© 2020 Ольшевский Андрей Георгиевич консультирует учеников и выполняет промышленные работы по авиации, двигателям, искусственному интеллекту, генерации идей, электронике, физике, математике, информатике, программированию, техническим дисциплинам по Скайп da.irk.ru

Сайт super-code.ru наполняется книгами, вы можете книги скачать

Сокращение расхода топлива за счет применения композиционных материалов

Оглавление

1 Расчет увеличения КПД двигателя за счет увеличения температуры рабочего тела и уменьшения потребной массы топлива 4

2 Сокращение расхода топлива за счет уменьшения массы самолета на 1 кг 11

3 Расчет экономического эффекта снижения массы самолета и двигателей за счет композиционных материалов, а также повышения КПД двигателей 12

3.1 Расчет стоимости летного часа самолета 13

3.1.1 Расходы на амортизацию самолета 13

3.1.2 Расходы на амортизацию двигателей 15

3.1.3 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание самолета 16

3.1.4 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание двигателей 16

3.1.5 Стоимость расходуемого в полете топлива 16

3.1.6 Расходы на заработную плату экипажа 17

3.1.7 Косвенные (аэропортовые) расходы 17

3.1.8 Оценка расходов на эксплуатацию самолета в течение одного летного часа 17

3.2 Экономический эффект снижения массы самолета на 1 кг 17

3.3 Экономический эффект снижения массы планера самолета за счет композиционных материалов 18

3.4 Экономический эффект увеличения КПД двигателей 18

3.5 Экономический эффект применения композиционных материалов в конструкции самолета и в двигателях 19

4 Список использованных источников 20

5 Консультации Ольшевского Андрея Георгиевича по Skype da.irk.ru 21



1 Расчет увеличения КПД двигателя за счет увеличения температуры рабочего тела и уменьшения потребной массы топлива

Увеличение температуры, при которой подводится теплота, приводит к увеличению КПД теплового двигателя, например, турбовинтового двигателя (ТВД). Оценим на сколько уменьшится потребная масса топлива для перемещения самолета при увеличении КПД.

Термический КПД теплового двигателя (турбовинтового двигателя)

(1)

где T1 - температура нагревателя (температура газов перед турбиной), К;

T2 - температура холодильника (температура окружающей среды, воздуха на высоте полета по стандартной атмосфере), на высоте 10 000 м температура окружающей среды T2 = 223,252 К.

Подставим температуру газов перед турбиной турбовинтового двигателя НК-12МП T1 = t1 + 273 = 877 + 273 = 1150 К и получим термический КПД двигателя НК-12МП

Термический КПД модернизированного двигателя

(2)

где T1м - температура нагревателя (температура газов перед турбиной модернизированного двигателя), К

Если модернизировать турбовинтовой двигатель НК-12 путем применения композиционных материалов, позволяющих повысить температуру газов перед турбиной до T1м = 2100 К, то получим термический КПД модернизированного двигателя НК-12

Увеличение КПД двигателя за счет увеличения температуры газов перед турбиной с лопатками из композиционных материалов

Δη = ηт м - ηт, (3)

Δη = 0,894 - 0,806 ≈ 0,088.

КПД по классическому определению

(4)

где Аполезная - полезная работа, Дж;

Азатраченная - затраченная работа, Дж.

Затраченная работа равна теплоте Q, выделившейся при сгорании топлива, Дж

Азатраченная = Q, (5)

Q = qmт, (6)

где q - удельная теплота сгорания топлива, для авиационного керосина ТС-1 q = 43,12 МДж/кг;

mт - масса топлива, кг.

Полезная работа равна механической работе по преодолению силы аэродинамического сопротивления Xa на расстоянии равном дальности полета L, Дж

Аполезная = XaL, (7)

где Xa - сила лобового сопротивления самолета, Н;

L - дальность полета, м.

Подставим и получим реальный КПД авиационных турбовинтового двигателя и движителя (винта и реактивной струи), а также самолета с учетом всех потерь

(8)

Аэродинамическое качество самолета

(9)

где Ya - подъемная сила самолета, Н;

Xa - сила лобового сопротивления самолета, Н.

Подъемная сила равна силе тяжести самолета

Ya = mсрg, (10)

где mср - средняя полетная масса самолета, кг;

g - ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с2.

Подставим в формулу, определяющую аэродинамическое качество самолета

(11)

Отсюда сила лобового сопротивления самолета

(12)

Подставим в формулу, определяющую КПД

(13)

Реальный КПД самолета, авиационных двигателей и движителей (винтов и реактивной струи)

(14)

Средняя полетная масса самолета, кг

mср = m0 - 0,5mт, (15)

где m0 - взлетная масса самолета, кг.

Подставим среднюю полетную массу самолета и получим другую формулу, позволяющую определить реальный КПД авиационных двигателей, движителей и самолета

(16)

Увеличенный КПД может использоваться для уменьшения расхода топлива или (и) дальности полета, или (и) целевой нагрузки. Предположим, что увеличенный КПД модернизированного двигателя приводит к уменьшению потребной массы топлива, тогда формула расчета увеличенного КПД будет иметь вид

(17)

где Δη - на столько увеличится КПД двигателей за счет увеличения температуры газов перед турбиной с лопатками из композиционных материалов;

Δmт - уменьшение потребной массы топлива для полета самолета, кг.

Введем обозначение для увеличенного КПД модернизированного двигателя

ηм = η + Δη, (18)

Увеличенный КПД самолета с модернизированным двигателем

(19)

Выразим уменьшение потребной массы топлива Δmт

(20)

Раскроем скобки

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

Вынесем за скобки

(26)

Выразим уменьшение потребной массы топлива

(27)

(28)

Уменьшение потребной массы топлива

(29)

2 Сокращение расхода топлива за счет уменьшения массы самолета на 1 кг

Оценим уменьшение потребной массы топлива Δmт для полета самолета в течение 1 часа за счет снижения массы самолета Δm на 1 кг [2; стр. 532] (в граммах в час)

(30)

где Δmт - уменьшение потребной массы топлива для полета самолета, кг/ч;

Δm - снижение массы самолета на 1 кг;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

K - коэффициент аэродинамического качества самолета;

cр - удельный часовой расход топлива на единицу тяги, кг/(Н·ч);

1000 - коэффициент, переводящий килограммы в граммы.

Принимая обычные для современного самолета величины K = 18,0 и cр = 0,06 г/(Н·ч), получаем

Снижение массы самолета приводит к уменьшению потребного запаса топлива на борту, что, в свою очередь, снижает массу самолета, потребную тягу и, соответственно, массу двигателя и т. д. Оценив все эти изменения массы самолета и потребного запаса топлива, окончательно получим, что снижение массы самолета Δm на 1 кг приводит к уменьшению расхода топлива на один час полета Δmт примерно на 40 г.

Итак, уменьшение при проектировании или изготовлении массы пустого самолета даже на 1 кг дает значительную экономию топлива при эксплуатации самолетов [2; стр. 532].

Получение в процессе проектирования и производства минимально возможной массы всех компонентов самолета - одна из основных задач специалистов, создающих новый самолет.

Эта задача должна решаться, во-первых, уменьшением массы конструкции за счет:

- выбора оптимальных конструктивно-силовых схем агрегатов и применения более совершенных методов расчета конструкции на прочность;

- применения новых, более прочных материалов или материалов с большей выносливостью - сопротивляемостью усталостным повреждениям (например, алюминий-литиевых сплавов, композиционных материалов).

Уменьшение массы конструкции самолета возможно и за счет применения автоматических систем управления, предназначенных для уменьшения эксплуатационных перегрузок при воздействии вертикальных порывов воздуха и при выполнении маневров во время полета.

Во-вторых, уменьшение массы самолета достигается использованием более легкого и совершенного оборудования. Переход к электродистанционному управлению самолетом без запасной механической системы управления, к автоматической системе повышения устойчивости самолета, позволяющей уменьшить размеры горизонтального оперения, к использованию гидравлической системы с более высоким давлением, к использованию тормозов из углеродных КМ, к применению новых усиленных и облегченных пневматиков, облегчение элементов интерьера пассажирских салонов, в частности кресел, - все это в совокупности позволит существенно уменьшить массу пустого самолета.


3 Расчет экономического эффекта снижения массы самолета и двигателей за счет композиционных материалов, а также повышения КПД двигателей

Предлагается подход, позволяющий сравнивать расходы на эксплуатацию самолета в виде стоимости одного летного часа и уменьшенные расходы в результате модернизации такого самолета за счет композиционных материалов. Самолет становится легче благодаря широкому применению композиционных материалов в конструкции планера самолета, двигателей и винтов. Чем легче летательный аппарат (ЛА), тем меньше топлива требуется для полетов ЛА.

Жаростойкие и жаропрочные композиционные материалы позволяют повысить температуру рабочего тела (газов перед турбиной) в двигателе и увеличить КПД, сократить расход топлива. Более легкие композиционные материалы позволят снизить массу двигателя, а значит и всего самолета.

3.1 Расчет стоимости летного часа самолета

В данном разделе рассчитываются расходы в течение одного летного часа на эксплуатацию самолета с турбовинтовыми двигателями. Расчет базируется на эмпирических формулах в ценах 1980 года [1; стр. 44], поэтому для определения стоимости летного часа потребовалось введение индекса пересчета, учитывающего инфляцию kи = 338. Такое среднее значение индекса пересчета к сметной стоимости 1984 года по Российской Федерации принято на основании письма Координационного центра по ценообразованию и сметному нормированию в строительстве от 13 июля 2018 г. № КЦ/2018-07ти «Об индексах изменения сметной стоимости строительства по Федеральным округам и регионам Российской Федерации на июль 2018 года».

Себестоимость одного летного часа A включает в себя расходы на амортизацию самолета Аа.с и двигателей Аа.д, расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание самолета Ат.о.с и двигателей Ат.о.д, стоимости расходуемого топлива Ат, заработной платы экипажа с начислениями Аз.п и косвенных («аэропортовых») расходов Вап, учитывающих затраты на содержание аэропортов и различных административно-технических служб. Таким образом, расходы на эксплуатацию одного самолета в течение одного летного часа могут быть представлены в виде следующего выражения, руб./час

А = Аа.с + Аа.д + Ат.о.с + Ат.о.д + Ат + Аз.п + Вап (31)

3.1.1 Расходы на амортизацию самолета

Расходы на амортизацию самолета, руб./час

, (32)

где k1 – коэффициент, учитывающий непроизводственный налет (тренировки, обучение, облет и т. п.), k1 =1,05;

Сс – стоимость самолета без двигателей, руб.

(33)

где mпуст – масса пустого самолета, кг;

kсер.с – коэффициент, учитывающий серийность проектируемого самолета:

(34)

где Σnc - количество самолетов в серии.

kV - коэффициент, учитывающий расчетную скорость полета проектируемого самолета

(35)

где Vкр – крейсерская скорость полета, км/ч.

kp.c – отношение стоимости одного капитального ремонта к первоначальной стоимости самолета:

kp.c = 0,11 + 2 · 104с (36)

Тс – амортизационный или полный срок службы самолета, Тс = 25000 ч;

tс – срок службы самолета между капитальными ремонтами, tс =5000 ч.

3.1.2 Расходы на амортизацию двигателей

Расходы на амортизацию двигателей, рассчитываются аналогично расходам на амортизацию самолета, руб./ч

, (37)

где k2 – коэффициент, учитывающий непроизводственный налет, k2 =1,07;

nдв – количество двигателей, установленных на самолете;

СТВД – стоимость одного турбовинтового двигателя (ТВД) вместе с винтом, руб.:

, (38)

где N0i – взлетная мощность одного двигателя, кВт;

kсер.дв – коэффициент, учитывающий серийность двигателя самолета:

(39)

где Σnдв – количество двигателей в серии;

kр.д – отношение стоимости одного капитального ремонта двигателя к его первоначальной стоимости, для ТВД можно принимать kр.д = 0,6;

Тдв – амортизационный или полный срок службы двигателя, Тдв = 6000 ч;

tдв – срок службы двигателя между капитальными ремонтами, tдв = 3000 ч, т.е. считается что за свой срок службы двигатель ремонтируется один раз.

3.1.3 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание самолета

Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание самолета, руб./ч

(40)

где k3 = 1,13 – коэффициент для самолетов с ТВД.

3.1.4 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание двигателей

Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание двигателя, руб./ч

, (41)

где k2 – коэффициент, учитывающий непроизводственный налет, k2 =1,07;

k4 =1,5 – коэффициент для ТВД;

nдв – количество двигателей, установленных на самолете;

Тдв – амортизационный или полный срок службы двигателя.

3.1.5 Стоимость расходуемого в полете топлива

Стоимость расходуемого в полете топлива, руб./ч

(42)

где cт – цена авиационного керосина ТС -1 на текущий момент, руб./кг;

k5 = 1,05 – коэффициент, учитывающий непроизводственный налет;

mт – масса расходуемого в полете топлива, кг;

Vрейс – рейсовая скорость самолета, приняли Vрейс = 0,8Vкр, км/ч;

L – расчетная дальность полета, км.

3.1.6 Расходы на заработную плату экипажа

Расходы на заработную плату экипажа Аз.п рассчитывают исходя из числа членов летно-подъемного состава (числа членов экипажа nэк), руб./ч

Аз.п = Сл.п.с · nэк · kи, (43)

где Сл.п.с – средняя часовая заработная плата летно-подъемного состава,

Сл.п.с. = 11 руб./час;

nэк – количество членов экипажа.

3.1.7 Косвенные (аэропортовые) расходы

Косвенные (аэропортовые) расходы, руб./час

Вап = 0,083m00,7·kи, (44)

где m0 – взлетная масса самолета, кг.

3.1.8 Оценка расходов на эксплуатацию самолета в течение одного летного часа

Стоимость, расходуемого топлива обычно является основной статьей расходов на эксплуатацию самолета. Второй и третьей статьями расходов, как правило, являются примерно равные косвенные (аэропортовые) расходы и расходы на амортизацию двигателей.

3.2 Экономический эффект снижения массы самолета на 1 кг

Снижение массы самолета Δm на 1 кг приводит к уменьшению расхода топлива на один час полета Δmт примерно на 40 г [2; стр. 532].

Умножив часовую экономию топлива Δmт на цену cт авиационного керосина ТС - 1, которая на текущий момент составляет cт = 43,5 руб./кг, получим часовой экономический эффект за счет снижения массы самолета на 1 кг, руб/ч.

АΔm = Δmтcт, (45)

АΔm = 0,04 кг/ч · 43,5 руб./кг ≈ 1,74 руб/ч.

3.3 Экономический эффект снижения массы планера самолета за счет композиционных материалов

Введем коэффициент kком, отражающий снижение массы планера самолета за счет композиционных материалов. Тогда общее снижение массы конструкции модернизированного самолета, кг

Δmкон = kкомmкон, (46)

где mкон — масса конструкции (планера) самолета до модернизации, кг.

Умножим снижение массы конструкции самолета Δmкон на часовой экономический эффект за счет снижения массы самолета на 1 кг АΔm и получим часовой экономический эффект за счет снижения массы конструкции самолета

АΔm кон = ΔmконАΔm. (47)

3.4 Экономический эффект увеличения КПД двигателей

При неизменной дальности полета и целевой нагрузки произойдет снижение потребной массы топлива для полета самолета с двигателями, имеющими более высокий КПД. Умножим снижение массы самолета за счет снижения потребной массы топлива Δmт на часовой экономический эффект за счет снижения массы самолета на 1 кг АΔm и получим часовой экономический эффект за счет снижения массы топлива

АΔm т = ΔmтАΔm; (48)

Снижение стоимости расходуемого в полете топлива, руб./час

(49)

где cт – цена авиационного топлива;

k5 = 1,05 – коэффициент, учитывающий непроизводственный налет;

Δmт – уменьшенная потребная масса расходуемого в полете топлива, кг;

Vрейс – рейсовая скорость самолета, приняли Vрейс = 0,8Vкр, км/ч;

L – расчетная дальность полета, км.

3.5 Экономический эффект применения композиционных материалов в конструкции самолета и в двигателях

Просуммируем часовые экономические эффекты за счет уменьшения массы самолета в результате применения композиционных материалов АΔm кон и уменьшения потребной массы топлива АΔm т, а также стоимости сэкономленного топлива ΔАт. Получим уменьшенные расходы на топливо при эксплуатации самолета в течение одного летного часа, руб./час

ΔАт = АΔm кон + АΔm т + ΔАт. (50)

Расходы модернизированного самолета на топливо в течение одного летного часа, руб./час

Ат м = Ат - ΔАт. (51)

Расходы на эксплуатацию модернизированного самолета в течение одного летного часа, руб./час

Ам = А - ΔАт. (52)

Можно записать полное выражение для определения расходов на эксплуатацию самолета в течение одного летного часа, руб./час

Ам = Аа.с + Аа.д + Ат.о.с + Ат.о.д + Ат м + Аз.п + Вап. (53)

Благодаря применению композиционных материалов в конструкции самолета, двигателей и винтов можно уменьшить расход топлива почти в 2 раза. Сокращение стоимости расходуемого в полете топлива позволит сократить и эту основную статью расходов на эксплуатацию самолета. Тогда примерно равные между собой расходы на косвенные (аэропортовые) расходы и амортизацию двигателей станут основными статьями расходов на эксплуатацию самолета.

Экономический эффект применения высокотемпературных композиционных материалов для увеличения КПД тепловых двигателей может оказаться в 7 раз выше экономического эффекта применения композиционных материалов для снижения массы самолета. Поэтому авиационным конструкторам в приоритетном порядке необходимо стремиться повышать КПД авиационных двигателей.

4 Список использованных источников

1. Проектирование самолетов: Учебник для вузов/ С.М. Егер, В.Ф. Мишин, Н.К. Лисейцев [и др.]. Под ред. С.М. Егера. - М.: Машиностроение, 1983. – 616с.

2. Егер С.М., Матвеенко А.М., Шаталов И.А. Основы авиационной техники: Учебник / Под редакцией И.А. Шаталова. – Изд. третье, исправ. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 720 с.

Сайт www.super-code.ru обновляется


© 08.01.20 Ольшевский Андрей Георгиевич e-mail: da.irk.ru@mail.ru