Trendy a vize dalšího vývoje pohonu letadel

Podobné dokumenty
Pohony letadel seminář z předmětu Dopravní, letadlová a kosmická technika

TRYSKOVÉ MOTORY. Turbínové motory. Bezturbínové motory. Raketové motory. Turbokompresorový motor (jednoproudový)

LOPATKOVÉ STROJE LOPATKOVÉ STROJE

Studijní program: B 3710 Technika a technologie v dopravě a spojích. Obor 3708R033 TUL Technologie údržby letadel

ZATÍŽENÍ KŘÍDLA - I. Rozdělení zatížení. Aerodynamické zatížení vztlakových ploch

Příklady použití kompozitních materiálů

Termomechanika 5. přednáška Michal Hoznedl

Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Lopatkové stroje PLYNOVÉ TURBÍNY Ing. Petr Plšek Číslo: VY_32_INOVACE_ Anotace:

Příklady jednoduchých technických úloh ve strojírenství a jejich řešení

BUDOUCÍ TECHNOLOGIE VÝROBY LETADLA

Pokročilé technologie spalování tuhých paliv

Doc. Ing. Svatomír Slavík, CSc.. Fakulta strojní - ČVUT v Praze Ústav letadlové techniky

ROZDĚLENÍ, VLASTNOSTI A POUŽITÍ MATERIÁLŮ

Elektrárny část II. Tepelné elektrárny. Ing. M. Bešta

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

Obnovitelné zdroje energie

Nauka o materiálu. Přednáška č.11 Neželezné kovy a jejich slitiny

Využití kompozitních materiálů v leteckém průmyslu

Termomechanika 5. přednáška

Elektrochemické články v elektrické trakci železniční (Rail Electromobility)

zapaluje směs přeskočením jiskry mezi elektrodami motoru (93 C), chladí se válce a hlavy válců Druhy:

Přijímací odborná zkouška do DSP 2014 Letecká a raketová technika Část Letecká technika

Druhy ocelí, legující prvky

NEGATIVNÍ PŮSOBENÍ PROVOZU AUTOMOBILOVÝCH PSM NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

PBS Velká Bíteš. Profil společnosti

KOMPRESORY F 1 F 2. F 3 V 1 p 1. V 2 p 2 V 3 p 3

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

LETECKÉ MATERIÁLY. Úvod do předmětu

Vlastnosti technických materiálů

42 28XX nízko středně legované oceli na odlitky odlévané jiným způsobem než do pískových forem 42 29XX vysoko legované oceli na odlitky

Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích. Institute of Technology And Business In České Budějovice

ENERGIE PRO BUDOUCNOST X. Efektivní výroba a využití energie. Efektivnost v energetice

Pístové spalovací motory 2 pohyblivé části motoru

Vývoj použití materiálů v automobilovém průmyslu

LETECKÉ PROUDOVÉ MOTORY S PROMĚNNÝM CYKLEM AIRCRAFT JET ENGINES WITH ADAPTIVE CYCLE

ONLY FOR FLIGHT SIMULATION USAGE NOT FOR REAL WORLD FLYING

ODBORNÉ VZDĚLÁVÁNÍ ÚŘEDNÍKŮ PRO VÝKON STÁTNÍ SPRÁVY OCHRANY OVZDUŠÍ V ČESKÉ REPUBLICE. Spalování paliv Spalovací turbíny Ing. Jan Andreovský Ph.D.

Úvod do nebeské mechaniky

OTĚRUVZDORNÉ POVLAKY VYTVÁŘENÉ METODAMI ŽÁROVÉHO NÁSTŘIKU

Přijímací odborná zkouška pro MgN studium AR 2016/2017 Letecká a raketová technika Modul Letecká technika

KONVENČNÍ FRÉZOVÁNÍ Zdeněk Zelinka

Hydrodynamika. Archimédův zákon Proudění tekutin Obtékání těles

MAZACÍ SOUSTAVA MOTORU

Příklad 1: Bilance turbíny. Řešení:

POHONNÉ JEDNOTKY. Energie SPALOVACÍ MOTOR. Chemická ELEKTROMOTOR. Elektrická. Mechanická energie HYDROMOTOR. Tlaková. Ztráty

Přijímací odborná zkouška pro NMgr studium 2015 Letecká a raketová technika Modul Letecká technika

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Okruh problémů k odborné rozpravě při SZZ Obor M-STL Stavba letadel

Role proudových motorů při konstrukci letadel

Jak to bude s plynovými spotřebiči?

Příloha-výpočet motoru

Ing. Hana Ilkivová Hotelová škola, Obchodní akademie a Střední průmyslová škola, Benešovo náměstí 1., příspěvková organizace

SYSTÉMY A VYBAVENÍ VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN

Nové letecké materiály

MOŽNOSTI POUŽITÍ MOTORŮ KONCEPCE PROPFAN V LETECKÉ DOPRAVĚ

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE ALTERNATIVNÍ POHONY VOZIDEL

Nauka o materiálu. Přednáška č.14 Kompozity

1/5. 9. Kompresory a pneumatické motory. Příklad: 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 9.10, 9.11, 9.12, 9.13, 9.14, 9.15, 9.16, 9.

05 Technické materiály - litina, neželezné kovy

MAZACÍ SOUSTAVA MOTORU

Automobilismus a emise CO 2

SMA 2. přednáška. Nauka o materiálu NÁVRHY NA OPAKOVÁNÍ

VÝROBKY PRÁŠKOVÉ METALURGIE

DOPRAVNÍ A ZDVIHACÍ STROJE

STREN turbína typu NTR je náporová točivá parní redukce určena k redukci tlaku páry a následné výrobě elektrické energie.

Základy stavby výrobních strojů Tvářecí stroje I KLIKOVÉ MECHANISMY MECHANICKÝCH LISŮ

POVLAKY S VYSOKOU EMISIVITOU A METODY JEJICH VYSOKOTEPLOTNÍHO TESTOVÁNÍ

PODPOROVANÁ OPATŘENÍ. Systémy měření a regulace Výroba energie pro vlastní spotřebu

Letecký mechanik pro pohonné jednotky

Postup řešení: Výkon na hnacích kolech se stanoví podle vztahu: = [W] (SV1.1)

STANOVISKO č. 01/2006 EVROPSKÉ AGENTURY PRO BEZPEČNOST LETECTVÍ

Mikro a nanotribologie materiály, výroba a pohon MEMS

3.3 PROJEKTY VÝVOJE NOVÝCH LETADEL 3

VLIV VLASTNOSTÍ PRACOVNÍ LÁTKY NA VÝKONOVÉ PARAMETRY LETADLOVÉHO MOTORU

rní zdroj energie pro elektromobily Petr Vysoký

Parní turbíny Rovnotlaký stupeň

hoblovky hřídele jeřáby lisy ložiska motory potrubí pružiny regulační přístroje součásti soustruhy stroje

Polotovary vyráběné práškovou metalurgií

Návrh: volba druhu vodiče pro dané prostředí pro dané podmínky. způsob ů uložení vodiče stanovení průřezu vodiče pro určitý výkon při daném uložení

PARNÍ TURBÍNY EKOL PRO VYUŽITÍ PŘI KOMBINOVANÉ VÝROBĚ ELEKTRICKÉ ENERGIE A TEPLA

Vodík jako alternativní ekologické palivo. palivové články a vodíkové hospodářství

Přijímací odborná zkouška pro NMgr studium 2015 Letecká a raketová technika Modul Raketová technika

pro bioplynové stanice

18MTY 1. Ing. Jaroslav Valach, Ph.D.

Rekapitulace stavu techniky v přeplňování vznětových motorů a další vývoj D T

Rotační výsledkem je otáčivý pohyb (elektrické nebo spalovací #5, vodní nebo větrné

Vize dopravy ČR s akcentem na železniční dopravu. Ing. Luděk Sosna, Ph.D. Ředitel Odboru strategie Ministerstvo dopravy

Popis výukového materiálu

Technologie a řízení letecké dopravy: 6. Základní konstrukce letounů

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Popis výukového materiálu

Využítí niklových superslitin příklady výzkumu a výroby v ČR

Obsah. KVET _Mikrokogenerace. Technologie pro KVET. Vývoj pro zlepšení parametrů KVET. Využití KVET _ Mikrokogenerace

Moderní energetické stoje

HSC obráb ní, tepelné jevy p Definice, popis obráb Nevýhody Otá ky v etena ezné rychlosti pro HSC Strojní vybavení obráb

SPALOVACÍ MOTORY. Doc. Ing. Jiří Míka, CSc.

KONSTRUKCE KŘÍDLA - I

Nauka o materiálu. Přednáška č.12 Keramické materiály a anorganická nekovová skla

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

Transkript:

Trendy a vize dalšího vývoje pohonu letadel Daniel Hanus hanus@fd.cvut.cz www.czaes.org Fakulta dopravní ČVUT Horská 3, Praha 2, 29. 6. 2017, Posluchárna B5, od 16 hod.

Obsah Základní požadavky na pohon letadel Fyzikální podmínky pohonu letadel Produkce tahu Energetická náročnost produkce tahu Vnitřní tepelná účinnost Vnější propulzní účinnost Energetická náročnost pohonu Současný trend Obtokový poměr Konstrukční řešení Nové materiály Additive manufacturing Vize do budoucnosti Blended ving-body Distributed propulsion Electrical propulsion Alternativní paliva Integrace draku a pohonu Kam směřujeme?

Základní požadavky pohonu letadel A) Bezpečná doprava za přijatelně krátký čas za přijatelnou cenu s minimálním dopadem na životní prostředí B) Pohon je integrální součástí letounu

Fyzikální podmínky pohonu letadel Produkce tahu Tah vzniká v pohonné jednotce silovým působením vzduchu a hnacích plynů na obtékané či protékané prvky pohonné jednotky. Výsledkem je dle zákona akce a reakce zvýšení toku hybnosti vzduchu a hnacích plynů vytékajících z pohonné jednotky. Tah pohonné jednotky je produkován propulsním systémem propulsorem. mሶ Tr V Tr mሶ v F TT mሶ Tr = mሶ v + mሶ p V L mሶ p F T = V Tr mሶ Tr V L mሶ v

ሶ ሶ Fyzikální podmínky pohonu letadel Energetická náročnost produkce tahu Produkce tahu vyžaduje zvýšení toku hybnosti vzduchu a hnacích plynů procházejících pohonnou jednotkou, tedy zvýšení toku jejich kinetické energie. Potřebný výkon pro zajištění produkce tahu propulsním systémem propulsorem dodává propulsoru motor. V L mሶ Tr = mሶ Ob m g m v F T ሶ mሶ Ob + m p mሶ g + mሶ p = mሶ Tr mሶ v + mሶ p V Tr N M = 1 2 V Tr 2 mሶ Tr V 2 L ሶ m v

Fyzikální podmínky pohonu letadel Energetická náročnost produkce tahu Závislost tahu a výkonu motoru na výstupní rychlosti hnacích plynů z trysky pro mሶ v = konst

ሶ Fyzikální podmínky pohonu letadel Vnitřní tepelná účinnost Užitečný mechanický výkon potřebný k produkci tahu poskytuje motor pohonné jednotky jako výsledek uskutečněné transformace přivedeného toku chemické energie paliva na mechanický výkon. Účinnost této transformace vyjadřuje vnitřní tepelná účinnost. m Tr V Tr mሶ v V L η t = N M = Qሶ přiv N M = mሶ p H u mሶ p 1 2 V Tr 2 mሶ Tr V 2 L ሶ m p H u ሶ m v

Fyzikální podmínky pohonu letadel Vnitřní tepelná účinnost π c = p max p h τ = T max T h η t = N M = Qሶ přiv mሶ v + mሶ p c p T Tr mሶ v c p T náp mሶ g + mሶ p c p T SK

Fyzikální podmínky pohonu letadel Závislost tepelné účinnosti motoru na celkovém tlakovém a teplotním poměru π c = p max p h τ = T max T h

Fyzikální podmínky pohonu letadel Závislost měrného výkonu motoru na celkovém tlakovém a teplotním poměru π c = p max p h τ = T max T h

Fyzikální podmínky pohonu letadel Vnější propulzní účinnost Pohonná jednotka pohánějící letoun rychlostí letu vykonává užitečný tahový výkon daný jako součin produkovaného tahu a rychlosti letu. Vnější propulzní účinnost je účinnost transformace užitečného mechanického výkonu motoru pohonné jednotky na užitečný tahový výkon. F T V L N T = F T V L η prop = N T N M

Fyzikální podmínky pohonu letadel Vnější propulzní účinnost V Tr V L η prop = N T N M 2 1 + V Tr V L

Fyzikální podmínky pohonu letadel Dopravní energetická náročnost pohonu Potřebný dopravní mechanický výkon motoru pro zajištění pohonu letounu danou rychlostí letu je dán pro aerodynamickou poláru letounu a jeho hmotnost celkovou účinností pohonu danou jako součin vnitřní tepelné účinnosti motoru a vnější propulsní účinnosti propulsního systému pohonné jednotky při dané rychlosti letu. 3 N M = F T V L = c D ρ h S V L η t η prop 2 η t η prop Při vodorovném ustáleném letu platí vztah pro vertikální rovnováhu M g = 1 2 c L ρ h S V L 2 Dosazením do vztahu pro potřebný dopravní výkon motoru N M = M g V L c D η t η prop c L = M g V L c D η t η prop c L = M g V L η t η prop tgδ

Fyzikální podmínky pohonu letadel Dopravní energetická náročnost pohonu Úhel náběhu ι ι V L L = M g δ D = F T N M = M g V L η t η prop tgδ

Fyzikální podmínky pohonu letadel Dopravní energetická náročnost pohonu Pro dosažení 50% celkové dopravní účinnosti pohonu letounu je nutno zajistit při 60% tepelné účinnosti motoru 85% propulsní účinnost pohonu

Fyzikální podmínky pohonu letadel Dopravní energetická náročnost pohonu Potřebný dopravní mechanický výkon motoru pohonné jednotky letounu je přímo úměrný hmotnosti letounu, rychlosti letu a aerodynamické jemnosti letu, vyjádřené tangentou úhlu klesavého klouzavého letu v dané aerodynamické konfiguraci a nepřímo úměrný součinu tepelné a propulsní účinnosti. Snižování potřebného dopravního výkonu motoru a snižování rozměrů a hmotnosti motoru pohonné jednotky pro požadovanou rychlost letu vyžaduje: Snižování hmotnosti letounu Zvyšování aerodynamické účinnosti letounu Zvyšování tepelné účinnosti motoru Zvyšování propulsní účinnosti propulsního systému pohonné jednotky

Současný trend Pokračování nárůstu přepravních výkonů v oblasti civilního letectví. Počet cestujících v 10 9

Současný trend Globální dopravní výkony podle druhů dopravních prostředků. Počet cestujících v 10 12 LETECKÁ DOPRAVA A VYSOKORYCHLOSTNÍ KOLEJOVÁ DOPRAVA

Současný trend Bezpečnost dopravy podle druhů dopravních prostředků. Počet úmrtí na miliardu mil letecká doprava 0.07 Jízda na motocyklu je více než 3000 nebezpečnější než cestování letadlem!

Současný trend Spotřeba energie na jednoho cestujícího a 1 kilometr v civilní letecké dopravě Boeing 787-3: spotřeba 2.3 kg kerosenu na 1 cestujícího a 100 km!

Současný trend Různé scénáře vývoje produkce CO2 do roku 2050 v civilní letecké dopravě

Současný trend Uplatňování nových technologií 4. průmyslové revoluce Zvyšování výkonových parametrů pohonných jednotek a snižování spotřeby paliva, emisí CO2, škodlivých exhalací a hluku Konstrukční architektura letounu: Drak (trup plus křídla) motor V principu stejná od bratří Wrightů! 1910 2010

Současný trend Obtokový poměr μ Ob = mሶ Ob mሶ g mሶ v mሶ g mሶ Ob

Současný trend Obtokový poměr Zvyšování obtokového poměru nad hodnoty μ ob = mሶ Ob mሶ g = 8 až do 12 zvýšení η prop A současně: Zvyšování celkového tlakového poměru tepelného oběhu motoru π c = π nápor π K = p max p h = 40 až 50 zvýšení η t Zvyšování celkového teplotního poměru tepelného oběhu motoru τ c = T max T h = 6 až 7 zvýšení η t

Současný trend Obtokový poměr

Současný trend Další podmínky Plnění stále přísnějších předpisů ICAO pro emise škodlivých exhalací a hluku

Současný trend Další podmínky Plnění stále přísnějších předpisů ICAO pro emise škodlivých exhalací a hluku CHEVRONS TYPE NOZZLE B787

Současný trend Další podmínky Odolnost motoru při střetu s ptáky a při námraze způsobené ledovými krystaly ve velkých výškách

Současný trend Další podmínky Odolnost motoru při námraze způsobené ledovými krystaly ve velkých výškách

Současný trend Konstrukční řešení

Současný trend Konstrukční řešení Snižování měrné spotřeby paliva turbínového motoru zvyšováním účinnosti všech jeho částí

Současný trend Konstrukční řešení PROPFAN VYSOKÁ ODOLNOST PŘI STŘETU S PTÁKY VYSOKÝ OBTOKOVÝ POMĚR HLUK

Současný trend Konstrukční řešení Letouny s kolmým startem a přistáním

Současný trend Konstrukční řešení Pratt & Whitney PW1000G Planetový reduktor s pěti satelity větší počet satelitů umožněný použitím kluzných ložisek pro zajištění přenosu vysokého výkonu na ventilátor Minimalizace hmotnosti dvouproudového motoru snížením počtu stupňů výkonové turbíny a snížením otáček pohonu ventilátoru reduktorem

Současný trend Konstrukční řešení Mezichlazením vzduchu za nízkotlakým kompresorem se sníží potřebný výkon pro kompresi vzduchu ve vysokotlakém kompresoru a tím se zvýší tepelná účinnost a výkon motoru

Současný trend Nové materiály Vysoko-pevnostní a vysokoteplotní kovové materiály Vysokoteplotní kovové a keramické kompozitní materiály Vysoko-pevnostní vláknové kompozitní materiály Práškové kovové nano-materiály pro aditivní výrobní procesy Ultralehké kompozitní, pěnové a plastické materiály Vysokoteplotní keramické povlakové materiály

Současný trend Nové materiály Vysokoteplotní super-slitiny a žáropevné slitiny na žárové součásti turbínových motorů Pevnost v tahu materiálu v MN m 1 = N mm 1 jako funkce teploty.

Současný trend Nové materiály Přesné odlitky oběžných lopatek turbíny s řízenou krystalizací při tuhnutí c) b) a) Rychlost tečení materiálu za vysokých teplot v závislosti na typu krystalické struktury a) neuspořádaná, b) směrově uspořádaná, c) monokrystalická

Současný trend Nové materiály Přesné odlitky oběžných lopatek turbíny s různými typy krystalické struktury a) neuspořádaná, b) směrově uspořádaná, c) monokrystalická a) b) c)

Současný trend Nové materiály Vysokoteplotní žáropevné materiály lopatek turbínslitiny kovů: Ni, Cr, W, Mo, Ti, Al, Nb, Mo, Ta, Mo Pevnost slitiny až do 1100 C Jako monokrystal ve směru hlavní osy až do 1200 C Vysokoteplotní povlakové materiály lopatek turbín- Oxidy a karbidy prvků: Zirkon Hafnium Bor Wolfram Tantal bod tavení 4215 C!

Současný trend Additive manufacturing General Electric Aviation Czech Vývoj nového turbovrtulového motoru General Electric GE93 vyrobeného z větší části 3-D tiskem pro letoun Cessna Denali

Současný trend Additive manufacturing Výroba tvarově velmi složitých součástí a celých konstrukčních celků je umožněna 3-D tiskem. Nejnovější technologie dokonce umožňují realizovat konkrétní součást různými na sebe navazujícími materiály s ohledem na místní namáhání, teploty a další mechanické a fyzikální vlastnosti.

Současný trend Additive manufacturing

Současný trend Additive manufacturing CESSNA DENALI firmy TEXTRON s motorem General Electric GE 93

Současný trend Additive manufacturing Použitím 3-D tisku se sníží počet součástí vzduchové cesty motoru z původního počtu 855 na pouhých 12

Vize do budoucnosti Blended ving-body Aplikace konstrukční architektury tak zvaného samokřídla pro velkokapacitní dopravní letouny

Vize do budoucnosti Distributed propulsion

Vize do budoucnosti Distributed propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion

Vize do budoucnosti Electrical propulsion Turbínový motor s elektrickým generátorem spalující kapalný vodík, který zajišťuje supravodivost vodičů propojujících vysokootáčkový elektrický generátor s elektromotory pohánějícími ventilátory distribuovaného pohonného systému.

Vize do budoucnosti Electrical propulsion Elektrický pohon letadel představuje větší změnu než přechod od pohonu pístovým motorem k turbínovému Výrazně účinnější, spolehlivější, nezávislý na velikosti, méně hlučný, umožňující integraci pohonu s drakem.

Vize do budoucnosti Alternativní paliva MJ kg 1 Kerosen 42. 8 MJ kg 1, 37. 4MJ l 1 Li-ion baterie 0. 9 MJ kg 1, 2. 6MJ l 1 Kapalný metan 55. 6 MJ kg 1, 22. 2 MJ l 1 Kapalný vodík 142 MJ kg 1, 8. 5MJ l 1 MJ l 1

Vize do budoucnosti Alternativní paliva

Vize do budoucnosti Integrace draku a pohonu

Vize do budoucnosti Integrace draku a pohonu

Kam směřujeme?

Děkuji za pozornost Otázky?