jármű , közlekedési...

BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék Veress Á.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Budapest, 1111, Sztoczek u. 6 J. ép. 4. em.

Tel: 36-1-463-1922, Fax: 36-1-463-30-80, E-mail:

[email protected]

Jármű-, közlekedési- és

logisztikai rendszerek

(BMEKODHA149)

Áramlástan és

Propulziós hajtóművek

Dr. Veress Árpád egyetemi docens

elérhetőség:

J. ép. 426, 422 (titkárság, postaláda)

[email protected]

Budapest, 2016 Szeptember 5. VER_1-1

http://www.styleofspeed.com/air/plane/hyperjet/hjf-1/index.htm

1


http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszat-

nap-csillag-felfedezes-nasa.html

VER_1-1 Tartalomjegyzék

1. Bevezetés és történeti áttekintés

2. Csoportosítás és alapvető működés

3. Tolóerő képzés alapjai

4. Hajtóművek alkalmazási területeinek főbb okai

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








4. Propulziós hajtóművek alkalmazási területei



VER_1-1 1. Bevezetés és történeti áttekintés

4

K.e. ~ 250, Heron gőzsugár

hajtású gépe (eolipila)

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



5

K.u. ~ 1000, lőpor felfedezése (Kína), Kínai tüzes nyilak egy

1232-s csatában Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006



6

K.u. 1486-1490 között Leonardo da Vinci több mint 500 ábrát készített az

emberi repülésről. Kéményes forgató mechanizmus 1500-ból Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006



7

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

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



8

1903 december 17, Wright testvérek, első motoros repülés

Orville Wright Wilbur Wright

https://hu.wikipedia.org/wiki/Wright_fiv%C3%A9rek

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/Orville_Wright.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Wilbur_Wright.jpg



9

- Konstantian Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935, orosz)

Rakéta alkalmazásának első javaslata az űr meghódítására.

Rakéta működésének elméleti alapját dolgozta ki és tette közzé.

1903-ban publikálta tanulmányát folyékony hajtóanyagú rakéták

alkalmazásáról a nagyobb hatótávolság érésének érdekében.

http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/19.html

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

Rockets into Space by Craig Frank H. Winter, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1990



- Dr. Robert Goddard (1882-1945, amerikai)

Kiváló elméleti és gyakorlati szakember több, mint 200

szabadalommal.

1926. Március 16.-n ő indított először sikeresen folyékony

hajtóanyagú rakétát.

Az első repülés

folyékony

hajtóanyagú

rakétával

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

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



- Dr. Hermann Oberth (1894-1989, német)

Magyar születésű német, aki rakéta hajtás területén elért eredményei

miatt egy szinten említendő Tsiolkovsky-val és Goddard-dal. 1930-

ban tesztelte kutatócsoportjával (benne Wernher von Braunnal) a kb.

66.72 N tolóerő leadására képes folyékony hajtóanyagú rakétáját.

11

Dr.

Hermann

Oberth

Wernher

von Braun

(18)


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



- Dr. Wernher von Braun (1912-1977, német, amerikai)

Az első nagy hatótávolságú rakéta (V-2) megalkotója; a kb. 14.3 m

hosszú rakéta alkoholt és folyékony oxigént használt hajtóanyagnak.

A II. vh. után az amerikai rakétahajtómű fejlesztés kiemelkedő alakja.

1960-1970: igazgató, NASA Marshall Űrrepülési Központ.

12 Credit: V-2 Rocket.Com

Az első

kilövés az

űrbe (1942)


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



13

1939 augusztus 27-n, Heinkel He 178 volt az első repülőgép, amely

gázturbinás sugárhajtóművel szállt fel http://www.fiddlersgreen.net/models/aircraft/Heinkel-178.html



14

A Heinkel He 178 hajtóműve: He S-3, Hans von Ohain szabadalma 1936-

ban, egy olyan hajtóműre, amely a kipufogó gázokat használta fel hajtásra https://en.wikipedia.org/wiki/Heinkel_HeS_3#/media/File:HeS_3_Turbojet.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f4/HeS_3_Turbojet.jpg



15

Jendrassik György (Budapest, 1898. május 13.

– London, 1954. február 8.) magyar

gépészmérnök. A dízelmotorok és gázturbinák

fejlesztése terén ért el kimagasló eredményeket.

~86 szabadalma van. 1940 100 kW lcs gt.

amely 1000 kW volt tervezve. A CS–1 a Budapesti Műszaki

Múzeumban

A CS–1 légcsavaros

gázturbina

https://hu.wikipedia.org/wiki/Jendrassik_Gy%C3%B6rgy

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

http://hu.wikipedia.org/w/index.php?title=F%C3%A1jl:Jendrassik_gyorgy.jpg&filetimestamp=20091104055641

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/hu/5/53/CS-1.JPG



16

• 1940, Rolls-Royce lcs. gt. hm. RB50 Trent (Whittle alapján)

• 1942, GE, I-A gt shm. Bell XP-59 repülőgépbe építve, első az USA-ban.

Ebből alakult ki a sorozatban gyártott J-31-s.

• 1944, Rolls-Royce Nene shm. Ennek a jogát adták el a Pratt and Whitney-

nek, illetve az oroszoknak (MIG-15 shm. alapja)

RB50 Trent

http://forum.keypublishing.com/attachment.php?attachmentid=111267&d=1138132702

http://www.enginehistory.org/Museums/neam.shtml Rolls-Royce Nene shm.


VER_1-1

18




VER_1-1

19


Dugattyús motor légcsavar hajtására

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

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

Lycoming O-320-D2A a Symphony SA-160

repülőgépen


VER_1-1

20




VER_1-1

21


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

Fuel: H2, )

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


VER_1-1

22




VER_1-1

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


Torlósugár hajtómű


VER_1-1

24




VER_1-1

25


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

Lüktető sugárhajtóművek

V-1 lüktető sugárhajtómű



VER_1-1

26




VER_1-1

27


Gázturbinás hajtóművek

Kis kétáramúsági fokú háromtengelyes

utánégetős gázturbinás sugárhajtómű Nagy kétáramúsági fokú háromtengelyes

gázturbinás sugárhajtómű

Nagy kétáramúsági fokú, légcsavaros,

kéttengelyres gázturbinás hajtómű Egyáramú, tengelyteljesítményt leadó

kéttengelyes gázturbinás hajtómű

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


VER_1-1

28



VER_1-1

29




VER_1-1

~M=2.5-3 az átkapcsolási Mach szám

30



Kombinált gázturbinás és torlósugár hajtóművek

SR-71 Blackbird, 1964-1998, M 3.3, 24 km. Nagy hatótávolságú stratégiai felderítő repülő.


VER_1-1

31




VER_1-1

3500 C°

Kerosene and liquid

oxygen

+ kerosene for cooling

and for additional thrust

due to the burning at

afterburner

Smaller and lighter than turbojet/ramjet,

but it has higher fuel consumption.

Applicable at high speed and high

altitude with high performance 32



Kombinált gázturbinás és rakéta hajtóművek


VER_1-1

33




VER_1-1

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

The advantage over the gas-generator cycle is that all of the propellants are burned at the optimal mixture

ratio in the main chamber and no flow is dumped overboard. The staged combustion cycle is often used for

high-power applications. 34


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


VER_1-1

Folyékony tüzelőanyagú (hajtóanyagú) rakéták (expanziós és túlnyomásos rendszerű)

A fúvócső miatt elpárolgó tüzelőanyag expandál a turbinán

keresztül (tüz.a.: pl. hidrogén vagy metán az alacsony

forráspont miatt) közepes hajtóműméretek esetén alkalmazzák.

A tüzelőanyag és az oxidálószer

túlnyomás hatására jut be az égőtérbe (a

legegyszerűbb és a legmegbízhatóbb). 35




VER_1-1

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

Solid rockets motors store propellants in solid form. The fuel is typically powdered aluminum and the

oxidizer is ammonium perchlorate. A synthetic rubber binder such as polybutadiene holds the fuel and

oxidizer powders together. Though lower performing than liquid propellant rockets, the operational

simplicity of a solid rocket motor often makes it the propulsion system of choice. 36




VER_1-1

37


https://en.wikipedia.org/wiki/Variable_Specific_Impulse_Magnetoplasma_Rocket

Változtatható impulzussűrűségű mágnesplazma rakéta (Variable

Specific Impulse Magnetoplasma Rocket)

1. A gázt csavarvonal alakú rádióantennák

segítségével plazma állapotig fűtik,

2. a plazmát tovább fűtik, immár

rádióhullámok segítségével,

3. végül pedig mágneses terek segítségével

a plazma belső hőenergiáját kinetikus

energiává konvertálják.

A jelenlegi VASIMR tervek 30 és 300

km/s felső gázkiáramlási

sebességhatárral számolnak. Továbbá

az eddigi ionhajtóművekhez képest

sokkal nagyobb, megawatt

nagyságrendű teljesítményt képes

produkálni.

A Föld-Mars utazás 2,5 évről 5 hónapra

csökkenthető ha tökéletesítik (NASA).


VER_1-1

39

3. Tolóerő képzés alapjai - Energiaforrások

A termodinamika I. főtétele:

energiaátalakulás a munka,

a hő és a munkaközeg

energiája között hő

A termodinamika II. főtétele:

1. A valóságos folyamatok nem

megfordíthatóak

2. Magas hőmérséklet és nyomás ciklikus

vagy folyamatos előállításával

3. Adott hatásfokkal: termikus hatásfok

Az I. főtétel nyitott rendszerre:

PQII

1212

be

elbe

be

.körf

tq

qq

q

w


VER_1-1

40


A tolóerő-képzés esetén alapvetően többféle olyan propulziót létrehozó

technikai megoldásról is beszélhetünk, mint például:

-Hajócsavar

-Lapátkerék

-Légcsavar

-Helikopter szárnyak

-Evezők

-Sugárhajtómű (víz – sugárhajtómű, gáz – sugárhajtómű)

-Rakéta

Propulziós hajtómű alapvető

működése. v a hajtóműbe

beáramló közeg sebessége, w: a

hajtóműből kiáramló közeg

sebessége.

?

Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok


VER_1-1

41


külsőkimkt

ppAvwmF

N

vFPt.vont

W

sugár

.vont

propulziósP

P

;v 0 max;Ft .Pvont 0

;wv ;Ft

0 .Pvont 0

1. ;p

0

2.

Ha

Ha ;p

1

Jellegzetes pontok:


mV

dt

Vdm

dt

mdV

dt

mVdF

1

pAF 2

külsőkimkt

ppAwmF

w

tF

kip

külsőp

v Amunkaközeg

m

ha v=0 (pl. rakéta):

22

1vwmvFPPP

mktvesztsugársugár

munkaközegm

ha pki=pkülső:

w

vw

v

)vw(mv)vw(m

v)vw(m

P

P

mkmk

mk

sugár

.vont

p

1

2

2

1 2


VER_1-1

42


w

vw

v

p

1

2

vwmFmkt



VER_1-1

43

Ellentmondás: Nagy tolóerő és jó propulziós hatásfok egyszerre nem lehet, ha

a sebességeket vizsgáljuk (teljes expanzió esetén):

Feloldás: nagy tömegáram

Fejlesztési irányok: nagy kétáramúsági fokú hajtóművek (nagy hajtómű

keresztmetszet → nagy tömegáram → nagy tolóerő, kisebb w → nagyobb

propulziós hatásfok (egyáramú hm: 0,4-0,5, nagy kétáramúsági fokú korszerű

hm: 0,8 is lehet))

Propulziós rendszerek alkalmazásának határai repülőgép hajtóműveknél

Légcsavar: ~ 0,7 M-ig (speciálisan 1,1 M-ig)

Kétáramú: ~ 0,9 M-ig (speciálisan 2 M-ig)

Egyáramú: ~ 2-3 M-ig

Utánégetős: ~ 2-3 M-ig



w

vw

v

)vw(mv)vw(m

v)vw(m

P

P

mkmk

mk

sugár

.vont

p

1

2

2

1 2

vwmFmkt


0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500

repülési sebesség [m/s]

összh

atá

sfo

k [

%]

Tengelyteljesít-

ményt leadó

gázturbinás

hajtómű

Kis

kétáramúsági

fokú gázturbinás

sugár hajtómű

Torlósugár-

hajtómű

Hajtómű-konfigurációk összehasonlító burkológörbéi az összhatásfok

szempontjából 10 km magasan és különböző repülési sebességeken

Korsz. légcsavaros hm.

Korsz. kétáramú hm.

hm.egyáramú 5040 ,,prop

VER_1-1 4. Propulziós hajtóművek alk. területei

45

280

80990950400350

970950

,

,,,,,

,,P

P

P

P

Q

P

Q

Q

tengely,h

vontatási

.körf,h

tengely,h

be

.körf,h

égés

be

lcsmechttüzö

26070

40350970950

,,

,,,,

P

P

Q

P

Q

Q

sugár

vontatási

be

sugár

égés

be

propttüzö


VER_1-1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2

repülési Mach szám [-]

no

rmali

zált

ható

távo

lság

-tén

yező

[-]

dugattyús motor

légcsavarosgázturbinássugárhajtómű

ventillátorosgázturbinássugárhajtómű,kétáramúsági fok: 5egyáramúsugárhajtómű

torlósugár-hajtómű

Hatótávolság: 8000 km

A hatótávolság-tényező a tüzelőanyag és a hajtómű össztömegének, illetve a hajtómű tolóerejének a

hajtómű gondola ellenálláserejével csökkentett hányadosa adott repülési sebességen és hatótávolságon.

Az összefüggésből egyértelműen következik, hogy a kisebb értékek a jobbak.

A hatótávolság-

tényező

normálása a

ventillátoros

gázturbinás

sugárhajtómű

paramétereivel

történt (10

kg/daN, M=0,2,

távolság: 8000

km). Az adatok

csak jelzés

értékűek.

46

4. Propulziós hajtóművek alk. területei


VER_1-1

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



VER_1-1

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



VER_1-1

49

Mach

Nr.

I sp

Pulse Detonation Engine

(PDE) POTENTIAL

Specific impulse:

sgm

TI

fuel

sp



VER_1-1

50



VER_1-1

Köszönöm a figyelmet.

Kapcsolat: Dr. Veress Árpád

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi

Egyetem (BME)

Repülőgépek és Hajók Tanszék

Budapest, 1111, Sztoczek u. 6 J. ép. 4. em.

Tel: + 36-1-463-1922, Fax: + 36-1-463-30-80,

E-mail: [email protected]

51

jármű , közlekedési...

Documents