Jármű-, közlekedési- és logisztikai rendszerek (BMEKODHA149)

Budapest, 2016 Szeptember 5.

VER_1-1

Jármű-, közlekedési- és logisztikai rendszerek (BMEKODHA149) Áramlástan és Propulziós hajtóművek http://www.styleofspeed.com/air/plane/hyperjet/hjf-1/index.htm

Dr. Veress Árpád Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék Budapest, 1111, Sztoczek u. 6 J. ép. 4. em. Tel: 36-1-463-1922, Fax: 36-1-463-30-80, E-mail: [email protected] BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

egyetemi docens elérhetőség: J. ép. 426, 422 (titkárság, postaláda) [email protected] 1 Veress Á.

Tartalomjegyzék 1. 2. 3. 4.

VER_1-1

Bevezetés és történeti áttekintés Csoportosítás és alapvető működés Tolóerő képzés alapjai Hajtóművek alkalmazási területeinek főbb okai

http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszatnap-csillag-felfedezes-nasa.html

2 http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszat-nap-csillag-felfedezes-nasa.html

BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1

Bevezetés és történeti áttekintés Csoportosítás és alapvető működés Tolóerő képzés alapjai Propulziós hajtóművek alkalmazási területei




Veress Á.

1. Bevezetés és történeti áttekintés

VER_1-1

K.e. ~ 250, Heron gőzsugár hajtású gépe (eolipila) 4 Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006


Veress Á.


VER_1-1

K.u. ~ 1000, lőpor felfedezése (Kína), Kínai tüzes nyilak egy 1232-s csatában

5

Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006


Veress Á.


VER_1-1

K.u. 1486-1490 között Leonardo da Vinci több mint 500 ábrát készített az emberi repülésről. Kéményes forgató mechanizmus 1500-ból 6



Veress Á.


VER_1-1

1687, Newton gőz kocsija (a valóságban nem működött, nem volt elég tolóerő) 7



Veress Á.


Wilbur Wright

VER_1-1

Orville Wright

1903 december 17, Wright testvérek, első motoros repülés 8 https://hu.wikipedia.org/wiki/Wright_fiv%C3%A9rek


Veress Á.


VER_1-1

- Konstantian Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935, orosz) Rakéta alkalmazásának első javaslata az űr meghódítására. Rakéta működésének elméleti alapját dolgozta ki és tette közzé. 1903-ban publikálta tanulmányát folyékony hajtóanyagú rakéták alkalmazásáról a nagyobb hatótávolság érésének érdekében.

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/TRC/Rockets/history_of_rockets.html http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/19.html Rockets into Space by Craig Frank H. Winter, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1990


9 Veress Á.


VER_1-1

- Dr. Robert Goddard (1882-1945, amerikai) Kiváló elméleti és gyakorlati szakember több, mint 200 szabadalommal. 1926. Március 16.-n ő indított először sikeresen folyékony hajtóanyagú rakétát.

Az első repülés folyékony hajtóanyagú rakétával

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/TRC/Rockets/history_of_rockets.html

10

http://grin.hq.nasa.gov/ABSTRACTS/GPN-2002-000132.html


Veress Á.


VER_1-1

- Dr. Hermann Oberth (1894-1989, német) Magyar születésű német, aki rakéta hajtás területén elért eredményei miatt egy szinten említendő Tsiolkovsky-val és Goddard-dal. 1930ban tesztelte kutatócsoportjával (benne Wernher von Braunnal) a kb. 66.72 N tolóerő leadására képes folyékony hajtóanyagú rakétáját. Wernher von Braun (18)

Dr. Hermann Oberth http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/28.html

11

http://www.allstar.fiu.edu/aero/rock2.htm


Veress Á.


VER_1-1

- Dr. Wernher von Braun (1912-1977, német, amerikai) Az első nagy hatótávolságú rakéta (V-2) megalkotója; a kb. 14.3 m hosszú rakéta alkoholt és folyékony oxigént használt hajtóanyagnak. A II. vh. után az amerikai rakétahajtómű fejlesztés kiemelkedő alakja. 1960-1970: igazgató, NASA Marshall Űrrepülési Központ. Az első kilövés az űrbe (1942)

Credit: V-2 Rocket.Com http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/29.html

12

http://www.postwarv2.com/misc/signedphoto01.JPG


Veress Á.


VER_1-1

1939 augusztus 27-n, Heinkel He 178 volt az első repülőgép, amely gázturbinás sugárhajtóművel szállt fel 13

http://www.fiddlersgreen.net/models/aircraft/Heinkel-178.html


Veress Á.


VER_1-1

A Heinkel He 178 hajtóműve: He S-3, Hans von Ohain szabadalma 1936ban, egy olyan hajtóműre, amely a kipufogó gázokat használta fel hajtásra 14

https://en.wikipedia.org/wiki/Heinkel_HeS_3#/media/File:HeS_3_Turbojet.jpg


Veress Á.


VER_1-1

A CS–1 légcsavaros gázturbina

Jendrassik György (Budapest, 1898. május 13. – London, 1954. február 8.) magyar gépészmérnök. A dízelmotorok és gázturbinák fejlesztése terén ért el kimagasló eredményeket. ~86 szabadalma van. 1940 100 kW lcs gt. amely 1000 kW volt tervezve. https://hu.wikipedia.org/wiki/Jendrassik_Gy%C3%B6rgy

A CS–1 a Budapesti Műszaki Múzeumban 15

http://www.omikk.bme.hu/archivum/magyarok/htm/jendrassikrov.htm


Veress Á.


• • •

VER_1-1

1940, Rolls-Royce lcs. gt. hm. RB50 Trent (Whittle alapján) 1942, GE, I-A gt shm. Bell XP-59 repülőgépbe építve, első az USA-ban. Ebből alakult ki a sorozatban gyártott J-31-s. 1944, Rolls-Royce Nene shm. Ennek a jogát adták el a Pratt and Whitneynek, illetve az oroszoknak (MIG-15 shm. alapja)

RB50 Trent

http://forum.keypublishing.com/attachment.php?attachmentid=111267&d=1138132702 http://www.enginehistory.org/Museums/neam.shtml


Rolls-Royce Nene shm.

16 Veress Á.


VER_1-1





Veress Á.

2. Csoportosítás és alapvető működés

VER_1-1

18 Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006


Veress Á.


VER_1-1

Dugattyús motor légcsavar hajtására

Lycoming O-320-D2A a Symphony SA-160 repülőgépen

https://en.wikipedia.org/wiki/Lycoming_O-320

19

http://patentimages.storage.googleapis.com/US20080027620A1/US20080027620A1-20080131-D00000.png


Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) engine (M= 12-24, Fuel: H2, )

21 http://en.wikipedia.org/wiki/File:ScramjetEngine.jpg


Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Torlósugár hajtómű



Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Lüktető sugárhajtóművek

V-1 lüktető sugárhajtómű Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006

25

https://en.wikipedia.org/wiki/V-1_flying_bomb


Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Gázturbinás hajtóművek

Kis kétáramúsági fokú háromtengelyes utánégetős gázturbinás sugárhajtómű

Nagy kétáramúsági fokú, légcsavaros, kéttengelyres gázturbinás hajtómű

Nagy kétáramúsági fokú háromtengelyes gázturbinás sugárhajtómű

Egyáramú, tengelyteljesítményt leadó kéttengelyes gázturbinás hajtómű 27

Joachim Kurzke, http://www.gasturb.de/


Veress Á.


VER_1-1

28 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Kombinált gázturbinás és torlósugár hajtóművek

~M=2.5-3 az átkapcsolási Mach szám SR-71 Blackbird, 1964-1998, M 3.3, 24 km. Nagy hatótávolságú stratégiai felderítő repülő. 30 Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006


Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Kombinált gázturbinás és rakéta hajtóművek

3500 C°

Kerosene and liquid oxygen Smaller and lighter than turbojet/ramjet, but it has higher fuel consumption. Applicable at high speed and high altitude with high performance

+ kerosene for cooling and for additional thrust due to the burning at afterburner

32



Veress Á.


VER_1-1



Veress Á.


VER_1-1

Folyékony tüzelőanyagú (hajtóanyagú) rakéták (nyílt és zárt rendszerű)

The advantage over the gas-generator cycle is that all of the propellants are burned at the optimal mixture ratio in the main chamber and no flow is dumped overboard. The staged combustion cycle is often used for high-power applications. 34 http://www.braeunig.us/space/propuls.htm


Veress Á.


VER_1-1

Folyékony tüzelőanyagú (hajtóanyagú) rakéták (expanziós és túlnyomásos rendszerű

A fúvócső miatt elpárolgó tüzelőanyag expandál a turbinán keresztül (tüz.a.: pl. hidrogén vagy metán az alacsony forráspont miatt) közepes hajtóműméretek esetén alkalmazzák.

A tüzelőanyag és az oxidálószer túlnyomás hatására jut be az égőtérbe (a legegyszerűbb és a legmegbízhatóbb). 35

http://www.braeunig.us/space/propuls.htm


Veress Á.


VER_1-1

Szilárd tüzelőanyagú (hajtóanyagú) rakéták (tüzelőanyag és oxidálószer egyben)

Solid rockets motors store propellants in solid form. The fuel is typically powdered aluminum and the oxidizer is ammonium perchlorate. A synthetic rubber binder such as polybutadiene holds the fuel and oxidizer powders together. Though lower performing than liquid propellant rockets, the operational simplicity of a solid rocket motor often makes it the propulsion system of choice. 36 http://www.braeunig.us/space/propuls.htm


Veress Á.


VER_1-1

Változtatható impulzussűrűségű mágnesplazma rakéta (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) 1. A gázt csavarvonal alakú rádióantennák segítségével plazma állapotig fűtik, 2. a plazmát tovább fűtik, immár rádióhullámok segítségével, 3. végül pedig mágneses terek segítségével a plazma belső hőenergiáját kinetikus energiává konvertálják. A jelenlegi VASIMR tervek 30 és 300 km/s felső gázkiáramlási sebességhatárral számolnak. Továbbá az eddigi ionhajtóművekhez képest sokkal nagyobb, megawatt nagyságrendű teljesítményt képes produkálni. A Föld-Mars utazás 2,5 évről 5 hónapra csökkenthető ha tökéletesítik (NASA). 37 https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_Specific_Impulse_Magnetoplasma_Rocket


Veress Á.


VER_1-1





Veress Á.

3. Tolóerő képzés alapjai - Energiaforrások A termodinamika I. főtétele: energiaátalakulás a munka, a hő és a munkaközeg energiája között hő

VER_1-1

A termodinamika II. főtétele: 1. A valóságos folyamatok nem megfordíthatóak 2. Magas hőmérséklet és nyomás ciklikus vagy folyamatos előállításával 3. Adott hatásfokkal: termikus hatásfok

t 

wkörf . qbe



qbe  qel qbe

Az I. főtétel nyitott rendszerre:

I 2  I1  Q12  P BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

39 Veress Á.

3. Tolóerő képzés alapjai

VER_1-1

Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok A tolóerő-képzés esetén alapvetően többféle olyan propulziót létrehozó technikai megoldásról is beszélhetünk, mint például: -Hajócsavar -Lapátkerék -Légcsavar -Helikopter szárnyak -Evezők -Sugárhajtómű (víz – sugárhajtómű, gáz – sugárhajtómű) -Rakéta Propulziós hajtómű alapvető működése. v a hajtóműbe beáramló közeg sebessége, w: a ? hajtóműből kiáramló közeg sebessége. 40 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1

Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok d mV  d m  d V  F1  V m  Vm dt dt dt F2  pA N  Ft  m mk w  v   A pki  pkülső 

Pvont .  Ft v W 

Ft v m munkaközeg

pkülső

A

w m munkaközeg pki

 mk w  A pki  pkülső  ha v=0 (pl. rakéta): Ft  m

1 2 m mk w  v  2 v 2 P mmk ( w  v )v  propulziós  vont . ha pki=pkülső:  p  Pvont .   w Psugár Psugár m ( w  v )v  1 m ( w  v )2 1  v mk mk 2 w Jellegzetes pontok:  p  0; Ft  max; 1. Ha v  0; Pvont  0. Ft  0; 2. Ha v  w;  p  1; Pvont  0. 41 Psugár  Psugár  Pveszt  Ft v 


Veress Á.


VER_1-1

Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok

v 2 p  w v 1 w Ft  m mk w  v  42 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1

Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok Ellentmondás: Nagy tolóerő és jó propulziós hatásfok egyszerre nem lehet, ha a sebességeket vizsgáljuk (teljes expanzió esetén): Ft  m  mk w  v 

Pvont . p  Psugár

v 2 mmk ( w  v )v   w 1 v 2 mmk ( w  v )v  mmk ( w  v ) 1  2 w

Feloldás: nagy tömegáram

Fejlesztési irányok: nagy kétáramúsági fokú hajtóművek (nagy hajtómű keresztmetszet → nagy tömegáram → nagy tolóerő, kisebb w → nagyobb propulziós hatásfok (egyáramú hm: 0,4-0,5, nagy kétáramúsági fokú korszerű hm: 0,8 is lehet)) Propulziós rendszerek alkalmazásának határai repülőgép hajtóműveknél Légcsavar: ~ 0,7 M-ig (speciálisan 1,1 M-ig) Kétáramú: ~ 0,9 M-ig (speciálisan 2 M-ig) Egyáramú: ~ 2-3 M-ig 43 Utánégetős: ~ 2-3 M-ig BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1





Veress Á.

4. Propulziós hajtóművek alk. területei Korsz. légcsavaros hm.  ö  tüzt mechlcs 

40



Pvontatási  0,95  0 ,97 Ph ,tengely 0 ,35  0,40 0,95  0 ,99 0 ,8   0 ,28 Korsz. kétáramú hm.

ö  tüzt prop  

Q Psugár Pvontatási  be   Psugár Qégés Qbe  0 ,95  0 ,97 0 ,35  0 ,4

Tengelyteljesítményt leadó gázturbinás hajtómű

35 30

összhatásfok [%]

Qbe Ph ,körf . Ph ,tengely    Ph ,körf . Qégés Qbe

VER_1-1

Kis kétáramúsági fokú gázturbinás sugár hajtómű

25 20 15

Torlósugárhajtómű

10 5 0 0

100

200

300

400

500

repülési sebesség [m/s]

Hajtómű-konfigurációk összehasonlító burkológörbéi az összhatásfok szempontjából 10 km magasan és különböző repülési sebességeken

0 ,7  0 ,26 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

 prop  0,4  0,5 egyáramú45hm. Veress Á.

4. Propulziós hajtóművek alk. területei

normalizált hatótávolság-tényező [-]

0.8

VER_1-1

dugattyús motor

0.7 légcsavaros gázturbinás sugárhajtómű

0.6 0.5

ventillátoros gázturbinás sugárhajtómű, kétáramúsági fok: 5 egyáramú sugárhajtómű

0.4 0.3 0.2 0.1

torlósugár-hajtómű 0 0

0.4

0.8

1.2

1.6

repülési Mach szám [-]

2

A hatótávolságtényező normálása a ventillátoros gázturbinás sugárhajtómű paramétereivel történt (10 kg/daN, M=0,2, távolság: 8000 km). Az adatok csak jelzés értékűek.

Hatótávolság: 8000 km

A hatótávolság-tényező a tüzelőanyag és a hajtómű össztömegének, illetve a hajtómű tolóerejének a hajtómű gondola ellenálláserejével csökkentett hányadosa adott repülési sebességen és hatótávolságon. Az összefüggésből egyértelműen következik, hogy a kisebb értékek a jobbak. 46 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1

47 http://documents.mx/documents/propulsionpt1pdf.html


Veress Á.


VER_1-1

48 http://documents.mx/documents/propulsionpt1pdf.html


Veress Á.


VER_1-1

Isp

Pulse Detonation Engine (PDE) POTENTIAL

Specific impulse:

I sp 

T m fuel g

s

Mach Nr. 49 BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Veress Á.


VER_1-1


Veress Á.

VER_1-1

Köszönöm a figyelmet.

Kapcsolat:

Dr. Veress Árpád Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Repülőgépek és Hajók Tanszék Budapest, 1111, Sztoczek u. 6 J. ép. 4. em. Tel: + 36-1-463-1922, Fax: + 36-1-463-30-80, E-mail: [email protected]


Veress Á.

Jármű-, közlekedési- és logisztikai rendszerek (BMEKODHA149)

Recommend Documents