Sergey Zhuravlev, manajer proyek untuk pembuatan mesin turbin gas. Sergey Zhuravlev: mesin turbin gas ultra-kecil diciptakan di Rusia
Kholodny Maxim Vitaliyovych
Universitas Dirgantara Nasional dinamai M.E. Zhukovsky "Institut Penerbangan Kharkiv"
Mikro-GTE
7.1. Penerbangan dan astronotika
Gambar yang diubah oleh penyelenggara Kompetisi dapat diberikan dalam ukuran aslinya untuk kepentingan ahli.
Perkenalan
Relevansi topik penelitian. Miniaturisasi peralatan di dalam pesawat, pembuatan sistem kendali dan muatan target dengan massa ratusan gram, memungkinkan terciptanya kendaraan udara tak berawak (UAV) dengan berat lepas landas beberapa kilogram, dilengkapi dengan navigasi satelit dan radio sistem komunikasi, dengan kemampuan untuk beroperasi di hampir semua wilayah di dunia sebagai bagian dari sistem pesawat terbang yang dikendalikan dari jarak jauh (RCAS) yang kompleks.
Salah satu masalah terpenting dalam pembuatan UAV segala cuaca adalah penciptaan sistem propulsi (PS) yang, di satu sisi, menyediakan kecepatan jelajah UAV yang tinggi, dan di sisi lain, durasi penerbangan yang cukup. Persyaratan untuk mengatasi aliran angin, terbang dalam kondisi turbulensi permukaan, dan memperoleh informasi secara cepat mengedepankan perlunya menjamin kecepatan penerbangan jelajah pada level M = 0,5 dan durasi penerbangan minimal 30 menit.
Mempertimbangkan penurunan bilangan Reynolds, serta peningkatan luas area yang tersapu oleh aliran sehubungan dengan volume dan massa seiring dengan penurunan dimensi fisik pesawat, tugas untuk mencapai kecepatan penerbangan yang tinggi menjadi rumit oleh peningkatan yang tidak proporsional. dalam gaya dorong yang dibutuhkan seiring dengan berkurangnya ukuran UAV. Penggunaan mesin pernapasan udara (WRE) sebagai sistem propulsi membuka kemungkinan untuk memastikan karakteristik kecepatan tinggi, namun penciptaan mikro-WRE desain tradisional dengan daya dorong hingga 50-200 N, cocok untuk pemasangan pada UAV ultra-ringan, menghadapi kesulitan signifikan yang terutama terkait dengan degenerasi proses kerja skala besar.
Oleh karena itu, tugas menciptakan mesin jet berkekuatan rendah (jet MTW) tampaknya relevan.
Masalah dalam menciptakan mesin pernapasan udara dorong rendah berdasarkan mesin turbojet diproduksi oleh perusahaan swasta: Prancis - Vibraye (JPX-t240...), Jepang - Sophia-Precision (J-450...), Jerman - JetCat (P-80.. .), Austria - Schneidtr-Sanchez (FD-3). Mesin perusahaan yang tercantum di atas ditujukan untuk pesawat model, tetapi tampaknya karena tidak ada yang lebih baik, mesin tersebut digunakan pada pesawat tak berawak sipil dan militer.
Meskipun desain mesin turbin gas mikro terlihat sederhana dibandingkan dengan mesin turbin ukuran penuh, pembuatannya juga dikaitkan dengan kesulitan produksi karena fakta bahwa mesin tersebut mengandung elemen struktural dasar yang sama dengan analog skala penuh: kompresor, a peralatan nosel, turbin (beroperasi pada suhu lebih dari 700 derajat Celcius dan kecepatan periferal 500 m/s).
Pada suhu dan kecepatan periferal yang begitu tinggi, tegangan pecah di bagian akar bilah dapat mencapai 700 MPa dan lebih tinggi. Dari sini kita dapat menarik kesimpulan sederhana: untuk pembuatan turbin sampel VRM ini, baja atau paduan tahan panas digunakan - analog baja domestik: KhN62BMKTYu dengan ketahanan sementara 520-550 MPa pada suhu operasi 700 derajat Celcius, KhN50VMKTSR -540 MPa pada 900 derajat, yang menentukan tingginya biaya akhir kendali jarak jauh.
Di negara kita, tidak ada mesin turbin gas dorong rendah yang cocok untuk dipasang pada UAV dengan berat lepas landas hingga 100 kg.
Objek penelitian adalah pengembangan sistem kendali UAV berbasis mesin mikro-turbojet.
Selama pengembangan, mesin serial dari AMT-Olimpus dengan daya dorong 230N dan diameter 130mm dipilih sebagai analog.
Meja. Karakteristik mesin asli dan analog serialnya
Karakteristik | AMT Olympus | TRD dengan pabrik pulp dan kertas |
||||||||||||||||||||||||
|
Karena tingginya biaya dan kelangkaan baja di atas, diputuskan untuk menggunakan bahan yang tersedia dan mengurangi kecepatan keliling maksimum dari 475 m/s (analog) menjadi 300 m/s, yang tentunya mengingat bagian tengah mesin yang sama. , menyebabkan penurunan konsumsi udara dan, sebagai konsekuensinya, , pada kecepatan pembuangan yang sama dari nosel - penurunan daya dorong frontal.
Dalam upaya untuk mengembangkan mesin dengan daya dorong frontal yang sama, tetapi dengan kecepatan periferal yang lebih rendah di pinggiran bilah turbin dan berdasarkan pengalaman dalam menciptakan mesin turbin gas skala penuh dengan kompresor sentrifugal, pilihan dibuat pada double- kompresor sentrifugal sisi (CBC) yang merupakan inovasi di kelas mikro-GTE. Solusi desain ini memungkinkan Anda menggandakan aliran udara tanpa menambah diameter diffuser.
Kebaruan - terdiri dari desain baru dan solusi teknologi yang memungkinkan untuk memaksimalkan teknologi unit paling kompleks dari mesin turbojet dengan mesin pulp-dan-kertas - diffuser, dan sepenuhnya meninggalkan sambungan baut dan las (Gbr. 3, 6).
Metode penelitian adalah pemodelan numerik dari proses kerja pada mesin pernafasan udara pesawat berdasarkan model kompleks dari proses kerja dan melakukan pengujian skala penuh terhadap sampel kerja mesin turbin gas.
Rakitan rotor: pemintal, kompresor turbo sentrifugal dua sisi, poros, turbin.
Turbin – tahap tunggal aksial aktif-reaktif dengan tingkat reaktivitas 0,5.
Salah satu opsi disk disajikan; perhitungan kekuatan dilakukan menggunakan paket CosmosWorks - Gambar. 9.
Model 3D dari rakitan turbin ditunjukkan pada Gambar 10. Segmen individual dari tepi sudu terlihat. Salah satu dari tiga segmen disorot dengan nada gelap. Desain pelek bilah ini memungkinkan, berbeda dengan pelek padat, untuk menggunakan baja yang diperlukan di berbagai zona pemuatan, sehingga menghemat material. Di area persimpangan mahkota tersegmentasi terdapat sambungan ekspansi yang mengurangi pratekan pada piringan. Saat menuang suatu segmen, hampir tidak ada rongga susut, dibandingkan dengan piringan cor padat, karena ketebalan relatif yang lebih kecil. Ini adalah pertama kalinya desain turbin seperti itu dikembangkan pada mesin turbin gas mikro dengan daya dorong rendah.
Peralatan teknologi yang digunakan dalam pembuatan mesin ditunjukkan pada Gambar. 10-11. Masing-masing tahapan proses teknologi ditunjukkan pada Gambar. 13.
Kompresor – sentrifugal satu tahap dua sisi dengan roda semi terbuka.
Beberapa elemen proses teknologi pembuatan turbocharger, Gambar. 15-18.
Ruang bakar - tipe cincin, aliran langsung. Pada Gambar 19,20.
https://pandia.ru/text/79/124/images/image007_8.jpg" width="624" height="162 src=">
Pompa roda gigi dengan busing apung layak untuk dijelaskan tersendiri; tidak kalah dengan desain industri yang digunakan dalam industri otomotif; memberikan penurunan tekanan hingga 1 MPa dengan laju aliran hanya 20 ml/s, dan a kecepatan putaran 12.000 rpm.
Tes kebakaran.
Implementasi solusi desain. Gambaran umum dari mesin turbin gas mikro yang dirancang dan masing-masing komponennya ditunjukkan pada gambar. Semua elemen desain dibuat secara pribadi oleh penulis artikel.
Kesimpulan. Saat ini, penggunaan mesin turbin gas mikro pada pesawat dengan berat lepas landas sekitar 100 kg ke atas tampaknya menjadi prospek yang paling masuk akal. Dengan tingkat daya dorong 200-300 N, mesin turbin gas mikro dapat memberikan kecepatan penerbangan subsonik yang tinggi untuk UAV kelas ringan. Dari sudut pandang kesempurnaan massa, sistem propulsi dengan mesin turbin gas berukuran kecil merupakan hal yang menarik. Berat jenis yang rendah dari mesin turbin gas mikro terutama terlihat pada durasi penerbangan yang pendek (hingga 30 menit). Saat membatasi durasi penerbangan menjadi 15-20 menit. Berdasarkan mesin turbin gas mikro, UAV yang sangat bermanuver dengan rasio dorong terhadap berat lebih dari 0,5 dapat dibuat.
Daftar sumber yang digunakan
1. . Teori mesin pesawat. - Oborongiz. –1958
2. . Pemodelan numerik proses termofisika dalam pembuatan mesin. – Kharkov, Khai. –2005
3. . . Turbin aksial radial berdaya rendah. -Moskow, Mashgiz. –1963
4. . Turbin mikro udara. – Moskow, Teknik Mesin. –1970
5. , Borovsky dan perhitungan unit daya untuk mesin roket cair. –Moskow, Teknik Mesin. –1986
6. . . Pengujian mesin jet penerbangan. –Moskow, Teknik Mesin. –1967
7. Artemenko N.P., dkk Bantalan hidrostatik rotor mesin berkecepatan tinggi. –Kharkov, Osnova. –1992
8. . Teori, perhitungan dan desain mesin pesawat terbang dan pembangkit listrik. –Moskow, Teknik Mesin. –2003
9. , . Perhitungan turbin mesin pesawat. –Moskow, Teknik Mesin. –1974
10. Pembangkit listrik helikopter // ed. . –Oborongiz, Moskow. –1959
11. Teknologi pengadaan dan pemrosesan dalam produksi pesawat luar angkasa // Buku Teks, dll. - Kharkov, KhAI. –1999
12. Desain mesin turbin gas penerbangan // ed. . –Moskow, Voenizdat. –1961
Masalah mesin ringan untuk pesawat kecil ditulis sekitar setahun lalu, dua tahun lalu, dan sepuluh tahun lalu. Program pengembangan penerbangan umum sedang diadopsi, Institut Pusat Teknik Mesin Penerbangan TsIOM im. A.V. Baranova. Pemerintah mengadopsi program bantuan untuk produsen peralatan GA. Pesawat domestik muncul di media dan televisi. Di suatu tempat mereka terbang, di suatu tempat mereka diuji.
Namun tetap saja, seperti tahun-tahun sebelumnya, mereka berbicara dan menulis tentang kekurangan mesin ringan dalam negeri. Sebuah negara besar tidak segan-segan mengambil mesin asing, menyesuaikannya dengan kemampuan produksi kita, meningkatkan sesuatu, kehilangan kualitas di suatu tempat, tetapi pada akhirnya memiliki mesin dalam negeri kita, yang dapat berfungsi sebagai model dan prototipe untuk sebuah mesin. seluruh lini mesin modern. Sejarah perkembangan penerbangan dalam negeri penuh dengan contoh serupa, dan tidak ada gunanya mengutipnya di sini.
Dimana gerobaknya?
Jadi, di negara yang luas, praktis tidak ada infrastruktur yang tersisa untuk produksi mesin piston berdaya rendah. Pesawat-pesawat tersebut mampu mengangkat pesawat kecil kita dan menempatkannya pada apa yang disebut “sayap.”
Namun, ada jalan keluar dari situasi ini. Solusinya mungkin bukan yang tercepat atau termudah, tapi ada satu. Ini adalah pengembangan mesin mikro dan mini GTE (mesin turbin gas) dalam negeri sendiri.
Kepemilikan besar, konsorsium dan semua jenis perusahaan kesatuan negara (yang tidak tahu ini adalah Perusahaan Kesatuan Negara Federal) sedang mempelajari masalah ini, mengembangkan proyek konseptual, menciptakan perusahaan dengan partisipasi asing dan menguasai investasi publik. Mungkin, setelah jangka waktu tertentu berlalu, kita akan mendapatkan produk jadi sebagai hasil dari semua upaya perusahaan ini.
CIAM melakukan penelitian dan pengembangan
FSUE “Institut Pusat Teknik Mesin Penerbangan dinamai. P.I. Baranova melakukan penelitian dan pengembangan luas dalam penciptaan turbin gas dan mesin piston yang menjanjikan untuk kepentingan pengembang kendaraan udara tak berawak, pesawat kecil, dan helikopter. AviaPort memberikan presentasi sistematis pidato kepala sektor CIAM (mesin turbin gas kecil) Vladimir Lomazov dan kepala sektor CIAM (PD) Alexander Kostyuchenkov pada konferensi internasional II “Penerbangan Tak Berawak - 2015”.
- «… Bekerja pada mesin piston yang menjanjikan
Di Rusia, saat ini tidak ada produksi mesin pesawat piston untuk drone dan pesawat ringan serta helikopter, sehingga memaksa desainer dalam negeri untuk menggunakan mesin pesawat buatan luar negeri. Karena besarnya kebutuhan akan mesin tersebut, CIAM sedang melakukan penelitian dan pengembangan dan mengembangkan proyek mesin pesawat piston yang menjanjikan untuk digunakan pada kendaraan udara tak berawak, pesawat ringan, dan helikopter.”
- «… Persyaratan dasar untuk mesin pesawat
Kriteria utama dalam pembuatan mesin canggih adalah biaya pengoperasian, masa pakai antara overhaul, dan efisiensi bahan bakar, yang bersama-sama menentukan biaya per jam terbang. Perhitungan menunjukkan bahwa untuk mesin kelas ini, biaya satu jam terbang tidak boleh lebih dari 500 rubel per jam terbang (tidak termasuk biaya bahan bakar dan pelumas), sumber daya teknis harus minimal 8.000 jam. Dengan indikator seperti itu, biaya siklus hidup akan mencapai 3,2 juta rubel jika dibandingkan dengan harga saat ini.”
- “...Teknologi baru untuk menciptakan mesin turbin gas berukuran kecil
CIAM berupaya memperkenalkan teknologi terbaru untuk mengurangi bobot dan meningkatkan kualitas masing-masing komponen dan suku cadang. Telah dipastikan bahwa biaya produksi roda kompresor telah berkurang hampir 20 kali lipat dibandingkan dengan roda klasik dengan bilah yang dimasukkan. Karena penggunaan teknologi pengecoran modern, harga rotor berkurang sekitar 15-18 kali lipat dibandingkan dengan rotor unit daya tambahan standar dengan ukuran yang sama yang ditemukan pada pesawat domestik. Sebagai prototipe, starter-generator dengan kemampuan putaran hingga 90 ribu putaran telah diproduksi dan akan diuji pada stand, yang ditempatkan pada poros tanpa gearbox dan secara signifikan mengurangi bobot mesin. Ia menghasilkan tenaga hingga 4 kW dan beratnya hanya 700 gram, dibandingkan dengan 10 kg saat ini.”
(berdasarkan materi portalBandara http://www.aviaport.ru/news/2015/05/08/338921.html
Laboratorium Mekanika Intelektual “Audit Analyst” (AA+)
Di balik nama yang menarik ini terdapat sekelompok peminat yang telah mengembangkan, menciptakan, dan sedang menguji prototipe pertama mesin turbin gas mikro.
Sergey Zhuravlev Direktur Umum, inspirator dan penghasil ide Laboratorium dengan gagasan di tangannya.
Inilah yang dikatakan Sergey Zhuravlev, Direktur Jenderal Laboratorium Mekanika Intelektual “Audit Analyst” (AA+), tentang timnya:
"Siapa kita?
Sebuah tim pengembang model dan prototipe sistem (ekosistem) yang kompleks, serta algoritma untuk mengelolanya, baik di bidang teknis maupun kemanusiaan.
Kompetensi kami didasarkan pada konsep kami sendiri dalam mengorganisir komunitas penelitian dan pengembangan, produksi terdistribusi (jaringan) dan proses berkelanjutan untuk meningkatkan lini produk berteknologi tinggi di kompleks pengujian dan instalasi. Kami tidak menganggap perlu membeli mesin dan membangun pabrik. Rusia sudah mempunyai begitu banyak kelebihan kapasitas produksi dan pembelian peralatan terbaru sehingga mereka perlu dipenuhi dengan pekerjaan.”
Sergei penuh dengan optimisme dan realisme yang sehat, dan dia punya banyak alasan untuk ini.
“Kami memiliki kesempatan langka untuk memasuki jajaran elit global produsen turbin kecil. Minimisasi dan lokalisasi, robotisasi dan otonomi - trenXXIabad, di mana masih mungkin untuk berintegrasi secara setara dengan para pemimpin dalam pasokan energi pesawat kecil, pesawat tak berawak, dan energi lokal. Rusia memiliki sekolah fisika, matematika, ilmu material, dan teknik yang sangat kuat. Potensinya memungkinkan, dalam volume turbin minimum, untuk mencapai nilai efisiensi maksimum, terutama operasional, dengan sedikit usaha dan sumber daya.”
Prototipe mesin turbin gas dorong rendah seri MkA
Perlu dicatat bahwa pengembangan unit turbin gas dorong rendah hanyalah salah satu bidang yang dikerjakan oleh Laboratorium AA+, dan proyek ini sepenuhnya milik swasta, dan mungkin itulah sebabnya, setelah semua perhitungan, studi dan pengujian, mereka berakhir dengan prototipe yang sudah jadi.
Begitu saja, di ambang jendela, di buku catatan dengan perhitungan dan diagram, mesin turbin gas dorong rendah MkA eksperimental pertama dipasang. Pendiri rangkaian mesin dengan tenaga berbeda yang dapat digunakan di berbagai industri.
Mesinnya sudah diuji di bangku laboratorium. Berikut beberapa parameternya yang sudah didefinisikan dengan jelas:
Data dasar prototipe mesin turbin gas daya dorong rendah seri MkA (penerbangan mikro):
- Berat – 2060 gram.
- Panjang – 324,00mm
- Diameter utama – 115,00 mm
- Lebar dengan tiang – 128,00 mm
Karakteristik kinerja:
- Daya dorong maksimum – 200N
- Daya dorong kerja – 160N
- Konsumsi bahan bakar (pada daya dorong maksimum) – 460,00ml\ menit
- Bahan bakar yang digunakan – minyak tanah\solar
- Kecepatan putaran maksimum – 120,000 rpm
“Mesin yang dikembangkan berbeda dari mesin analog yang dipelajari oleh biro desain kami dalam hal desain, bahan, dan karakteristik. Dan juga dengan integrasi yang telah dipikirkan sebelumnya ke dalam rangkaian produk.”
Dmitry Rybakov
Wakil Direktur Inovasi di Grup Perusahaan Sistem Tak Berawak
Grup Perusahaan Sistem Tak Berawak sangat yakin dengan prospek rangkaian mesin yang dikembangkan oleh Laboratorium sehingga mereka mulai merancang UAV yang menjanjikan khusus untuk mereka.
Saya sangat yakin bahwa suatu saat kita akan melihat mesin yang ringan, bertenaga dan irit dari Laboratorium AA+ tidak hanya pada pesawat ringan, gyroplane dan helikopter, tetapi juga pada pesawat besar.
Sebagai penutup, saya ingin mengutip satu pernyataan lagi dari Sergei Zhuravlev:
“Tim kami memutuskan untuk mengembangkan mesin turbin gas kecil dengan ambisi besar. Saat mempersembahkannya kepada Anda, kami bangga bahwa kami tidak meniru analog yang ada di dunia, tetapi menggunakan metode analisis dan pemodelan modern, teknologi dan material terkini, kami menciptakan perangkat energi yang sangat kompleks sebagai platform untuk solusi ilmiah dan teknis. dengan potensi pengembangan yang besar dan jangkauan aplikasi.
Mengirimkan karya bagus Anda ke basis pengetahuan itu sederhana. Gunakan formulir di bawah ini
Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.
Dokumen serupa
Tujuan dan prinsip pengoperasian mesin turbin uap dan turbin gas. Pengalaman mengoperasikan kapal dengan unit turbin gas. Pengenalan mesin turbin gas ke berbagai industri dan transportasi. Produksi mesin turbojet dengan afterburner, diagram koneksinya.
presentasi, ditambahkan 19/03/2015
Karakteristik layanan metrologi Belozerny GPK LLC, prinsip dasar organisasinya. Dukungan metrologi untuk pengujian mesin turbin gas, maksud dan tujuannya, alat ukur. Metodologi untuk mengukur sejumlah parameter operasi mesin turbin gas.
tesis, ditambahkan 29/04/2011
Masalah yang timbul pada saat pengoperasian sistem kendali mesin otomatis tipe FADEC. Karakteristik mesin turbin gas. Sistem manajemen bahan bakar hidropneumatik. Pemrograman kontrol daya dan pasokan bahan bakar (CFM56-7B).
tesis, ditambahkan 04/08/2013
Justifikasi diagram proses teknologi perombakan mesin ZIL-130. Memilih mode pengoperasian dan menghitung waktu pengoperasian tahunan pekerja dan peralatan. Tata letak gedung produksi. Indikator teknis dan ekonomi perusahaan.
tugas kursus, ditambahkan 02/06/2013
Metode penghitungan unit boiler berdaya rendah DE-4 (boiler dua drum dengan sirkulasi alami). Perhitungan volume dan entalpi hasil pembakaran dan udara. Penentuan efisiensi boiler dan konsumsi bahan bakar. Perhitungan verifikasi bundel kotak api dan boiler.
tugas kursus, ditambahkan 02/07/2011
Karakteristik umum motor mikro asinkron dengan rotor sangkar tupai, analisis keunggulan: biaya produksi rendah, kebisingan rendah, keandalan operasional. Pertimbangan langkah-langkah menghitung dimensi zona gigi stator dan celah udara.
tes, ditambahkan 19/05/2014
Jenis utama, struktur dan prinsip pengoperasian motor stepper. Mengontrol motor stepper menggunakan pengontrol mandiri. Pengendalian controller menggunakan sistem pemrograman PureBasic. Model crane sebagai contoh penggunaan motor stepper.
tesis, ditambahkan 03/06/2013
Sejarah mesin turbin gas dimulai pada awal abad kedua puluh. Pada tahun 1903, penemu Norwegia Agidus Elling adalah orang pertama yang menciptakan mesin yang berfungsi dengan turbin gas 11 hp. (mesin pesawat Wright bersaudara yang lepas landas pada tahun yang sama memiliki tenaga 12 hp). Beberapa tahun kemudian, Charles Curtis, penemu turbin uap, mengajukan permohonan paten dimana ia menjelaskan desain turbin gas, dan diberikan paten pada tahun 1914. Pada tahun 1918, General Electric (GE), yang didirikan oleh Thomas Edison pada pertengahan tahun 1870-an, mulai mengerjakan turbocharger untuk mesin pesawat terbang, dan dua dekade kemudian divisi turbin gas perusahaan tersebut (yang sekarang dianggap sebagai salah satu yang terbesar di dunia dalam bidangnya). lapangan) mulai mengerjakan mesin pesawat jet. ).
Pada tahun 1930, penemu dan perwira Angkatan Udara Kerajaan Frank Whittle mengembangkan dan mematenkan mesin turbin gas pertama untuk digunakan sebagai penggerak jet. Sementara Whittle memecahkan masalah teknis yang terkait dengan desain mesin, Hans von Ohain dari Jerman adalah orang pertama yang membuat dan menguji pesawat bertenaga jet pada tahun 1939.
Mulai dari penerbangan hingga energi
Pada paruh kedua abad ke-20, mesin turbin gas menjadi basis penerbangan modern. Tentu saja, ukuran mesin ditingkatkan dan diperbesar. Saat ini rekor tersebut dimiliki oleh mesin seri GE90 yang dipasang pada Boeing 777. Diameter kipas mesin ini adalah 3,4 m, memiliki kompresor dengan 22 bilah, dan daya dorongnya 52.000 kg (dan lebih dari 57.600 kg selama pengujian), yang 10.000 kali lebih besar dari tenaga mesin Wright bersaudara, yang mereka gunakan 100 tahun lalu.
Mesin turbin gas (GTE) modern tidak hanya digunakan dalam penerbangan, tetapi juga di sektor energi, yang digunakan untuk menghasilkan listrik. Gas panas yang dihasilkan dari pembakaran gas alam di ruang bakar melewati turbin, memutarnya dan menggerakkan poros generator. Mesin turbin gas banyak digunakan di pembangkit listrik pada saat beban puncak. Dalam hal ukuran dan tenaga, mesin turbin gas tersebut jauh lebih unggul daripada saudara-saudaranya di bidang penerbangan. Misalnya, mesin turbin gas canggih Siemens SGT5-8000H memegang rekor dunia - massa raksasa ini adalah 440 ton, dapat menghasilkan 340 MW dalam siklus sederhana dan hampir dua kali lipat dalam siklus gabungan. Efisiensi mesin ini hampir 40%, dan dalam siklus gabungan - sekitar 60%. Selain pada pesawat terbang dan pembangkit listrik, mesin turbin gas juga digunakan pada tangki, kapal laut, lokomotif diesel, lokomotif, dan juga digunakan sebagai generator bantu.
Apa itu MEMS. Singkatan ini adalah singkatan dari Micro-Electro-Mechanical Systems - sistem mikroelektromekanis. MEMS merupakan kombinasi elemen mekanik, sensor, dan aktuator yang dirangkai pada substrat silikon dengan sirkuit elektronik. Baik mekanik maupun elektronik diproduksi menggunakan teknologi industri mikroelektronika standar. Pendekatan ini memungkinkan untuk memperoleh perangkat unik yang menggabungkan kemampuan komputasi elektronik dengan sensitivitas sensor mekanis dalam ukuran mikroskopis - ini adalah produk jadi dalam satu chip. Teknologi industri mikroelektronika memungkinkan produksi perangkat tersebut dalam seri besar, yang memiliki pengaruh yang sangat positif terhadap keandalan dan harga. MEMS banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari - khususnya, akselerometer (sensor akselerasi) termasuk dalam kelas ini, konsumen terbesarnya adalah industri otomotif modern: sensor inilah yang mengirimkan sinyal untuk mengembangkan kantung udara jika terjadi tabrakan. Matriks proyektor DLP, giroskop solid-state, dan kepala printer piezo adalah perwakilan khas MEMS.
Dari besar hingga kecil
Teknologi baru memungkinkan terciptanya mesin tidak hanya berukuran raksasa, tetapi juga kecil (dan bahkan sangat kecil). Perusahaan Jepang IHI Aerospace memproduksi generator turbin gas portabel Dynajet 2.6 dengan daya 2,6 kW dan berat 67 kg. Namun, ini masih jauh dari batasnya - mesin yang dibuat oleh Institut Teknologi Federal Swiss (ETH Zurich) hanya berukuran beberapa sentimeter dan dapat menghasilkan listrik hampir 100 W selama beberapa hari. Namun para peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah melangkah lebih jauh ke arah miniaturisasi, dengan mengembangkan mesin turbin gas yang hanya berukuran sekitar 1 mm.
Meskipun terdapat perbedaan ukuran yang mengesankan antara mesin raksasa seperti GE90 dan mesin milimeter MIT, jika dilihat lebih dekat ternyata keduanya memiliki banyak kesamaan. Desainnya serupa: kompresor, ruang bakar, dan turbin, yang digerakkan oleh aliran produk pembakaran. Bahan bakar disuntikkan ke aliran di outlet kompresor, dicampur dengan udara, dibakar dan diputar oleh turbin, yang menggerakkan kompresor dan generator. Namun, tentu saja, penciptaan mesin turbin gas sekecil itu menimbulkan banyak tantangan bagi para desainer yang tidak harus dihadapi oleh para pembuat mesin turbin gas tradisional.
Pekerja turbin mikro
Pada pertengahan 1990-an, sekelompok peneliti di Massachusetts Institute of Technology mulai mengerjakan proyek mikro-GTE. “Saya memikirkan pertanyaan: jika mesin turbin gas yang besar dapat memasok listrik ke seluruh kota, mengapa kita tidak bisa membuat mesin yang sangat kecil yang dapat memenuhi kebutuhan listrik satu orang? - kenang Alan Epstein, seorang profesor MIT dan pemimpin kelompok penelitian. “Dan harga perangkat MEMS (sistem mikroelektromekanis) saat ini tidak terlalu tinggi, sehingga biaya energi pembangkit listrik pribadi dapat dibandingkan dengan mesin turbin gas besar ($0,3-0,5 per 1 W).”
Dikembangkan di Institut Teknologi Federal Swiss (ETH), mesin turbin gas mini dibuat sesuai dengan desain klasik dengan kompresor sentrifugal dan turbin aksial (diagram di bawah).
Micro-GTE terdiri dari elemen dasar yang sama dengan “saudara besarnya”, namun dimensinya sendiri memerlukan pendekatan dan teknologi yang berbeda secara mendasar. Menurut Epstein, banyak masalah yang memiliki sifat dasar yang sama – tata letak, beban mekanis, masalah korosi. Namun, dalam beberapa hal, pengembangan mesin turbin gas mikro lebih sederhana—misalnya, poros mikroskopis sangat kaku dalam pembengkokan, yang membantu menghilangkan masalah tradisional pembengkokan poros pada mesin besar. Perubahan termal dengan dimensi seperti itu tidak menimbulkan ancaman besar, dan juga tidak memerlukan perawatan dan perbaikan (mesin turbin gas mikro tidak dapat diperbaiki; cukup menggantinya dengan yang baru). Dan ada pula yang lebih kompleks: “Dua tantangan terbesar kami adalah dampak presisi manufaktur terhadap kinerja pasangan bantalan poros,” serta kompromi antara persyaratan desain (termodinamika, pembakaran, beban, dinamika fluida, dan elektromekanik) dan manufaktur. fitur teknologi mesin. Ini tetap menjadi isu terpenting kami hingga saat ini."
Motor tersebut memiliki diameter hanya beberapa sentimeter dan mampu menghasilkan tenaga poros hingga 100 W. Sumber listrik yang sepenuhnya otonom akan sangat berguna, dan dalam beberapa kasus sama sekali tidak tergantikan.
“Meskipun bagian-bagiannya sama, teknologi pembuatan mikro-GTE secara alami sangat berbeda, didasarkan pada teknologi dari industri semikonduktor. Dengan menggunakan fotolitografi, komponen dan rakitan dengan ukuran mulai dari 1 hingga 10.000 mikron dapat dibuat dengan presisi tinggi, dan secara seri, jelas Profesor Epstein. — Bagian-bagiannya digores dari wafer silikon monokristalin dengan ketebalan 0,5–1 mm dan diameter 100–300 mm, kemudian direkatkan dan diperoleh paket dengan beberapa mesin jadi. Jika perlu, paket tersebut dipotong-potong dan masing-masing mesin diperoleh. Mesinnya sendiri bisa memiliki ukuran yang berbeda - bukan litografi yang membatasi kita dari atas, melainkan kedalaman dan keakuratan etsa. Untuk ukuran kecil, kurang dari 1 mm, batasan utamanya adalah kekentalan udara, yang berdampak negatif tajam pada performa mesin.” Satu paket bisa memuat puluhan bahkan ratusan mikromotor. Idealnya, pembuatan semua perangkat dari paket terjadi secara paralel, yang menghasilkan keuntungan paling penting dari teknologi ini - rendahnya biaya produk jadi. “Mesin serupa di masa depan dapat dibuat dengan cara yang persis sama seperti chip elektronik dan sensor mobil,” kata Epstein.
Mesin turbin gas yang dikembangkan di MIT terdiri dari kompresor sentrifugal dan turbin radial dengan rotor berdiameter masing-masing 8 dan 6 mm. Diagram di bawah menunjukkan skema salah satu mesin prototipe awal. Udara yang dikompresi oleh kompresor melewati saluran yang terletak di permukaan luar ruang bakar, mendinginkannya dan menghilangkan panas, yang meningkatkan efisiensi dan menurunkan suhu dinding luar mesin turbin gas. Rotor ditopang oleh bantalan udara radial dan bantalan dorong hidrostatik pada poros gandar. Yang terakhir, bersama dengan piston penyeimbang, menanggung beban aksial. Mesin dihidupkan menggunakan udara terkompresi dari sumber eksternal. Menurut perhitungan, kecepatan putaran kompresor sekitar 1,2 juta rpm. (ini bukan salah ketik - tepatnya jutaan!), kecepatan linier tepi luar rotor dapat mencapai 500 m/s. Bilah kompresor dan turbin tingginya 400 mikron. Mesin turbin gas memompa 0,35 g udara setiap detik, menghasilkan daya dorong 11 g dan daya poros 17 W. Generatornya tidak ditampilkan, kedepannya bisa diintegrasikan ke dalam desain.
Energi mikro untuk masa depan
Mengapa mesin seperti itu dibutuhkan? Proyek motor mikro di MIT kini didanai oleh militer AS, yang melihat potensi besar dalam teknologi baru ini. Mesin kecil tersebut, yang diisi dengan kartrid hidrogen khusus, dapat digunakan pada kendaraan udara tak berawak (UAV) kecil dan perangkat elektronik konvensional. Ini adalah catu daya elektronik militer seluler yang kemungkinan besar akan menjadi ujian kekuatan untuk mikro-GTE seri pertama, yang akan muncul di pasar, seperti yang diharapkan oleh para pengembang, segera - dalam beberapa tahun.
Micro-GTE juga dapat digunakan untuk keperluan sipil - sebagai pengganti baterai pada ponsel, laptop, kamera digital, dan juga sebagai motor mikro murah untuk pertanian, berbagai sensor dan bahkan mainan anak-anak. “Untuk baterai lithium-ion modern, daya spesifik energi yang tersimpan adalah sekitar 120-150 Wh/kg. Tentu saja, ini bukanlah batasnya; baterai sulfur-lithium baru memiliki kinerja dua kali lipat - sekitar 300-350 Wh/kg. Namun mikro-GTE masih akan kalah bersaing dalam waktu dekat - kami memperkirakan akan memperoleh angka sekitar 500-700 Wh/kg. Dan di masa depan - 1200-1500 Wh/kg, dengan mempertimbangkan massa mesin itu sendiri dan pasokan bahan bakar,” kata Alan Epstein optimis.
Masalah mesin ringan untuk pesawat kecil tidak diberitakan kecuali di media kuning. Mereka menulis setahun yang lalu, dan dua tahun, dan sepuluh tahun yang lalu. Program pengembangan penerbangan umum sedang diadopsi, Institut Pusat Teknik Mesin Penerbangan TsIOM im. A.V. Baranova. Pemerintah mengadopsi program bantuan untuk produsen peralatan GA. Pesawat domestik muncul di media dan televisi. Mereka berkedip dan menghilang. Di suatu tempat mereka terbang, di suatu tempat mereka diuji.
Hanya di lokasi lapangan dan lapangan terbang GA, Cessnas asing, Robinsons dan Teknams masih terbang. Dan mobil rancangan Rusia, selain Yakov, tentu saja lebih terlihat seperti rasa penasaran. Dan, seperti tahun-tahun sebelumnya, semua orang berbicara dan menulis tentang kurangnya mesin ringan domestik. Mengapa tidak melakukannya setidaknya seperti yang mereka lakukan di masa Soviet dulu. Sebuah negara besar tidak segan-segan mengambil mesin asing, menyesuaikannya dengan kemampuan produksi kita, meningkatkan sesuatu, kehilangan kualitas di suatu tempat, tetapi pada akhirnya memiliki mesin dalam negeri kita, yang dapat berfungsi sebagai model dan prototipe untuk sebuah mesin. seluruh lini mesin modern. Sejarah perkembangan penerbangan dalam negeri penuh dengan contoh serupa, dan tidak ada gunanya mengutipnya di sini.
Dimana gerobaknya?
Jadi, di negara yang luas, praktis tidak ada infrastruktur yang tersisa untuk produksi mesin piston berdaya rendah. Pesawat-pesawat tersebut mampu mengangkat pesawat kecil kita dan menempatkannya pada apa yang disebut “sayap.”
Namun, ada jalan keluar dari situasi ini. Solusinya mungkin bukan yang tercepat atau termudah, tapi ada satu. Ini adalah pengembangan mesin mikro dan mini GTE (mesin turbin gas) dalam negeri sendiri.
Kepemilikan besar, konsorsium dan semua jenis perusahaan kesatuan negara (yang tidak tahu ini adalah Perusahaan Kesatuan Negara Federal) sedang mempelajari masalah ini, mengembangkan proyek konseptual, menciptakan perusahaan dengan partisipasi asing dan menguasai investasi publik. Mungkin, setelah jangka waktu tertentu berlalu, kita akan mendapatkan produk jadi sebagai hasil dari semua upaya perusahaan ini.
CIAM melakukan penelitian dan pengembangan
Perusahaan Kesatuan Negara Federal "Institut Pusat Teknik Mesin Penerbangan dinamai P.I. Baranov" melakukan penelitian dan pengembangan luas untuk menciptakan turbin gas dan mesin piston yang menjanjikan untuk kepentingan pengembang kendaraan udara tak berawak, pesawat kecil, dan helikopter. AviaPort memberikan presentasi sistematis pidato kepala sektor CIAM (mesin turbin gas kecil) Vladimir Lomazov dan kepala sektor CIAM (PD) Alexander Kostyuchenkov pada konferensi internasional II "Penerbangan Tak Berawak - 2015".
«… Bekerja pada mesin piston yang menjanjikan
Di Rusia, saat ini tidak ada produksi mesin pesawat piston untuk drone dan pesawat ringan serta helikopter, sehingga memaksa desainer dalam negeri untuk menggunakan mesin pesawat buatan luar negeri. Karena besarnya kebutuhan akan mesin tersebut, CIAM sedang melakukan penelitian dan pengembangan dan mengembangkan proyek mesin pesawat piston yang menjanjikan untuk digunakan pada kendaraan udara tak berawak, pesawat ringan, dan helikopter.”
«… Persyaratan dasar untuk mesin pesawat
Kriteria utama dalam pembuatan mesin canggih adalah biaya pengoperasian, masa pakai antara overhaul, dan efisiensi bahan bakar, yang bersama-sama menentukan biaya per jam terbang. Perhitungan menunjukkan bahwa untuk mesin kelas ini, biaya satu jam terbang tidak boleh lebih dari 500 rubel per jam terbang (tidak termasuk biaya bahan bakar dan pelumas), sumber daya teknis harus minimal 8.000 jam. Dengan indikator seperti itu, biaya siklus hidup akan mencapai 3,2 juta rubel jika dibandingkan dengan harga saat ini.”
“...Teknologi baru untuk menciptakan mesin turbin gas berukuran kecil
CIAM berupaya memperkenalkan teknologi terbaru untuk mengurangi bobot dan meningkatkan kualitas masing-masing komponen dan suku cadang. Telah dipastikan bahwa biaya produksi roda kompresor telah berkurang hampir 20 kali lipat dibandingkan dengan roda klasik dengan bilah yang dimasukkan. Karena penggunaan teknologi pengecoran modern, harga rotor berkurang sekitar 15-18 kali lipat dibandingkan dengan rotor unit daya tambahan standar dengan ukuran yang sama yang ditemukan pada pesawat domestik. Sebagai prototipe, starter-generator dengan kemampuan putaran hingga 90 ribu putaran telah diproduksi dan akan diuji pada stand, yang ditempatkan pada poros tanpa gearbox dan secara signifikan mengurangi bobot mesin. Ia menghasilkan tenaga hingga 4 kW dan beratnya hanya 700 gram, dibandingkan dengan 10 kg saat ini.”
(berdasarkan materi portalBandara http://www.aviaport.ru/news/2015/05/08/338921.html
Laboratorium Mekanika Intelektual “Audit Analyst” (AA+)
Di balik nama yang menarik ini terdapat sekelompok peminat yang telah mengembangkan, menciptakan, dan sedang menguji prototipe pertama mesin turbin gas mikro.
Sergey Zhuravlev Direktur Umum, inspirator dan penghasil ide Laboratorium dengan gagasan di tangannya.
Inilah yang dikatakan Sergey Zhuravlev, Direktur Jenderal Laboratorium Mekanika Intelektual "Audit Analyst" (AA+), tentang timnya:
"Siapa kita?
Sebuah tim pengembang model dan prototipe sistem (ekosistem) yang kompleks, serta algoritma untuk mengelolanya, baik di bidang teknis maupun kemanusiaan.
Kompetensi kami didasarkan pada konsep kami sendiri dalam mengorganisir komunitas penelitian dan pengembangan, produksi terdistribusi (jaringan) dan proses berkelanjutan untuk meningkatkan lini produk berteknologi tinggi di kompleks pengujian dan instalasi. Kami tidak menganggap perlu membeli mesin dan membangun pabrik. Rusia sudah mempunyai begitu banyak kelebihan kapasitas produksi dan pembelian peralatan terbaru sehingga mereka perlu dipenuhi dengan pekerjaan.”
Sergei penuh dengan optimisme dan realisme yang sehat, dan dia punya banyak alasan untuk ini.
“Kami memiliki kesempatan langka untuk memasuki jajaran elit global produsen turbin kecil. Minimisasi dan lokalisasi, robotisasi dan otonomi - trenXXIabad, di mana masih mungkin untuk berintegrasi secara setara dengan para pemimpin dalam pasokan energi pesawat kecil, pesawat tak berawak, dan energi lokal. Rusia memiliki sekolah fisika, matematika, ilmu material, dan teknik yang sangat kuat. Potensinya memungkinkan, dalam volume turbin minimum, untuk mencapai nilai efisiensi maksimum, terutama operasional, dengan sedikit usaha dan sumber daya.”
Prototipe mesin turbin gas dorong rendah seri MkA
Perlu dicatat bahwa pengembangan unit turbin gas dorong rendah hanyalah salah satu bidang yang dikerjakan oleh Laboratorium AA+, dan proyek ini sepenuhnya milik swasta, dan mungkin itulah sebabnya, setelah semua perhitungan, studi dan pengujian, mereka berakhir dengan prototipe yang sudah jadi.
Begitu saja, di ambang jendela, di buku catatan dengan perhitungan dan diagram, mesin turbin gas dorong rendah MkA eksperimental pertama dipasang. Pendiri rangkaian mesin dengan tenaga berbeda yang dapat digunakan di berbagai industri.
Mesinnya sudah diuji di bangku laboratorium. Berikut beberapa parameternya yang sudah didefinisikan dengan jelas:
Data dasar prototipe mesin turbin gas daya dorong rendah seri MkA (penerbangan mikro):
Berat – 2060 gram.
Panjang – 324,00mm
Diameter utama – 115,00 mm
Lebar dengan tiang – 128,00 mm
Karakteristik kinerja:
Daya dorong maksimum – 200N
Daya dorong kerja – 160N
Konsumsi bahan bakar (pada daya dorong maksimum) – 460,00ml\ menit
Bahan bakar yang digunakan – minyak tanah\solar
Kecepatan putaran maksimum – 120,000 rpm
“Mesin yang dikembangkan berbeda dari mesin analog yang dipelajari oleh biro desain kami dalam hal desain, bahan, dan karakteristik. Dan juga dengan integrasi yang telah dipikirkan sebelumnya ke dalam rangkaian produk.”
Dmitry Rybakov
Wakil Direktur Inovasi di Grup Perusahaan Sistem Tak Berawak
Grup Perusahaan Sistem Tak Berawak sangat yakin dengan prospek rangkaian mesin yang dikembangkan oleh Laboratorium sehingga mereka mulai merancang UAV yang menjanjikan khusus untuk mereka.
Saya sangat yakin bahwa suatu saat kita akan melihat mesin yang ringan, bertenaga dan irit dari Laboratorium AA+ tidak hanya pada pesawat ringan, gyroplane dan helikopter, tetapi juga pada pesawat besar.
Sebagai penutup, saya ingin mengutip satu pernyataan lagi dari Sergei Zhuravlev.
