, в котором Fj = К) 3 м3, V2 = 50 Ш-6 м3, V3 = 100 10-6 м3, = 105 Па, 7] - 300 К и для всех процессов будем считать у = 1,4.

Подсчитайте теоретическую эффективность цикла.

Подсчитайте эффективность с помощью уравнения эффективности цикла Дизеля, полученного в гл. 4.

Подсчитайте эффективность путем оценки всей механической энергии (сжатия и расширения) и всех тепловых процессов (подвода и отвода тепла). Будьте достаточно осторожными при анализе того, что происходит во время фазы сгорания (2->3), когда выделяется энергия сгорания топлива и одновременно производится некоторая механическая работа.

льтаты по пп. 2 и 3 должны быть одинаковыми.

Мы все знаем, что одной из основ материальной жизни современного человечества являются всем известные полезные ископаемые нефть и газ. Благословенные углеводороды так или иначе присутствуют в любой области нашей с вами жизни и первое, что приходит на ум любому человеку – горючее. Это бензин, керосин и природный газ, используемый в различных энергосистемах (в том числе и в двигателях транспортных средств).

Сколько автомобилей на дорогах мира и самолетов в воздухе сжигают в своих двигателях … Количество их огромно и столь же огромен объем топлива, вылетающего, так сказать, в трубу (и при этом еще норовящего внести свою немалую долю в отравление атмосферы:-)). Однако процесс этот не бесконечен. Запасы нефти, из которой производится львиная доля используемого в мире горючего (несмотря на то, что она постепенно сдает свои позиции природному газу), быстро уменьшаются. Она постоянно дорожает и дефицит ее ощущается все больше.

Такое положение уже довольно давно заставляет исследователей и ученых всего мира искать альтернативные источники топлива, в том числе и для авиации. Одним из направлений такой деятельности стали разработки летательных аппаратов, использующих криогенное топливо .

Криогенный означает «рожденный холодом », и топливом в этом случае служит сжиженный газ, который хранится при очень низких температурах. Первым, привлекшим в этом плане внимание разработчиков газом, стал водород . Этот газ по своей теплотворной способности втрое превосходит керосин и, кроме того при его использовании в двигателе в атмосферу выделяется вода и совсем небольшое количество окислов азота. То есть для атмосферы он безвреден.

Самолет ТУ-154Б-2.

В середине 80-х годов прошлого века в конструкторском бюро А.Н.Туполева начали создавать самолет, использующий в качестве топлива жидкий водород . Он был разработан на базе серийного ТУ-154Б с использованием турбореактивного двухконтурного двигателя НК-88 . Этот двигатель был создан в двигателестроительном конструкторском бюро им. Кузнецова (Самара) опять же на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2 и предназначался для работы на водороде или природном газе . Надо сказать, что в этом бюро работы по новой тематике велись еще с 1968 года.

Тот самый самолет Ту-155 на хранении... К сожалению отвратительном хранении:-(.

Новый самолет, работающий на криогенном топливе получил наименование ТУ-155 . Однако все не так просто. Дело в том, что водород – это опасное топливо . Он чрезвычайно горюч и взрывоопасен. Обладает исключительной проникающей способностью, а храниться и транспортироваться может только в сжиженном состоянии при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273 градуса по Цельсию). Эти особенности водорода представляют собой достаточно большую проблему.

Поэтому ТУ-155 представлял собой летающую лабораторию для исследования и решения существующих проблем и базовый самолет при ее создании подвергся коренной переделке. Вместо правого двигателя НК-8-2 был установлен новый криогенный НК-88 (два других остались родными:-)). В задней части фюзеляжа на месте пассажирского салона разместили специальный бак для криогенного топлива , жидкого водорода, объемом 20 куб.м. с усиленной экранно-вакуумной изоляцией, где водород мог храниться при температуре ниже минус 253 градуса Цельсия. К двигателям он подавался специальным турбонасосным агрегатом , как на ракете.

Двигатель НК-88. Сверху на двигателе виден массивный турбонасосный агрегат.

Из-за большой взрывоопасности пришлось из отсека с топливным баком удалить практически все электрооборудование, дабы исключить малейшую возможность искрообразования, и весь отсек постоянно продувался азотом или воздухом . Для управления агрегатами силовой установки была создана специальная гелиевая система управления. Кроме того пары водорода из бака нужно было отводить подальше от двигателей, чтобы избежать воспламенения. Для этого сделали дренажную систему. На самолете хорошо видны ее отводы в хвостовой части фюзеляжа (особенно на киле).

Компоновочная схема ТУ-155. Голубой - топливный бак. В переднем отсеке - обеспечивающее оборудование. Красным - криогенный двигатель.

В целом было создано и внедрено более 30-ти новых самолетных систем. Вобщем работа была проведена грандиозная:-). А ведь еще нужно было наземное, не менее сложное, обеспечивающее заправку и хранение оборудование. Правда тогда полным ходом шла разработка системы «Буран» , на ракете–носителе которой одним из компонентов топлива был жидкий водород. Поэтому считалось, что все будет поставлено на промышленную основу и недостатка в топливе не будет. Но, я думаю, каждому понятно, что криогенное топливо в такой системе становится просто «золотым» по стоимости. И это означает, что коммерческое использование жидкого водорода в ближайшем будущем вряд ли возможно. Поэтому уже тогда шла подготовка к переходу на другой вид криогенного топлива – сжиженный природный газ (СПГ ).

Тем не менее первый полет ТУ-155 на жидком водороде состоялся 15 апреля 1988 года. Еще кроме этого было 4 таких полета. После этого ТУ-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа (СПГ).

Этот вид топлива по сравнению с водородом значительно дешевле и доступнее, кроме того он еще и в несколько раз дешевле керосина. Теплотворная способность его на 15% выше, чем у керосина. Кроме того он также мало засоряет атмосферу, а хранить его можно при температуре минус 160 градусов, что на целых 100 градусов выше, чем у водорода. Кроме того на фоне водорода СПГ все же менее пожароопасен (хотя, конечно, опасность такая все же существует) и имеется достаточный опыт поддержания его в безопасном состоянии. Организация газоснабжения (СПГ) аэродромов вобщем-то тоже не представляет чрезвычайной сложности. Почти к каждому крупному аэропорту подведены газовые трубопроводы. Вобщем достоинств хватает:-).

Первые полеты ТУ-155 уже использующего криогенное топливо сжиженный природный газ состоялись в январе 1989 года. (Ролик, помещенный ниже, рассказывает об этом). Еще было около 90 таких полетов. Все они показали, что расход топлива по сравнению с керосином уменьшается почти на 15%, то есть самолет становится экономичнее и выгоднее.

Теперь немного о перспективах … В конце 90-х главный распорядитель российских газовых запасов Газпром выступил с инициативой постройки в начале грузо-пассажирского, а потом и просто пассажирского самолета, который мог бы полностью работать на СПГ. Самолет получил наименование ТУ-156 и создавался на базе уже имеющегося ТУ-155. На него должны были устанавливаться три новых двигателя НК-89 . Это , аналогичные НК-88, но имеющие две независимые топливные системы: одну для и другую для криогенного топлива (СПГ). Это было удобно в том плане, что далеко не везде имелась возможность заправки газом, и самолет мог бы по мере необходимости переходить с одной системы питания на другую. На это по разработанной технологии требовалось всего пять минут. НК-89 имел также теплообменник в затурбинном пространстве, где сжиженный газ переходил в газообразное состояние и затем поступал в камеру сгорания.

Были проведены большие исследовательские и расчетные работы по перекомпоновке отсеков и расположения топливных баков. К 2000-му году на Самарском авиационном заводе должны были быть выпущены три ТУ-156 и начата их сертификация и опытная эксплуатация. Но… К сожалению этого сделано не было. И препятствия к осуществлению задуманных планов были исключительно финансовыми.

После были разработаны еще несколько проектов самолетов, использующих криогенное топливо (СПГ), такие, как, например,ТУ-136 с турбовинтовыми двигателями, работающими как на керосине, так и на сжиженном газе и широкофюзеляжный ТУ-206 с турбореактивными двигателями , работающими на СПГ. Однако на данный момент все эти проекты так пока проектами и остались.

Модель самолета Ту-136.

Модель самолета ТУ-206 (ТУ-204К).

Как сложатся дела в этой области авиационной науки и техники покажет время. Пока создание летательных аппаратов, использующих криогенное топливо тормозится различными обстоятельствами, как объективными, так и субъективными. Предстоит еще много сделать в области разработки специальных самолетных систем, развития наземной инфраструктуры, систем транспортировки и хранения топлива. Но тема эта чрезвычайно перспективна (и, на мой взгляд, очень интересна:-)). Водород, с его огромной энергоемкостью и практически неисчерпаемыми запасами, – это топливо будущего. Об этом можно говорить с полной уверенностью. Переходным этапом к этому служит использование природного газа.

И этот решительный шаг в будущее сделан именно в России. Испытываю гордость еще раз говоря об этом:-). Нигде в мире не было и по сей день нет летательных аппаратов, подобных нашему ТУ-155. Хочется привести слова известного американского авиационного инженера Карла Бревера: «Русские совершили в авиации дело, соразмерное полету первого спутника Земли! »

Это истинная правда! Очень только хочется, чтобы дела эти шли потоком (а русские это могут:-)), и чтобы поток этот был непрерывен, а не двигался рывками, как это у нас часто бывает…

Компания Dearman в партнерстве с учеными, руководителями промышленных предприятий и специалистами в криогенном оборудовании специализируется на разработке технологий, использующих сжиженные газы. Главным достижением этих исследований является двигатель Dearman – новейший поршневой двигатель, работающий за счет ​​расширения жидкого азота или жидкого воздуха и производящий экологически чистый холод и механическую энергию.

При переходе азота из жидкого в газообразное агрегатное состояние этот газ расширяется в 710 раз. Это увеличение объема и используется для привода поршней двигателя. Двигатели Dearman работают как паровые двигатели высокого давления, но при низкой температуре кипения жидкого азота. Это означает, что в качестве источника тепловой энергии может быть использовано как бросовое тепло, так и температура окружающего воздуха, что устраняет необходимость в традиционном топливе.

Уникальной особенностью двигателей Dearman является использование в качестве теплоносителя смеси воды и гликоля. Когда этот теплоноситель смешивается с чрезвычайно охлажденным азотом, эта жидкость квазиизотермически расширяется, что значительно повышает эффективность работы двигателя.

Важно отметить, что в процессе работы двигателя Dearman происходит эмиссия только воздуха или азота, без выбросов окислов азота (NOx), углекислого газа (CO2) или твердых частиц.

Dearman технология имеет множество преимуществ по сравнению с другими низкоуглеродистыми технологиями:

• Низкие капитальные затраты и связанный углерод – Dearman двигатели изготовлены из обычных материалов, с использованием технологий, распространенных в промышленности по производству двигателей.
• Быстрая заправка – жидкий газ может быть передан между резервуарами на высоких скоростях. Современная газовая промышленность использует системы, способные перегонять более 100 литров жидкого газа в минуту.
• Большие объемы существующей инфраструктуры – газовая промышленность имеет глобальный характер. В настоящее время имеется достаточно развитое производство жидкого азота, способное обеспечить работу тысяч двигателей Dearman.
• Эффективность процесса производства "топлива" – сжижение воздуха давно отработанный процесс, для которого требуется только воздух и электричество.

• Производственные мощности для сжижения воздуха можно использовать очень гибко – например, в нерабочее часы или во время неполной загрузки. Для дополнительного сокращения затрат можно применять возобновляемые источники энергии.

Как это работает

Двигатель Dearman работает следующим образом:
1. теплоноситель закачивается в цилиндры двигателя, заполняя почти весь их объем;

2. затем в цилиндр вводят криогенный азот, который вступает в контакт с теплообменной жидкостью и начинает расширяться;

3. тепло от теплоносителя поглощается расширяющимся газом, в результате чего происходит почти изотермическое расширение;

4. поршень двигается вниз, выпускной клапан открывается, и смесь газа с жидким теплоносителем выходит из двигателя;

5. теплоноситель восстанавливается, нагревается и многократно используется, в то время как азот или воздух выпускается в атмосферу.

На территории ЛИИ им.Громова в подмосковном Жуковском стоит самолет с надписью на борту Ту-155. Эта уникальная машина - летающая лаборатория для отработки систем и двигателя, использующих криогенное топливо. Работы в этом направлении велись в конце 80-х годов. Ту-155 стал первым в мире самолетом, использующим в качестве топлива жидкий водород и сжиженный природный газ. Прошло 27 лет с первого полета этой необычной машины. И сейчас она тихо стоит среди списанных самолетов. Несколько раз ее хотели разрезать на металл. Так чем же уникален это самолет?
1.

Прежде чем говорить об этом самолете, стоит пояснить, что такое криогенное топливо и чем оно отличается от углеводородного. Криогеника -- это изменения свойств различных веществ в условиях крайне низких температур. То есть криогенное топливо означает “рожденное холодом”. Речь идет о жидком водороде, который хранится и перевозится в жидком состоянии при очень низких температурах. И о сжиженном природном газе, обладающем так же очень низкими температурами.

По сравнению с керосином, жидкий водород имеет ряд преимуществ. Он обладает втрое большей теплотворной способностью. То есть при сжигании равных масс, у водорода выделяется больше тепла, что напрямую влияет на экономические характеристики силовой установки. Кроме того, при его использовании в атмосферу выделяется вода и совсем небольшое количество окислов азота. Это делает силовую установку безвредной для атмосферы. Однако водород является очень опасным топливом. В смеси с кислородом он чрезвычайно горюч и взрывоопасен. Обладает исключительной проникающей способностью, а храниться и транспортироваться может только в сжиженном состоянии при очень низких температурах (-253°C).

Эти особенности водорода представляют собой достаточно большую проблему. Именно поэтому совместно с жидким водородом в качестве авиационного топлива рассматривался и природный газ. По сравнению с водородом он значительно дешевле и доступнее. Его можно хранить в сжиженном состоянии при температуре -160°C, а по сравнению с керосином, он обладает на 15% большей теплотворной способностью. Он в несколько раз дешевле керосина, что делает его также экономически выгодным в качестве авиационного топлива. Однако природный газ так же пожароопасен, хоть и в меньшей степени, чем водород. Именно с этими трудностями предстояло справиться инженерам ОКБ им.Туполева при создании экспериментального самолета Ту-155.
2.

Авиационные конструкторы впервые столкнулись с криогенной техникой. Поэтому проектирование шло не только в тиши конструкторских залов, но и в исследовательских лабораториях. Конструкторы шаг за шагом внедряли новые конструкторские решения и технологии, обеспечивающие создание принципиально новых систем самолета, криогенной силовой установки и систем, позволяющих ее безопасную эксплуатацию.
3.

Летающая лаборатория создавалась на базе серийного Ту-154, доработанного под стандарт Ту-154Б. Бортовой номер СССР-85035. Главным конструктором Ту-155 был назначен Владимир Александрович Андреев. В самолете имелось множество принципиальных отличий от базового варианта. Криогенный топливный бак объемом 17,5 м 3 вместе с системой подачи топлива и системой поддержания давления составлял экспериментальный топливный комплекс, размещенный в хвостовом отсеке фюзеляжа, отделенном от других отсеков самолета буферной зоной. Бак, трубопроводы и агрегаты топливного комплекса имели экранно-вакуумную изоляцию, обеспечивающую заданные теплопритоки. Буферные зоны защищали экипаж и жизненно важные отсеки самолета в случае нарушения герметичности водородных систем.
4.

На самолете был установлен экспериментальный турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88, созданный в Самаре в двигателестроительном конструкторском бюро под руководством академика Николая Дмитриевича Кузнецова на базе серийного двигателя для Ту-154 НК-8-2. Он устанавливался вместо правого штатного двигателя и использовал для работы водород или природный газ. Два других двигателя были родными и работали на керосине. Сейчас они сняты. А вот НК-88 остался на месте.
5.

6.

7.

Для управления и контроля криогенного комплекса на самолете имеется ряд систем:

Гелиевая система, управляющая агрегатами силовой установки. Так как двигатель работал на водороде, к нему нельзя было подводить электроприводы. Именно по этому его систему управления заменили на гелиевую.

Азотная система, замещающая воздушную среду в отсеках, где возможны утечки криогенного топлива.

Система газового контроля, контролирующая газовую среду в отсеках самолета и предупреждающую экипаж в случае утечек водорода задолго до взрывоопасной концентрации.

Система контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.

В грузовом отсеке носовой части фюзеляжа расположены круглые баллоны с азотом. Также они установлены и в салоне самолета выше иллюминаторов. На полу вместо пассажирских кресел установлены баллоны с гелием. Плюс стойки с контрольно-измерительной и записывающей аппаратурой.

В целом было создано и внедрено более 30-ти новых самолетных систем. Среди новых технологий важное место занимает технологический процесс, обеспечивающий очистку внутренних полостей трубопроводов и агрегатов. Потому что с высокоэффективной изоляцией и вакуумной герметичностью, чистота - залог безопасности будущего полета.

Кабина экипажа подверглась изменениям. Перегородка была перенесена глубже в салон, а в кабине установлены рабочие места второго борт-инженера, который отвечал за работу экспериментального двигателя и инженера-испытателя, который контролировал работу бортовых экспериментальных систем. В полу кабины был смонтирован люк аварийного покидания.

Для обслуживания самолета и выполнения испытательных работ был создан авиационный криогенный комплекс. Он состоял из системы заправки жидким водородом (или сжиженным природным газом), пневматического питания, энергоснабжения, телевизионного контроля, газового анализа, орошения водой в случае пожара, а также контроля качества криогенного топлива.

На этапе наземных испытаний выполнялась проверка функционирования всех экспериментальных систем, включая работу двигателя НК-88 на жидком водороде. Были отработаны режимы заправки, обслуживания вакуумных систем, режимы работы топливной системы и системы поддержания давления в сочетании с работающим двигателем. Одновременно отрабатывалась подготовка самолета к полету, заправка бортовых систем гелием и азотом.

На фотографии видно длинную трубу, тянущуюся из-под фюзеляжа к соплу центрального двигателя. Это система аварийного слива жидкого водорода (природного газа). Она позволяла в случае необходимости слить криогенное топливо на срез сопла среднего штатного двигателя. В процессе наземных испытаний были отработаны различные ситуации, связанные с опасностью возникновения взрыва и пожара.

9.

10.

11.

В процессе непосредственной подготовки к полету осуществлялась доставка жидкого водорода автозаправщиками. Они подсоединялись к самолету через стационарные криогенные трубопроводы с запорно-присоединительной арматурой, которая обеспечивала необходимые противопожарные разрывы между самолетом, заправщиком и местом сброса в атмосферу дренируемого газообразного водорода. После пристыковки заправщиков производился контроль качества жидкого водорода с использованием специального пробоотборника и газового хроматографа. Помимо обычных операций при подготовке самолета к полету проводилась подготовка экспериментального двигателя, экспериментальных систем самолета и наземного комплекса. Особое внимание уделялось средствам взрыво- и пожаробезопасности, системам газового контроля, азотной, контроля вакуума в изоляционных полостях, системе пожаротушения, вентиляции отсека топливного комплекса и мотогондолы. В процессе испытаний отрабатывались различные средства защиты от повышения концентрации водорода в отсеках, как с использованием нейтральной среды (азота), так и вентиляцией воздухом от бортовой системы кондиционирования.

Из-за большой взрывоопасности из отсека с топливным баком пришлось удалить практически все электрооборудование. Это исключило малейшую возможность искрообразования, а весь отсек постоянно продувался азотом или воздухом. Кроме того, пары водорода из бака нужно было отводить подальше от двигателей, чтобы избежать воспламенения. Для этого сделали дренажную систему. Один из ее элементов первым бросается в глаза на киле самолета. Это обтекатель выпускного коллектора.
12.

13.

К первому полету самолет готовили на Жуковской летно-испытательной и доводочной базе Туполева (ЖЛИиДБ). Ту-155 отбуксировали к месту запуска двигателей. “Я 035, прошу взлет”. “035, взлет разрешаю”. 15 апреля 1988 года в 17 часов 10 минут с подмосковного аэродрома стартовал в свой первый полет самолет Ту-155 с двигателем, работающем на жидком водороде. Его пилотировал экипаж в составе: первый пилот - заслуженный летчик испытатель СССР Владимир Андреевич Севанькаев, второй пилот - заслуженный летчик испытатель СССР Андрей Иванович Талалакин, борт-инженер - Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер - Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель - Валерий Владимирович Архипов.

Полет проходил нормально. Контроль за его выполнением вели все наземные службы и самолет сопровождения Ту-134. Отработанные и проверенные на земле системы впервые проходили проверку в воздухе. Полет продолжался всего 21 минуту по малым кругам на разных высотах не выше 600 метров. Он завершился чуть раньше намеченного, для чего у инженера-испытателя Валерия Архипова были веские доводы: в азотном отсеке датчики зафиксировали наличие азота, который должен был автоматически появиться при утечках водорода. Но, слава Богу, причина была иная. Азот поступал через баллонный вентиль, разгерметизировавшийся при осуществлении самолетом крена в обе стороны от оси. Это стало понятно только на земле.

Был сделан только первый шаг на пути решения сложных проблем внедрения жидкого водорода в качестве авиационного топлива. В процессе летных испытаний были выполнены полеты по проверке работы силовой установки и систем самолета на различных режимах полета и при эволюциях самолета. Выполняли запуски экспериментального двигателя, испытывалась работа систем взрыво-пожаробезопасности в режимах создания нейтральной среды и вентиляции воздуха. В июне 1988 года программа летных испытаний на жидком водороде была выполнена полностью. После этого Ту-155 подвергся доработке для полетов с использованием сжиженного природного газа. Первый полет с использованием этого топлива состоялся 18 января 1989 года. Испытания самолета выполнял экипаж в составе: командир корабля - заслуженный летчик испытатель СССР Владимир Андреевич Севанькаев, второй пилот - Валерий Викторович Павлов, борт-инженер - Анатолий Александрович Криулин, второй борт-инженер - Юрий Михайлович Кремлев, ведущий инженер-испытатель - Валерий Владимирович Архипов.

Как сказал генеральный конструктор Алексей Андреевич Туполев: “Сегодня впервые в мире поднялся самолет, используя в качестве топлива сжиженный природный газ. И мы надеемся, что этот первый полет этого самолета он даст нам возможность собрать все научно-экспериментальные данные и построить самолет, на котором уже в ближайшее время смогут летать пассажиры”.

Испытания показали, что расход топлива по сравнению с керосином уменьшается почти на 15%. Плюс к этому они подтвердили возможность безопасной эксплуатации самолета на криогенном топливе. В ходе обширного комплекса испытаний на Ту-155 было установлено 14 мировых рекордов, а так же совершено несколько международных перелетов из Москвы в Братиславу (Чехословакия), Ниццу (Франция) и Ганновер (ФРГ). Общая наработка экспериментальной силовой установки превысила 145 часов.

В конце 90-х годов главный распорядитель российских газовых запасов Газпром выступил с инициативой постройки в начале грузо-пассажирского, а потом и просто пассажирского самолета, который мог бы полностью работать на сжиженном природном газе. Самолет получил наименование Ту-156 и создавался на базе уже имеющегося Ту-155. На него должны были устанавливаться три новых двигателя НК-89, аналогичные НК-88, но имеющие две независимые топливные системы: одну для керосина и другую для криогенного топлива. Были проведены большие исследовательские и расчетные работы по перекомпоновке отсеков и расположения топливных баков.

К 2000-му году на Самарском авиационном заводе должны были быть выпущены три Ту-156 и начата их сертификация и опытная эксплуатация. К сожалению, этого сделано не было. И препятствия к осуществлению задуманных планов были исключительно финансовыми.

Наверное, можно сказать, что Ту-155 обогнал свое время. На нем впервые применили системы, к которым человечество еще вернется. А Ту-155 достоин стоять в музее, а не среди забытых списанных самолетов.

На Международном авиационно-космическом салоне МАКС-2015 Научно-инженерная компания "НИК" и Б лаготворительный фонд "Легенды Авиации" при поддержке Администрации города Жуковский и ОАО “Авиасалон” впервые представили этот уникальный самолет широкой публике.

Текст в основном, видимо,