Badania symulacyjne bilansu cieplnego silnika Diesla przeznaczonego do napędu lekkiego śmigłowca

Transkrypt

1 SZLACHETKA Marcin 1 PIETRYKOWSKI Konrad 2 MAGRYTA Paweł 3 Badania symulacyjne bilansu cieplnego silnika Diesla przeznaczonego do napędu lekkiego śmigłowca WSTĘP W świetle ciągłego rozwoju rynku transportu ludzi za pomocą helikopterów w ramach tzw. Air taxi, ten środek transportu nie jest już postrzegany jako zarezerwowany dla wojska i wysokich urzędników państwowych. Jednakże, pomimo rozwoju technologii wytwarzania koszty zakupu oraz eksploatacji śmigłowców są nadal bardzo wysokie. Zaletą tego środka transportu jest przede wszystkim krótki czas dotarcia do celu podróży oraz to, że nie wymagają one specjalnie przygotowanych lotnisk. Prognozy Frost&Sulivan wskazują, że rynek helikopterów cywilnych poszerzy się z liczby sztuk w roku 2009 do prawie 37 tysięcy w roku Dodatkowo przewiduje się ok. 22% wzrost sprzedaży takich jednostek latających w ciągu najbliższych 5 lat w krajach Azji, Afryki i bliskiego Wschodu [1]. Jednocześnie w styczniu 2011 roku w Polsce zarejestrowanych było od 2215 statków powietrznych z czego 852 stanowiły samoloty i helikoptery zarejestrowane na osoby fizyczne, co daje 3,6% wzrost w porównaniu do roku Od 2006 roku liczba statków latających zarejestrowanych przez firmy wzrosła o 57% [1]. Według opracowania KPMG w Polsce, na podstawie danych Urzędu Lotnictwa Cywilnego można zauważyć że od kilku lat regularnie przybywa samolotów i helikopterów rejestrowanych na firmy. Przytoczone dane świadczą o rozwoju rynku helikopterów jako środków transportu osobowego. Rozwój ten hamowany jest przez wysokość kosztów eksploatacji, na które w największym stopniu wpływa koszt paliwa. Obecnie stosowane silniki turbinowe stanowią poważny udział w kosztach produkcji oraz eksploatacji helikopterów. Obniżenie kosztów eksploatacji takiego środka transportu pozwoliłoby na jego większe rozpowszechnienie. Niepodważalną zaletą silników turbinowych jest mały masowy wskaźnik mocy. Przykładowo silnik Rolls-Royce M250-C20B, stosowany w nowoczesnych lekkich helikopterach Sikorsky S-434, osiąga wartość masowego wskaźnika mocy 4,3 kw/kg [2]. Ciekawym pomysłem wydaje się zastosowanie nowoczesnego silnika Diesla do napędu helikoptera. Głownie dzięki niższym kosztom zakupu i eksploatacji takich silników. Dla porównanie seryjnie montowany silnik diesla BMW M67D44 osiąga 1,26 kw/kg [3]. Pomimo tego dużą zaletą przemawiającą na korzyść silników diesla jest małe zużycie paliwa, wynikające z większej sprawności procesu roboczego. Podczas gdy jednostkowe zużycie paliwa silnika M250-C20B wynosi 470 g/kwh, dla współczesnych silników diesla zejście poniżej wartości 190 g/kwh nie stanowi problemu. Według analizy porównawczej silnika diesla z turbinowymi silnikami śmigłowcowymi [4] zużycie paliwa dla silnika diesla jest ponad dwukrotnie mniejsze niż dla silników turbinowych porównywalnej mocy. Świadczy to o tym, że zastosowanie tej jednostki napędowej do lekkiego śmigłowca przyniosłoby znaczne efekty ekonomiczne. Ponadto dzięki zastosowaniu najnowszych technologii możliwe jest znaczne zmniejszenie masy silnika, a przez to zwiększenie masowego wskaźnika mocy powyżej wartości 1,66 kw/kg. Przytoczone powyżej założenia zużycia paliwa i wskaźnika mocy były postawione przez konsorcjum europejskich producentów śmigłowców Clean Sky w ramach konkursu na opracowanie silnika diesla do napędu lekkiego śmigłowca. Spełnienie tych wymagań warunkuje opłacalność Państwowa Szkoła Wyższa w Białej Podlaskiej, Zakład Mechaniki i Budowy Maszyn; Biała Podlaska; ul. Sidorska 95/97. Tel: , Fax: , m.szlachetka@dydaktyka.pswbp.pl Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , k.pietrykowski@pollub.pl Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , p.magryta@pollub.pl 10369

2 takiego przedsięwzięcia. Należy zaznaczyć, że dla przebycia tego samego dystansu helikopter z silnik diesla potrzebowałby mniej paliwa, a więc masa zbiorników z paliwem uległaby zmniejszeniu, a zwiększyłaby się przestrzeń ładunkowa. Jednocześnie zastosowanie zaawansowanej techniki w sterowaniu systemem wtrysku pozwoliłoby na ograniczenie emisji związków toksycznych spalin oraz zmniejszenie hałasu emitowanego przez silnik Diesla [5]. W artykule przedstawiono wyniki badań modelu 1-wymiarowego (1D-CFD) silnika Diesla do napędu lekkiego śmigłowca o parametrach niezbędnych do napędu lekkiego śmigłowca. Głównym rezultatem badań jest bilans cieplny silnika, pozwalający na analizę przepływu energii w silniku. Wyniki te stanowią także podstawę w dalszym projektowaniu poszczególnych układów silnika. Badania symulacyjne zostały przeprowadzone z wykorzystaniem oprogramowania AVL BOOST. 1 AVL BOOST Firma AVL jest światowym liderem zarówno w dziedzinie badań stanowiskowych silników spalinowych jak i programów do symulacji ich pracy. Programy te są nie tylko narzędziem służącym do projektowania nowych jednostek napędowych, ale są wykorzystywane do analizy wpływu zmian konstrukcyjnych w silnikach. Modele oferowane przez firmę AVL ulegają ciągłym poprawkom i korektom w celu jak najdokładniejszego odzwierciedlenia warunków rzeczywistych badań, a co za tym idzie są one niejednokrotnie weryfikowane na obiektach rzeczywistych. AVL BOOST jest jednym z tego typu programów służącym do jednowymiarowej analizy pracy silnika spalinowego. Pozwala on na przeprowadzenie badań symulacyjnych takich jak: analiza osiągów silnika, analiza emisji spalin, analiza procesów spalania, analiza procesu wtrysku paliwa. AVL BOOST posiada wiele komponentów, za pomocą których mamy możliwość projektowania z dużą elastycznością układu. Dla każdego komponentu możemy ustalić zmienne lub ustalone warunki brzegowe. Program ten umożliwia również przeprowadzanie symulacji dla zasilania silnika różnymi paliwami. Wyniki otrzymane po przeprowadzeniu symulacji możemy przedstawić w formie graficznej lub w postaci tabelarycznej. 2 MODEL SILNIKA W celu przeprowadzenia badań symulacyjnych osiągów silnika diesla konieczne było opracowanie 1-wymiarowego modelu matematycznego odpowiadającego wymogom napędu lekkiego helikoptera. Opracowany model zakładał wyposażenie tłokowego silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym w jedną turbosprężarkę. Maksymalna moc tego silnika wynosi 335,5 kw co sprawia, że może on stanowić jednostkę napędową lekkiego śmigłowca. Podstawowe parametry modelu silnika, który został zbudowany w programie AVL BOOST są przedstawione w tabeli 1. Tab. 1. Podstawowe parametry badanego modelu silnika Liczba cylindrów 8 Liczba zaworów na cylinder 4 Rodzaj paliwa Diesel Średnica tłoka 87 mm Skok tłoka 93 mm Stopień sprężania 16 Długość korbowodu 157 mm Ilość otworów wtryskiwacza 8 Średnica otworu wtryskiwacza 0,08 mm Dodatkowo w modelu zdefiniowany został szereg warunków brzegowych, z których kilka przedstawionych jest w tabeli

3 Tab. 2. Wybrane warunki brzegowe dotyczące badanego modelu silnika Model wywiązywania się ciepła AVL MCC Model spalania Woschni 1978 Rodzaj spalania DI Kąt otwarcia zaworu dolotowego 20 Kąt otwarcia zamknięcia dolotowego 50 Kąt otwarcia zaworu wylotowego 55 Kąt zamknięcia zaworu wylotowego 22 Model silnika opracowany w programie AVL BOOST zawiera wszystkie niezbędne elementy do przeprowadzenia badań symulacyjnych jego pracy, pod kątem uzyskania założonej wartości godzinowego zużycia paliwa. Model silnika przedstawiony został na rysunku 1. Rys. 1. Model silnika Diesla opracowany w programie AVL BOOST 3 BADANIA SYMULACYJNE Podstawę do przeprowadzenia obliczeń przepływu energii wewnątrz silnika oraz wymiany ciepła pomiędzy silnikiem a otoczeniem stanowi bilans cieplny silnika. W niniejszym rozdziale przedstawiono wyniki analizy przepływu energii jak również założenia potrzebne do zaprojektowania wymienników ciepła. Na podstawie wyników badań modelu 1-wymiarowego silnika przeprowadzonych w systemie AVL BOOST wykonano analizę cieplną silnika. Poniżej przedstawiono graficzną ilustrację bilansu cieplnego silnika pracującego z mocą maksymalną w warunkach odpowiadających ciśnieniu i temperaturze na poziomie morza (Rys. 2). Wartości poszczególnych części składowych bilansu wyrażone zostały w jednostkach mocy (kw) oraz jako udziały procentowe energii doprowadzonej do silnika w postaci paliwa, która wynosi 754 kw. Sprawność ogólna silnika wynosi 44 %, natomiast moc odbierana z wału korbowego 332 kw. Największy udział strat energii stanowi ciepło odprowadzone ze spalinami 43,4 % (327,4 kw), jednakże pewna część energii spalin (10,5 %, 79,3 kw) jest odzyskiwana przez turbosprężarkę i wykorzystywana do podniesienia ciśnienia powietrza doprowadzanego do silnika. Na skutek schłodzenia powietrza 3,9 % (29 kw) energii jest odbieranej przez ciecz chłodzącą w intercoolerze, a następnie przez chłodnicę intercoolera jest odprowadzana do otoczenia. Pozostałe 6,7 % (50,3 kw) wraca do cylindrów silnika w postaci energii ciśnienia. Pozostała w spalinach energia zostaje częściowo wypromieniowana do komory silnika (3,5 %), a pozostałe 28,4 % (214 kw) przedostaje się do atmosfery wraz ze spalinami

4 Kolejne składniki strat energii są to tarcie (3,1%, 24 kw) i straty ciepła (16 %, 121 kw). Energia tarcia wynika zarówno z tarcia w układzie korbowo tłokowym i układzie rozrządu jak również z napędu innych urządzeń niezbędnych do działania silnika takich jak np. pompa paliwowa czy też pompa cieczy chłodzącej. Energia tarcia zostaje zamieniona na ciepło, z którego część jest odbierana bezpośrednio przez ciecz chłodzącą (2,5 %, 19 kw), a część (0,6 %, 4,5 kw) pośrednio przez olej i wymiennik ciepła oleju. Straty ciepła pochodzące z wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym, a metalowymi elementami silnika stanowią, jak wspomniano powyżej 16 % (121 kw). Część ciepła przedostaje się do oleju (1,5 %, 11 kw), a część do cieczy chłodzącej (14,5 %, 72 kw), z której 5 % (38 kw) wypromieniowywane jest do komory silnika przez powierzchnię bloku i głowic, a 14,1 % (106 kw) przekazywane jest do chłodnicy silnika i tam odprowadzane jest do otoczenia. Rys. 2. Wykres Sankeya przepływu energii w silniku diesla 10372

5 Dzięki przeprowadzeniu analizy przepływu energii w silniku możliwe było określenie założeń do projektowania zewnętrznego i wewnętrznego układu chłodzenia: moc wymiennika ciepła oleju 16 kw, moc intercoolera 29 kw, moc głównej chłodnicy silnika 106 kw, moc chłodnicy intercoolera 29 kw, moc systemu przewietrzania silnika 64 kw. Bilans energetyczny silnika jest pomocny również przy analizie możliwości zwiększenia sprawności ogólnej silnika. Z wykresu wynika, że dużo energii jest odprowadzane przez gazy spalinowe do atmosfery. Część tej energii można odzyskać stosując takie urządzenia jak np. ogniwa Peltiera zamieniające ciepło na energię elektryczną lub turbinę mocy (Turbo-coumpound system). Możliwości zwiększenia sprawności silnika poprzez wykorzystanie energii zawartej w spalinach wymagają szerszej analizy, a ich zastosowanie zwiększa masę zespołu napędowego. Ciepło zawarte w cieczy chłodzącej może zostać wykorzystane do ogrzewania kabiny śmigłowca. Sprawność ogólną silnika można także zmieniać poprzez zmianę temperatury cieczy chłodzącej poprzez zastosowanie elektronicznie sterowanego termostatu. Zwiększenie temperatury cieczy powoduje mniejsze straty ciepła. Dodatkowo system chłodzenie powinien zostać doposażony w podgrzewacz cieczy chłodzącej. Umożliwi to skrócenie czasu rozgrzewania silnika i jednocześnie może służyć do ogrzewania kabiny. PODSUMOWANIE Zużycie paliwa dla silnika Diesla jest ponad dwukrotnie mniejsze niż dla silników turbinowych porównywalnej mocy. Świadczy to o tym, że zastosowanie tej jednostki napędowej do lekkiego śmigłowca przyniosłoby znaczne efekty ekonomiczne. Ponieważ wraz ze zmniejszeniem zużycia paliwa zmniejsza się emisja większości związków toksycznych spalin, a w szczególności zmniejszeniu ulega emisja CO 2, można stwierdzić że zastosowanie silnika Diesla w lekkim śmigłowcu przyczyniłoby się również do poprawienia ekologiczności. Jednak w celu adaptacji helikoptera do zabudowy silnika Diesla należy spełnić kilka niezbędnych wymogów stawianych takiej jednostce napędowej: osiągi silnika, masa silnika, rozmiar silnika, gospodarka paliwowa, emisja związków toksycznych spalin, możliwość zastosowania różnych rodzajów paliw, niezawodność, emisja hałasu, możliwość technologicznego wykonania, koszty produkcji, koszty eksploatacji itp. [4]. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań modelu 1-wymiarowego (1D-CFD) silnika Diesla do napędu lekkiego śmigłowca. Zbudowano model wysokowysilonego silnika, spełniającego wymagania zastosowania w śmigłowcu. Podczas modelowania jako cel postawiono osiągnięcie jednostkowego zużycia paliwa poniżej 190 g/kwh oraz mocy maksymalnej co najmniej 320 kw przy jednoczesnym zachowaniu małej masy i gabarytów silnika. Zaprezentowano analizę bilansu cieplnego silnika w postaci diagramu Sankeya. Analiza ta opierała się głównie na wyznaczeniu drogi przepływu energii zawartej w spalanym paliwie na wał korbowy silnika oraz do otoczenia. Badania zużycia paliwa przeprowadzono w programie symulacyjnym AVL Boost dla warunków mocy maksymalnej osiąganej na poziomie morza. Jak wykazano możliwe jest osiągnięcie sprawności ogólnej silnika Diesla 44%. Wymaga to jednak zastosowania najnowocześniejszych technologii oraz materiałów konstrukcyjnych stosowanych w silnikach wyczynowych

6 Simulation studies of the heat balance of the light helicopter diesel engine Abstract The paper discusses the research results for a 1-dimensional (1D-CFD) diesel engine model to power a light helicopter. For the research, a model of high performance engine was developed to satisfy the requirements for mounting in a helicopter. The modelling aimed at achieving a specific fuel consumption below 190 g/kwh and a maximum power of at least 320 kw with low engine weight and size to be maintained. An analyses of a thermal balance of the engine as a Sankey diagram is given here. This analysis chiefly consisted in the determination of how the energy from fuel combusted flows into the engine crankshaft and the ambient. The fuel consumption under the conditions of maximum power achievable at sea level was studied with the AVL Boost simulation software. The research shows that an overall efficiency of 44% of the diesel engine can be achieved only if applying the most advanced technologies and construction materials used in highperformance engines. BIBLIOGRAFIA 1. Clearwater corporate finance, Aerospace Global Report A Clearwater Industrials Team Report Pietrykowski K., Magryta P., Wendeker M., Czyż Z., Badania symulacyjne eksploatacji helikopterowego silnika o zapłonie samoczynnym. Logistyka, 2/ Magryta P., Majczak A., Możliwość zastosowania silnika Diesla w lekkim śmigłowcu. Autobusy, Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 3/