Jármű-, közlekedési- és logisztikai rendszerek (BMEKODHA149)

Budapest, 2016 Szeptember 5. Jármű-, közlekedési- és logisztikai rendszerek (BMEKODHA149) Áramlástan és Propulziós hajtóművek http://www.styleofspeed.com/air/plane/hyperjet/hjf-1/index.htm 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: drohacs@vrht.bme.hu Dr. Veress Árpád egyetemi docens elérhetőség: J. ép. 426, 422 (titkárság, postaláda) averess@vrht.bme.hu 1

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés és történeti áttekintés 2. Csoportosítás és alapvető működés 3. Tolóerő képzés alapjai 4. Hajtóművek alkalmazási területeinek főbb okai http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszatnap-csillag-felfedezes-nasa.html http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszat-nap-csillag-felfedezes-nasa.html 2

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés és történeti áttekintés 2. Csoportosítás és alapvető működés 3. Tolóerő képzés alapjai 4. Propulziós hajtóművek alkalmazási területei http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszatnap-csillag-felfedezes-nasa.html http://www.origo.hu/tudomany/20150724-fold-kepler452b-kepler-urtavcso-csillagaszat-nap-csillag-felfedezes-nasa.html 3

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 4

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 5

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 6

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 7

1. Bevezetés és történeti áttekintés Wilbur Wright Orville Wright 1903 december 17, Wright testvérek, első motoros repülés https://hu.wikipedia.org/wiki/wright_fiv%c3%a9rek 8

1. Bevezetés és történeti áttekintés - 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 9

1. Bevezetés és történeti áttekintés - Dr. Robert Goddard (1882-1945, amerikai) Kiváló elméleti és gyakorlati szakember több, mint 200 szabadalommal. 1926. Március 16.-n ő indított először sikeresen folyékony hajtóanyagú rakétát. Az első repülés folyékony hajtóanyagú rakétával http://www.grc.nasa.gov/www/k-12/trc/rockets/history_of_rockets.html http://grin.hq.nasa.gov/abstracts/gpn-2002-000132.html 10

1. Bevezetés és történeti áttekintés - 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. Wernher von Braun (18) Dr. Hermann Oberth http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/28.html http://www.allstar.fiu.edu/aero/rock2.htm 11

1. Bevezetés és történeti áttekintés - Dr. Wernher von Braun (1912-1977, német, amerikai) Az első nagy hatótávolságú rakéta (V-2) megalkotója; a kb. 14.3 m hosszú rakéta alkoholt és folyékony oxigént használt hajtóanyagnak. A II. vh. után az amerikai rakétahajtómű fejlesztés kiemelkedő alakja. 1960-1970: igazgató, NASA Marshall Űrrepülési Központ. Az első kilövés az űrbe (1942) Credit: V-2 Rocket.Com http://history.msfc.nasa.gov/rocketry/29.html http://www.postwarv2.com/misc/signedphoto01.jpg 12

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 13

1. Bevezetés és történeti áttekintés 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 14

1. Bevezetés és történeti áttekintés A CS 1 légcsavaros gázturbina Jendrassik György (Budapest, 1898. május 13. London, 1954. február 8.) magyar gépészmérnök. A dízelmotorok és gázturbinák fejlesztése terén ért el kimagasló eredményeket. ~86 szabadalma van. 1940 100 kw lcs gt. amely 1000 kw volt tervezve. https://hu.wikipedia.org/wiki/jendrassik_gy%c3%b6rgy http://www.omikk.bme.hu/archivum/magyarok/htm/jendrassikrov.htm A CS 1 a Budapesti Műszaki Múzeumban 15

1. Bevezetés és történeti áttekintés 1940, Rolls-Royce lcs. gt. hm. RB50 Trent (Whittle alapján) 1942, GE, I-A gt shm. Bell XP-59 repülőgépbe építve, első az USA-ban. Ebből alakult ki a sorozatban gyártott J-31-s. 1944, Rolls-Royce Nene shm. Ennek a jogát adták el a Pratt and Whitneynek, illetve az oroszoknak (MIG-15 shm. alapja) RB50 Trent http://forum.keypublishing.com/attachment.php?attachmentid=111267&d=1138132702 http://www.enginehistory.org/museums/neam.shtml Rolls-Royce Nene shm. 16

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

2. Csoportosítás és alapvető működés Dugattyús motor légcsavar hajtására Lycoming O-320-D2A a Symphony SA-160 repülőgépen https://en.wikipedia.org/wiki/lycoming_o-320 http://patentimages.storage.googleapis.com/us20080027620a1/us20080027620a1-20080131-d00000.png 19

2. Csoportosítás és alapvető működés Scramjet (Supersonic Combustion Ramjet) engine (M= 12-24, Fuel: H 2, ) http://en.wikipedia.org/wiki/file:scramjetengine.jpg 21

2. Csoportosítás és alapvető működés Torlósugár hajtómű Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006 23

2. Csoportosítás és alapvető működés Lüktető sugárhajtóművek V-1 lüktető sugárhajtómű Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006 https://en.wikipedia.org/wiki/v-1_flying_bomb 25

2. Csoportosítás és alapvető működés Gázturbinás hajtóművek Kis kétáramúsági fokú háromtengelyes utánégetős gázturbinás sugárhajtómű Nagy kétáramúsági fokú háromtengelyes gázturbinás sugárhajtómű Nagy kétáramúsági fokú, légcsavaros, kéttengelyres gázturbinás hajtómű Joachim Kurzke, http://www.gasturb.de/ Egyáramú, tengelyteljesítményt leadó kéttengelyes gázturbinás hajtómű 27

2. Csoportosítás és alapvető működés 28

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

2. Csoportosítás és alapvető működés Kombinált gázturbinás és rakéta hajtóművek 3500 C Smaller and lighter than turbojet/ramjet, but it has higher fuel consumption. Applicable at high speed and high altitude with high performance Ahmed F. El-Sayed: Aircraft Propulsion and Gas Turbine Engine, ISBN 978-0-8493-9196-5, Taylor & Francis, 2006 Kerosene and liquid oxygen + kerosene for cooling and for additional thrust due to the burning at afterburner 32

2. Csoportosítás és alapvető működés 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

2. Csoportosítás és alapvető működés olyékony 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. http://www.braeunig.us/space/propuls.htm A tüzelőanyag és az oxidálószer túlnyomás hatására jut be az égőtérbe (a legegyszerűbb és a legmegbízhatóbb). 35

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

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

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: t w körf. q be q be q be q el I I Q 2 1 12 P 39

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

3. Tolóerő képzés alapjai Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok F 1 F 2 mv dm dv d dt pa V dt m N dt Vm v m munkaközeg F t A w p külső p ki m munkaközeg F t m mk Pvont. Ft v W propulziós w v Ap p P P vont. sugár Jellegzetes pontok: 1. Ha v 0; p 0; 2. Ha ; ki P sugár külső ha p ki =p külső : P sugár p ha v=0 (pl. rakéta): F t max; P vont 0. v w; p 1 F t 0; P vont 0. P P P vont. sugár veszt F v m t mk 1 2 m m mk mk F ( w v )v t m mk w v 2 ( w v )v m 2 w A p 1 2 mk( w v ) ki 41 p külső v 2 w v 1 w

3. Tolóerő képzés alapjai Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok v 2 w p v 1 w F m w v t mk 42

3. Tolóerő képzés alapjai Tolóerő-képzés, teljesítmény és propulziós hatásfok Ellentmondás: Nagy tolóerő és jó propulziós hatásfok egyszerre nem lehet, ha a sebességeket vizsgáljuk (teljes expanzió esetén): Ft m mk w v v 2 Pvont. mmk ( w v )v w p P 1 v sugár 2 mmk ( w v )v mmk ( w v ) 1 2 w Feloldás: nagy tömegáram Fejlesztési irányok: nagy kétáramúsági fokú hajtóművek (nagy hajtómű keresztmetszet nagy tömegáram nagy tolóerő, kisebb w nagyobb propulziós hatásfok (egyáramú hm: 0,4-0,5, nagy kétáramúsági fokú korszerű hm: 0,8 is lehet)) Propulziós rendszerek alkalmazásának határai repülőgép hajtóműveknél Légcsavar: ~ 0,7 M-ig (speciálisan 1,1 M-ig) Kétáramú: ~ 0,9 M-ig (speciálisan 2 M-ig) Egyáramú: ~ 2-3 M-ig Utánégetős: ~ 2-3 M-ig 43

összhatásfok [%] 4. Propulziós hajtóművek alk. területei P P Korsz. légcsavaros hm. ö Q Q be égés tüz vontatási h,tengely P t h,körf. Q mech be P h,tengely P lcs h,körf. 0, 95 0, 97 0, 35 0, 40 0, 95 0, 99 0, 8 0, 28 Korsz. kétáramú hm. ö Q Q be égés tüz P 0, 95 0, 97 0, 7 0, 26 t sugár Q be prop P P vontatási sugár 0, 35 0, 4 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 repülési sebesség [m/s] Tengelyteljesítményt leadó gázturbinás hajtómű Kis kétáramúsági fokú gázturbinás sugár hajtómű Torlósugárhajtómű Hajtómű-konfigurációk összehasonlító burkológörbéi az összhatásfok szempontjából 10 km magasan és különböző repülési sebességeken 0, 4 0, 5 egyáramú hm. prop 45

normalizált hatótávolság-tényező [-] 4. Propulziós hajtóművek alk. területei 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 repülési Mach szám [-] dugattyús motor légcsavaros gázturbinás sugárhajtómű ventillátoros gázturbinás sugárhajtómű, kétáramúsági fok: 5 egyáramú sugárhajtómű torlósugár-hajtómű Hatótávolság: 8000 km A hatótávolságtényező normálása a ventillátoros gázturbinás sugárhajtómű paramétereivel történt (10 kg/dan, M=0,2, távolság: 8000 km). Az adatok csak jelzés értékűek. A hatótávolság-tényező a tüzelőanyag és a hajtómű össztömegének, illetve a hajtómű tolóerejének a hajtómű gondola ellenálláserejével csökkentett hányadosa adott repülési sebességen és hatótávolságon. Az összefüggésből egyértelműen következik, hogy a kisebb értékek a jobbak. 46

4. Propulziós hajtóművek alk. területei http://documents.mx/documents/propulsionpt1pdf.html 47

4. Propulziós hajtóművek alk. területei http://documents.mx/documents/propulsionpt1pdf.html 48

4. Propulziós hajtóművek alk. területei Pulse Detonation Engine (PDE) POTENTIAL I sp I Specific impulse: sp T m fuel g s Mach Nr. 49

4. Propulziós hajtóművek alk. területei 50

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: averess@vrht.bme.hu 51