Мгд двигатель принцип работы: МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕАТОР • Большая российская энциклопедия

Содержание

Магнитогидродинамический двигатель.

Магнитогидродинамический двигатель.

Начало

Это  очень простой , но все-таки электродвигатель. Многие конечно знают что такое магнитогидродинамический двигатель(МГД). Суть его в том , что при протекании постоянного   электрического тока через проводник , расположенный поперек силовых линий магнитного поля , на этот  проводник действует сила (Лоренца) , направление которой определяется по правилу левой руки и пр. Таким образом работают насосы для расплавленного металла в металлургии а также довольно экзотические двигатели для судов. Работа такого двигателя (или генератора - ведь это обратимая машина) ясна из рисунка:

Я предлагаю совсем немногое : свернуть МГД в кольцо. Получается очень простая конструкция , приведенная ниже и собранная из первых попавшихся под руку материалов.

Любой желающий тоже может изготовить такой двигатель за несколько минут. Материалы мной использованные: поллитровая стеклянная банка , полиэтиленовая крышка , гвоздь , кусок  жести свернутый в кольцо, магнит от динамика , диод КД202 , кусок провода , немного воды. При включении конструкции в сеть 220 вольт , ток течет через воду между гвоздем и кольцом , всегда перпендикулярно пересекая силовые линии магнита , лежащего под банкой и  вода (плохой , но все-таки проводник) начинает медленно вращаться.  Для получения более заметного эффекта  воду надо просто посолить. Правда при этом уже сильно заметна реакция диссоциации и оседание всякой гадости на электродах . Но все это работает и по сути дела является настоящим двигателем , ротором которого в данном случае является соленая вода.Чтобы не связываться с промышленной сетью - можно питать устройство и от обычной батареи(я использовал в другом варианте аккумуляторную батарею 12 вольт - конструкция на мой взгляд вполне достойная для демонстрации на уроках физики в школе).

Практической пользы из данной конструкции вроде бы никакой , но пока не будем торопиться. Кстати ротором может быть не только вода : жидкий натрий , а еще лучше ртуть(интересно куда меня сейчас пошлют экологи?). При высоком напряжении на электродах ротором может быть и воздух. Или холодная плазма (обыкновенное пламя)  при определенных условиях. Когда- то  и не помню где , я читал , что нашими конструкторами в недрах Минатома был создан МГД генератор , который вырабатывал энергию при сгорании обычного жидкого топлива и прохождении сгораемого пламени через магнитное поле постоянного магнита .Так для увеличения проводимости плазмы , с целью увеличения мощности , они добавляли некую присадку к топливу, которая увеличивала проводимость этого пламени в десятки тысяч раз. Интересно это топливо с присадкой случайно не было скажем так: соленым керосином? Итак вы наверно чувствуете к чему я клоню. Кольцевой МГД генератор с ротором из чего-то горящего и проводящего. Корпус - уже конечно не стеклянная банка , а открытая керамическая плошка. Центробежная сила которая любезно предоставляет порции свежего воздуха и способствует интенсивному горению. В общем смахивает на некую керосинку , которая очень интенсивно потребляет окружающий воздух. А в этом состоит суть турбореактивного двигателя: перерабатывать  как можно больше воздуха. Предлагаемое устройство занимается именно этим , только в отличии от настоящей турбины не имеет никаких механических движущихся частей.


Сайт управляется системой uCoz

Космические двигатели третьего тысячелетия.

вернёмся в библиотеку?

Валентин Подвысоцкий


Космические двигатели третьего тысячелетия.

Достижения в освоении космического пространства зависят от уровня развития двигательных систем. Определяющим фактором эффективности двигателей космических аппаратов, являются их энергетические характеристики. По виду используемой энергии двигательные установки подразделяются на четыре типа: термохимические, ядерные, электрические, солнечно-парусные. В настоящее время основой космонавтики являются мощные термохимические двигатели. Электрические и ядерные установки находятся на стадии развития, и в будущем смогут найти широкое применение в космической технике. То же самое можно сказать и об солнечно-парусных двигателях и других перспективных и экономичных силовых установках.

В данной статье рассматривается новый тип двигателей, работающих на кинетической энергии космического аппарата (или встречного потока вещества, в зависимости от выбора системы координат). Принцип действия двигателя основан на захвате и торможении встречного потока вещества. Захваченное вещество попадает внутрь двигателя. В результате его торможения, выделяется энергия. Часть этой энергии, тем или иным образом, может быть использована для ускорения бортовых запасов реактивной массы. При определенных условиях, реактивная сила тяги превышает силу торможения, и космический аппарат увеличивает скорость полета. Скорость космического аппарата возрастает, а его масса, импульс и кинетическая энергия уменьшаются (в соответствии с законами сохранения). Математическую часть можно посмотреть http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/2876.html.

Возможны различные варианты двигательных установок нового типа. Например, кинетический двигатель, в котором происходит непосредственное преобразование части кинетической энергии встречного потока газа в энергию рабочего тела. Этот двигатель состоит из следующих, объединенных в одно конструктивное целое частей: 1. массозаборника, и диффузора, для торможения захваченного газа; 2. камеры, в которой нагретый, вследствие торможения, до очень высокой температуры газ смешивается с рабочим телом; 3. реактивного сопла, через которое расширяясь, истекает полученная смесь.

Кинетический двигатель может использоваться при полетах в атмосфере планет-гигантов. Предположим, космический аппарат летит в верхних слоях атмосферы Урана, со скоростью 20км/с. Космический аппарат находится в аэродинамической тени раструба массозаборника. Через массозаборник, внутрь двигателя попадает 1 кг водорода. Его кинетическая энергия 200 тыс. кдж, импульс 20тыс. кг·м/с. КПД двигателя 70 %. В результате торможения захваченного газа, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Чтобы получить максимальную удельную тягу, расход рабочего тела должен составлять 2,422 кг. Раскаленный водород смешивается с рабочим телом, и образовавшаяся смесь в количестве 3,422 кг, истекает через реактивное сопло. Ее кинетическая энергия 140тыс. кдж, скорость истечения 9045 м/с, импульс 30955 кг·м/с. Если разницу импульсов (10955кг·м/с), разделить на расход рабочего тела (2,422 кг), получим эффективную скорость истечения 4523 м/с. Если разделить эффективную скорость истечения на коэффициент 9,81м/с

2, получим удельную тягу 460с.

Эффективность массозаборника значительно увеличится, если снабдить двигатель источником магнитного поля (соленоидом). Движение частиц плазмы поперек силовых линий магнитного поля затруднено, и магнитное поле играет роль воронки, направляющей потоки заряженных частиц в двигатель. В результате, эффективное сечение массозаборника может возрасти в тысячи раз. Кроме того, появится дополнительный энергетический эффект. Магнитная воронка играет роль своеобразного фильтра, направляя в двигатель лишь обладающие значительной энергией ионизированные частицы. Внутри двигателя ионизированный газ смешивается с рабочим телом. Происходит торможение и рекомбинация захваченных частиц, выделяется значительное количество тепла. Таким образам, бортовые запасы рабочего тела будут нагреваться не только за счет кинетической энергии захваченного газа, но и за счет его химической энергии. Поскольку, образовавшаяся газовая смесь состоит в основном из нейтральных частиц, магнитное поле двигателя не будет препятствовать ее истечению через реактивное сопло.

Кинетический двигатель, оснащенный магнитной воронкой, может использоваться при полетах в атмосфере планет земной группы. На высоте около 300 км над Землей, концентрация ионизированных частиц достигает максимального значения (примерно 1млн. ионов кислорода в 1 см3). Для захвата ежесекундно 1 кг плазмы, при скорости полета 8 км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 110 км. Создание такой воронки, связано с определенными трудностями. Впрочем, плотность плазмы значительно возрастает в периоды активности Солнца. Кроме того, можно применять искусственные источники плазмы. Во многих случаях, достаточно использовать магнитную воронку значительно меньшего диаметра.

С целью исследования магнитного поля Земли, проводились опыты по созданию искусственной кометы. Спутник ИРМ, созданный институтом им. Макса Планка, выпустил на высоте 110 тысяч километров, облако заряженных частиц бария. Облако сначала было зеленым, а через полминуты стало фиолетовым за счет ионизации под действием солнечных лучей. Через 8 минут от облака протянулся хвост на 20 тысяч километров, а скорость частиц бария под давлением солнечных лучей достигла несколько десятков км/с. Возрастание плотности газа, повысит эффективность магнитной воронки. Кроме того, под давлением солнечных лучей, возрастает скорость и энергия поступающего в двигатель газа. Этот способ целесообразно применять на околоземных орбитах, и в центральных областях Солнечной системы.

Следующий способ заключается в использовании раскаленных газов, выброшенных из реактивного двигателя, установленного на другом космическом аппарате. Можно организовать полет таким образом, чтобы космические аппараты двигались навстречу друг другу. Подобная схема может использоваться для доставки грузов на околоземную орбиту. Предположим, на околоземной орбите движется космическая станция, выбрасывая перед собой поток плазмы. Космический аппарат доставляется многоразовым носителем на заданную высоту, и начинает двигаться навстречу потоку плазмы, с помощью кинетического двигателя. Носитель возвращается на Землю.

Ставиться задача, увеличить скорость космического аппарата с 0 км/с до 8 км/с. Скорость космической станции 8 км/с, скорость истечения плазмы 10 км/с. В результате сложения скоростей, скорость поступающей в двигатель плазмы возрастает с 18км/с до 26 км/с. При КПД кинетического двигателя 70%, и оптимальном режиме его работы, масса космического аппарата уменьшится с 100 тонн до 20 тонн. Масса рабочего тела 80 тонн, объем 40 м3 (при плотности 2000 кг/м3).

Предположим, продолжительность разгона 400 секунд, средний расход бортовых запасов рабочего тела 200 кг/с. Ракетный двигатель космической станции в среднем должен расходовать не менее 83кг/с массы. При скорости истечения 10км/с это соответствует мощности более 4 млн. квт. Для создания потока плазмы может использоваться термоэлектрический двигатель, с солнечной или ядерной энергоустановкой. По некоторым оценкам, удельная масса таких систем, примерно 1кг/квт. Таким образом, масса космической станции составит не менее 4000 тонн. Если полезная нагрузка космического аппарата 5 тонн, такая транспортная система обеспечит грузопоток порядка 500 тонн в сутки (с учетом того, что половина ресурсов массы и времени, расходуется на коррекцию орбиты станции).

Для многократного использования кинетических двигателей, необходимо создать недорогой атмосферно-космический аппарат, способный возвращаться на Землю. Его возвращение можно организовать таким образом, чтобы аэродинамическая сила была направлена к центру Земли, препятствуя преждевременному выходу аппарата из атмосферы. Аппарат сможет сделать несколько витков вокруг Земли, двигаясь на оптимальной высоте в верхних слоях атмосферы, со скоростью значительно превышающей первую космическую. При этом избыток тепла будет отводиться за счет излучения, скорость полета постепенно уменьшится, без перегрузок и перегрева конструкции. Это позволит упростить теплозащиту, снизить необходимый запас прочности. В результате уменьшится масса и стоимость атмосферно-космического аппарата, увеличится срок его службы. После погашения избыточной скорости полета, нужно направить аэродинамическую силу в противоположном направлении. Это можно осуществить за счет поворота аппарата вокруг продольной оси на 180°, или путем изменения геометрии его несущих поверхностей (крыльев).

Указанный выше грузопоток, значительно превышает потребности ближайшего будущего. Вероятно, реализация таких транспортных систем сможет осуществляться в рамках программ космической энергетики. Основная задача заключается в создании потока плазмы (а не передвижении космической станции в пространстве). Поэтому, большая масса и размеры энергоустановки и ракетного двигателя, не являются непреодолимым препятствием. Более серьезная проблема пополнение запасов массы. При грузопотоке 500 тонн затраты массы на создание потока плазмы, составляют более 7000 тонн. Впрочем, если доставлять массу с Луны, затраты на ее транспортировку составят не более 15 - 20% общих затрат энергии.

Интересный способ разгона с использованием реактивной струи, полет в кильватере другого космического аппарата, на определенном оптимальном расстоянии. Такой полет возможен, если «ведущий» аппарат оснащен ракетным двигателем, со скоростью истечения газов десятки км/с. Лишь в этом случае, кинетический двигатель, установленный на «ведомом» космическом аппарате, будет развивать достаточно высокую удельную тягу. Захваченный газ состоит из частиц с высокой степенью ионизации, при рекомбинации которых выделяется большое количество дополнительной энергии. Следовательно, при скорости захваченного газа 20км/с, максимально возможная удельная тяга кинетического двигателя значительно выше 460с (при КПД 70%).

Кроме кинетического двигателя, возможны другие варианты двигательных установок нового типа. Например, двигатель ЭОЛ. Этот двигатель состоит из массозаборника, МГД-генератора и электрореактивного движителя. Принцип действия следующий. Захваченный магнитной воронкой ионизированный газ проходит через канал МГД-генератора и, через реактивное сопло, вытекает наружу. При частичном торможении газа в канале МГД-генератора, вырабатывается электрический ток, который приводит в действие реактивный движитель и все бортовые системы. Сила тяги электрореактивного движителя, превышает силу, возникающую в результате торможения газа внутри канала МГД-генератора. В результате, космический аппарат будет увеличивать скорость полета, отбрасывая часть своей массы.

Чтобы получить наибольшую удельную тягу, отработанный газ должен истекать из реактивного сопла со скоростью, равной скорости истечения рабочего тела из реактивного движителя. Для создания силы тяги целесообразно использовать термоэлектрические движители. В таких движителях электрический ток нагревает рабочее тело до высокой температуры, в результате скорость истечения может достигать несколько десятков км/с. Регулируя температуру рабочего тела, можно регулировать скорость его истечения. Кроме того, термоэлектрический движитель развивает значительную силу тяги.

Плотность межпланетной среды переменная величина, и может колебаться в очень широких пределах. При незначительной плотности около 10- 17кг/м3, эффективность входного устройства будет низкой. Чтобы обеспечить поступление ежесекундно около 1кг плазмы, при скорости полета 50км/с, нужна магнитная воронка диаметром около 1600км. Создание подобного устройства весьма проблематично. Очевидно, в межпланетном пространстве применение двигателя ЭОЛ будет возможным, лишь при наличии соответствующих благоприятных обстоятельств. Эти обстоятельства, могут возникать в результате различных космических процессов, или создаваться искусственным путем.

При прохождении ядра кометы вблизи Солнца, образуется газово-пылевое облако. Газы, из которых оно состоит, ионизируются под действием солнечных лучей и могут быть захвачены магнитной воронкой. Кроме твердого ядра размером 10-50 км, в строении комет выделяют газово-пылевую оболочку (размеры достигают иногда 2 млн. км), и хвост (он простирается иногда на 150 млн. км). Если большие и малые планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении, то кометы не придерживаются никаких правил. В частности, комета Галлея движется практически навстречу Земле. Во время очередного прохождения кометы Галлея вблизи Солнца в марте 1986 года, автоматические межпланетные станции «Вега-1» и «Вега-2» пролетели на расстоянии всего несколько тысяч километров от ядра, через плотную газово-пылевую оболочку со скоростью около 80 км/с.

Предположим, средняя плотность плазмы в газово-пылевом облаке 10-14кг/м3. Магнитная воронка диаметром около 40 км, обеспечит ежесекундно поступление 1 кг плазмы. При скорости 80 км/с, кинетическая энергия 1 кг плазмы 3200 тыс. кдж. При общем КПД системы «магнитная воронка - МГД-генератор» 70%, получим 2240 тыс. кдж электрического тока. Из них 50 тыс. кдж, расходует холодильная установка. Остальные 2190 тыс. кдж расходует электрореактивный движитель. При КПД движителя 70%, кинетическая энергия реактивной струи составит 1533 тыс. кдж. Допустим, струя реактивного движителя истекает со скоростью 25740 м/с, ее масса 4,628кг (импульс ускорения 119125кг·м/с). Захваченная плазма проходит через канал МГД-генератора, и вытекает в межпланетное пространство со скоростью 25740м/с, ее масса 1кг (импульс торможения 54260кг·м/с). Если разделить приращение импульса (64865кг·м/с) на расход бортовых запасов реактивной массы (4,628кг), получим эффективную скорость истечения (14016м/с). Если разделить эффективную скорость истечения, на коэффициент 9,81м/с2, получим удельную тягу 1430с. Тяговое усилие двигательной системы 6618кг.

Принимая массу космического аппарата равной 500 тонн, получаем ускорение 0,130 м/с2. Если протяженность газово-пылевого облака 1 млн. км, продолжительность работы двигательной установки примерно 210 минут (при относительной средней скорости полета 80км/с). Общее приращение скорости составит лишь 1625м/с. Тяговое усилие двигательной установки (ускорение космического аппарата) можно значительно увеличить, за счет некоторого снижения удельной тяги. Простой расчет показывает следующее. Если увеличить ежесекундный расход бортовых запасов реактивной массы в 10 раз (46,28кг/с), удельная тяга уменьшится в 2,1 раза (670с). Тяговое усилие возрастет в 4,7 раза (31000кг). Ускорение космического аппарата составит 0,608 м/с2, общее приращение скорости около 7600 м/с.

В процессе работы двигательной установки, нужно обеспечить отвод от всех ее частей, определенного количества тепловой энергии. Предположим, эта энергия равна 160 тыс. кдж (или 5% кинетической энергии захваченной плазмы). В космическом пространстве отвод тепла возможен только излучением (энергетическая светимость пропорциональна четвертой степени температуры). Если температура излучающей поверхности будет равна 400К, площадь излучающей поверхности составит 110 тыс. м2. Таким образом, система отвода тепла если не самая тяжелая, то самая громоздкая часть энергоустановки. Кроме того, высокая вероятность попадания метеоритов, что может нарушить нормальную работу системы. Большие размеры вынуждают увеличивать скорость движения теплоносителя, что ограничивает размеры излучающей поверхности, а значит и мощность энергоустановки.

В двигателе ЭОЛ проблема отвода тепла решается значительно более эффективно. Такая возможность появляется в результате прямого (непосредственного) преобразования энергии, которое составляет главную особенность МГД-генератора, отличающую его от электромашинного генератора. Части двигателя ЭОЛ, работают при разной температуре. Наименее горячая часть это соленоид магнитной воронки, несколько выше температура МГД-генератора, и наиболее горячая часть это термоэлектрический движитель. Поток теплоносителя можно направить сначала для охлаждения более холодных, потом более горячих частей двигательной системы, по маршруту: магнитная воронка - МГД-генератор - термоэлектрический движитель.

Предположим, в конце цикла охлаждения (при выходе из охладительной рубашки термоэлектрического движителя), температура теплоносителя равна 1200К. Площадь излучающей поверхности составит 1360 м2. Ее можно дополнительно уменьшить с помощью холодильной установки. При затратах энергии 50 тыс. кдж, холодильная установка увеличит температуру теплоносителя до 1575К (без учета КПД холодильной установки). Суммарная энергия теплового излучения составит 210 тыс. кдж (160 тыс. кдж + 50 тыс. кдж), площадь излучающей поверхности уменьшится до 600 м2.

Возникновение достаточно большого (с высокой плотностью плазмы) газово-пылевого облака, довольно редкое явление. Приведенный выше пример служит в основном для иллюстрации возможностей двигателя ЭОЛ. Более благоприятные условия для его постоянного применения, в системах планет-гигантов. Плотность газа в системе планет-гигантов заведомо выше, чем за ее пределами. Первая космическая скорость для Юпитера около 60 км/с. Поскольку удельная тяга двигателя ЭОЛ прямо пропорциональна скорости полета, ее максимально возможное значение (при КПД 70%), составит не менее 1070с (1430с·60/80). Что касается ускорения космического аппарата (которое зависит от плотности окружающей плазмы и диаметра магнитной воронки), при полетах в системах планет-гигантов, его величина не имеет решающего значения. Космический аппарат не сможет покинуть систему планеты-гиганта, прежде чем получит вторую космическую скорость.

Конечной целью систематических полетов к различным космическим объектам, является освоение этих объектов. В отдаленном будущем, здесь можно расположить и использовать для формирования потока плазмы, электрические ракетные двигатели (ЭРД). На космических базах искусственного или естественного происхождения, могут работать ЭРД практически любой мощности. Например, на поверхности Луны можно построить ядерную или солнечную электростанцию, и расположить нужное количество ЭРД различного типа. С их помощью, космический аппарат сможет осуществить посадку на Луну, взлет с Луны в космическое пространство.

Эти маневры могут осуществляться практически без затрат бортовых запасов рабочего тела; небольшие расходы рабочего тела понадобятся лишь для стабилизации положения космического аппарата в пространстве, и коррекции его курса. Такой результат, достигается при достаточно большой мощности МГД-генератора, когда сила, возникающая в результате торможения потока плазмы, превышает силу притяжения Луны. При недостаточной мощности МГД-генератора, вырабатываемый электрический ток будет приводить в действие реактивный движитель. В этом случае, космический аппарат осуществит взлет и посадку, с использованием бортовых запасов рабочего тела. Сила, возникающая в результате торможения плазмы, и сила тяги электрореактивного движителя, будут действовать в одном направлении.

ЭРД с небольшой скоростью истечения рабочего тела (электротермические) обеспечат запуск космических аппаратов с поверхности Луны, полеты с Луны на Землю и обратно, посадку на поверхность Луны. ЭРД с большой скоростью истечения рабочего тела (электромагнитные; электростатические), будут использоваться главным образом для обеспечения особо сложных и дальних космических полетов.

Для создания потока плазмы, ЭРД можно расположить на поверхности тех небесных тел Солнечной системы, которые вследствие небольшой силы тяжести не имеют плотной атмосферы. Это наименьшие планеты Меркурий, Марс и Плутон, естественные спутники более крупных планет, а также астероиды и кометы. Освоение всех планет Солнечной системы может осуществляться с помощью таких ракетно-космических комплексов, как на Луне. Единственное исключение Венера, у которой плотная атмосфера и нет естественных спутников.

В межпланетном пространстве, нужны другие источники поступления вещества: искусственная комета, реактивная струя космического аппарата, ядерный взрыв и т. д. Если на борту космического аппарата расположить ядерные заряды, с их помощью можно совершать любые маневры и передвижения. При необходимости, ядерное взрывное устройство подрывается на оптимальном расстоянии от космического аппарата. Для уменьшения скорости образовавшейся в результате взрыва плазмы, взрывное устройство снаряжается балластными веществами. Их количество должно быть таким, чтобы в результате взрыва не образовались твердые частицы. Или нужно использовать систему уничтожения (отклонения) метеоритов. Появляется реальная возможность пополнить запасы массы за счет практически любых материалов. На борту можно хранить лишь ядерные заряды, а запасы балластных веществ пополнять во время экспедиции (практически на любом космическом объекте).

Ядерные взрывные устройства можно предварительно расположить вдоль траектории полета космического аппарата. При этом не придется разгонять массу самих взрывных устройств. Взрыв происходит по специальному сигналу, когда космический аппарат пролетел вблизи взрывного устройства, и удалился от него на некоторое расстояние. Продукты взрыва (плазма с высокой плотностью), захватываются магнитной воронкой. Сила, возникающая при торможении захваченной плазмы в канале МГД-генератора, и сила тяги электрореактивного движителя, могут действовать в одном направлении (такой же результат можно получить, используя другие искусственные источники). Основная проблема при использовании взрывных устройств, неравномерность получаемого потока плазмы. Для более эффективной работы двигателя ЭОЛ, может понадобиться мощный бортовой аккумулятор электрического тока.

Если удастся решить возникающие проблемы, скорость космического аппарата будет определяться лишь количеством взрывных устройств. Взрывные устройства могут состоять из унифицированного ядерного (термоядерного) заряда, и оболочки различной массы. За счет этого, образовавшаяся плазма будет двигаться с различной скоростью при каждом взрыве. Полет организуется так, чтобы в момент пролета аппарата возле каждого взрывного устройства, образовавшийся в результате взрыва поток плазмы двигался относительно аппарата с определенной оптимальной скоростью.

Допустим, космический аппарат массой 10 тонн, разгоняется до скорости 20 тыс. км/с. При каждом взрыве, плазма двигается относительно аппарата, со средней скоростью 1100км/с. В канале МГД-генератора, ее скорость уменьшается до 100 км/с. С учетом возрастания скорости аппарата от 0 км/с до 20 тыс. км/с, среднеквадратическая скорость плазмы примерно 12 тыс. км/с. Если не учитывать тягу электрореактивного движителя, для разгона аппарата необходимо пропустить через канал МГД-генератора около 200 тонн плазмы. Взрыв может быть организован таким образом, чтобы основная масса плазмы двигалась в двух противоположных направлениях. Если космический аппарат находится на расстоянии, равном диаметру магнитной воронки, количество захваченной плазмы может достигать 50%. Таким образом, суммарная масса взрывных устройств не менее 400 тонн. С учетом среднеквадратической скорости, суммарная энергия взрывов 2,88·1016кдж (в тротиловом эквиваленте 6,9 тыс. мегатонн).

В настоящее время человечество обладает достаточным потенциалом для производства взрывных устройств указанной суммарной мощности. К концу 1980 года, по оценкам экспертов ООН, суммарная мощность ядерного оружия в мире составляла 13 тыс. мегатонн. Очевидно, в обозримом будущем, появится возможность размещения вдоль траектории полета космического аппарата более 400 тонн груза. Очередь за созданием двигателя ЭОЛ с достаточно высокими характеристиками. Возникающие при этом технические проблемы значительно меньше, чем при создании любого другого двигателя аналогичного назначения. Есть основания считать, что стоимость запуска межзвездного аппарата с помощью двигателя ЭОЛ, может оказаться наиболее низкой среди всех конкурирующих схем.

Валентин Подвысоцкий, Украина


  1. http://www.membrana.ru/articles/readers/2003/08/15/204600.html
  2. http://www.n-t.org/tp/ts/kd3.htm
  3. http://news.tts.lt/?t=0&n=0044
  4. http://content.mail.ru/arch/8442/338304.html
  5. http://www.edu.ru/modules.php?op=modload&name=Web_Links&file=index&l_op=viewlink&cid=2667&min=140&orderby=titleA&show=10

Будущее (или засекреченное настоящее) плазменных движков или как достичь 27 махов в атмосфере

«Говорят, что те, кто видел гиперзвуковой экраноплан, летящий в пузыре плазмы, из которого выехал танк, сфотался, а потом заехал обратно, никому про это уже ничего не расскажут. »

Зимой я долго приставал к Зеленому Коту по поводу плазменных движков и их физических ограничений. И вот он опубликовал пост, а я вдогонку хочу немного разобраться со «лженаукой» и мифами, а также понять, есть ли в ближайшей перспективе заменитель химическим ракетным движкам для моего реактивного ранца.

Я не специалист в движках. Ну совсем ни разу не специалист, но разобраться хочу. Сделаю небольшой «вброс» с расчетом на то, что хабраинтеллект выведет на чистую воду плазму.

  • Как звучит в атмосфере двигатель, скорость истечения «струи» которого выше четвертой космической?
  • Возможно ли, что уже сейчас есть рабочие образцы плазменных движков на военной технике, которые могут обеспечит скорость полета 27 махов для объекта 100-1000 кг?
  • Какие есть первоисточники с разным уровнем достоверности по этому вопросу?

Вот испытания немцев:


Статья в Journal of Physics: Conference Series.

Прототип, будучи масштабированным до размеров обычного авиационного двигателя, как утверждается, сможет развивать тягу от 50 до 150 килоньютонов в зависимости от подаваемого напряжения. Испытанный прототип представляет собой установку длиной 80 миллиметров и диаметром 14 миллиметров.

Исследователи полагают, что в будущем такие магнитоплазмодинамические двигатели можно будет устанавливать на самолеты, причем силовые установки будут эффективно работать на всех этапах: от взлета до полета на высоте 50 тысяч метров.

Принцип работы магнито-плазменного компрессора для аналога сопла Лаваля.

Тяга и импульс для различных типов батарей при различном давлении.

Общая схема

Тестовый образец

Струя/факел плазмы при различном вольтаже.

Плазма в различных фильтрах.

Распределение магнитного поля.

Эрозия после 1000 запусков.

Источники


В Мосгордуме сменился руководитель аппарата

Депутаты Мосгордумы (МГД) на заседании сегодня, 19 февраля, приняли отставку руководителя аппарата МГД Юрия Дмитриева, который покинул этот пост по собственному желанию. Временно исполняющим обязанности назначен его заместитель Александр Таранов.

Во время рассмотрения вопроса об отставке господина Дмитриева депутат Евгений Ступин (КПРФ) предположил, что уход Юрия Дмитриева может быть связан с инцидентом на заседании МГД 11 декабря прошлого года. Тогда в ходе прямой трансляции предположительно господин Дмитриев, забыв отключить микрофон при разговоре со спикером думы Алексеем Шапошниковым (ЕР), произносит в адрес депутатов нецензурный синоним слова «дураки». Этот фрагмент видеозаписи трансляции в свободном доступе есть в интернете. Лица человека, который подошел к господину Шапошникову, на видеозаписи не видно, но отчетливо слышен голос, якобы принадлежащий Юрию Дмитриеву.

Напомним, за время работы нового созыва МГД это был второй инцидент, когда нецензурная лексика звучала во время прямых трансляций с мероприятий. В первый раз, на «нулевом» чтении столичного бюджета, во время заминки при ручном подсчете голосов Алексей Шапошников, забыв отключить микрофон, употребил обсценный синоним выражения «совершенно сумасшедшие». Позднее он извинился и заявил, что «вспылил».

«Возникли предположения, что начались какие-то репрессии в отношении руководителя аппарата. Вы разобрались все-таки, кто нецензурно высказался о депутатах?» — спросил депутат Ступин главу комиссии МГД по законодательству, регламенту, правилам и процедурам Александра Семенникова (ЕР). «Обращений в комиссию по законодательству на эту тему не было,— ответил тот.— Что расследовать? Что там мужики между собой говорили и там кто-то что-то сказал? Ну бывает!»

Он добавил, что споры о том, насколько широко в публичном пространстве может употребляться нецензурная лексика, ведутся давно: «Вот Маргарита Русецкая, ректор Института русского языка (депутат МГД.“Ъ”), категорически против, а Сергей Шнуров — категорически за».

Впрочем, сам Юрий Дмитриев, выступая перед депутатами, заявил, что его решение об уходе «абсолютно добровольное и совершенно не подлежащее никакому внешнему воздействию и принуждению». Господин Дмитриев руководил аппаратом МГД с сентября 2015 года. Ранее, с 2013 года, занимал должность первого заместителя руководителя департамента территориальных органов исполнительной власти правительства Москвы.

Елена Рожкова


ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Эффект Холла в данном случае отрицательно сказывается на эффективности двигателя. Графически формулу (11) можно представить так:

Эффект Холла поворачивает ток и силу Лоренца против часовой стрелки на угол , в результате плазма прижимается к катодной стенке. Холловский ток не совершает полезной работы, но вносит вклад в джоулевское нагревание плазмы (см. формулу (13) и пояснение к ней).

Для исправления такой ситуации можно повернуть всю картину на по часовой стрелке, изменив соответствующим образом внешнее электрическое поле. Нужное изменение может быть реализовано, например, в такой конструкции: электродные стенки состоят из изолированных сегментов, напряжение приложено не только между парами электродов, находящихся напротив друг друга, но и между двумя соседними парами электродов в осевом направлении. Хотя такая конструкция решила бы проблему, но для обеспечения её работы потребовалось бы значительное усложнение и утяжеление схемы электропитания двигателя, что неприемлемо для применения в космических аппаратах.

Достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала. Последние изготовляются из жаростойких материалов (электродные — преимущественно из вольфрама, электроизоляционные — из керамики) и охлаждаются регенеративным, транспирационным8 и другими способами. С целью снижения эрозии стенок в качестве РТ используют химически инертный аргон (имеющий к тому же невысокий потенциал ионизации).

Линейный МГД двигатель в настоящее время в космических аппаратах не используется и описан здесь, т.к. на этом простом примере легче понять работу коаксиального МГД двигателя (см. ниже).

Коаксиальный МГД двигатель

с собственным магнитным полем импульсный/стационарный режим работы

Коаксиальный импульсный двигатель (см. рис. 2,3). содержит концентрически расположенные, разделённые изоляционной проставкой катод и анод, между которыми возбуждается электрический разряд.

Рисунок 2 Вектор плотности тока, Напряженность магнитного поля и сила лоренца в работающем коаксиальном МГД двигателе

Вследствие эффекта Холла ток концентрируется около выходного конца анода и около начала катода. Сила Лоренца направлена так, что на выходе двигателя будет формироваться плотный плазменный пучок (она прижимает плазму к катоду).

Рисунок 3 Ток в плазме коаксиального МГД двигателя

Величина магнитного поля в некоторой точке может быть определена с использованием уравнения (15), если в качестве выбрать поверхность, натянутую на окружность, содержащую и охватывающую катод (см.  рис. 3):

(22)

где - расстояние от до оси симметрии двигателя, - ток через поверхность .

Для любой точки на изолирующей проставке между катодом и анодом равен полному току через двигатель.

Теперь вычислим тягу двигателя, при условии, что преобладает именно тяга, создаваемая электромагнитными силами ( мало по сравнению с в формуле (13)).

Сила тяги численно равна силе Лоренца, приложенной к плазме (по третьему закону Ньютона). Для силы Лоренца из формул (7) и (14) получаем

(23)

где - объем двигателя, в которм находится плазма. Можно показать, что в нашем случае имеет только радиальную составляющую (это связано с тем, что модуль вектора не изменяется вдоль его направления) и интеграл от него в силу симметрии конструкции двигателя равен 0. Тогда По формуле Остроградского-Гаусса получаем: где - поверхность, ограничивающая плазму, вектор - произведение элемента площади на внешнюю нормаль.

В силу симметрии двигателя сила тяги будет действовать только вдоль оси , поэтому спроецируем последнее равенство на эту ось:

Для любой цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с осью симметрии двигателя . Из всех поверхностей, ограничивающих плазму только для задней диэлектрической стенки камеры двигателя, а также для торца катода и кольца анода.

Для задней стенки, используя (22), получаем:

(24)

где знак выбран потому, что нормаль к задней стенки направлена против оси .

Вычисление силы, действующей на торец катода и кольцо анода гораздо сложнее, т.к. для этого требуется знать распределение плотности тока по этим поверхностям. Эксперименты показывают, что эти силы составляют не более от общей тяги двигателя, так что в наших оценочных расчетах ими можно пренебречь. Таким образом получаем оценку

(25)

для тяги двигателя, и
(26)

для скорости истечения и, соответственно, удельного импульса двигателя (см. формулы (19) и (20)).

Отметим, что

  • сила тяги не зависит от размеров двигателя (только от соотношения радиусов катода и анода),
  • сила тяги пропорциональна квадрату тока через двигатель.

Для КПД двигателя с использованием формулы (21) получаем оценку:

(27)

Торцевой коаксиальный МГД двигатель

с собственным/внешним магнитным полем стационарный режим работы
Рисунок 4 Схема торцевого плазменного МГД двигателя

ДВ — диэлектрическая вставка

Некоторые из недостатков обычного коаксиального МГД двигателя («отжатие» плазмы к катоду из-за эффекта Холла, образование прианодных скачков потенциала и связанное с этим падение КПД) могут быть частично преодолены, если изменить конфигурацию катода и анода.

Более эффективной (по данным [5]) оказывается «торцевая» схема (рис. 4 a) с коротким катодом, через который одновременно подаётся рабочее вещество. Ускорение плазмы в торцевом ЭМРД происходит также в основном за счёт силы Ампера, возникающей при взаимодействии радиальной составляющей , тока с азимутальным магнитным полем .

Особенности Коаксиальных двигателей

Рассмотрим пример: пусть А, , , . Сила тяги    Н электрическая мощность, потребляемая двигателем (с учетом того, что максимальный достигнутый на сегодня КПД коаксиального двигателя порядка ):

Этот пример показывает, что для того чтобы развить совсем небольшую тягу требуется трудно достижимая мощность бортового источника энергии (более мегаватта). В космосе такая мощность может быть обеспечена только сравнительно крупным ядерным реактором. Другой вариант - перевести двигатель на импульсный режим работы с длительностью импульсов от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Варьируя частоту включений двигателя и длительность импульсов, можно получать любые потребные значения суммарного импульса тяги. Двигательная установка с такими двигателями содержит накопитель электрической энергии (обычно конденсаторную батарею большой ёмкости) и блок коммутации или систему возбуждения разряда. В импульсных ЭРД могут быть получены большие мгновенные значения тяги при сравнительно небольшой средней мощности электропитания и соответственно небольших общих нагрузках на конструкцию, что облегчает задачу достижения длительного ресурса двигателей.

Если при постоянной подаче рабочего вещества непрерывно увеличивать разрядный ток p, то сначала скорость истечения плазмы и КПД ускорителя будут расти. Однако при некотором значении p происходит вынос большой части разрядного тока за срез ускорителя, резко возрастает напряжение и падает кпд, в ускорителе возникают колебания. Наступает так называемый критический режим. Его физической причиной является пинч-эффект (см. раздел Пинч-эффект ), в результате которого плазменный шнур отрывается от анода.

Простота конструкции и компактность коаксиальных МГД-двигателей в значительной степени определяют интерес к ним. Однако рабочие токи большой силы осложняют задачу обеспечения длительного ресурса.

Холловский ЭМРД

с внешним магнитным полем стационарный режим работы
Рисунок 5 Холловский ЭМРД
a
б

Холловский ЭМРД, называемый в отечественной литературе также ЭРД с замкнутым дрейфом электронов, один из видов которых схематически изображен на рис. 5 а (на рис. 5 б он же в процессе работы), представляет собой осесимметричную систему с радиальным магнитным полем в кольцевом ускорительном канале, в котором находится плазма. Работу данного ЭМРД проще понять, рассматривая динамику электронов и ионов.

Если между анодом и катодом приложить разность потенциалов, то электроны начнут дрейфовать (т. е. двигаться в среднем с постоянной скоростью) перпендикулярно электрическому и магнитному полям, описывая кривые, близкие к циклоиде. Такое движение электронов называется током Холла (откуда и название двигателя). Длина ускорительного канала выбирается так, чтобы высота электронной циклоиды была много меньше . В этом случае говорят, что электроны «замагничены». Высота ионной циклоиды в силу большой массы () иона в раз превосходит ( — масса электрона). Поэтому, если сделать длину канала много меньше , то ионы будут слабо отклоняться магнитным полем и под действием электрического поля будут ускоряться практически по прямой линии. Энергия, набираемая ионами в таком ускорителе, близка к разности потенциалов, приложенной между анодом и катодом, умноженной на заряд иона, а разрядный ток близок к току ускоренных ионов. В целом рабочий процесс холловском ЭМРД происходит следующим образом. Рабочее вещество в виде газа или пара поступает через анод в кольцевой ускорительный канал (рис. 5 а). Здесь, попав в облако дрейфующих электронов (под действием взаимно перпендикулярных магнитного и электрического полей), нейтральный атом ионизуется. Возникший в процессе ионизации электрон за счёт столкновений с ионами, атомами, стенкой диэлектрической камеры и под влиянием колебаний диффундирует на анод, а ион, ускоренный электрическим полем, покидает канал. Поскольку объёмный заряд ионов, находящихся в канале, всё время компенсирован зарядом дрейфующих электронов, здесь (в отличие от ионных источников) нет ограничений на величину «вытягиваемого» ионного тока (см. также раздел Формула Лэнгмюра ). После выхода из канала ион (чтобы не возникло нарушение квазинейтральности) получает электрон от катода-компенсатора.

Можно показать, что тяга такого двигателя (при условии, что при ионизации в нем возникают однозарядные ионы) будет равна

(28)

где - напряжение между катодом и анодом, - заряд электрона, - масса ионов, - коэффициент, зависящий от формы графика зависимости напряжения от осевой координаты . Обычно .

Скорость истечения (см. формулы (19) и (20))

(29)

Пинчевый ЭРД

с собственным магнитным полем импульсный режим работы
Рисунок 6 Пинчевый ЭРД
В пинчевом импульсном ЭРД используется явление самосжатия (пинчевания) собственным магнитным полем сгустков плазмы, образующихся при разряде тока (силой до сотен кА) в газе внутри специальной камеры с соплом, через которое происходит истечение плазмы.

Эрозионный двигатель

с собственным магнитным полем импульсный режим работы

При использовании в качестве рабочего тела в линейном или коаксиальном МГД двигателе продуктов электрической эрозии электродов или изоляционной перегородки (обычно фторопластовая) получается т. н. эрозионный РД.

7 МГД - магнитогазодинамический
8 т.е. путем испарения жидкости с их поверхности

принцип работы и простейшая конструкция

Автор Aluarius На чтение 5 мин. Просмотров 2.2k. Опубликовано

Альтернативных источников энергии на планете Земля огромное количество. Просто человечество еще не научилось эту энергию получать дешевыми способами, хотя многие из них уже используются. Практически все виды альтернативной энергии в теории разработаны и получены в лабораторных условиях. Одним из таких видов является энергия, получаемая от электролита, расположенного в магнитном поле. Такой эффект называется магнитогидродинамический, а установка, в которой эту энергию получают, МГД генератор. Ученым этот эффект известен давно. Стоит напомнить, что еще Фарадей в 1832 году пытался в лабораторных условиях найти электромагнитную движущуюся силу. Для этого он использовал воду из реки Темза. Давайте рассмотрим обе позиции (эффект и генератор) более подробно.

Магнитогидродинамический эффект

По сути, это возникновение электрического поля, а соответственно и электрического тока в электролите, который собой может представлять ионизированную воду, газ (это плазма) или жидкий металл. Получается так что сам эффект основан на принципе электромагнитной индукции, в основе которой лежит способ получения электричества внутри проводника, расположенного в магнитном поле. То есть, проводник должны пересекать силовые линии поля.

В этом случае внутри проводника возникают потоки ионов, заряды которых противоположны зарядам движущихся частиц внутри магнитного поля. При этом силовые линии магнитного поля движутся в противоположную сторону ионизированных зарядов внутри проводника.

Магнитогидродинамический генератор

МГД генератор – это установка преобразования тепловой энергии в электрическую, в основе которой лежит магнитогидродинамический эффект. На генераторы возлагались большие надежды, ученые в конце двадцатого столетия пытались разработать эффективные МГД генераторы промышленного исполнения, даже были построены экспериментальные образцы. Но все по непонятным причинам остановилось, видно прекратилось финансирование проектов.

Необходимо отдать должное ученым, которые не бросили начинания. Во всяком случае, теоретическая часть доведена до максимальной точности.

Достоинства и недостатки

Итак, каковы преимущества МГД генераторов:

  • Это огромная мощность при небольших размерах установки (доходит до нескольких мегаватт).
  • Полное отсутствие вращающихся деталей, а, значит, нет потерь на трение.
  • МГД генератор – объемная установка. Почему? Во-первых, объемные процессы, которые протекают в генераторе, уменьшают наличие нежелательных процессов поверхностного типа, к примеру, снижено загрязнение, минимум токов утечек и так далее. Во-вторых, больше объем – больше мощность машины.
  • Из предыдущего следует, что чем больше МГД генератор, тем выше коэффициент полезного действия, тем меньше вредных выбросов из установки.
  • В свое время был достигнут достаточно серьезный показатель экономии и эффективности, когда магнитогидродинамический агрегат соединили с котельной. Эффект оказался тройным. После сжигания газа или другого энергоносителя в топке котла, отработанные газы (они ионизированные) поступали в генератор, который вырабатывал электрический ток, далее газы поступали на парогенератор ТЭЦ, дополнительно нагревая воду или пар для отопления. Необходимо отметить, что в те времена коэффициент полезного действия такой комбинации составлял 65%, и это по сравнению с традиционным КПД старых котельных 50%.
  • И, конечно, магнитогидродинамические генераторы являются установками передвижными. А это, как показывает жизнь, иногда очень важно.



Теперь о недостатках:

  • В первую очередь необходимо отметить, что установка МГД генератора должна изготавливаться из дорогих жаропрочных сплавов. Потому что температура внутри генератора очень высокая, а скорость движения внутри него горячих газов составляет 2000 м/с.
  • МГД генератор может вырабатывать только постоянный ток, поэтому к нему придется добавлять эффективный инвертор.
  • Существует два вида генераторов: с открытым циклом и открытым. В обоих из них протекают процессы с химически активными веществами.
  • Электроды, которые и вырабатывают электрический ток внутри МГД генератора, расположен в так называемом МГД канале. Так вот в канале всегда присутствует температура, определяемая тысячами градусов. Поэтому электроды быстро выходят из строя.
  • Всем известно, что мощность установки прямопропорциональна квадрату индукции магнитного поля. Поэтому для промышленных образцов требуются очень большие магнитные системы. Они в несколько тысяч раз мощнее, чем лабораторные образцы.
  • Если температура газа, проходящего через МГД генератор, падает ниже +2000С, то в нем практически не остается свободных электронов. Поэтому такой газ использовать для получения электрического тока нет смысла.
  • По непонятным причинам в основном разрабатывались МГД генераторы, работающие на плазме (ионизированном газе). А вот использование морской воды не применялось, хотя именно морская вода и является отличным электролитом. В ней заключено огромное количество энергии, которую можно было бы использовать. Видно пока не нашлись те технологии, которые смогли бы эту энергию получить через МГД генератор.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что проблем с устройством и использованием МГД генераторов много. И их придется еще преодолевать. Правда, некоторые позиции умельцам удается обходить, используя всевозможные хитроумные идеи. Но это опять-таки на уровне опытных образцов.

Как сделать МГД-генератор своими руками

Давайте рассмотрим вопрос, можно ли сделать МГД генератор своими руками? В принципе, ничего сложного нет, ведь теоретически схема и технология работы установки известна. Вот самый простой МГД генератор.

Для его изготовления потребуется плексигласовый брусок прямоугольного сечения вот с такими размерами: 120х26х18 миллиметров. В бруске необходимо сделать сквозное отверстие диаметром 12 мм. Внутрь отверстия устанавливаются две пластинки или из меди, или из латуни. Обратите внимание, что сечение полосок должно быть сегментным. Они соединяются клеммами.

С двух сторон к бруску необходимо подсоединить ниппели из алюминия. К ним будут присоединяться резиновые шланги. По граням бруска приклеиваются цилиндры из плексигласа, на которые будут надеты магниты диаметром 20 мм. Все, вот такая нехитрая конструкция. Этот МГД генератор позволяет проводить забавные опыты с магнитной индукцией и электродвижущей силой. Все будет зависеть от числа прикрепленных магнитов, уменьшая или увеличивая их, можно изменять скорость движения ионов, изменять заряды, количество и так далее.

Магнитогидродинамический генератор, МГД-генератор - энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела, движущегося в магнитном поле, преобразуется непос

                                     

6. История изобретения

Впервые идея использования жидкого проводника была выдвинута Майклом Фарадеем в 1832 году. Он доказал, что в движущемся проводнике, находящемся под действием магнитного поля, возникает электрический ток. В 1832 году Фарадей с помощниками спустил с моста Ватерлоо в воду реки Темза два медных листа. Листы были подключены проводами к гальванометру. Ожидалось, что воды реки, текущей с запада на восток, - движущийся проводник и магнитное поле Земли создадут электрический ток, который зафиксируется гальванометром. Опыт не удался. К возможным причинам неудачи причисляют низкую электропроводность воды и малую величину напряженности магнитного поля Земли.

В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в Ла-Манше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.

В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям:

  • генерирование электрической энергии.
  • использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды например, в расходомерах;

Хотя первые патенты на генерирование электричества МГД-генератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё в 1907 - 1910 годы, описанные в них конструкции были на практике нереализуемы. Тогда не существовало материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2500 - 3000 °C.

Разработка МГД-генераторов стала возможной после создания теоретической и экспериментальной базы для изучения магнитной гидродинамики. Основные законы МГД были открыты в 1944 году шведским учёным Ханнесом Альфвеном при изучении поведения космической плазмы плазмы, заполняющей межзвёздное пространство в магнитном поле.

Первый работающий МГД-генератор был построен только в 1950-х годах благодаря развитию теории магнитной гидродинамики и физики плазмы, исследованиям в области физики высоких температур и созданию к этому времени жаропрочных материалов, использовавшихся тогда, прежде всего, в ракетной технике.

Источником плазмы с температурой 3000 K в первом МГД-генераторе, построенном в США в 1959 году, служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. Мощность генератора составляла 11.5 кВт. К середине 1960-х годов мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по 32 МВт "Марк-V", США.

В СССР первая лабораторная установка "У-02", работавшая на природном топливе, была создана в 1965 году. В 1971 году была запущена опытно-промышленная энергетическая установка "У-25", имеющая расчётную мощность 20-25 МВт.

"У-25" работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой K 2 CO 3 в качестве ионизирующейся присадки, температура потока - около 3000 К. Установка имела два контура:

  • первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе;
  • вторичный, замкнутый - паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора.

Электрическое оборудование "У-25" состояло из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах.

В России промышленный МГД-генератор строился в Новомичуринске Рязанской области, где рядом с Рязанской ГРЭС была специально построена МГДЭС. Однако генератор так и не был запущен в эксплуатацию. С начала 1990-х годов работы были полностью свёрнуты, а МГД-электростанция, без МГД-генератора работающая как обычная тепловая электростанция, после нескольких преобразований в конце концов была присоединена к Рязанской ГРЭС.

В ходе геофизического эксперимента "Хибины" в середине 1970-х годов в СССР по электрозондированию земной коры использовался импульсный МГД-генератор с максимальной мощностью 100 МВт, силой тока 20 КА и временем работы около 10 с.

Оптимизация системы управления впрыском топлива двухтактного авиационного двигателя БПЛА

Энергоэффективность двухтактного двигателя с искровым зажиганием, как правило, низкая, поскольку неправильное количество впрыска топлива приводит к большим несгоревшим потерям топлива в процессе работы двигателя. Однако параметры системы впрыска топлива трудно подтвердить авиационными экспериментами из-за дорогостоящих затрат на испытания. В данной статье предлагается метод калибровки параметров впрыска двухтактного двигателя с искровым зажиганием, основанный на термодинамическом моделировании и алгоритме оптимизации параметров.Во-первых, одномерная термодинамическая модель построена в соответствии с внутренней структурой и термодинамическим процессом двигателя; затем параметры модели корректируются в соответствии с принципом работы инжектора; после экспериментальной проверки модели, учитывая как достаточную мощность двигателя, так и экономию топлива, применяется метод анализа иерархии для поиска оптимального количества впрыска и угла опережения впрыска топлива при различных рабочих скоростях двигателя; наконец, построена авиационная экспериментальная станция с электронной системой топливных форсунок.Посредством моделирования и экспериментальных исследований можно увидеть, что при изменении частоты вращения двигателя от 3000 до 3500 об / мин уровень расхода масла для оптимальных результатов выше, чем для предыдущих; когда частота вращения авиационного двигателя превышает 4000 об / мин, результаты расхода масла оптимальным методом на 10–27% выше исходных результатов. Эта статья может быть справочной при оптимизации авиационного двигателя БПЛА.

1. Введение

Двухтактный двигатель широко применяется в системе питания малой авиационной техники БПЛА на топливе из-за преимуществ сильного взрывчатого вещества и малых размеров [1].Однако при проектировании энергосистемы БПЛА на топливе выбор модели двигателя всегда затруднен. Это связано с тем, что в среде моделирования полета БПЛА выходные характеристики двигателя трудно точно предсказать, особенно трудно найти подходящую систему подачи топлива. Традиционный способ подачи топлива для двухтактного двигателя - использование карбюратора, который может механически распылять топливо в процессе работы двигателя [2]. Тем не менее, в двигателе с карбюратором автоматическое управление не может быть достигнуто, и двигатель вряд ли может автоматически адаптироваться к изменению условий полета БПЛА.Электронный топливный инжектор (EFI) получил широкое развитие в области подачи топлива в двигатели благодаря своей превосходной управляемости и благоприятным характеристикам [3]. Производительность двигателя с системой EFI обычно изучается путем создания экспериментальных станций, которые могут проверять выходную скорость, крутящий момент, соотношение воздух-топливо (AFR), давление в цилиндре и содержание выхлопных газов, и исследователи проводят множество экспериментов, чтобы оптимизировать конструкцию двигателя или метод управления [4, 5].

Несмотря на то, что в последнее время эксперименты с двигателями разрабатываются все более и более реалистично, между результатами испытаний и реальным применением все еще существует некоторое расстояние.Кроме того, традиционные испытательные станции для двухтактных двигателей всегда лучше подходят для наземных транспортных средств, поскольку испытательный крутящий момент всегда добавляется посредством электромагнетизма, что затрудняет проверку выходной мощности авиационного двигателя с гребным винтом. Кроме того, чтобы получить точные результаты, необходимо строго подготовить условия эксперимента, такие как высокоточные датчики и стабильная среда, что значительно увеличит стоимость исследования. И последнее, но не менее важное: моделирование экстремальных условий работы с помощью испытаний на двигательной станции опасно и неточно.

Таким образом, в исследованиях все больше внимания уделяется моделированию рабочего процесса двигателя с помощью математических моделей. Чтобы оценить такие характеристики двигателя, как давление в цилиндре, скорость тепловыделения и расход топлива, Венкатраман и Девараджейн [6] построили рабочую математическую модель 4-тактного двигателя. Имитационная модель включает уравнение состояния цилиндра, процесс теплопередачи, задержку воспламенения, продолжительность сгорания и образование NOx. Кроме того, на основе математической модели Венкатраман и Девараджейн [7] разрабатывают экспериментальные двигатели для демонстрации.В их работах скорость тепловыделения, термический КПД тормозов, содержание окиси углерода, углеводородов и т. Д. Предсказываются с помощью модели, а эксперименты подтверждают, что модель выпрямления соответствует действительности. Кроме того, в модели сгорания применяется функция тепловыделения Вибе, основанная на экспоненциальной скорости химических реакций. Уравнения Вибе были реализованы Миямото и др. [8], и один из факторов уравнения считается важным, который называется «скорость тепловыделения».”Ganapathy et al. [9] использовали термодинамическую модель, основанную на двухзонной функции тепловыделения Wiebe, для моделирования характеристик двигателя на новом топливе. Раут [10] также использует основанную на экспоненциальной скорости модель тепловыделения Вибе, а формула Пфлаума применяется для оценки эмпирического коэффициента процесса теплопередачи. Из этих работ видно, что исследование характеристик двигателя с использованием метода математической модели является эффективным.

GT-Power - это ведущее программное обеспечение для моделирования двигателей, основанное на одномерной газовой динамике, которая представляет поток и перенос в компонентах системы двигателя, и все больше и больше ученых и инженеров применяют этот вычислительный инструмент для прогнозирования двигателя, чтобы улучшить характеристики управления или уменьшить выбросы.Kassa et al. [11] использовали экспериментальные данные 6-цилиндрового двигателя для модели GT-Power, чтобы лучше понять распределение топлива с впрыском в порт по цилиндрам в нескольких рабочих условиях. Рахими-Горджи и др. [12] оптимизировали производительность и расход топлива в соответствии с погодными условиями, объединив искусственную нейронную сеть и модель GT-Power, а давление, температура и влажность поступающего воздуха учитываются в сети, чтобы получить лучшую производительность двигателя.Alves et al. [13] применили GT-Power в конструкции системы впуска двигателя, и было обнаружено, что наилучшая конфигурация длины и диаметра впускных направляющих для каждой скорости для четырехтактного и одноцилиндрового двигателя обеспечивает оптимальную эффективность объема. Trajkovic et al. [14] построили модель двухтактного двигателя GT-Power для изучения влияния различных параметров и их влияния на характеристики пневматического гибрида. Из приведенных выше работ доказано, что математическая модель, построенная GT-Power, эффективна для прогнозирования и улучшения характеристик двигателя.Однако в этих статьях основное внимание уделяется структуре двигателя, а не стратегии управления системой EFI.

Чтобы соответствовать системе питания своего рода уменьшенного по размеру БПЛА, работающего на топливе, характеристики авиационного двигателя, включая выходную скорость и выходную мощность, должны быть проанализированы на основе модели GT-Power с фиксированной структурой. Кроме того, ключевые параметры управления согласованной системы EFI должны быть подтверждены для применения в авиационном двигателе. Исследованы расчеты мощности двигателя на базе модуля GT-Power.Ян и Чжу [15] разработали модель двигателя со смешанным клапаном и кривошипом для двухступенчатого двигателя с турбонаддувом. При различных состояниях нагрузки моделируются выходной крутящий момент и высвобожденная AFR двигателя, а значения ширины топливного импульса рассчитываются для справки для конструкции блока управления двигателем (ЭБУ). Menacer и Bouchetara [16] применили модель GT-Power для изучения влияния массового расхода впрыскиваемого топлива на тормозную мощность и определения мощности при определенном угле опережения зажигания, степени сжатия и выходной скорости.В их работе определяется максимальная мощность и экономичность, соответствующая оптимальной скорости. Wei et al. [17] приняли серию экспериментальных данных в модели GT-Power четырехтактного двигателя с водяным охлаждением, оптимизированы длительности времени задержки открытия и закрытия, а также оптимизирован оптимальный массовый расход впрыскиваемого топлива. Более того, Yang et al. [18] разработали управляемый процесс подачи топлива и изучили различные параметры всасываемого воздуха для улучшения динамических характеристик двигателя. Однако в этих работах подтверждающие эксперименты с двигателем далеки от реального применения авиационного двигателя, потому что крутящий момент пропеллера в основном создается за счет сопротивления воздуха винта.Кроме того, в некоторых работах отсутствует подробное описание эксперимента и относительная теоретическая основа, поэтому для нас важно предоставить теоретическую модель системы подачи топлива авиационного двигателя, чтобы избежать испытаний нескольких параметров двигателя, которые могут привести к огромным затратам на разработку. . Кроме того, ЭБУ управляет форсункой системы EFI авиационного двигателя, а электрифицированная форсунка открывается и распыляет входящий бензин высокого давления в коллектор двигателя [19]. Однако из-за характеристики электромагнитной силы форсунки динамический отклик массового расхода впрыскиваемого топлива будет влиять на точность подаваемого топлива.Следовательно, на основе результатов моделирования теоретического расхода топлива необходимо проанализировать динамический отклик форсунки и компенсировать распыление топлива, и тогда мы сможем получить подтвержденный параметр управления EFI, который может обеспечить оптимальную производительность авиационного двигателя.

В этой статье мы сначала анализируем структуру авиационного двигателя, и устанавливается одномерный GT-Power режим двигателя. Кроме того, предлагается несколько методов коррекции параметров. На основе результатов моделирования скорректированной модели применяется метод аналитической иерархии для оптимизации системы управления впрыском топлива.Результаты экспериментов с двигателем, в которых используется MAP оптимизации впрыска, показывают, что расход масла можно улучшить по-разному.

2. Методология модели
2.1. Предмет Введение

В этой статье исследуемый двухтактный авиационный двигатель с моделью DLE170 имеет два противоположных сдвоенных цилиндра и в основном включает в себя две камеры пневмоцилиндров, два поршня, один картер и один коленчатый вал. Как показано на Рисунке 1, каждый из цилиндров имеет продувочный канал и выпускное отверстие, и все порты не имеют клапанов.Это означает, что открытие и закрытие отверстий в камерах цилиндров зависит от движения поршней. Кроме того, основные параметры авиадвигателя приведены в таблице 1.



Параметр Значение

Диаметр цилиндра (мм) 52
Ход двигателя (мм) 40
Длина шатуна (мм) 175
Степень сжатия 9.5
Высота зазора ВМТ (мм) 2
Рабочий объем (куб.см) 85X2
Давление топлива на впуске (МПа) 0,3
EVO (градусы) 65
IVO (градусы) 123
Давление на впуске (бар) 1
Температура на впуске (K) 298
Температура выхлопных газов (K) 700
Давление на выхлопе (бар) 1.2
Максимальная мощность 13 кВт при 7500 об / мин
Минимальный холостой ход (об / мин) 1000
Диапазон степени открытия дроссельной заслонки (градусы) 10∼90
EVC ( градусов) −65
IVC (градусы) −123

Когда двухтактный авиадвигатель начинает работать, при первом такте сначала воздушно- Топливная смесь всасывается в картер, и продувочный порт открывается, когда поршни перемещаются из нижней мертвой точки (НМТ), пока коленчатый вал не повернется на угол закрытия впускного клапана (IVC), что можно увидеть на рисунке 2.Выпускное отверстие открывается от НМТ до тех пор, пока коленчатый вал не повернется на угол закрытия выпускного клапана (EVC); затем воздушно-топливная смесь сжимается, и при угле опережения зажигания перед верхней мертвой точкой (ВМТ) в двигателе возникает искра. Во время процесса приведения в действие поршня до угла открытия выпускного клапана (EVO) как выпускной, так и выпускной порты закрыты, а камеры цилиндра герметичны, что может гарантировать, что поршень получит максимальную мощность. Угол опережения зажигания ( θ ) обычно устанавливается на 5-15 градусов перед ВМТ.Поскольку степень сжатия двигателя относительно высока, а номинальная частота вращения двигателя высокая, угол опережения зажигания установлен на 15 градусов. Топливо в картер поступает из электронного инжектора в виде определенного отношения воздух-топливо ( λ ), и это соотношение определяется средним расходом топлива на впуске () и потоком воздуха в коллектор (), который регулируется посредством впрыска. ширина топливного импульса ( P w ), давление впрыска топлива ( p f ) и степень открытия дроссельной заслонки ( α ).Относительные параметры также можно увидеть в таблице 1.


Рабочий процесс двигателя спроектирован, как показано на рисунке 3, в соответствии с принципом работы программы одномерного моделирования GT-Power. На этом рисунке видно, что к впускному отверстию подключены две симметричные камеры картера с номерами 1 и 2. Когда топливовоздушная смесь течет в картер, обычно предполагается, что две однородные массы масла и газа разделяются коленчатым валом, а затем перетекают в два цилиндра.Кроме того, имеются симметричные продувочные каналы, впускные каналы, камеры цилиндров, выпускные отверстия и выпускные каналы. Степени открытия и закрытия двух типов портов определяют время впуска топливовоздушной смеси и время выпуска выхлопных газов. Согласно фактическим результатам измерения площади отверстий с углами коленчатого вала показаны на рисунках 4 (a) и 4 (b). Следует отметить, что на этих рисунках диапазон координат x составляет от 0 до 180 градусов, что соответствует первому рабочему ходу.Зона изменения угла вала во втором рабочем ходе симметрична.


2.2. Метод моделирования

Затем можно задать одномерную модель GT-Power двухтактного авиационного двигателя, как показано на рисунке 5, в соответствии с рабочим процессом авиационного двигателя. Конструкция авиадвигателя основана на реальных результатах измерений.


Основными параметрами настройки топливной форсунки являются f и заданное соотношение воздух-топливо ( λ набор ).На практике ЭБУ контролирует работу форсунок и пробивает импульсный сигнал определенной ширины. Взаимосвязь между λ set и шириной импульса впрыска топлива ( P w ) показана в следующем уравнении: где - объемный КПД, ρ ref - эталонная плотность воздуха, используемая для расчета объемного КПД, V D - объем двигателя, а # CYL - количество цилиндров. Из этого уравнения видно, что P w напрямую определяет расход впрыскиваемого топлива.Чтобы улучшить комплексные характеристики авиационного двигателя, расход впрыскиваемого топлива откалиброван для различных рабочих условий. Таким образом, чтобы сделать настройку более интуитивно понятной, в этой статье стандарт калибровки основан на ожидаемом соотношении воздух-топливо, а затем ЭБУ может вычислить выходной сигнал P w в реальной практике. Однако, поскольку инжектор приводится в действие электромагнитной силой, динамическое действие игольчатого клапана следует учитывать при компенсации установленной ширины импульса.

Процесс работы топливной форсунки в основном состоит из трех этапов: форсунка получает импульсный сигнал от ЭБУ, на электромагнитную катушку постепенно подается напряжение, и игольчатый клапан начинает двигаться при преодолении предварительной нагрузки пружины; когда намагниченная катушка соленоида насыщена, игольчатый клапан останавливается в механическом крайнем положении; когда импульсный сигнал становится нулевым, магнитный поток катушки соленоида постепенно уменьшается, и игольчатый клапан возвращается в нормальное положение. В принципе, все форсунки электромагнитного типа работают таким образом, и нельзя не учитывать влияние задержки срабатывания на динамический расход впрыскиваемого топлива, вызванное механическими факторами.Чтобы глубоко проанализировать динамический впрыск и сформулировать стратегию калибровки, динамическая модель инжектора построена следующим образом:

Эти уравнения представляют собой магнитный поток, когда инжектор электрифицирован, а не электрифицирован, где R - основное сопротивление контур наэлектризованной катушки, R 0 - защитное сопротивление, Ф b - полная магнитная цепь, N - номер катушки, i - ток в контуре и U 0 - управляющее напряжение.Электромагнитная сила ( F м ) на игольчатый клапан, когда катушка электрифицирована, выглядит следующим образом: где μ 0 представляет проницаемость вакуума, S представляет собой поперечное сечение воздушного зазора, а δ - длина рабочего воздушного зазора. Кинетическое уравнение магнитного игольчатого клапана: F 0 - начальное натяжение пружины, k - жесткость пружины, x - смещение игольчатого клапана, - масса игольчатого клапана и F. топливо сила давления топлива на игольчатый клапан.Когда игольчатый клапан открывается, топливо под высоким давлением вырывается и разбрызгивается в коллектор. Уравнение расхода топлива в соответствии с принципом компенсации диафрагмы выглядит следующим образом: где - мгновенный массовый расход впрыскиваемого топлива, C d - коэффициент расхода, A 0 - площадь отверстия, ρ f - плотность топлива, а P м - атмосферное давление. На основе уравнений рассчитывается динамическое смещение игольчатого клапана при различных значениях жесткости пружины.Как показано на рисунке 6 (a), когда начальная сила натяжения пружины F 0 установлена ​​на 5,5 Н, реакция смещения клапана не будет соответствовать управляющему сигналу. Однако, когда F 0 установлен на 9,5 Н, ширина импульса смещения иглы намного короче, чем управляющий сигнал, который может быть показан на рисунке 6 (b), и это приведет к недостаточному количеству впрыскиваемого топлива. . Следовательно, ширину импульса смещения клапана можно отрегулировать так, чтобы она была такой же, как у управляющего сигнала, установив силу натяжения пружины F 0 .Как показано на рисунке 6 (c), ширина импульса динамического смещения игольчатого клапана приблизительно соответствует управляющему сигналу, за исключением начала периода, когда имеет место процесс подъема, который вызывает ошибку управления впрыском.

В этой статье предлагается метод компенсации ошибки управления впрыском. Как показано на рисунке 7, можно видеть, что время компенсации смещения равно текущему времени задержки. Область компенсации процесса подъема ориентирована в виде треугольника. Следовательно, ширина компенсации ( P c ) показана в следующем уравнении: где D i - текущая временная задержка.Уравнение (1) можно изменить следующим образом:


Нагрузку на гребной винт можно рассчитать в соответствии с различными рабочими условиями на основе стандартного анализа полосы. Как известно из расчета, крутящий момент гребного винта в основном зависит от частоты вращения двигателя ( n ) и диаметра винта винта ( r p ). Основная формула крутящего момента выглядит следующим образом: где M R - крутящий момент гребного винта, Δ D - дифференциальная форма силы сопротивления, Δ L - дифференциальная форма подъемной силы, β - угол всасываемого воздуха, а r p - радиус винта.Затем параметры подтверждаются в соответствии с материалом лезвия; тогда мы можем получить крутящий момент MAP в горизонтальном направлении при различных рабочих условиях, что показано на рисунке 8. Из рисунка 8 мы можем видеть, что крутящий момент нагрузки не увеличивается линейно с увеличением скорости двигателя и диаметра ротора винта БПЛА. Однако мы можем заменить крутящий момент MAP в одномерную модель методом линейной интерполяции.


3. Эксперименты и оптимизация
3.1. Экспериментальная проверка

Численное моделирование не может полностью заменить анализ эксперимента, и если мы хотим, чтобы результаты моделирования отражали механизм двигателя как можно точнее, математическое моделирование и анализ эксперимента должны быть объединены. Математическая модель должна быть подтверждена результатами экспериментов, которые в основном включают две части: конструкцию двигателя и модель сгорания. Конструкцию двигателя можно проверить экспериментами с потоком всасываемого воздуха. Это связано с тем, что двигатель приводится в действие за счет сгорания масла и газа, и если обнаруженный поток воздуха согласуется с результатом моделирования в различных условиях, мы можем видеть, что построенная структура модели двигателя может обеспечить равный массовый расход воздуха на входе.Кроме того, модель сгорания должна быть продемонстрирована испытанием цилиндра под давлением. Причина в том, что выходная мощность двигателя внутреннего сгорания в основном зависит от давления в цилиндре, и если обнаруженное давление хорошо согласуется с результатом моделирования, можно видеть, что модель прогнозирования сгорания в моделировании эффективна. Следовательно, расходомер всасываемого воздуха двигателя соединен с впускным коллектором, а высокочастотный датчик давления установлен на цилиндре двигателя.Затем мы можем получить кривые сравнения массового расхода воздуха и давления в цилиндре, как показано на рисунках 9 (a) и 9 (b). Из этих двух изображений мы видим, что ошибки результата не превышают 5% и могут продемонстрировать эффективность математической модели.

Компенсация впрыска топлива может быть продемонстрирована экспериментами с ЭБУ. ЭБУ получает сигнал запуска и выдает импульсный сигнал с определенной шириной импульса. Согласно приведенному выше результату исследования, импульс впрыска топлива компенсируется временем задержки тока через наэлектризованный контур катушки.Согласно рисунку 10, ЭБУ с вышеуказанной функцией спроектирован и испытан. Проверяется текущий сигнал, а также управляющее напряжение через топливную форсунку. Согласно рисунку 11 мы можем получить, что текущее время задержки составляет около 4 мс. Поэтому в модели мы компенсируем инжекционный импульс на 2 мс. Проводятся повторяющиеся эксперименты с различной шириной управляющего сигнала, и в соответствии с реальным применением ширина сигнала регулируется в диапазоне от 3,5 мс до 5,0 мс, и мы получаем, что текущее время задержки такое же.Это потому, что их процессы понижения тока одинаковы. Итак, в имитационной модели мы можем установить текущее время задержки как постоянное 2 мс.



Посредством моделирования, основанного на модели выше, можно рассчитать относительные рабочие параметры. Основными параметрами настройки моделирования являются степень открытия дроссельной заслонки ( α ) и установленное соотношение воздух-топливо ( λ набор ). Как правило, наиболее важные характеристики и оценочные показатели двигателя включают в себя скорость двигателя ( n ), выходную мощность ( P o ), энергоэффективность ( η ) и расход топлива при вращении ( γ ) . η и γ можно рассчитать следующим образом: где P i - входная мощность двигателя, T o - выходной крутящий момент двигателя, а H u - теплотворная способность газа около 46000 кДж / кг. Изменяя параметры настройки α и λ set , получается группа выходных параметров.

3.2. Результаты моделирования

Как показано в таблицах 2–4, существует несколько массивов входных и выходных параметров.Кроме того, все параметры записываются, когда моделирование двигателя имеет тенденцию к стабильности.


900

α (°) n (об / мин) λ набор T o (Н · м) 905 o (кВт) η γ (об / мин ч / кг) P c (МПа)

10 2500 12 9.551 2,501 0,177 2257,016 3,066
10 3000 12 7,352 2,310 0,175 2892,084 2,045
10 12 3500 900 7,195 3,633 0,189 2316,357 2,786
10 4000 12 8,874 3.717 0,185 2537,999 3,219
10 4500 12 14,272 6,725 0,204 1736,989 3,987
10 5000
10 5000
5,568 0,194 2219,936 2,986
10 5500 12 6,053 3,486 0.163 3280,692 2,760
10 6000 12 5,634 3,539 0,156 3362,353 2,687

α (°) n (об / мин) λ набор T o (Нм) P o (кВт) η γ (об / мин · ч / кг) P c (МПа)

40 2500 14.5 9,122 2,388 0,149 1987,442 3,142
40 3000 14,5 8,869 2,786 0,140 1918,287 2,308
40 14,5 12,132 4,447 0,213 2134,503 3,228
40 4000 14,5 12.926 5,414 0,206 1934,364 3,806
40 4500 14,5 15,451 7,281 0,179 1410,437 4,054
40 4,054
40 13,459 7,047 0,179 1621,358 3,952
40 5500 14,5 10,109 5.823 0,203 2445,253 3,660
40 6000 14,5 9,111 5,725 0,165 2201,615 3,128

35



α (°) n (об / мин) λ набор T o (Нм) P (Нм) кВт) η γ (об / мин · ч / кг) P c (МПа)

80 2500 15.5 7,003 1,833 0,141 2453,110 2,510
80 3000 15,5 9,582 3,010 0,194 2457.778 2,424
15,5 11,009 4,035 0,229 2529,551 2,974
80 4000 15,5 13.881 5,815 0,231 2020,441 3,869
80 4500 15,5 14,826 6,987 0,167 1368,566 4,293
80 12,003 6,285 0,188 1904,895 4,107
80 5500 15,5 8,315 4.789 0,138 2018,235 3,044
80 6000 15,5 6,094 3,829 0,205 4088,545 2,391

0 2 –4 представляют собой часть результатов моделирования. В этой статье степень открытия дроссельной заслонки (

α ) изменена с 10 ° на 90 °, а частота вращения двигателя составляет от 2500 до 6000 об / мин в соответствии с реальным применением.Что требует иллюстрации, так это то, что, согласно нашим результатам большого количества экспериментов, выходной AFR двигателя можно контролировать только с точностью до 0,5, а общий диапазон AFR во время рабочего процесса двигателя составляет от 12 до 15,5. Следовательно, при моделировании входное значение AFR устанавливается на каждые 0,5 от 12 до 15,5.

Как показано в трех таблицах, T o отражает грузоподъемность и обычно считается основным показателем способности к качеству бензина в грунте.Однако при применении винтокрылых БПЛА подъемная сила БПЛА в первую очередь определяется частотой вращения двигателя. Таким образом, параметр T o в основном учитывается в процессах пуска и разгона. P o - выходная мощность двигателя, и в случае того же рабочего объема выходная мощность должна быть больше. Однако в этой статье экономия топлива рассматривается как приоритетная, поэтому при управлении впрыском топлива в двигатель следует поставить больше веса η .Учитывая, что частота вращения двигателя напрямую влияет на подъемную силу беспилотного летательного аппарата, вращательный расход топлива γ отражает уровень расхода топлива при постоянной скорости. Кроме того, P c - максимальное давление в цилиндре за один цикл вращения коленчатого вала.

Поскольку эти выходные характеристики влияют друг на друга, правила влияния параметра закачки должны быть проанализированы, чтобы помочь в формулировании стратегий оптимизации. Установленный AFR напрямую влияет на расход впрыска масла, и его значение всегда совмещается со значением степени открытия дроссельной заслонки ( α ).Здесь α стабильно контролируется как 40 °, потому что одно значение степени открытия может отражать весь принцип. Скорость двигателя ( n ), которая является конечной контрольной величиной системы питания БПЛА, должна моделироваться поэтапно. В соответствии с требованиями приложения интервал устанавливается как 500 об / мин от 2500 до 6000 об / мин. Затем получаются диаграммы тенденций, которые показывают отношения между входными параметрами и выходными характеристиками, как показано на рисунках 12–15.





Как показано на рисунках 12 и 13, можно видеть, что, когда степень открытия дроссельной заслонки постоянна, кривые выходного крутящего момента и кривые выходной мощности будут иметь пик на одной и той же скорости. Однако трудно найти регулярное правило между установленным AFR и этими двумя выходными характеристиками. Это связано с тем, что, когда степень открытия дроссельной заслонки устанавливается постоянно, должно быть первичное значение настройки AFR с различными рабочими условиями, которые соответствуют внешним характеристикам двигателя.В зависимости от установленного веса следует всесторонне продумать оптимизацию. Кроме того, на двух рисунках тренды кривых почти одинаковы, поэтому при установке весов можно учитывать только один из элементов, чтобы уменьшить объем вычислений.

На Рисунке 14 показан небольшой беспорядок, который представляет эффективность системы двигателя. Кривые на рисунке 14 почти имеют пиковые значения, а пиковые значения практически не зависят от выходного крутящего момента и мощности. Поэтому характеристику энергоэффективности можно рассматривать самостоятельно.Энергоэффективность играет важную роль в улучшении экономии топлива. Тем не менее, он должен быть второстепенным по отношению к крутящему моменту и мощности в процессах запуска и ускорения, чтобы обеспечить безопасность полета БПЛА.

Поскольку частота вращения двигателя остается постоянной во время полета, расход масла на скорость вращения ( γ ) является наиболее важной характеристикой для экономии топлива и увеличения продолжительности полета. Как показано на рисунке 15, кривые имеют впадины в той же точке скорости, что и кривые крутящего момента и мощности.Однако на рисунке 15 регулярное расположение кривых различных заданных значений AFR отличается от такового на рисунках 12 и 13. Таким образом, в работе по оптимизации расход масла на скорость вращения ( γ ) может быть рассмотрен независимо. по заданной массе в стабильном полете БПЛА.

3.3. Метод оптимизации

Через улучшенную модель ведутся работы по оптимизации. В качестве нескольких целей оптимизации выбраны несколько ключевых рабочих параметров, таких как выходная мощность ( P из ), выходная скорость ( n ), энергоэффективность ( η ) и расход масла при скорости вращения ( γ ).В этой статье, во-первых, мы рассчитываем ключевые характеристики, используя модель двигателя при изменении входных параметров управления двигателем. Затем, по желанию пользователя, мы можем искусственно установить параметры управления двигателем в зависимости от условий его работы. Основной принцип оптимизации заключается в следующих уравнениях: где n ( α i ) ( i = 1, 2,…, n ) означает частоту вращения двигателя при степени открытия дроссельной заслонки α i .Уравнение (10) означает, что чем выше частота вращения двигателя, тем больше степень открытия дроссельной заслонки. Система оценки заданного параметра впрыска топлива опирается на разработанную функцию оценки f ( θ , n ): где W i ( θ , n ) ( i ) = 1, 2, 3 и 4) представляет оценочную весовую функцию T o , P o , η и γ соответственно.В этой статье веса, которые необходимо вычислить, могут быть выражены в виде матриц W 1 , W 2 , W 3 и W 4 и W i. ( i = 1, 2, 3 и 4) ∈ R a × b , где a и b - номера различных значений степени открытия дроссельной заслонки и значений оборотов двигателя. , соответственно. Тогда матрица функции оценки может быть выражена как F ( θ , n ) ∈ R a × b .Матрица - это заданная матрица AFR. Основной принцип метода оптимизации показан на рисунке 16.


Наиболее важным шагом является шаг 2, который направлен на получение весовых матриц. В этой статье применяется известный многокритериальный метод принятия решений под названием Analytic Hierarchy Process (AHP) для получения оценочных весов для различных групп степени открытия дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя [20]. Вышеупомянутые четыре альтернативы сравниваются друг с другом на основе самостоятельно определенной шкалы Саати, как показано в таблице 5.


Веса предпочтений Определение Объяснение

1 Одинаково предпочтительно Два фактора в равной степени способствуют достижению цели
3 Умеренно предпочтительнее Опыт и суждения немного предпочтительнее друг друга
5 Сильно отдают предпочтение Опыт и суждения сильно отдают предпочтение одному перед другим
7 Очень сильно предпочитают Опыт и суждения очень сильно поддерживают один над другим
9 Чрезвычайно предпочтительный Доказательства предпочтения одного по сравнению с другим имеют наивысшую возможную достоверность
2, 4, 6, 8 Промежуточные значения Используется для представления компромисса между предпочтение Перечислены ces
Взаимные значения Взаимные значения для обратного сравнения -

Согласно экспериментальному опыту определения характеристик авиадвигателя при полете самолета, принципы установки весов следующие. следующим образом: (a) Когда авиационный двигатель запускается, скорость переходит в состояние холостого хода, а степень открытия дроссельной заслонки относительно мала, в первую очередь должна быть обеспечена выходная мощность двигателя, а расход масла должен быть адекватным, чтобы избежать внезапной частоты вращения двигателя. падение.(b) Когда двигатель работает от холостого хода до промежуточной скорости (приблизительно 4000 об / мин), согласно рисунку 8, увеличение нагрузки не является очевидным. Однако шум двигателя велик, что означает относительно низкую эффективность нагрузки. Эффективность нагрузки определяется как момент нагрузки / выходной крутящий момент. В то же время этот процесс является обычным, когда самолет взлетает и приземляется, и для предотвращения аварий в первую очередь должен быть гарантирован выходной крутящий момент, а также необходимо жертвовать определенным расходом топлива.(c) Когда частота вращения двигателя переходит к номинальному значению, впрыск топлива всегда регулируется на основе выходного AFR [21, 22]. Однако, несмотря на соответствующее регулирование управления AFR, в небольшом авиационном двигателе всегда отсутствует трехкомпонентный каталитический блок, чтобы уменьшить общий вес самолета. Следовательно, стехиометрическое значение AFR обычно не является контрольной целью. Когда самолет работает регулярно, в первую очередь следует учитывать расход топлива, поскольку эффективность нагрузки на этой стадии относительно высока, согласно результатам экспериментов [23, 24].Это потому, что рабочий шум является регулярным и изменяется равномерно с увеличением скорости. Можно сделать вывод, что это редкое явление падения скорости авиадвигателя [25, 26]. Что касается применения в БПЛА, определенная скорость соответствует определенной подъемной силе, поэтому в первую очередь следует учитывать расход масла на скорость вращения ( γ ). (D) Когда частота вращения двигателя превышает номинальное значение, причина может быть, во-первых, есть экстренное внешнее возмущение, такое как мутации в воздухе, и необходимо скорректировать настройку полета; во-вторых, БПЛА встречает препятствие при движении вперед.В этот момент следует уделить больше внимания выходному крутящему моменту и мощности.

Посредством расчета оптимизации AHP можно получить результаты калибровки параметра впрыска топлива, как показано в таблице 6, а MAP впрыска топлива показано на рисунке 17.


α (°) / n (об / мин) 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000

10 15.5 15 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5
20 15 14 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5 15,5
30 14,5 12,5 15 15 15,5 15,5 15,5 15,5
40 15 15.5 15 15,5 15,5 15 15,5 15,5
50 15,5 15,5 12,5 15 15,5 15,5 13 15,5
60 15 15,5 14,5 15,5 15,5 15,5 15 14,5
70 15 15.5 15,5 15,5 15 13,5 13,5 14
80 13,5 15 15 15 14 15 14,5 15,5
90 15,5 15,5 15,5 15,5 14,5 15,5 13,5 13,5


Результаты контрольной цели из рисунка 17 выходной AFR двухтактного авиационного двигателя БПЛА можно резюмировать следующим образом: (1) Условия работы двигателя соответствуют различным контрольным значениям для достижения оптимального показателя оптимизации.(2) Благодаря методу оптимизации, основанному на процессе аналитической иерархии, значения эффективности при всех рабочих условиях могут получить повышение, как показано на рисунке 18. При номинальных рабочих условиях двигателя (когда частота вращения двигателя находится в диапазоне от 4500 до 6000). об / мин), повышенная эффективность находится в диапазоне от 5% до более 10%.


3.4. Результаты оптимизации

Эксперименты над авиационным двигателем разработаны таким образом, чтобы проверить оптимальные результаты в реальных условиях. На рис. 19 компьютер для анализа подключен к карте сбора данных, которая может собирать данные в реальном времени с датчиков соотношения AFR и частоты вращения двигателя.Уровень расхода масла и скорости вращения можно рассчитать согласно собранным данным, включая скорость и расход топлива за определенный период времени. По характеристикам авиадвигателя мощность нагрузки постоянна при определенных оборотах двигателя. Поэтому в экспериментах устанавливается ступенчатая степень открытия дроссельной заслонки и фиксируется соответствующий расход масла.


На Рисунке 20 результаты экспериментов с авиационным двигателем получены путем сравнения предыдущего управления без обратной связи, когда ширина впрыска постоянно равна 4.5 мс. Когда частота вращения двигателя изменяется с 3000 до 3500 об / мин, уровень расхода масла для оптимальных результатов выше, чем для предыдущих, поскольку на низких оборотах двигателю требуется больше топлива, чтобы гарантировать выходную мощность при запуске двигателя. Когда частота вращения авиационного двигателя превышает 4000 об / мин, результаты расхода масла оптимальным методом на 10–27% выше исходных результатов.


4. Заключение

В данной статье предлагается метод оптимизации системы управления впрыском топлива двухтактного авиационного двигателя БПЛА на основе одномерной модели жидкости и процесса аналитической иерархии.Основные параметры одномерной модели откалиброваны и проверены расчетным путем и экспериментально. Опыт экспертов интегрирован в правила процесса расчета аналитической иерархии. По результатам оптимизации экспериментов видно, что при изменении частоты вращения двигателя от 3000 до 3500 об / мин уровень расхода масла оптимальных результатов выше, чем у предыдущих; когда частота вращения авиационного двигателя превышает 4000 об / мин, результаты расхода масла оптимальным методом на 10–27% выше исходных результатов.Этот метод может быть справочным при оптимизации эффективности системы управления двигателем.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии потенциальных конфликтов интересов в отношении исследования, авторства и / или публикации этой статьи.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Фондом открытого проекта Центральной лаборатории передовых технологий производства и обработки морского механического оборудования провинции Цзянсу.

Насосы высокого давления, приводы и устройства рекуперации энергии для крупных установок обратного осмоса морской воды (Технический отчет)

. Насосы высокого давления, приводы и устройства рекуперации энергии для больших установок обратного осмоса морской воды . США: Н. П., 1979. Интернет. DOI: 10,2172 / 5838401.

. Насосы высокого давления, приводы и устройства рекуперации энергии для больших установок обратного осмоса морской воды . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5838401

. Пн. «Насосы высокого давления, приводы и устройства рекуперации энергии для крупных установок обратного осмоса морской воды». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5838401. https://www.osti.gov/servlets/purl/5838401.

@article {osti_5838401,
title = {Насосы высокого давления, приводы и устройства рекуперации энергии для больших установок обратного осмоса морской воды},
author = {},
abstractNote = {Основная цель этого исследования заключалась в подготовке технического обзора имеющихся в настоящее время насосов высокого давления, приводов и устройств рекуперации энергии для крупных установок обратного осмоса (RO).Это оборудование предназначено для установки обратного осмоса с морской водой двух размеров (2,5 и 25 млн баррелей в сутки) и двух коэффициентов извлечения продукта (25 и 50 процентов), работающих при давлении 900 фунт / кв. Рассмотрены четыре типа драйверов: электродвигатели, паровые турбины, газовые турбины и дизели. Был сделан вывод, что: насосы, подходящие для систем обратного осмоса с морской водой, доступны в виде отдельных блоков для заводов размером до 25 MGD; стоимость и доступность энергии - наиболее важный пункт при выборе привода насоса; Рекуперация энергии может быть экономичным выбором с низким коэффициентом рекуперации и высокими значениями стоимости энергии, рабочего давления и размера установки.Кроме того, поскольку стоимость электроэнергии может составлять значительную часть годовой стоимости, оптимизация насосной системы имеет смысл.},
doi = {10.2172 / 5838401},
url = {https://www.osti.gov/biblio/5838401}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1979},
месяц = ​​{10}
}

Исследование интегрированного метода управления вертолетным / турбовальным двигателем с переменной скоростью вращения ротора на основе ошибки между требуемым двигателем и реальным выходным крутящим моментом

  • 1.

    Калинин Д.В .: Синтез многопоточной бесступенчатой ​​трансмиссии для вертолетов нового поколения. В: Санкт-Петербург: 29-й Конгресс Международного совета по авиационной науке. 7–12 сентября (2014 г.)

  • 2.

    Reddinger, J.P .; Ганди, Ф .; Канг Х .: Использование избыточности управления для снижения мощности и вибрации составного вертолета на высоких скоростях. Варенье. Helicopter Soc. 63 (3), 1–13 (2018)

    Статья Google Scholar

  • 3.

    Калинин Д.В .: Синтез многопоточной бесступенчатой ​​трансмиссии для вертолетов нового поколения. В: Санкт-Петербург: 29-й Конгресс Международного совета по авиационным наукам, стр. 7–12 (2014)

  • 4.

    Snyder, CA; Acree Jr, C.W .: Предварительная оценка технологии силовых турбин с регулируемой частотой вращения на габаритах и ​​характеристиках гражданских конвертопланов. В: Техас: 68-й ежегодный форум Американского вертолетного общества, 1–3 мая (2012 г.)

  • 5.

    ДеСмидт, Х.А.; Smith, E.C .; Bill, R.C .; Ван К.-В .: Комплексное моделирование и анализ силовой установки с регулируемой скоростью винтокрылого летательного аппарата со связанными двигателем / трансмиссией / динамикой ротора. НАСА / CR-2013 -216502.

  • 6.

    Amri, H .; Feil, R .; Hajek, M .; и др .: Возможности и трудности винтокрылых аппаратов, использующих приводы с регулируемой трансмиссией. CEAS Aeronaut. J. 7 (2), 333–344 (2016)

    Статья Google Scholar

  • 7.

    Hua, W .; Miao, L .; Zhang, H .; и др .: Новый закон управления турбовальным двигателем во время переходного процесса с изменяемой частотой вращения ротора. Int. J. Turbo Jet-Engines 32 (4), 325–340 (2015)

    Артикул Google Scholar

  • 8.

    Krantz, T.L .; Handschuh, R.F .; Робертс Г.Д .: Результаты технического задания НАСА по демонстрации двухскоростного привода для транспортного средства с вертикальным подъемом. GRC-E-DAA-TN54203. 14 мая (2018)

  • 9.

    Kuantama, E.; Веселеный, Т .; Dzitac, S .; и др .: Модель управления ПИД и нечетким ПИД для ориентации квадрокоптера с параметром возмущения. Int. J. Comput. Commun. Контроль 12 (4), 519–532 (2017)

    Статья Google Scholar

  • 10.

    Мин, W.X.Y.H .: многомерное предсказание хаотических временных рядов на основе экстремальной обучающей машины. Acta Phys. Грех. 8 , 80507 (2012)

    Google Scholar

  • 11.

    Cai, C .; Crowley, T.J .; Мейснер, Р.П .: Оценка нагрузки для двухмоторного вертолета. Заявка на патент США 10/036 331 [P]. 2018-7-31

  • 12.

    Смит, Б.Дж .; Загранский Р.Д .: Система управления вертолетными двигателями нового поколения. В: 57-й ежегодный форум AHS, Вашингтон, округ Колумбия, 9–11 мая, стр. 1617–1626 (2001)

  • 13.

    Lu, C .; Li, Q .; Jiang, J .; и др .: Метод управления внутренней моделью, основанный на прогнозируемой прямой связи крутящего момента для турбовального двигателя. J. Aerospace Power 5 , 1166–1172 (2013)

    Google Scholar

  • 14.

    Sun, L .; Sun, J .; Zhang, H .; и др .: Управление двигателем / вертолетом с прямой связью по крутящему моменту на основе регрессии опорных векторов. J. Aerospace Power 3 , 680–686 (2011)

    Google Scholar

  • 15.

    Wang, Y .; Zheng, Q .; Zhang, H .; и др.: Исследование метода управления оптимизацией ускорения для интегрированной системы вертолет / двигатель на основе подавления крутильных колебаний. IEEE Access 7 , 1182–1194 (2019)

    Статья Google Scholar

  • 16.

    Simplício, P .; Павел, доктор медицинских наук; Van Kampen, E .; и др .: Основанный на измерениях ускорения подход к управлению нелинейным полетом вертолета с использованием инкрементальной нелинейной динамической инверсии. Control Eng. Практик. 21 (8), 1065–1077 (2013)

    Статья Google Scholar

  • 17.

    Zheng, Q .; Xu, Z .; Zhang, H .; и др .: Схема NMPC турбовального двигателя для маневра восстановления авторотации вертолета. Aerosp. Sci. Technol. 76 , 421–432 (2018)

    Статья Google Scholar

  • 18.

    Ioffe, S .; Сегеди, Ч .: Пакетная нормализация: ускорение глубокого обучения сети за счет уменьшения внутреннего ковариатного сдвига. Препринт arXiv arXiv: 1502.03167 (2015).

  • 19.

    Pennington, J .; Socher, R .; Мэннинг, Ч .: Перчатка: глобальные векторы для представления слов. В: Материалы конференции 2014 г. по эмпирическим методам обработки естественного языка (EMNLP), стр. 1532–1543 (2014)

  • 20.

    Шмидхубер, Дж .: Глубокое обучение в нейронных сетях: обзор. Neural Netw. 61 , 85–117 (2015)

    Статья Google Scholar

  • 21.

    Смит, Л.Н .: Циклические скорости обучения для обучения нейронных сетей. В: Зимняя конференция IEEE 2017 г. по приложениям компьютерного зрения (WACV), стр. 464–472. IEEE (2017)

  • ДВАДЦАТЬ ЛЕТ ПРОГРЕССА В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ ВОДАХ НАСОСОВ на JSTOR

    Информация о журнале

    Журнал AWWA публикует статьи о проблемах водного хозяйства, которые охватывают все виды деятельности и интересы AWWA.Он сообщает об инновациях, тенденциях, противоречиях и проблемах. Журнал AWWA также фокусируется на смежных темах, таких как планирование общественных работ, управление инфраструктурой, здоровье человека, защита окружающей среды, финансы и право. Журнал продолжает свою долгую историю публикации подробных и новаторских статей о защите надежности и отказоустойчивости наших водных систем, здоровья нашей окружающей среды и безопасности нашей воды.

    Информация для издателя

    Wiley - глобальный поставщик решений для рабочих процессов с поддержкой контента в областях научных, технических, медицинских и научных исследований; профессиональное развитие; и образование.Наши основные направления деятельности выпускают научные, технические, медицинские и научные журналы, справочники, книги, услуги баз данных и рекламу; профессиональные книги, продукты по подписке, услуги по сертификации и обучению и онлайн-приложения; образовательный контент и услуги, включая интегрированные онлайн-ресурсы для преподавания и обучения для студентов и аспирантов, а также для учащихся на протяжении всей жизни. Основанная в 1807 году компания John Wiley & Sons, Inc. уже более 200 лет является ценным источником информации и понимания, помогая людям во всем мире удовлетворять их потребности и реализовывать их чаяния.Wiley опубликовал работы более 450 лауреатов Нобелевской премии во всех категориях: литература, экономика, физиология и медицина, физика, химия и мир. Wiley поддерживает партнерские отношения со многими ведущими мировыми обществами и ежегодно издает более 1500 рецензируемых журналов и более 1500 новых книг в печатном виде и в Интернете, а также базы данных, основные справочные материалы и лабораторные протоколы по предметам STMS. Благодаря растущему предложению открытого доступа, Wiley стремится к максимально широкому распространению и доступу к публикуемому контенту, а также поддерживает все устойчивые модели доступа.Наша онлайн-платформа, Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com), является одной из самых обширных в мире междисциплинарных коллекций онлайн-ресурсов, охватывающих жизнь, здоровье, социальные и физические науки и гуманитарные науки.

    Победители конкурса за выдающиеся достижения в области экологической инженерии и науки ™ 2016

    Победитель конкурса за выдающиеся достижения в области экологической инженерии и науки ™ 2016

    Honor Award - Экологическая устойчивость

    Поступающий: Санитарный округ округа Ориндж
    Ответственный инженер: Эндрю М.Стэнтон
    Местоположение: Fountain Valley, California
    Контакт для СМИ: Rebecca Long


    Профиль участника

    Санитарный округ округа Ориндж управляет двумя очистными сооружениями, которые ежедневно очищают 200 миллионов галлонов сточных вод. Завод № 1, расположенный в Фаунтин-Вэлли, Калифорния, очищает и доставляет в среднем 100 миллионов галлонов сточных вод каждый день (mgd) в водный район округа Ориндж для своей системы пополнения подземных вод.Завод № 2 расположен в Хантингтон-Бич, Калифорния, и обрабатывает более 100 мг / сут сточных вод до стандартов полной вторичной очистки.

    Центральная система выработки электроэнергии на обеих станциях обеспечивает тепло и электроэнергию для предприятий за счет сжигания газа из метантенка. В целях приведения существующих двигателей-генераторов в целом в соответствие с Правилом 1110.2 округа по управлению качеством воздуха Южного побережья, проект по контролю выбросов центральной генерации включал проектирование и строительство модификаций существующих выхлопных систем двигателя-генератора, включая добавление систем очистки газа, каталитических нейтрализаторов. системы контроля выбросов с необходимыми воздуховодами и структурными платформами, а также система хранения / подачи химикатов с системой управления программируемым логическим контроллером.

    • Владелец: Санитарный округ округа Ориндж
    • Помощь на этапе проектирования / строительства: Black & Veatch Corporation
    • Строительство: Shimmick Construction Company Inc.
    • Система очистки выхлопных газов: Johnson Matthey Emissions Control Technologies
    • Сосуды для очистки газа метантенка: Robinson Group LLC
    • Система непрерывного мониторинга выбросов (CEMS): Cemtek Environmental Inc.

    Описание проекта

    Центральная генерирующая система округа округа Ориндж (OCSD) обеспечивает электроэнергией и теплом два районных очистных сооружения за счет сжигания метана (метана) в двигателе-генераторе.На заводе №1 работают три центральных энергоблока, каждый мощностью 2,5 мегаватт (МВт). На заводе № 2 имеется пять центральных энергоблоков мощностью 3 МВт каждый.

    Выбросы двигателей должны быть ниже порога, установленного Округом управления качеством воздуха южного побережья (South Coast AQMD), чтобы двигатели были разрешены. В сентябре 2012 года AQMD Южного побережья внесла поправки в существующее правило (Правило 1110.2), которое потребует значительного сокращения общих загрязнителей. Чтобы соответствовать новой поправке и другим существующим правилам, OCSD необходимо было установить новое оборудование для снижения выбросов на обоих своих заводах.

    Раньше OCSD сталкивалась с ограничениями в доступном газе для метантенка, чтобы управлять всеми центральными генерирующими установками одновременно. В то время как доступный газ для варочного котла увеличился и обеспечил большую производительность, ограничения по выбросам стали более серьезным ограничивающим фактором. Правило 1110.2 ввело жесткие ограничения на летучие органические соединения (ЛОС), оксиды азота (NOx) и монооксид углерода (CO), а также обязало ввести контроль за выбросами до 31 декабря 2015 года; позже в него были внесены поправки о продлении срока.Воздействие правила было широко распространено среди многих агентств по очистке сточных вод Южной Калифорнии.

    Для OCSD отказ от использования своих центральных генерирующих блоков из-за ограничений будет означать приобретение большей мощности из сети и сжигание большего количества газа, что приведет к неэффективному использованию побочного продукта устойчивой очистки сточных вод.

    OCSD применил новые передовые методы управления и проявил упреждающий подход, опробовав технологию контроля выбросов каталитического нейтрализатора для одного центрального энергоблока.После завершения пилотных испытаний и точной настройки округ нанял Black & Veatch для разработки и внедрения новой технологии на оставшихся семи блоках, а также модернизации пилотного блока до постоянного статуса.

    Комплексный подход к охране окружающей среды

    Варочный газ - это естественный побочный продукт очистки сточных вод. Многие агентства взяли на вооружение устойчивый подход к его выгодному использованию. Сжигание газа в варочном котле обеспечивает надежность процесса очистки OCSD; генерирующая мощность обеспечивает резервирование процессов в районе.Если из-за сейсмической активности в сети будет отключено электричество, OCSD сможет поддерживать основные процессы обработки. Это означает, что объекты могут функционировать без вредного воздействия на землю или воду.

    При отключении центральных генераторов из-за ограничений, установленных правилом, это резервирование будет потеряно.

    В основе проекта лежит контроль выбросов, что означает уменьшение загрязнения воздуха. По своей сути, предприятия OCSD очищают и перемещают сточные воды. Проект по контролю выбросов требовал компактной технологии, и проект был реализован без расширения зоны обслуживания OCSD.

    Качество

    Первый из блоков контроля выбросов был введен в эксплуатацию осенью 2015 года, и поэтапный подход к их вводу в эксплуатацию продолжается в начале 2016 года. Планируется, что все они будут введены в эксплуатацию в марте 2016 года.

    OCSD обеспечивает выбросы значительно ниже пределов, требуемых AQMD Южного побережья. Первый модернизированный двигатель демонстрирует сокращение выбросов NOx на 83% и сокращение выбросов CO на 98,6% по сравнению с неконтролируемыми выбросами. Концентрации загрязняющих веществ 5.9 ppm NOx и 4,7 ppm CO. Нормы Южного побережья AQMD требуют в среднем за 15 минут 11 ppm NOx и 250 ppm CO.

    Хотя контроль выбросов был центральным элементом проекта, дополнительные аспекты способствуют повышению эффективности и результативности. Установлены блоки гранулированного активированного угля для снижения силоксановой нагрузки на двигатели. Силоксан - это следовой продукт в газе варочного котла, который может накапливаться в виде отложений на турбинах двигателя и значительно снижать эффективность. Модернизация паровых конденсаторов и чиллеров, а также отремонтированные крыши над центральными энергоблоками были одними из основных моментов проекта.

    Новаторство и оригинальность

    Технология каталитического нейтрализатора является признанной технологией. Небольшие двигатели и генераторы уже давно используют каталитические нейтрализаторы для снижения выбросов. Крупные электростанции также используют эту технологию в макромасштабе по тем же причинам - контроль загрязнения.

    Центральные генерирующие блоки OCSD попадают в категорию где-то посередине; двигатели-генераторы намного больше, чем автомобильные, и намного меньше, чем типы больших электростанций.«Это устоявшаяся технология, но это приложение для когенерационных установок довольно новое», - сказал Энди Стэнтон, менеджер проекта Black & Veatch.

    «Когда мы были на стадии предварительного проектирования, было непросто найти поставщиков с опытом работы с двигателями такого размера», - сказал Стэнтон. «Казалось, что он упал в эту черную дыру, где он был слишком мал для электроэнергетики и слишком велик для рынка мобильной связи».

    Сложность

    Сложность проекта J-111 полностью связана с работой в тесноте и тесноте на основных производственных объектах, а также с эффективностью и графиком.Варочные котлы производят в основном метан, что создает проблемы при работе в замкнутых пространствах и без искрообразования. Кроме того, блоки расположены рядом, и координация модернизации существующего оборудования представляла трудности. «Даже такие вещи, как воздуховоды для выхлопа, находились в геометрических узких пространствах», - сказал Стэнтон. «Все это было продиктовано предыдущей конфигурацией, но на самом деле это была физическая трехмерная головоломка».

    Работа по проекту требовала значительной координации между планированием работ и регулярными операциями OCSD, включая обычные программы технического обслуживания.Тщательная организация была необходима для того, чтобы OCSD продолжала работать эффективно, без необходимости покупать больше электроэнергии для компенсации потерь или сжигать больше газа из варочного котла в качестве отходов.

    Вклад в социальное и / или экономическое развитие

    Несколько результатов отражают вклад проекта в социальное и экономическое развитие. Внедряя больше систем контроля выбросов, OCSD укрепляет свой статус «доброго соседа», внося положительный вклад в создание более чистой и здоровой окружающей среды.

    Рассмотрим также основной принцип устойчивости, заключающийся в выгодном использовании побочного продукта, который в противном случае сгорел бы. Благодаря усилению контроля за выбросами в процессе сжигания, проект обеспечивает тройную основу устойчивого развития: социальную, экологическую и финансовую.

    Использование газа варочного котла для выработки электроэнергии, как упоминалось ранее, создает надежность системы, позволяющую продолжать работу даже в случае серьезного отключения электроэнергии. И все это стало возможным благодаря внедрению новой технологии, которая вывела OCSD на передний край в области контроля выбросов.


    Щелкните изображения для увеличения в отдельном окне.

    Панель индикации давления в резервуаре подготовки газа метантенка.

    Старые и новые резервуары для обработки газа в варочном котле для удаления силоксана.

    Системы хранения и подачи мочевины.

    Внутри панели управления подачей мочевины, включая нагнетательные насосы.

    Панель управления подачей мочевины (вид снаружи).

    Дисплей ПЛК для системы контроля выбросов, показывающий конфигурацию системы.

    Показан выхлопной канал с корпусом катализатора (внутри изоляции).

    Трубка для впрыска мочевины (справа) и панель управления (слева).

    Панель впрыска мочевины (внутри).


    Щелкните здесь, чтобы вернуться к списку победителей 2016 года.

    В начало

    % PDF-1.3 % 501 0 объект > эндобдж xref 501 89 0000000016 00000 н. 0000002131 00000 п. 0000002686 00000 н. 0000003382 00000 н. 0000003624 00000 н. 0000003876 00000 н. 0000005101 00000 п. 0000006320 00000 н. 0000006560 00000 н. 0000007784 00000 н. 0000007807 00000 н. 0000009568 00000 н. 0000009591 00000 н. 0000009845 00000 н. 0000011074 00000 п. 0000012880 00000 п. 0000012903 00000 п. 0000014461 00000 п. 0000014484 00000 п. 0000014732 00000 п. 0000015955 00000 п. 0000017505 00000 п. 0000017528 00000 п. 0000017770 00000 п. 0000018996 00000 п. 0000019242 00000 п. 0000020472 00000 п. 0000022264 00000 п. 0000022287 00000 п. 0000023513 00000 п. 0000023762 00000 п. 0000025318 00000 п. 0000025341 00000 п. 0000026863 00000 п. 0000026886 00000 п. 0000028380 00000 п. 0000028691 00000 п. 0000028747 00000 п. 0000028768 00000 п. 0000029032 00000 н. 0000029343 00000 п. 0000029399 00000 н. 0000029421 00000 п. 0000030095 00000 п. 0000030406 00000 п. 0000030462 00000 п. 0000030483 00000 п. 0000030755 00000 п. 0000031066 00000 п. 0000031122 00000 п. 0000031144 00000 п. 0000031582 00000 п. 0000031893 00000 п. 0000031949 00000 п. 0000031971 00000 п. 0000032501 00000 п. 0000032812 00000 п. 0000032868 00000 п. 0000032889 00000 н. 0000033140 00000 п. 0000033451 00000 п. 0000033507 00000 п. 0000033530 00000 п. 0000040545 00000 п. 0000040856 00000 п. 0000040912 00000 п. 0000040933 00000 п. 0000041204 00000 п. 0000041515 00000 п. 0000041571 00000 п. 0000041593 00000 п. 0000042328 00000 п. 0000042639 00000 п. 0000042695 00000 п. 0000042716 00000 н. 0000042975 00000 п. 0000043286 00000 п. 0000043342 00000 п. 0000043364 00000 н. 0000043986 00000 п. 0000044297 00000 п. 0000044353 00000 п. 0000044375 00000 п. 0000044764 00000 п. 0000045075 00000 п. 0000045131 00000 п. 0000045154 00000 п. 0000002188 00000 н. 0000002664 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 502 0 объект > эндобдж 588 0 объект > транслировать Hb```a`g` ̀

    Результаты

    Следующие выводы из DECARBit могут быть использованы при рассмотрении различных маршрутов CCS как в отношении стоимости улавливания, так и передовых методов улавливания перед сжиганием.

    Это сводка результатов. Полный обзор см. В Окончательном опубликованном резюме.

    Краткое содержание

    Следующие выводы из DECARBit могут быть использованы при рассмотрении различных маршрутов CCS как в отношении стоимости улавливания, так и передовых технологий улавливания перед сжиганием.

    В ходе проекта были созданы модели интегрированного комбинированного цикла газификации (IGCC), включающие процессы, исследованные в DECARBit.Первой моделью был так называемый базовый вариант, который был разработан в рамках деятельности Европейской целевой группы по сравнительному анализу (EBTF) и опубликован в отчете. В результате исследований баланса тепла и массы на основе этих моделей, граничные условия и эксплуатационные требования были предоставлены другим SP для разработки и оценки новых процессов. Эти первые циклы были разработаны, включая новые процессы в виде черных ящиков, поскольку они были созданы в первый год проекта. Такие циклы стали отправной точкой для трех различных направлений деятельности.Первый - это анализ работоспособности электростанции Базового варианта. Были рассмотрены вариации большого количества условий с их ответами в цикле. Также было исследовано влияние этих ответов на эффективность и дизайн систем управления. Вторая заключалась в оценке затрат на критически важные компоненты, общих инвестиционных затрат, а также затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание. Очень важными результатами здесь являются стоимость электроэнергии новых циклов, стоимость улавливания CO 2 и стоимость предотвращения CO 2 .Третьим направлением деятельности был анализ рисков новых циклов, основанный на анализе характера отказов, последствий и критичности. Здесь в исследовании участвовали партнеры из SP1, SP2, SP3 и SP4.

    Независимо от этих трех видов деятельности EBTF разработала общую техническую и экономическую основу и набор из трех тестовых примеров - IGCC (базовый вариант DECARBit), сверхкритический пылевидный уголь (из проекта CESAR) и комбинированный цикл природного газа (из проект CAESAR).За последние полтора года периода реализации проекта DECARBit сосредоточился на создании четырех выбранных пилотных проектов с целью предоставления более точных цифр для анализа затрат CO 2 для выбранных и наиболее многообещающих процессов DECARBit. В следующей таблице, Таблица 1, приведены основные технико-экономические результаты, полученные в DECARBit. Цвета подчеркивают сравнительную ситуацию каждой технологии по каждому из исследуемых параметров, оранжевый цвет заливки является худшим, а голубой - лучшим в группе.

    Таблица 1 Основные технико-экономические результаты, полученные в DECARBit. Варианты DECARBIT (PSA, MDG, LT и ITM) сравниваются с базовым вариантом EBTF.

    PSA : Адсорбция при переменном давлении,
    MGD : Десорбция мембранного газа,
    LT : Низкотемпературная сепарация,
    ITM : Высокотемпературная мембранная сепарация воздуха,
    % - более высокие значения, рекомендуемые для новых циклов,
    BESP : Безубыточная отпускная цена на электроэнергию = Затраты на электроэнергию, удельные инвестиции (SI) включают затраты на строительство, справочный год - 2008

    Главный вывод заключается в том, что технология LT кажется наиболее экономичной, способной захватить на 19.5 евро за тонну, за которыми следуют PSA и MGD на уровне 25,1 евро и 25,7 евро соответственно. ITM достигла самых высоких затрат на улавливание - 29 евро за тонну. Однако следует отметить, что коэффициент захвата для выбранных случаев инвертирован относительно стоимости захвата, где наиболее экономичная технология LT имеет коэффициент захвата только 76,5%. С другой стороны, LT снова оказывается лучшей альтернативой с точки зрения эффективности, общей стоимости установки, удельных инвестиций, чистой выработки электроэнергии, переменных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, безубыточной отпускной цены на электроэнергию, а также затрат на CO 2 , которых удалось избежать.Вариации скорости захвата для разных случаев являются компромиссом и были выбраны на основе каждой известной в настоящее время оптимальной работы каждой системы. Для сравнения, базовый сценарий, разработанный EBTF, имеет стоимость улавливания 23,9 евро за тонну и коэффициент улавливания 91%.

    Одна из причин, по которой технология LT смогла получить довольно низкие затраты на захват, заключается в том, что она была оптимизирована на протяжении всего проекта DECARBit. Дальнейшая оптимизация конкурирующих альтернатив может привести к несколько меньшим затратам на улавливание.Что касается технологии IGCC, интегрированной в мембрану переноса кислорода (OTM), ее все еще можно улучшить, особенно когда речь идет об улучшенной конфигурации электростанции, повышенных скоростях потока и новых циклах, то есть интеграции ITM в сектор производства электроэнергии. Когда дело доходит до альтернативы MGD, улучшения могут быть достигнуты за счет значительного увеличения плотности потока от построенной пилотной установки. Наконец, альтернатива PSA нуждается в улучшении как эффективности, так и степени улавливания, чтобы стать жизнеспособной альтернативой.

    Пилоты

    Важной частью проекта были пилотные исследования. Было выбрано четыре пилота, которые описаны ниже.

    • На основе комбинаций растворителя и мембраны, эффективность которых подтверждена TIPS
    • Новые растворители и / или мембраны будут испытаны в рамках предлагаемого пилотного проекта, как только они станут доступны.
    • В настоящее время обсуждается вопрос об испытании подходящего растворителя Shell.
    • Тестирование различных систем растворителей, включая ионные жидкости и оптимизированные химические или физические растворители, будет выполнено TU Delft.



    Пилот 1: Общий вид (слева) и схема (справа) пилотной мембранной установки для процесса HPT MGD


    • Успешная демонстрация экспериментального образца лаборатории OTM в качестве доказательства принципа является реалистичной целью.
    • Пилотный проект, основанный на принципах, изложенных в этой работе, извлечет выгоду из преимущества недорогого материала подложки, химически стабильного мембранного материала и процедур изготовления, которые могут быть расширены за пределы запланированной разработки.
    • Технологии находятся на ранней стадии разработки
    • Участие как производителя, так и возможного конечного пользователя приносит пользу этой деятельности
    • Pilot внесет значительный вклад в достижение общих целей DECARBit.


    Pilot 2: Различные мембранные модули, одно- и многотрубные


    • Предлагается пилотная установка для определения производительности интегрированных ступеней дистилляции с концентрическим нагревом, используемых для разделения воздухоподобной смеси в криогенных условиях.
    • Будет оценена экономическая целесообразность применения этой технологии в установке разделения воздуха.
    • Организацией строительства и эксплуатации пилотной установки будут заниматься SINTEF-ER и NTNU. Air-Liquide будет выполнять роль консультанта
    • Пилот будет располагаться на базе SINTEF-ER в Тронхейме, Норвегия.

    Пилотный 3: a) Концепция дистилляционной колонны с интегрированным нагревом (HIDiC) и b) Экспериментальная установка для HIDiC


    • Испытания на сгорание под высоким давлением с H 2 богатые типы топлива нуждаются в испытаниях для количественной оценки компромиссов различных критериев эффективности двигателей GT.
    • Такие данные необходимы для расчета стоимости электроэнергии и, как следствие, для любого прогноза затрат на улавливание и хранение CO 2 .
    • Этот пилотный проект был оценен как наиболее близкий к тестированию и разработке демонстрационного масштаба.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *