Badania symulacyjne eksploatacji helikopterowego silnika o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 PIETRYKOWSKI Konrad 1 MAGRYTA Paweł 2 WENDEKER Mirosław 3 CZYŻ Zbigniew 4 Badania symulacyjne eksploatacji helikopterowego silnika o zapłonie samoczynnym WSTĘP Helikoptery coraz częściej wykorzystywane są do transportu ludzi jako tzw. Air taxi. Nie wymagają one specjalnie przygotowanych lotnisk i stanowią głownie ofertę dla o osób podróżujących w celach biznesowych. Zaletą tego środka transportu jest przede wszystkim krótki czas dotarcia do celu podróży, zaś główną wadą wysoki koszt uwarunkowany małym rynkiem, kosztami eksploatacji oraz paliwa. Jak wskazuje prognoza Frost&Sulivan 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 [2]. Świadczy to o bardzo dużym zainteresowaniu tego typu helikopterami, za czym idzie zwiększenie liczby osób podróżujących tymi maszynami. Podobny trend zainteresowania tym sektorem widoczny jest w Polsce. Zgodnie z danymi statystycznymi 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 Jednocześnie 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. Trend ten widoczny jest na rysunku 1. Wszystkie te dane potwierdzają zatem, że rynek helikopterów jako środków transportu osobowego rozwija się coraz prężniej. Największym problemem hamującym ten rozwój jest wysokość kosztów eksploatacji, na które w największym stopniu wpływa koszt paliwa. Reasumując można stwierdzić, że obecnie stosowany silnik turbinowy stanowi duży udział w kosztach produkcji oraz eksploatacji helikoptera. Jest on powszechnie stosowany w prawie wszystkich tego typu jednostkach latających ze względu na swoją największą zaletę, małe wymiary oraz masę w stosunku do generowanej mocy. Silniki takie są powszechnie używane w helikopterach klasy lekkiej, które są najczęściej użytkowane jako tzw. Air taxi. Zdaniem autorów obniżenie kosztów eksploatacji takiego środka transportu pozwoliłoby na jego jeszcze większe rozpowszechnienie się. Ciekawym pomysłem wydaje się zastosowanie nowoczesnego silnika Diesla do napędu helikoptera. Silnik wysokoprężny, pomimo większych gabarytów i masy, może stanowić alternatywę dla silników turbinowych dzięki niższym kosztom zakupu i eksploatacji. Dzięki coraz bardziej rozwiniętej branży motoryzacyjnej w przemyśle samochodowym zaczęto stosować innowacyjne i zaawansowane pod względem budowy i sterowania silniki Diesla. Obecnie branża ta dysponuje już silnikami Diesla, których współczynnik masy do mocy zbliża się do wartości 0,8 kg/kw. Taka wartość współczynnika pozwala prawie osiągnąć wymaganą wartość rzędu 0,6 kg/kw, która jest stawiana jako wymóg jednostkom napędowym śmigłowców. Jednocześnie zastosowanie zaawansowanej techniki w sterowaniu systemem wtrysku pozwoliłoby na ograniczenie emisji związków toksycznych spalin oraz zmniejszenie hałasu emitowanego przez silnik Diesla [3]. 1 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , k.pietrykowski@pollub.pl 2 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , p.magryta@pollub.pl 3 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , w.wendeker@pollub.pl 4 Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych; Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel: , Fax: , z.czyz@pollub.pl 5111

2 Rys. 1. Liczba zarejestrowanych w Polsce samolotów i helikopterów [1] Najważniejszym, z punktu opłacalności, aspektem użytkowania helikoptera wydaje się być koszt paliwa. W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych określających zużycie paliwa dla silnika Diesla o parametrach niezbędnych do napędu lekkiego śmigłowca oraz porównano z analogicznymi wartościami dla silników turbinowych. Badania symulacyjne zostały przeprowadzone z wykorzystaniem oprogramowania AVL BOOST. 1. AVL BOOST Firma AVL jest światowym liderem oferującym w swojej ofercie wiele programów do analizy pracy silników spalinowych. Programy te są nie tylko narzędziem do służącym do projektowania nowych jednostek napędowych, ale są wykorzystywane przez wiodące koncerny motoryzacyjne 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. Posiada wiele modułów pozwalających na modelowanie silników spalinowych. Moduły te pozwalają m. in. 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 zużycia paliwa dla danego scenariusza lotu konieczne było opracowanie modelu silnika tłokowego Diesla odpowiadającego wymogom napędu 5112

3 lekkiego helikoptera. Opracowany model zakładał tłokowy silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym wyposażony 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 2. 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 2. Rys. 2. Model silnika Diesla opracowany w programie AVL BOOST 3. PLAN BADAŃ W celu odniesienia obliczeń symulacyjnych do warunków założonego scenariusza lotu helikoptera należało przeprowadzić szereg symulacji dla różnych warunków brzegowych: mocy generowanej przez silnik oraz ciśnienia i temperatury otoczenia. Wybrano takie trzy zmienne wartości brzegowe, 5113

4 Power [kw] ponieważ scenariusz lotu zawierał fazy lotu wykonywane na różnej wysokości nad poziomem morza oraz przy różnych wartościach zapotrzebowania na moc. Wszystkie warunki brzegowe temperatury i ciśnienia otoczenia zostały obliczone na podstawie wzorcowej atmosfery ISA. Dzięki takiemu podejściu, możliwe było zestawienie krzywych mocy dla różnych wartości temperatur i ciśnienia odpowiadających różnej wysokości lotu śmigłowca (rys. 3) m 1000 m 2000 m 2500 m 3000 m 4000 m 5000 m 6000 m Temperature [ C] Rys. 3. Krzywe mocy dla różnych wartości temperatury otoczenia Po wykonaniu szeregu symulacji możliwe było odniesienie wszystkich danych otrzymanych dla różnych stanów silnika Diesla, do różnych faz lotu dla scenariusza lotu pasażerskiego. Scenariusz ten zakłada lot trwający 60 minut i zawiera 34 fazy lotu m.in. takie jak: rozgrzanie silnika śmigłowca na ziemi, start pionowy do określonej wysokości, lot poziomy do przodu z kilkoma określonymi prędkościami, zwrot w lewo i w prawo na określonej wysokości, przyspieszenie do zadanej prędkości w locie poziomym, spowolnienie do zadanej prędkości w locie poziomym, lądowanie. Zakres mocy dla wszystkich faz lotu wahał się od wartości minimalnej dla rozgrzania silnika 9% mocy przelotowej, do 100% mocy pełnej dla startu pionowego. Dla wszystkich faz lotu określony był również czas ich trwania. Z przeprowadzonych symulacji można było również odczytać godzinowe zużycie paliwa dla konkretnego stanu lotu. Na tej podstawie, dzięki obliczeniom statystycznym udało się obliczyć zużycie paliwa dla całego scenariusza lotu. 4. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH W wyniku przeprowadzonych badań symulacyjnych uzyskano wyniki zużycia paliwa dla poszczególnych stanów lotu jak i dla całego scenariusza lotu. Na rysunku 4 widoczne jest całkowite zużycie paliwa dla poszczególnych 34 faz lotu. Należy podkreślić że każda z tych faz posiadała inny udział czasowy w całym scenariuszu. Fazy lotu od numerów 9 do 12 charakteryzują się największym całkowitym zużyciem paliwa, ponieważ są one przyporządkowane do lotu poziomego z różnymi prędkościami, który stanowi (czasowo) największy udział w całym scenariuszu lotu. 5114

5 Fuel Consumption 3000 [g] Rys. 4. Całkowite zużycie paliwa dla poszczególnych faz lotu Dodatkowo w celu odniesienia zużycia paliwa, do wartości charakterystycznych dla silników turbinowych, obliczono ilość paliwa jaka byłby konieczna do lotu śmigłowca z tzw. mocą przelotową, która określono zarówno dla silnika Diesla jak i dla silnika turbinowego na 80% mocy maksymalnej. W celu porównania danych otrzymanych z symulacji do silników turbinowych wykorzystano opracowanie Federal Office of Civil Aviation FOCA [4] dotyczące zużycia paliwa i emisji spalin obecnie wykorzystywanych helikopterów. Przedstawiono tam m.in. szacunkowe dane dla zużycia paliwa dla godzinnego lotu śmigłowca z mocą przelotową dla kilkunastu helikopterów charakteryzujących się różną mocą. Dla porównania wybrano kilka helikopterów wyposażonych w pojedynczy silnik turbinowy, którego moc odpowiada mocy badanego silnika Diesla. Tabela 3 przedstawia zestawianie dla helikopterów wyposażonych w silniki turbinowe oraz dla lekkiego helikoptera w silnikiem Diesla. Tab. 3. Podstawowe parametry badanego modelu silnika Nazwa helikoptera Nazwa silnika Moc przelotowa Zużycie paliwa Zużycie paliwa [kw] [kg/h] [kg/kwh] 1. Helikopter klasy lekkiej Silnik Diesla 264,0 48,6 0, ALOUETTE II ARTOUSTE IIC5 236,5 110,0 0, SA316B ALOUETTE III ARTOUSTE IIIB 315,4 135,0 0, BELL 206B DDA250-C20 235,4 109,0 0, EC 120 ARRIUS 2F 254,2 114,0 0, ENSTROM 480 DDA250-C20W 247,1 112,0 0, MD 500N DDA250-C20R 264,8 117,0 0,442 Ponieważ wszystkie silniki charakteryzują się inną mocą przelotową, można porównać jedynie ich jednostkowe zużycie paliwa. Dlatego na podstawie przedstawionych w tabeli 3 wyników sporządzono zestawienie tych wartości oraz pokazano na rysunku

6 0,5 0,4 Fuel consumption [kg/kwh] 0,3 0,2 0,1 0,0 Rys. 5. Zużycie paliwa dla różnych śmigłowców PODSUMOWANIE Jak widać na rysunku 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. 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 takiej jednostki latającej. 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. [3]. Streszczenie W artykule przedstawiono koncepcję zastosowania silnika wysokoprężnego do napędu lekkiego śmigłowca. Zaprezentowano analizę porównawczą kosztów eksploatacji helikoptera ze standardowym silnikiem turbinowym oraz nowoczesnym silnikiem diesla. Analiza ta opierała się głównie na porównaniu wartości zużycia paliwa w jednostce napędowej silnika Diesla otrzymanych na podstawie badań symulacyjnych do danych literaturowych zużycia paliwa dla silnika turbinowego. Badania zużycia paliwa przeprowadzono w programie symulacyjnym AVL Boost dla określonej ścieżki lot odpowiadającej scenariuszowi lotu pasażerskiego. Scenariusz ten zawierał zestaw operacji i stanów lotu niezbędnych dla startu, przelotu, lądowania, odebrania pasażera, ponownego startu, przelotu w miejsce docelowe i ponownego lądowania. Jak wykazano zużycie paliwa przez silnik Diesla jest znacznie mniejsze w porównaniu do silnika turbinowego napędzającego helikopter klasy lekkiej. Simulation studies of the helicopter diesel engine exploitation Abstract The article presents the concept of the use of the diesel engine to power a light helicopter. A comparative analysis of helicopter operating costs with a standard turbine engine and a modern diesel engine was presented. This analysis was based mainly on a comparison of the diesel engine fuel consumption on the basis of simulation studies to literature data of fuel consumption for a turbine engine. The fuel consumption study was conducted in the simulation software AVL Boost for a specific flight path corresponding to the scenario of passenger flight. This scenario contains a set of operations and flight conditions necessary for take-off, flight, landing, passenger pickup, restart, flight to the destination and re-landing. As indicated fuel consumption of a diesel engine is significantly smaller than in a light helicopter powered by turbine engine. 5116

7 BIBLIOGRAFIA 1. Badanie KPMG w Polsce: Rynek dóbr luksusowych w Polsce. Edycja Clearwater corporate finance, Aerospace Global Report A Clearwater Industrials Team Report Magryta P., Majczak A., Możliwość zastosowania silnika Diesla w lekkim śmigłowcu. Autobusy, Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 3/ Rindlisbacher T., Guidance on the Determination of Helicopter Emissions. Federal Office of Civil Aviation FOCA, Division Aviation Policy and Strategy,