Kryogener Motor. Kryogene Elektromotoren. Das Funktionsprinzip einer kryogenen Kälteanlage

Die Motoren sind für den Einsatz in Flugzeugen mit kryogenem Treibstoff, für den Hochgeschwindigkeits-Bodentransport, in elektrischen Antriebssystemen für Seeschiffe, Raumfahrt und allgemeine industrielle kryogene Ausrüstung zum Antrieb von Kryopumpen, "kalten" Axialkompressoren usw. vorgesehen.

Als Aktivmaterialien für den Rotor kommen hochtemperatursupraleitende (HTSL) Keramikelemente auf Basis von Yttrium oder Wismut zum Einsatz.

Hauptvorteile

HTSC-Motoren verschiedener Typen, die in flüssigem Stickstoff betrieben werden, haben eine spezifische Ausgangsleistung, die 3-4 mal höher ist als bei herkömmlichen Elektromotoren.

Seit 2005 entwickelt das MAI hochdynamische Elektromotoren für Antriebe von Kryopumpen für Wasserstoffenergie und kryogene Versorgungssysteme für Starkstromkabel JV-Kabel. Experimentell konnte gezeigt werden, dass hochdynamische Motoren mit Permanentmagneten und volumetrischen HTSL-Elementen eine 1,3- bis 1,5-fach höhere Ausgangsleistung aufweisen als herkömmliche Synchronmotoren bei gleichen Kühlmodi in flüssigem Stickstoff.

Im Jahr 2007 bei MAI zusammen mit JSC NPO Energomash benannt nach ak. VP Glushko"und JSC"AKB Yakor"erstellten und testeten erfolgreich einen industriellen Prototyp einer Kryopumpe mit einem HTSC-Elektroantrieb für kryogene Versorgungssysteme für Stromkabel JV-Kabel.

Die Entwicklung und Erprobung von Motoren mit einer Leistung bis 100 kW wurde abgeschlossen. Motoren bis 500 kW sind in der Entwicklung.

Die Neuheit der vorgeschlagenen Lösungen wird durch sieben Erfindungspatente geschützt.

Die Forschung wird im Rahmen deutsch-russischer Verbundprojekte von MAI (Moskau), VNIINM im. A. A. Bochvara (Moskau), VEI (Moskau), ISSP RAS (Siedlung Chernogolovka, Region Moskau), IPHT (Jena, Deutschland), Oswald Elektromeotoren GmbH (Miltenberg, Deutschland), IEMA (Stuttgart, Deutschland), IFW ( Dresden, Deutschland) , sowie im Rahmen des Science for Peace-Projekts zwischen MAI und der Universität Oxford (Großbritannien).

Wichtigste technische Eigenschaften

• Motoren vom Hysteresetyp

• Blindmotoren

Wie bereits erwähnt, sind für den Betrieb einer Wärmekraftmaschine eine Wärmekraftmaschine und ein Kühlschrank erforderlich, die definitionsgemäß eine höhere Temperatur aufweisen müssen. Die Temperatur des Kühlschranks ist fast immer gleich der Temperatur der Luft, während die Temperatur der Wärmequelle der Brennkammer, des Reaktors oder des Sonnenkollektors variieren kann. In einer Wärmequelle kann jedoch ein Körper mit einer Umgebungstemperatur iJ verwendet werden, in diesem Fall muss der Kühlschrank eine niedrigere Temperatur haben, die mit kryogenen Flüssigkeiten erreicht werden kann, die als kryogene Motoren bezeichnet werden. Es gibt bekannte Entwicklungen von Motoren, die nach dem offenen Rankine-Kreis unter Verwendung von flüssigem Stickstoff arbeiten. In Abb. 3.16 zeigt ein Diagramm eines solchen Schnurrbarts - * und.

Leichter Stickstoff steht in einem speziellen kryogenen Reservoir unter Druck - aus diesem Reservoir wird die Flüssigkeit zum Wärmetauscher geleitet, über den dem Arbeitsmedium eine gewisse Wärmemenge zugeführt wird, ausreichend; über Verdunstung. In diesem Fall erhalten wir bereits gasförmigen Stickstoff mit einem Druck pt __ und der Temperatur Tv

in der Ausgangslage ist das Auslassventil des Arbeitszylinders geschlossen, und der Einlass ist I ікріт. Der Zylinder erhält |і kmol verdampften Stickstoff. Schauspielkunst. Niedriger Gasdruck führt zu einem Abfallen. Dieser Vorgang erfolgt durch Abführen von Wärme bei konstantem Druck (p2 = p,) und Temperatur (T2 = Ty) pore, bis das Gas das Volumen des Zylinders v2 ausfüllt.

Wir haben:

In der nächsten Betriebsstellung schließt das Einlassventil. Der hohe Gasdruck im Zylinder führt zu einer fortgesetzten Bewegung des Kolbens und erhöht das Volumen, bis der Gasdruck gleich p3 und das von ihm eingenommene Volumen - v3 wird. Dieser Vorgang kann sowohl isotherm (T3 = Tu) bei fortgesetzter Wärmezufuhr als auch adiabatisch (T3< Тх) в завн! симости от типа используемого устройства. Рассмотрим более предпочтительны изотермический процесс:

Betrachten wir nun den Fall der adiabatischen Expansion, der im wirklichen Leben viel einfacher durchzuführen ist. Findet während der Expansion kein Wärmeaustausch statt, ändert sich die Gastemperatur nach folgendem Gesetz:

Hier für Stickstoff y = 1,4. Erweiterungsarbeiten

s, = R/(y – 1) = 20,8 kJDcmol K).

I / atm = Ra ™ "" 3 = ^ LT3 "

In diesem Fall ist die Nutzarbeit gleich

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

In dem oben diskutierten Beispiel beträgt die während der Expansion erhaltene Endarbeit also 4,2 MJ / kmol oder 150 kJ / kg. Vergleichen Sie diesen Wert mit 5,7 MJ / kmol oder 204 kJ / kg für den Fall der isothermen Expansion und mit der spezifischen Verbrennungswärme von Benzin 47 000 kJ / kg.

Es ist klar, dass die spezifische Energie des kryogenen Arbeitsmediums erhöht werden kann -> durch Erhöhung des Arbeitsdrucks. Dieser Anstieg unterliegt jedoch dem logarithmischen | das Gesetz. Bei einer Druckerhöhung um das 10-fache (bis zu 10 MPa) steigt die spezifische Energie auf 11,4 MJ / kmol oder nur auf das 2-fache. Beachten Sie, dass ein Druck von 10 MPa 100 atm entspricht. Dafür einen Motor bauen Betriebsdruck- ein schwieriges technisches Problem: Der Motor wird schwer und sehr teuer.

Otto-Verbrennungsmotoren haben einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von weniger als 20 %. Das heißt, die Nutzarbeit pro 1 kg des Arbeitsfluids in einem Benzinmotor beträgt 8000 kJ / kg oder mehr oder fast 40-mal mehr als in einem kryogenen Motor.

Bei den erstellten ersten experimentellen kryogenen Motoren lagen die erreichten Werte der spezifischen Arbeit unter 50 kJ/kg. In einem Demonstrationsfahrzeug mit diesem Motor wurde 1 Gallo Stickstoff pro 0,3 Meilen verbraucht. Das heißt, es war noch nicht möglich, einen ausreichend praktischen kryogenen Motor zu schaffen. Es ist möglich, dass nach entsprechenden Modifikationen der Wirkungsgrad wie folgt ist: * „Motoren können deutlich verbessert werden1).

Tieftemperaturmotoren für Fahrzeuge haben noch keine hohe Laufleistung erbracht. Die aktuellen Kosten für flüssigen Stickstoff betragen 0,5 USD / kg oder 1,52 USD / Gallone. Unter Berücksichtigung der erreichten Werte der spezifischen Laufleistung bedeutet dies, dass bei gleicher Laufleistung die Kosten für den verwendeten d - dieser Kraftstoff zehnmal höher sind als bei Benzinmotoren.

Gleichzeitig erfordert ein höherer spezifischer Verbrauch von „Kraftstoff“ eine größere Reserve davon. Fahrzeug... Und dies wiederum führt zu einer Verringerung der Nutzlast, die das Fahrzeug tragen kann.

Ca. Hrsg. Der erste und einer der wenigen Entwickler eines kryogenen Motors ist. University of Washington (USA), die ihren LN2000-Prototyp auf Basis des Grumman-Olson-Postfahrzeugs erstellt hat. Im Auto wurde ein erfahrener 5-Zylinder-Motor mit einem Hubraum von 15 Litern verbaut. with., die an flüssigem Stickstoff in einem offenen Rankine-Kreislauf arbeitet. Der kryogene Motor ermöglichte eine maximale Fahrzeuggeschwindigkeit von 35,4 km / h und ein Dewar-Gefäß von 80 Litern, in dem flüssiger Stickstoff mit einem Druck von 24 bar gespeichert wurde, was eine Reichweite von etwa 2 Meilen (3,2 km) ermöglichte. Das Kryoauto entstand Mitte der 90er Jahre im Zuge der Suche nach Kraftwerken für ein Auto der ökologischen Kategorie ZEV (ohne Hubraum), Alternative zum Elektroantrieb. Es gibt auch Enthusiasten in Russland, die versuchen, einen effizienten kryogenen Motor zu entwickeln. Allerdings deutliche Erfolge, die von der Effizienz und Relevanz dieser Richtung für Straßentransport, weder in Russland noch im Ausland, noch nicht erreicht.

Der einzige unbestrittene Vorteil von kryogenen Motoren ist ihre Umweltfreundlichkeit. Die ökologische Unbedenklichkeit solcher Systeme ist jedoch nicht Null, da die Herstellung von flüssigem Stickstoff einen rgi-Aufwand erfordert, begleitet von schädlichen Emissionen. Die Frage ist, ob die Umweltvorteile die oben beschriebenen gravierenden Nachteile von kryogenen Brennern kompensieren.

Beweisen Sie, dass die theoretische Effizienz eines Stirlingmotors ohne Regeneration

wobei ПCamot die Effizienz des Carnot-Zyklus entsprechend dem gegebenen Temperaturbereich ist; v ist die Anzahl der Freiheitsgrade des Arbeitsfluids (Gas); g - Kompressionsverhältnis.

Welches Gas eignet sich besser als Arbeitsflüssigkeit? Erkläre warum?

In den Beispielen haben wir ein Verdichtungsverhältnis von 10 angenommen. Wie hoch wäre der Motorwirkungsgrad bei einem Verdichtungsverhältnis von 20? Welche Nachteile hat gsto bei einer höheren Kompressionsrate? Ist es sinnvoll, das Kompressionsverhältnis zu erhöhen?

Zeichnen Sie die für den Stirlingmotor typischen Prozesse in Diagrammen und T, S für das im Text angegebene Beispiel. Welche physikalische Bedeutung haben die Längen unter den Kurven p, V - und 7 ~, V - für v und s und mosty?

Betrachten Sie zwei Zylinder A und B mit Kolben im Inneren. Ra - e-Volumen in den Zylindern können unabhängig voneinander geändert werden. Das maximale h jedes dieser Zylinder beträgt 10 m3, das minimale Volumen ist null. Zylinder - Sie sind hydraulisch miteinander verbunden, so dass das Gas an jedem Punkt im Volumen der Zylinder den gleichen Druck hat. Zum Anfangszeitpunkt beträgt das Volumen des Zylinders A 10 m3 und das Volumen des Zylinders B ist null. Mit anderen Worten, Kolben A wird nach oben gehen und Kolben B wird nach unten gehen. Der adiabatische Exponent seines Körpers ist y = 1,4.

Im System befindet sich nur Gas (kmol) mit einem Druck von 0,1 MPa und einer Temperatur von 400 K.

3. Stellen Sie sich nun vor, der Kolben A sei gestiegen, so dass sich das Volumen im Zylinder auf 1 m3 verringert und das Volumen im Zylinder B unverändert bleibt. Wie groß sind die m> Temperatur des Gases und sein Druck unter der Bedingung eines adiabatischen Prozesses? Wie wird Energie bei der Kompression verbraucht?

4. Dann begannen sich die Kolben gleichzeitig zu bewegen, bis das Volumen in Zylinder A gleich Null wurde und in Zylinder B - 1 m3. Wie hoch sind der Druck und die Temperatur des Gases in der Flasche B!

5. Der nächste Schritt ist die Wärmeübertragung auf Zylinder B, so dass * das Volumen auf 10 m3 angewachsen ist. Die Gastemperatur ändert sich während des Prozesses nicht. Wie viel Wärme wurde dabei auf das Gas übertragen Welche Arbeit hat Kolben B verrichtet? Wie hoch ist der endgültige Gasdruck?

6. Jetzt beginnt Kolben B zu steigen, während Kolben A abgesenkt wird, Gas strömt von einem Zylinder zum anderen. Dieser Prozess. " erfolgt theoretisch ohne Energieverbrauch. Aus Zylinder A wird Wärme an die Umgebung abgegeben und das Gas auf eine Temperatur von 400 abgekühlt. In der Endstellung, wenn Zylinder A ein maximales Volumen hat, gilt ci als vollständig abgeschlossen. Wie viel Energie wurde dabei an die Umwelt abgegeben?

7. Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer bestimmten Maschine, d. h. in welchem ​​Verhältnis steht die geleistete Arbeit zur vom Heizgerät aufgenommenen Wärme?

8. Wie vergleicht sich diese Effizienz mit der Effizienz des Carnot-Zyklus?

9. Zeichnen Sie die betrachteten Prozesse in p, Y - und 7, ^ Diagramme.

10. Erhalten Sie die Formel für den Wirkungsgrad gegenüber dem Verdichtungsverhältnis Zeichnen Sie eine Kurve des Wirkungsgrads gegenüber g im Bereich 1< г < 100.

11. Wenn sich der ermittelte Wirkungsgrad als deutlich überschätzt (n realistisch) herausstellt, zB gleich 10.000, wie hoch wäre dann der tatsächliche Wirkungsgrad? Kann es die Effizienz des Carnot-Zyklus übertreffen? Erklären Sie Ihre Erkenntnisse.

3.4. Stellen Sie sich eine bestimmte Maschine vor, die mit einem Ottomotor ausgestattet ist: Verbrennungsmotor (Otto-Zyklus). Dieser Motor verwendet Benzin (für pr< 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.

Da Benzinmotoren Nol als Kraftstoff verwenden können, beschloss der Besitzer des Autos, es auf diese Art von Kraftstoff umzustellen. Gleichzeitig wurde die Stufe "Kompression" auf 12 erhöht. Nehmen wir an, das reale effektive Auto entspricht in jedem Fall ungefähr der Hälfte des theoretischen Wirkungsgrads. Wie hoch ist der spezifische Kraftstoffverbrauch eines Autos, das mit Ethanol betrieben wird?

Der niedrigste Heizwert und die niedrigste Dichte der betrachteten Stoffe: Pentan - 28,16 MJ / l, 0,626 kg / l; Ethanol - 21,15 MJ / l, 0,789 kg / l.

Lösen Sie dieses Problem zweimal, einmal für y = 1,67 und das andere für y = 1,4.

3.5. Betrachten Sie einen Zylinder mit einem reibungsfreien Kolben. In der Anfangsphase des Experiments enthält es 1 Liter Gas (y = 1,4, c = 20 kJ / (K kmol)) bei einer Temperatur von 400 K und Drücken von 105 Pa.

Wie viel Gas in Kilometern ist in der Flasche?

2 Was ist in diesem Fall das Produkt pV!

GKst bewegt sich nun der Kolben mit einer Verringerung des Gasvolumens auf 0,1 l. Die Kompression ist adiabatisch.

Wie hoch ist der Gasdruck nach der Kompression? і Wie hoch ist die Gastemperatur?

J Welche Arbeit hat der Kompressor verrichtet?

1 Maßnahme isotherm dem Gas 500 J Wärme zuzuführen.

і Wie groß ist das Gasvolumen danach?

Was war das Gleiche des Würgens?

Da sich das Gas bei Wärmezufuhr ausdehnt (der Kolben bewegt sich), welche Arbeit leistet es?

Nun dehnt sich das Gas adiabatisch aus, bis sein Volumen 1 Liter beträgt.

Wie hoch ist der Gasdruck nach der adiabatischen Expansion? і Wie hoch ist die Gastemperatur?

Welche Arbeit wird bei der adiabatischen Expansion geleistet?

Lassen Sie dem Gas die Wärme isotherm abführen, bis sein Druck 105 Pa beträgt. In diesem Fall kehrt das System in den Zustand 1 zurück.

2. Wie groß ist die Gesamtarbeit des Kolbens, die auf die äußere Last übertragen wird? Wie hoch ist die Gesamtwärmemenge, die das System erhält (abgeleitete Wärme wird hier nicht berücksichtigt)?

Welche Effizienz hat das Gerät?

5 Wie hoch ist die entsprechende Effizienz des Carnot-Zyklus?

Nr. Zeichnen Sie die Prozesse und den gesamten Zyklus auf S. K-Diagramm.

Nehmen wir an, das Benzin habe eine Oktanzahl von 86. Die Oktanzahl von Ethanol beträgt 160. Nehmen wir an, dass y = 1,4.

1. Wie hat sich der Heizwert von 1 Liter Gemisch im Vergleich zum Heizwert von reinem Benzin verändert?

2. Wie hoch ist die Oktanzahl der gesamten Mischung?

Nehmen wir an, das maximal zulässige Verdichtungsverhältnis des Kraftstoffs sei r = 0,093 Og, wobei Og die Oktanzahl ist.

3. Wie hoch ist das maximale Verdichtungsverhältnis eines Benzinmotors? Motor mit Mischbetrieb?

4. Wie hoch ist der relative Wirkungsgrad des Motors?

5. Wie hoch ist der spezifische Kraftstoffverbrauch pro gefahrener Entfernungseinheit bei Verwendung von reinem Benzin und bei Verwendung eines Kraftstoffgemisches?

3.7. Der Kolbenmotor mit offenem Kreislauf läuft mit atmosphärischer Luft. die in einer Menge von 23 * 10 () kmol bei einer Temperatur von 300 K und einem Druck von 105 Pa eingeht. Das Verdichtungsverhältnis des Motors beträgt 5,74.

Kontraktion und Expansion sind adiabat. Die Wärmezufuhr erfolgt isobar, während die Wärme isotherm abgeführt wird. Pro Zyklus werden dem Gas 500 Jb Wärme zugeführt. Luft hat c. = 20 790 J/(K – kmol) und y = 1,4.

Wie hoch ist der theoretische Wirkungsgrad des Motors? Vergleichen Sie dies mit der Effizienz des Karnot-Zyklus.

Folge diesen Schritten:

Berechnen Sie das Anfangsvolumen des Zylinders;

Bestimmen Sie für den Prozess der adiabatischen Kompression die Endwerte von V, p, T und die erforderliche Arbeit:

die thermodynamischen Parameter des Systems nach der Wärmezufuhr bestimmen; Berechnen Sie die perfekte Arbeit im Expansionsprozess.

3.8. Einige Stirling-Motoren realisieren im Lauf nur die Hälfte; seine theoretische Wirksamkeit. Der Motor arbeitet im Temperaturbereich von 1000 bis 400 K. Wie hoch ist die Effizienz des Geräts in den folgenden Fällen:

1. Wenn Sie einen idealen Wärmeregenerator verwenden, Argon als Arbeitsmedium und das Verdichtungsverhältnis beträgt 10: 1.

2. Unter den gleichen Bedingungen wie in Anspruch 1 beträgt das Verdichtungsverhältnis 20:1.

3. Unter den gleichen Bedingungen wie unter Punkt 1, jedoch ohne Verwendung eines Regenerators.

4. Unter den gleichen Bedingungen wie unter Punkt 2, jedoch ohne Verwendung eines Regenerators.

3 9. Bei fetten Gemischen nimmt der Wirkungsgrad des Ottomotors ab, bei magerem Gemisch kann es zu Zündproblemen kommen. Die Lösung dieses Problems kann der Einsatz von Motoren mit Schichtverbrennung sein.

Betrachten Sie einen Motor mit einem Verdichtungsverhältnis von 9:1. Ein fettes Gemisch hat y = 1,2, ein mageres Gemisch y = 1,6. Unter sonst gleichen Bedingungen, wie ist das Verhältnis von ■ »der Effizienz der Verwendung des mageren Gemischs zur Effizienz der Verwendung von - V. 4. des fetten Gemischs?

3.8. Betrachten Sie einen Ottomotor mit Fremdzündung, der die folgenden Eigenschaften aufweist:

maximales Zylindervolumen VQ = 1 l (KN m3); Verdichtungsverhältnis r = 9:1; Druck am Ende des Einlasses p0 = 5 104 Pa; Gemischtemperatur am Ende des Einlasses 70 = 400 K; der Durchschnittswert des adiabatischen Index der Mischung beträgt 1,4;

spezifische Wärme der Mischung (bei konstantem Volumen) c = 20 kJDC - kmol).

Welche Leistung wird auf die Last übertragen, wenn die Motorwelle mit > * 00 U/min dreht?

Chtomnye-Massen: N - 1 Dalton: C - 12 Dalton; N - 14 Dalton: 0-16 Dal - Ton. Die Anwesenheit von Argon in der Mischung kann vernachlässigt werden.

3.12. Die höchste Verbrennungswärme von i-Heptan (bei 1 atm und 20 ° C) beträgt 48,11 MJ / kg. Was ist der Nettoheizwert?

3.13. 1 Mol etwas Gas (y = 1,6, cv = 13,86 J / (K kmol) bei 300 K benötigt 1 Liter. Bestimmen Sie für jeden unten beschriebenen Schritt die Werte von p, Vu T.

Schritt 1 -> 2.

Adiabatische Verdichtung von Gas auf ein Volumen von 0,1 l. Wie viel Energie tV12 wurde bei der Kompression aufgewendet?

Schritt 2 -> 3.

Isotherme Übertragung von 10 kJ Wärme auf das Arbeitsmedium. Was ist Fremdarbeit?

Schritt 3 -> 4.

Adiabatische Gasexpansion 10:1.

Schritt 4 -> 1.

Isotherme Wärmeabfuhr mit Gasrückführung in Zustand 1. Wie hoch ist die entnommene Energie?

Wie hoch ist der Gesamtzykluswirkungsgrad?

Wie hoch ist die Effizienz des entsprechenden Carnot-Zyklus?

Wie viel Leistung hat der Motor, wenn sich seine Welle mit 5000 U/min dreht (5000 Zyklen pro Minute)?

3.14. Bei dem zuvor besprochenen Stirlingmotor tritt eine isotherme Kompression auf, gefolgt von einer isochoren Wärmezufuhr, einer isothermen Kompression und einer isochoren Wärmeabfuhr.

Eine isotherme Verdichtung ist insbesondere bei schnelllaufenden Motoren schwer zu erreichen. Daher gehen wir davon aus, dass der Motor während des Betriebs eine adiabatische Kompression durchführt. Beachten Sie, dass die anderen Phasen des fraglichen Motors den Phasen des zuvor beschriebenen Motors entsprechen. Bei isothermer Wärmezufuhr werden dem Arbeitsmedium also 293 J zugeführt, dh der "heiße" Zylinder hat nach der adiabatischen Verdichtung bis zum Ende der Wärmezufuhr eine Temperatur von 652 K.

Bestimmen Sie den theoretischen Wirkungsgrad des Motors (ohne Wärmerückgewinnung) und vergleichen Sie ihn mit dem Wirkungsgrad des entsprechenden Carnot-Zyklus.

Bestimmen Sie die Leistung eines Zylinders eines gegebenen Motors unter der Annahme, dass der Wirkungsgrad eines realen Motors etwa zweimal geringer ist als der eines idealen Motors. Die Motorwellendrehzahl beträgt 1800 U/min. Jede Umdrehung der Wellendrehung entspricht einem vollständigen Motorzyklus. Nehmen Sie für Berechnungen y = 1,4.

3.15. Angenommen, der Motor arbeitet in einem Temperaturbereich zwischen 1000 und 500 K mit der Effizienz eines Carnot-Motors. Die Wärmequelle hat eine Leistung von 100 kW und eine Temperatur von 1500 K. Diese Wärme wird auf das Arbeitsmedium des zuvor beschriebenen Motors übertragen. Angenommen, die Wärmestromübertragung erfolgt mit einem Temperaturgradienten, der die Temperatur von 1500 auf 1000 K absenkt. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird mit 100 % angenommen, dh dem Motor werden 100 kW Leistung ohne Verluste zugeführt .

Wie hoch ist der Wirkungsgrad des oben beschriebenen Motors, der nach dem Iirno-Zyklus arbeitet? Wie hoch ist die Nettoleistung dieses Systems (Motor)?

3.16. Der Dampfkessel liefert Dampf an die Dampfturbine. In den Wänden des Kessels befinden sich Kanäle, durch die Dampf strömt. Auf der einen Seite befinden sich diese Wände im Bereich der Ofenflamme. Die Temperatur des erhitzten Dampfes beträgt 500 K, die Temperatur der flammenberührten Wand beträgt 1000 K. Durch jeden Quadratzentimeter der Heizfläche geht ein Wärmestrom von 1 kW. Die Wärmeleitfähigkeit der Metallwände des Kanals X hängt von der Temperatur wie folgt ab: X = 355 - 0,111Т (in SI). Die Temperatur wird in Kelvin angegeben.

Berechnen Sie die Wandstärke.

2 Bestimmen Sie die Temperatur am Mittelpunkt zwischen der Innen- und Außenwand des Kanals.

I". Der 4-Takt-Otto-Otto-Motor hat ein Gesamtvolumen von 2 Litern und wird mit Methan (Brennwert 55,6 MJ/kg) betrieben. Die Kompressionswärme im Motor beträgt 10:1 so, dass die Das angegebene stöchiometrische Verhältnis wird eingehalten. Der adiabatische Exponent der Mischung beträgt 1,4.< температуре 350 К, так как гидравлические потери на входе можно считать небрежимо малыми.

Wird die Leistung vom Motor auf die Last übertragen, wenn die Rotationsfrequenz seiner Welle 5000 U/min beträgt? Unter Berücksichtigung der Besonderheiten des Motors sollte die Berechnung auf der Grundlage der niedrigsten Verbrennungswärme des Kraftstoffs erfolgen.

18. Betrachten Sie einen Ottomotor mit einem Verdichtungsverhältnis von 9:1. Das Gas im Zylinder hat y = 1,5.

der Anfangszustand des Arbeitsfluids hat die folgenden Parameter: = I l;

ich atme; Tx = 300K.

Am Ende des Kompressionsvorgangs werden 10 mg Benzin eingespritzt, dann ist das Zündgemisch g "I. Die Verbrennung des Kraftstoffs erfolgt sofort. Nehmen wir an, die spezifische Wärme von Benzin beträgt 45 MJ / kg.

Bestimmen Sie den idealen Motorwirkungsgrad.

Berechnen Sie die Effizienz des entsprechenden Carnot-Zyklus.

3. Beweisen Sie, dass die Reduzierung der eingespritzten Kraftstoffmenge in einer Spitze die Effizienz des Otto-Zyklus näher an die Effizienz des Carnot CEC bringt.

3.19. Bei einem Dieselmotor wird im Zylinder Kraftstoff in heiße Druckluft eingespritzt, woraufhin sich das Gemisch spontan entzündet. Angenommen, der Kraftstoff wird relativ langsam zugeführt, so dass die Verbrennung des Gemischs bei im Wesentlichen konstantem Druck stattfindet. Das bei den meisten Dieselmotoren verwendete g-Verdichtungsverhältnis liegt zwischen 16:1 und 22:1. Bei Dieselmotoren erfolgt die Selbstzündung zuverlässig bei einer Lufttemperatur von mindestens 800 K.

Luft hat ein Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen von 1,4 (y = 1,4). Startlufttemperatur am Eingang eines kalten Dieselmotors 300 K.

Welches Verdichtungsverhältnis sollte mindestens erforderlich sein, um den Motor zu starten?

3.20. Betrachten Sie eine Maschine, die Luft> i (y = 1,4) als Arbeitsmedium verwendet und eine sequentielle Reihe thermodynamischer Prozesse durchführt.Bestimmen Sie am Ende jedes Prozesses die Eigenschaften des Gaszustands (Druck, Volumen und Temperatur), sowie die Energiecharakteristik jedes Prozesses.

Im Ausgangszustand (Zustand 1) hat das Gas die folgenden Eigenschaften рх = 105 Pa; Vx = 10-3 m3; Tx = 300K.

1. 1. Arbeitsgang (Schritt I -> 2): adiabatische Verdichtung, Volumenreduzierung auf 10-4 m3.

2. 2. Prozess (Schritt 2 -> 3): isobare Zufuhr von 200 J Wärme.

3.3. Prozess (Schritt 3 -> 4): adiabatische Expansion bis V4 = 10_3m3.

Berechnen Sie die gesamte thermische und mechanische Energie, die dem Motor zugeführt wird und die gesamte mechanische Energie, die ihm entzogen wird. Bestimmen Sie auf dieser Grundlage die Effizienz der Maschine. (Hinweis: Berücksichtigen Sie unbedingt alle Prozesse, bei denen Energie entzogen wird.)

3.21 Im Zyklus eines Dieselmotors lassen sich folgende Phasen unterscheiden:

Phase 1 2. Adiabatische Verdichtung von Reinluft von Volumen Vx auf Volumen ":

Phase 2 -> 3. Verbrennung von Kraftstoff bei konstantem Druck mit Expansion von Volumen V2 auf Volumen K3;

Phase 3 ^ 4. Adiabatische Expansion von Volumen V3 auf Volumen V4; Phase 4 - »1. Isochore Wärmeabfuhr, bei der sich das Gas in den Anfangsbedingungen befindet.

t-Zyklus ähnelt dem Otto-Zyklus mit dem einzigen Unterschied, dass die Verbrennung in Otto-Nickel isochor verläuft, während sie in einem Dieselmotor isobar ist, betrachten wir einen Zyklus, bei dem Fj = K) 3 m3, V2 = 50 W-6 m3 , V3 = 100 · 10-6 m3, = 105 Pa, 7] - 300 K und für alle Prozesse betrachten wir y = 1,4.

Berechnen Sie die theoretische Effizienz des Zyklus.

Berechnen Sie den Wirkungsgrad unter Verwendung der in Kap. 4.

Berechnen Sie den Wirkungsgrad, indem Sie die gesamte mechanische Energie (Kompression und Expansion) und alle thermischen Prozesse (Wärmezufuhr und -abfuhr) auswerten. Seien Sie vorsichtig genug, wenn Sie analysieren, was während der Verbrennungsphase (2-> 3) passiert, wenn Verbrennungsenergie freigesetzt und gleichzeitig mechanische Arbeit geleistet wird.

Rabatte auf PP. 2 und 3 müssen gleich sein.

Wir alle wissen, dass eine der Grundlagen des materiellen Lebens der modernen Menschheit die bekannten Mineralien Öl und Gas sind. Gesegnete Kohlenwasserstoffe sind auf die eine oder andere Weise in jedem Bereich unseres Lebens vorhanden, und das erste, was jedem in den Sinn kommt, ist Kraftstoff. Dies sind Benzin, Kerosin und Erdgas, die in verschiedenen Energiesystemen (einschließlich Fahrzeugmotoren) verwendet werden.

Wie viele Autos auf den Straßen der Welt und Flugzeuge in ihren Motoren in der Luft verbrannt werden ... Ihre Zahl ist riesig und genauso groß ist die Menge an Treibstoff, die sozusagen in die Rohrleitung (und an der bemüht sich gleichzeitig, seinen erheblichen Anteil zur Atmosphärenvergiftung beizutragen :-)). Dieser Prozess ist jedoch nicht endlos. Die Ölreserven, aus denen der Löwenanteil des weltweiten Treibstoffs gewonnen wird (obwohl sie allmählich gegenüber Erdgas an Boden verlieren), nehmen rapide ab. Es wird ständig teurer und sein Defizit wird immer stärker spürbar.

Diese Situation hat Forscher und Wissenschaftler auf der ganzen Welt seit langem gezwungen, nach alternativen Treibstoffquellen zu suchen, auch für die Luftfahrt. Eine der Richtungen dieser Aktivität war die Entwicklung von Flugzeugen mit kryogener Brennstoff.

kryogen bedeutet " aus der kälte geboren“ Und der Brennstoff ist in diesem Fall Flüssiggas, das bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert wird. Das erste Gas, das in dieser Hinsicht die Aufmerksamkeit der Entwickler auf sich zog, war Wasserstoff. Dieses Gas hat den dreifachen Heizwert von Kerosin und wird außerdem bei der Verwendung in einem Motor Wasser und eine sehr geringe Menge an Stickoxiden in die Atmosphäre freigesetzt. Das heißt, es ist ungefährlich für die Atmosphäre.

Flugzeug TU-154B-2.

Mitte der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts begann das Konstruktionsbüro von A. N. Tupolev mit der Entwicklung eines Flugzeugs, das flüssigen Wasserstoff als Treibstoff verwendet. Es wurde auf Basis der Serien TU-154B mit dem NK-88 Bypass-Turbojet-Triebwerk entwickelt. Dieser Motor ist im Motorenbau entstanden Designbüro im. Kuznetsova(Samara), ebenfalls auf Basis eines Serienmotors für die Tu-154 NK-8-2, und sollte mit Wasserstoff oder Erdgas betrieben werden. Es muss gesagt werden, dass in diesem Büro seit 1968 an neuen Themen gearbeitet wird.

Die gleiche Tu-155 ist im Lager... Leider ekelhafte Lagerung :-(.

Neues Flugzeug läuft weiter kryogener Brennstoff erhielt den Namen TU-155. Allerdings liegen die Dinge nicht so einfach. Der Punkt ist, Wasserstoff ist ein gefährlicher Kraftstoff. Es ist hochentzündlich und explosiv. Verfügt über ein außergewöhnliches Penetrationsvermögen und kann nur in verflüssigtem Zustand bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius) gelagert und transportiert werden. Diese Eigenschaften von Wasserstoff sind ein großes Problem.

Daher war die TU-155 ein fliegendes Labor zur Erforschung und Lösung bestehender Probleme, und das Basisflugzeug wurde während seiner Entstehung radikal verändert. Anstelle des richtigen Triebwerks NK-8-2 wurde ein neues kryogenes NK-88 eingebaut (die anderen beiden blieben Verwandte :-)). An der Rückseite des Rumpfes wurde anstelle des Fahrgastraums ein spezieller Tank für kryogener Brennstoff, flüssiger Wasserstoff, mit einem Volumen von 20 Kubikmetern. mit verbesserter Bildschirm-Staubsauger Isolierung, in der Wasserstoff bei Temperaturen unter minus 253 Grad Celsius gespeichert werden könnte. Es wurde den Motoren mit einem speziellen Turbopumpeneinheit wie auf einer Rakete.

NK-88-Motor. Oben auf dem Motor ist eine massive Turbopumpeneinheit zu sehen.

Wegen der hohen Explosionsgefahr mussten fast alle elektrischen Betriebsmittel aus dem Raum mit dem Kraftstofftank entfernt werden, um die geringste Möglichkeit einer Funkenbildung auszuschließen und der gesamte Raum wurde ständig mit Stickstoff oder Luft gespült. Zur Steuerung von Geräten Kraftwerk ein spezielles Helium-Kontrollsystem wurde geschaffen. Außerdem mussten Wasserstoffdämpfe aus dem Tank von den Motoren abgeleitet werden, um eine Entzündung zu vermeiden. Dafür wurde ein Entwässerungssystem erstellt. Im Flugzeug sind seine Äste im hinteren Rumpf deutlich sichtbar (insbesondere am Kiel).

Layout-Diagramm von TU-155. Blau - Kraftstofftank. Das vordere Fach enthält Unterstützungsausrüstung. Kryo-Motor in Rot.

Insgesamt wurden mehr als 30 neue Flugzeugsysteme erstellt und implementiert. Überhaupt wurde die Arbeit gewaltig ausgeführt :-). Es bestand aber auch Bedarf an bodengestützten, nicht minder komplexen Geräten zum Betanken und Lagern. Zwar war die Entwicklung des Buran-Systems in vollem Gange, auf dessen Trägerrakete flüssiger Wasserstoff einer der Treibstoffe war. Daher glaubte man, dass alles auf industrieller Basis geliefert würde und es keinen Mangel an Brennstoff geben würde. Aber ich denke, jeder versteht, dass kryogener Kraftstoff in einem solchen System in Bezug auf die Kosten einfach zu "Gold" wird. Und damit ist eine kommerzielle Nutzung von flüssigem Wasserstoff in naher Zukunft kaum möglich. Daher wurden schon damals Vorbereitungen für den Übergang zu einer anderen Art getroffen. kryogener Brennstoff – verflüssigtes Erdgas(LNG).

Dennoch fand am 15. April 1988 der Erstflug der TU-155 mit flüssigem Wasserstoff statt. Außerdem gab es 4 solcher Flüge. Danach wurde die TU-155 für Flüge mit Flüssigerdgas (LNG) modifiziert.

Im Vergleich zu Wasserstoff ist dieser Kraftstoff deutlich günstiger und zugänglicher, zudem ist er auch um ein Vielfaches günstiger als Kerosin. Sein Brennwert ist 15% höher als der von Kerosin. Außerdem belastet es die Atmosphäre kaum und kann bei minus 160 Grad gelagert werden, das sind bis zu 100 Grad höher als die von Wasserstoff. Darüber hinaus ist LNG vor dem Hintergrund von Wasserstoff noch weniger brandgefährlich (obwohl eine solche Gefahr natürlich noch besteht) und es gibt genügend Erfahrung, um es in einem sicheren Zustand zu halten. Auch die Organisation der Gasversorgung (LNG) von Flugplätzen im Allgemeinen ist nicht sonderlich schwierig. Gaspipelines sind mit fast jedem größeren Flughafen verbunden. Generell gibt es genug Vorteile :-).

Die ersten Flüge der TU-155 bereits im Einsatz kryogener Brennstoff Flüssigerdgas fand im Januar 1989 statt. (Das Video unten spricht darüber). Es gab auch etwa 90 solcher Flüge. Alle zeigten, dass der Treibstoffverbrauch im Vergleich zu Kerosin um fast 15 % reduziert wird, das Flugzeug also sparsamer und profitabler wird.

Nun ein wenig zu den Perspektiven ... Ende der 90er Jahre hat der Hauptmanager der russischen Gasreserven, Gazprom, die Initiative entwickelt, zu Beginn ein Passagierflugzeug und dann nur ein Passagierflugzeug zu bauen, das könnte komplett mit LNG betrieben werden. Das Flugzeug erhielt den Namen TU-156 und wurde auf Basis der bestehenden TU-155 erstellt. Drei neue NK-89-Triebwerke sollten darauf installiert werden. Diese ähneln NK-88, aber mit zwei unabhängigen Kraftstoffsystemen: eines für und das andere für kryogener Brennstoff(LNG). Das war insofern praktisch, als dass man bei weitem nicht immer Benzin tanken konnte und das Flugzeug je nach Bedarf von einem Stromsystem auf ein anderes umschalten konnte. Laut der entwickelten Technologie dauerte dies nur fünf Minuten. NK-89 hatte auch einen Wärmetauscher im Turbinenraum, wo das verflüssigte Gas in einen gasförmigen Zustand überging und dann in die Brennkammer gelangte.

An der Neuanordnung der Fächer und der Anordnung der Kraftstofftanks wurde viel Forschungs- und Konstruktionsarbeit geleistet. Bis zum Jahr 2000 sollten im Samara Aviation Plant drei TU-156 produziert und deren Zulassung und Probebetrieb aufgenommen werden. Aber ... Leider wurde dies nicht getan. Und die Hindernisse für die Umsetzung der konzipierten Pläne waren ausschließlich finanzieller Natur.

Danach wurden mehrere weitere Projekte von Flugzeugen entwickelt, die kryogenen Treibstoff (LNG) verwenden, wie zum Beispiel die TU-136 mit Turboprop-Triebwerken, die sowohl mit Kerosin als auch mit Flüssiggas betrieben werden, und das Großraumflugzeug TU-206 mit Turbojet-Triebwerken, die auf LNG. ... Aber im Moment sind all diese Projekte noch Projekte und sind geblieben.

Flugzeugmodell Tu-136.

Flugzeugmodell TU-206 (TU-204K).

Die Zeit wird zeigen, wie sich die Dinge in diesem Bereich der Luftfahrtwissenschaft und -technologie entwickeln werden. Während die Erstellung von Flugzeugen mit kryogener Brennstoff durch verschiedene objektive und subjektive Umstände behindert. Bei der Entwicklung spezieller Flugzeugsysteme, der Entwicklung der Bodeninfrastruktur, des Treibstofftransports und der Lagersysteme bleibt noch viel zu tun. Aber dieses Thema ist äußerst vielversprechend (und meiner Meinung nach sehr interessant :-)). Wasserstoff ist mit seiner enormen Energieintensität und nahezu unerschöpflichen Reserven der Kraftstoff der Zukunft. Darüber können wir mit vollem Vertrauen sprechen. Die Übergangsstufe dazu ist die Nutzung von Erdgas.

Und genau dieser entscheidende Schritt in die Zukunft wurde in Russland gemacht. Ich bin stolz, dies noch einmal sagen zu können :-). Nirgendwo auf der Welt gab es diese und bis heute gibt es kein vergleichbares Flugzeug wie unsere TU-155. Ich möchte die Worte des berühmten amerikanischen Luftfahrtingenieurs Karl Brever zitieren: „ Die Russen haben in der Luftfahrt einen Job gemacht, der dem Flug des ersten Satelliten der Erde entspricht!»

Das ist die wahre Wahrheit! Ich möchte nur, dass diese Dinger in einem Stream laufen (und die Russen können das :-)), und damit dieser Stream kontinuierlich ist und sich nicht ruckartig bewegt, wie es bei uns oft passiert ...

Dearman in Partnerschaft mit Wissenschaftlern, Führungskräften Industrieunternehmen und Spezialist für kryogene Ausrüstung ist auf die Entwicklung von Technologien mit Flüssiggasen spezialisiert. Die wichtigste Errungenschaft dieser Forschung ist der Dearman-Motor, ein hochmoderner Hubkolbenmotor, der durch Expansion von flüssigem Stickstoff oder flüssiger Luft arbeitet, um umweltfreundliche Kälte und mechanische Energie zu erzeugen.

Wenn Stickstoff von einem flüssigen in einen gasförmigen Aggregatzustand übergeht, dehnt sich dieses Gas 710-fach aus. Diese Volumenvergrößerung wird verwendet, um die Motorkolben anzutreiben. Dearman-Motoren funktionieren wie Dampfmaschinen Hochdruck, aber bei niedrigem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff. Dadurch können sowohl Abwärme als auch Umgebungstemperatur als Wärmequelle genutzt werden, wodurch herkömmliche Brennstoffe überflüssig werden.

Ein einzigartiges Merkmal der Dearman-Motoren ist die Verwendung einer Mischung aus Wasser und Glykol als Kühlmittel. Wenn dieses Kühlmittel mit stark abgekühltem Stickstoff vermischt wird, dehnt sich diese Flüssigkeit quasi-isotherm aus, was den Motorwirkungsgrad stark verbessert.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Dearman-Motor, wenn er läuft, nur Luft oder Stickstoff ausstößt, ohne Stickoxide (NOx), Kohlendioxid (CO2) oder Partikel zu emittieren.

Die Dearman-Technologie hat gegenüber anderen kohlenstoffarmen Technologien viele Vorteile:

• Niedrige Kapitalkosten und damit verbundener Kohlenstoff - Dearman-Motoren werden aus üblichen Materialien unter Verwendung von Technologien hergestellt, die in der Motorenherstellungsindustrie üblich sind.
• Schnelles Befüllen - Flüssiggas kann zwischen Tanks umgefüllt werden hohe Geschwindigkeiten... Die moderne Gasindustrie verwendet Systeme, die mehr als 100 Liter Flüssiggas pro Minute destillieren können.
• Große Mengen vorhandener Infrastruktur – die Gaswirtschaft ist globaler Natur. Derzeit gibt es eine gut entwickelte Produktionsanlage für flüssigen Stickstoff, die Tausende von Dearman-Motoren betreiben kann.
• Die Effizienz des Herstellungsverfahrens „Brennstoff“ liegt in der Verflüssigung von Luft, einem seit langem etablierten Verfahren, das nur Luft und Strom benötigt.

• Die Luftverflüssigungsanlage ist sehr flexibel einsetzbar – zum Beispiel außerhalb der Geschäftszeiten oder in Teillastzeiten. Erneuerbare Energien können genutzt werden, um die Kosten weiter zu senken.

Wie es funktioniert

Der Dearman-Motor funktioniert wie folgt:
1.das Kühlmittel wird in die Motorzylinder gepumpt und füllt fast ihr gesamtes Volumen aus;

2. dann wird kryogener Stickstoff in den Zylinder eingeleitet, der mit der Wärmetauscherflüssigkeit in Kontakt kommt und sich auszudehnen beginnt;

3. Wärme aus dem Kühlmittel wird vom expandierenden Gas aufgenommen, was zu einer nahezu isothermen Expansion führt;

4. der Kolben bewegt sich nach unten, das Auslassventil öffnet und das Gas-Flüssigkeits-Gemisch verlässt den Motor;

5. Das Kühlmittel wird zurückgewonnen, erhitzt und wiederverwendet, während Stickstoff oder Luft an die Atmosphäre abgegeben werden.

Auf dem Territorium des Flugforschungsinstituts Gromov in Schukowski bei Moskau befindet sich ein Flugzeug mit einer Aufschrift an Bord der Tu-155. Diese einzigartige Maschine ist ein fliegendes Labor zum Testen von kryogenen Kraftstoffsystemen und Motoren. Arbeiten in diese Richtung wurden Ende der 80er Jahre durchgeführt. Die Tu-155 war das erste Flugzeug der Welt, das Flüssigwasserstoff und Flüssigerdgas als Treibstoff nutzte. 27 Jahre sind seit dem Erstflug dieser ungewöhnlichen Maschine vergangen. Und jetzt steht sie still zwischen den ausgemusterten Flugzeugen. Mehrmals wollten sie es in Metall schneiden. Was macht dieses Flugzeug einzigartig?
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Bevor wir über dieses Flugzeug sprechen, lohnt es sich zu erklären, was kryogener Kraftstoff ist und wie er sich von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff unterscheidet. Kryotechnik ist eine Änderung der Eigenschaften verschiedener Stoffe bei extrem niedrigen Temperaturen. Das heißt, kryogener Kraftstoff bedeutet „aus der Kälte geboren“. Es ist flüssiger Wasserstoff, der bei sehr niedrigen Temperaturen in flüssigem Zustand gespeichert und transportiert wird. Und über Flüssigerdgas, das auch sehr tiefe Temperaturen hat.

Flüssiger Wasserstoff hat gegenüber Kerosin mehrere Vorteile. Es hat den dreifachen Brennwert. Das heißt, bei der Verbrennung gleicher Massen setzt Wasserstoff mehr Wärme frei, was sich direkt auf die wirtschaftlichen Eigenschaften des Kraftwerks auswirkt. Darüber hinaus werden bei der Verwendung Wasser und sehr geringe Mengen an Stickoxiden in die Atmosphäre freigesetzt. Das macht das Kraftwerk umweltfreundlich. Wasserstoff ist jedoch ein sehr gefährlicher Kraftstoff. In Mischung mit Sauerstoff ist es hochentzündlich und explosiv. Verfügt über ein außergewöhnliches Penetrationsvermögen und kann nur in verflüssigtem Zustand bei sehr niedrigen Temperaturen (-253°C) gelagert und transportiert werden.

Diese Eigenschaften von Wasserstoff sind ein großes Problem. Deshalb wurde neben flüssigem Wasserstoff auch Erdgas als Flugkraftstoff in Betracht gezogen. Im Vergleich zu Wasserstoff ist es viel billiger und günstiger. Es kann bei -160 ° C verflüssigt gelagert werden und hat im Vergleich zu Kerosin einen um 15 % höheren Heizwert. Es ist um ein Vielfaches billiger als Kerosin, was es auch als Flugbenzin wirtschaftlich rentabel macht. Erdgas ist jedoch genauso brennbar, wenn auch in geringerem Maße als Wasserstoff. Mit diesen Schwierigkeiten mussten die Ingenieure des Tupolev Design Bureau bei der Entwicklung eines experimentellen Tu-155-Flugzeugs fertig werden.
2.

Zum ersten Mal sind Luftfahrtdesigner auf kryogene Technologie gestoßen. Daher ging das Design nicht nur in die Stille der Designhallen, sondern auch in Forschungslabore. Die Konstrukteure führten Schritt für Schritt neue Designlösungen und Technologien ein, die die Schaffung grundlegend neuer Flugzeugsysteme, eines kryogenen Kraftwerks und von Systemen, die seinen sicheren Betrieb ermöglichen, gewährleisten.
3.

Das fliegende Labor wurde auf Basis der Serie Tu-154 erstellt, die für den Tu-154B-Standard modifiziert wurde. Kartennummer UdSSR-85035. Vladimir Alexandrovich Andreev wurde zum Chefkonstrukteur der Tu-155 ernannt. Das Flugzeug hatte viele grundlegende Unterschiede zur Basisversion. Ein kryogener Treibstofftank mit einem Volumen von 17,5 m 3 bildete zusammen mit einem Treibstoffversorgungssystem und einem Druckhaltesystem einen experimentellen Treibstoffkomplex, der sich im hinteren Teil des Rumpfes befand und durch eine Pufferzone von anderen Flugzeugräumen getrennt war. Der Tank, die Rohrleitungen und die Einheiten des Kraftstoffkomplexes waren mit einer Schirm-Vakuum-Isolierung versehen, die den angegebenen Wärmestrom lieferte. Pufferzonen schützten die Besatzung und lebenswichtige Flugzeugabteile im Falle eines Lecks in den Wasserstoffsystemen.
4.

Das Flugzeug war mit einem experimentellen Turbojet-Bypass-Triebwerk NK-88 ausgestattet, das in Samara im Konstruktionsbüro für den Triebwerksbau unter der Leitung des Akademiemitglieds Nikolai Dmitrievich Kuznetsov auf der Grundlage des Serienmotors für Tu-154 NK-8-2 erstellt wurde. Er wurde anstelle des rechten regulären Motors eingebaut und nutzte Wasserstoff oder Erdgas zum Betrieb. Die anderen beiden Motoren waren gebürtig und liefen mit Kerosin. Sie wurden jetzt entfernt. Aber NK-88 blieb an Ort und Stelle.
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Zur Steuerung und Überwachung des Kryokomplexes im Flugzeug gibt es eine Reihe von Systemen:

Heliumsystem, das die Kraftwerksblöcke steuert. Da der Motor mit Wasserstoff lief, war es unmöglich, ihn mit elektrischen Antrieben zu versorgen. Deshalb wurde sein Kontrollsystem durch ein Heliumsystem ersetzt.

Stickstoffsystem ersetzt Luft in Kammern, in denen kryogene Kraftstofflecks möglich sind.

Ein Gaskontrollsystem, das die gasförmige Umgebung in den Flugzeugabteilen überwacht und die Besatzung bei Wasserstofflecks lange vor der explosiven Konzentration warnt.

Vakuumkontrollsystem in wärmeisolierenden Hohlräumen.

Im Laderaum des vorderen Rumpfes befinden sich runde Stickstoffflaschen. Sie werden auch in der Flugzeugkabine über den Fenstern installiert. Auf dem Boden sind anstelle von Passagiersitzen Heliumflaschen installiert. Plus steht mit Instrumentierung und Aufnahmegeräten.

Insgesamt wurden mehr als 30 neue Flugzeugsysteme erstellt und implementiert. Unter den neuen Technologien nimmt der technologische Prozess einen wichtigen Platz ein, der die Reinigung der inneren Hohlräume von Rohrleitungen und Einheiten gewährleistet. Denn mit hocheffizienter Isolierung und Vakuumdichtheit ist Sauberkeit der Schlüssel zur Sicherheit Ihres zukünftigen Fluges.

Das Cockpit hat sich verändert. Die Trennwand wurde tiefer in die Kabine verlegt und im Cockpit die Arbeitsplätze des zweiten Bordingenieurs installiert, der für den Betrieb des Versuchstriebwerks verantwortlich war und des Versuchsingenieurs, der den Betrieb der Bordexperimentiersysteme steuerte. Im Cockpitboden wurde eine Notausstiegsluke eingebaut.

Für die Wartung des Flugzeugs und die Durchführung von Testarbeiten wurde ein Luftfahrt-Kryogenkomplex geschaffen. Es bestand aus einem Füllsystem für flüssigen Wasserstoff (oder Flüssigerdgas), pneumatischer Stromversorgung, Stromversorgung, Fernsehüberwachung, Gasanalyse, Wasserbewässerung im Brandfall und kryogener Kraftstoffqualitätskontrolle.

In der Phase der Bodentests wurde die Funktion aller experimentellen Systeme überprüft, einschließlich des Betriebs des NK-88-Motors mit flüssigem Wasserstoff. Ausgearbeitet wurden die Betankungsarten, die Wartung von Unterdrucksystemen, die Betriebsweisen des Kraftstoffsystems und des Druckhaltesystems in Kombination mit einem laufenden Motor. Gleichzeitig wurde die Flugvorbereitung der Flugzeuge, die Betankung der Bordsysteme mit Helium und Stickstoff geübt.

Das Foto zeigt ein langes Rohr, das sich unter dem Rumpf bis zur Düse des Mittelmotors erstreckt. Hierbei handelt es sich um ein Notablasssystem für flüssigen Wasserstoff (Erdgas). Sie ermöglichte es, bei Bedarf den kryogenen Kraftstoff auf den Düsenschnitt eines durchschnittlichen Serienmotors abzulassen. Im Rahmen von Bodentests wurden verschiedene Situationen im Zusammenhang mit Explosions- und Brandgefahr herausgearbeitet.

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Zur direkten Flugvorbereitung wurde flüssiger Wasserstoff von Tankern geliefert. Sie waren über stationäre Kryoleitungen mit Absperr- und Anschlussarmaturen mit dem Flugzeug verbunden, die die notwendigen Brandschutzabstände zwischen Flugzeug, Tanker und der Ableitung von abgelassenem Wasserstoffgas in die Atmosphäre schafften. Nach dem Andocken der Tanker erfolgte die Qualitätskontrolle des Flüssigwasserstoffs mit einem speziellen Probenehmer und einem Gaschromatographen. Neben den üblichen Operationen bei der Flugvorbereitung des Flugzeugs wurde die Vorbereitung des Versuchstriebwerks, der Versuchssysteme des Flugzeugs und des Bodenkomplexes durchgeführt. Besonderes Augenmerk wurde auf Explosions- und Brandschutzeinrichtungen, Gaskontrollsysteme, Stickstoffkontrollsysteme, Vakuumkontrolle in isolierenden Hohlräumen, Feuerlöschsysteme, Belüftung des Kraftstoffkomplexraums und der Triebwerksgondel gelegt. Während der Tests wurden verschiedene Schutzmaßnahmen gegen eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration in den Abteilen getestet, sowohl durch die Verwendung eines neutralen Mediums (Stickstoff) als auch durch die Belüftung mit Luft aus der Bordklimaanlage.

Aufgrund der hohen Explosionsgefahr mussten fast alle elektrischen Geräte aus dem Fach mit dem Kraftstofftank entfernt werden. Dadurch wurde die geringste Möglichkeit einer Funkenbildung ausgeschlossen, und das gesamte Fach wurde ständig mit Stickstoff oder Luft gespült. Außerdem mussten Wasserstoffdämpfe aus dem Tank von den Motoren weggeleitet werden, um eine Entzündung zu vermeiden. Dafür wurde ein Entwässerungssystem erstellt. Eines seiner Elemente ist das erste, das am Kiel des Flugzeugs ins Auge fällt. Das ist die Auspuffkrümmerverkleidung.
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Für den Erstflug wurde das Flugzeug in der Flugtest- und Entwicklungsbasis von Tupolev (ZhLiDB) in Zhukovskaya vorbereitet. Tu-155 wurde an den Ort geschleppt, an dem die Motoren gestartet wurden. "Ich bin 035, bitte hau ab." "035, startklar." Am 15. April 1988 um 17.10 Uhr startete ein Tu-155-Flugzeug mit Flüssigwasserstoff-Triebwerk von einem Flugplatz in der Nähe von Moskau zu seinem Jungfernflug. Es wurde von einer Besatzung geflogen, bestehend aus: erster Pilot - geehrter Testpilot der UdSSR Vladimir Andreevich Sevankaev, zweiter Pilot - geehrter Testpilot der UdSSR Andrei Ivanovich Talalakin, Flugingenieur - Anatoly Aleksandrovich Kriulin, zweiter Flugingenieur - Yuri Mikhailovich Kremlev, leitender Testingenieur - Valery Vladimirovich Arkhipov.

Der Flug verlief normal. Alle Bodendienste und das Begleitflugzeug Tu-134 überwachten die Umsetzung. Die am Boden getesteten und getesteten Systeme wurden erstmals in der Luft getestet. Der Flug dauerte nur 21 Minuten in kleinen Kreisen in verschiedenen Höhen von nicht mehr als 600 Metern. Es endete etwas früher als geplant, wofür Testingenieur Valery Arkhipov zwingende Gründe hatte: Im Stickstoffraum registrierten die Sensoren das Vorhandensein von Stickstoff, der bei Wasserstofflecks automatisch hätte erscheinen sollen. Aber Gott sei Dank war der Grund ein anderer. Die Stickstoffzufuhr erfolgte über ein Ballonventil, das beim Neigen des Flugzeugs zu beiden Seiten der Achse drucklos war. Dies wurde erst auf der Erde klar.

Nur der erste Schritt zur Lösung der komplexen Probleme der Einführung von flüssigem Wasserstoff als Flugkraftstoff war getan. Während der Flugtests wurden Flüge durchgeführt, um den Betrieb des Kraftwerks und der Flugzeugsysteme in verschiedenen Flugmodi und während der Entwicklung des Flugzeugs zu überprüfen. Der Versuchsmotor wurde gestartet, der Betrieb von Explosions- und Brandschutzsystemen wurde in den Modi der Schaffung einer neutralen Umgebung und der Belüftung getestet. Im Juni 1988 wurde das Flugtestprogramm mit flüssigem Wasserstoff abgeschlossen. Danach wurde die Tu-155 für Flüge mit Flüssigerdgas modifiziert. Der Erstflug mit diesem Treibstoff fand am 18. Januar 1989 statt. Das Flugzeug wurde von der Besatzung getestet, bestehend aus: Schiffskommandant - geehrter Testpilot der UdSSR Vladimir Andreevich Sevankaev, zweiter Pilot - Valery Viktorovich Pavlov, Flugingenieur - Anatoly Aleksandrovich Kriulin, zweiter Flugingenieur - Yuri Mikhailovich Kremlev, leitender Testingenieur - Valery Wladimirowitsch Archipow ...

Wie General Designer Alexey Andreevich Tupolev sagte: „Heute startete zum ersten Mal auf der Welt ein Flugzeug mit Flüssigerdgas als Treibstoff. Und wir hoffen, dass dieser Erstflug dieses Flugzeugs uns die Möglichkeit gibt, alle wissenschaftlichen und experimentellen Daten zu sammeln und ein Flugzeug zu bauen, das in naher Zukunft in der Lage sein wird, Passagiere zu fliegen.

Tests haben gezeigt, dass der Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu Kerosin um fast 15 % reduziert wird. Außerdem bestätigten sie die Möglichkeit eines sicheren Betriebs des Flugzeugs mit kryogenem Treibstoff. Im Rahmen umfangreicher Tests mit der Tu-155 wurden 14 Weltrekorde aufgestellt sowie mehrere internationale Flüge von Moskau nach Bratislava (Tschechoslowakei), Nizza (Frankreich) und Hannover (Deutschland) durchgeführt. Die Gesamtbetriebszeit des Versuchskraftwerks überstieg 145 Stunden.

Ende der 90er Jahre hatte der Hauptmanager der russischen Gasreserven, Gazprom, die Initiative entwickelt, zu Beginn ein Passagierflugzeug und dann nur ein Passagierflugzeug zu bauen, das vollständig mit Flüssigerdgas betrieben werden könnte . Das Flugzeug erhielt den Namen Tu-156 und wurde auf Basis der bestehenden Tu-155 erstellt. Drei neue NK-89-Triebwerke sollten darauf installiert werden, ähnlich wie NK-88, jedoch mit zwei unabhängigen Kraftstoffsystemen: eines für Kerosin und das andere für kryogenen Kraftstoff. An der Neuanordnung der Fächer und der Anordnung der Kraftstofftanks wurde viel Forschungs- und Konstruktionsarbeit geleistet.

Bis zum Jahr 2000 sollten im Samara Aviation Plant drei Tu-156 produziert und deren Zulassung und Probebetrieb aufgenommen werden. Dies wurde leider nicht durchgeführt. Und die Hindernisse für die Umsetzung der konzipierten Pläne waren ausschließlich finanzieller Natur.

Wahrscheinlich können wir sagen, dass die Tu-155 ihrer Zeit voraus ist. Zum ersten Mal verwendeten sie Systeme, zu denen die Menschheit zurückkehren wird. Und die Tu-155 ist museumswürdig und gehört nicht zu den vergessenen ausgemusterten Flugzeugen.

Auf dem Internationalen Luft- und Raumfahrtsalon MAKS-2015 Wissenschafts- und Ingenieurunternehmen "NIK" und B Die Aviation Legends Charity Foundation mit Unterstützung der Stadtverwaltung von Zhukovsky und Aviasalon OJSC präsentierte dieses einzigartige Flugzeug zum ersten Mal der Öffentlichkeit.

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