Сокращение расхода топлива авиационных двигателей за счет применения композитов, приводящее к повышению КПД двигателей и снижению массы самолета. Экономический эффект применения композиционных материалов. Консультации по Скайп и промышленные работы по авиации, двигателям, искусственному интеллекту, генерации идей, электронике, физике, математике, информатике, программированию, техническим дисциплинам по Скайп da.irk.ru

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

Термический КПД теплового двигателя (турбовинтового двигателя)

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

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

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

Термический КПД модернизированного двигателя

где T₁_м - температура нагревателя (температура газов перед турбиной модернизированного двигателя), К

Если модернизировать турбовинтовой двигатель НК-12 путем применения композиционных материалов, позволяющих повысить температуру газов перед турбиной до T₁_м = 2100 К, то получим термический КПД модернизированного двигателя НК-12

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

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

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

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

где X_a - сила лобового сопротивления самолета, Н;

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

X_a - сила лобового сопротивления самолета, Н.

где m_ср - средняя полетная масса самолета, кг;

Подставим в формулу, определяющую аэродинамическое качество самолета

Отсюда сила лобового сопротивления самолета

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

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

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

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

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

Введем обозначение для увеличенного КПД модернизированного двигателя

Увеличенный КПД самолета с модернизированным двигателем

Выразим уменьшение потребной массы топлива Δm_т

Выразим уменьшение потребной массы топлива

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

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

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

K - коэффициент аэродинамического качества самолета;

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

1000 - коэффициент, переводящий килограммы в граммы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.1 Расчет стоимости летного часа самолета

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

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

А = А_а.с+ А_а.д + А_т.о.с + А_т.о.д + А_т + А_з.п + В_ап (31)

3.1.1 Расходы на амортизацию самолета

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

С_с – стоимость самолета без двигателей, руб.

k_сер.с – коэффициент, учитывающий серийность проектируемого самолета:

k_V - коэффициент, учитывающий расчетную скорость полета проектируемого самолета

где V_кр – крейсерская скорость полета, км/ч.

k_p_._c – отношение стоимости одного капитального ремонта к первоначальной стоимости самолета:

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

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

3.1.2 Расходы на амортизацию двигателей

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

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

n_дв– количество двигателей, установленных на самолете;

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

где N₀_i – взлетная мощность одного двигателя, кВт;

k_сер.дв – коэффициент, учитывающий серийность двигателя самолета:

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

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

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

3.1.3 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание самолета

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

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

3.1.4 Расходы на текущий ремонт и техническое обслуживание двигателей

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

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

n_дв– количество двигателей, установленных на самолете;

Т_дв – амортизационный или полный срок службы двигателя.

3.1.5 Стоимость расходуемого в полете топлива

Стоимость расходуемого в полете топлива, руб./ч

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

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

m_т – масса расходуемого в полете топлива, кг;

V_рейс – рейсовая скорость самолета, приняли V_рейс = 0,8V_кр, км/ч;

3.1.6 Расходы на заработную плату экипажа

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

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

3.1.7 Косвенные (аэропортовые) расходы

3.1.8 Оценка расходов на эксплуатацию самолета в течение одного летного часа

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

3.2 Экономический эффект снижения массы самолета на 1 кг

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

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

3.3 Экономический эффект снижения массы планера самолета за счет композиционных материалов

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

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

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

3.4 Экономический эффект увеличения КПД двигателей

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

Снижение стоимости расходуемого в полете топлива, руб./час

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

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

V_рейс – рейсовая скорость самолета, приняли V_рейс = 0,8V_кр, км/ч;

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

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

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

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

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

А_м= А_а.с+ А_а.д + А_т.о.с + А_т.о.д + А_{т м} + А_з.п + В_ап. (53)

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

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

4 Список использованных источников

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

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