Недавно промелькнула статья о мегаваттном электродвигателе массой всего 57 кг для самолётов. Что хорошо, в английском оригинале, приведённом по ссылке, была и ссылка на техническую статью по поводу этого двигателя, а она, в свою очередь, ссылается ещё на 2 статьи тех же авторов про другие аспекты их мотора (всё в открытом доступе), что позволяет его основательно обсудить. Существует ли он в природе, может ли существовать, опровергает ли он статью О "революции" в электродвигателях, о чём они предпочитают стыдливо умолчать, и главное, есть ли от такого двигателя какой-то прок?
Заодно ещё про характеристику нагрузки для двигателя поговорим, в прошлый раз уже не влезало по объёму.
Существует ли он?
В статье на АШ сказано было "создан", равно как на IXBT, с которого взята эта статья. Английская статья на IEEE Spectrum озаглавлена "MIT Unveils a Megawatt Motor", т.е в MIT презентовали новый мотор. Если же наконец, обратиться к первоисточнику, то окажется:
1. Они собрали ротор и вроде как даже раскрутили его до номинальных оборотов, и магнитное поле от постоянных магнитов измерили, "всё хорошо". Под ротором подразумевается титановый цилиндр, с внутренней стороны покрытый магнитами в сборке Халбаха:
Можно заметить, что магниты не похожи на неодимовые, так и есть, они заявили, что неодимовые такие температуры не вынесут, поэтому поставили "старые добрые" самарий-кобальтовые.
2. Собрали кусочек статора, 1/10 его часть:
проверили сопротивление изоляции и способность вынести подаваемый ток (при должной вентиляции)
3. "Распечатали" из алюминиевого порошка пресловутый теплоотвод воздушного охлаждения:
Судя по тому, с какой неохотой они указывают конкретные цифры по его работе (в этой статье) и по заключению к статье из серии "очень сложная проблема, надо ещё подумать", результат вышел "не очень". В обычных системах воздушного охлаждения напор измеряется в паскалях, а тут в долях атмосферы, т.е тут уже не просто крыльчатка - почти что компрессор нужен, чтобы воздух в нужных количествах возжелал сквозь это продраться.
Вот, собственно, всё, что есть в железе.
Заявленная масса в 57 кг - это исключительно масса активных частей двигателя! Вот развесовка:
Переведём на русский:
| Деталь | Масса (кг) |
|---|---|
| Сердечник статора | 19,7 |
| Обмотки | 6,1 |
| Магниты | 14,6 |
| Обод ротора | 10,6 |
| Теплоотвод | 6,4 |
| Итого | 57,4 |
Как-то позабылись вал, подшипники, остов ротора (часть, соединяющая активную часть ротора с валом) и станина двигателя! Причём, учитывая, что это мотор с внешним ротором (Outrunner), в котором, судя по рисунку, ротор собираются крепить консольно (только с одной стороны!), при том что он достаточно вытянутый, и его обод должен достигать линейной скорости в 200 м/с (около 2/3 от скорости звука), а при малейшем нарушении соосности возникнет разбаланс притяжения ротора к статору, создавая огромную нагрузку на подшипники, все эти "недостающие части" могут получиться весьма и весьма громоздкими!
Обратите внимание на толщину торцов и двух консольных элементов, первый держит статор, а второй - ротор... Вообще-то, ничто не мешает закрепить ротор и со второй стороны на широком подшипнике, под которым пройдут все провода к статору. А потом ещё вставить опорный подшипник между ротором и статором в правой части (по рисунку), тогда оно уже станет на что-то похоже...
Основные заявленные характеристики
Таблица из статьи:
Переведём на русский:
| Величина | Значение | Единица измерения |
| Мощность | 1 | МВт |
| Удельная мощность | 17 | кВт/кг |
| Частота вращения | 12500 | об/мин |
| Касательное напряжение | 36,5 | кПа |
| К.П.Д | 97,3 | % |
| Плотность тока (пиковая) | 13,3 | А/мм2 |
| Число пар полюсов / пазов | 10/60 | |
| Размеры | ||
| Длина пакета | 198 | мм |
| Внешний диаметр | 300 | мм |
| Воздушный зазор | 3 | мм |
| Материалы | ||
| Сердечник статора | Vacodur 49, 0,1 мм | Fe-Co-V |
| Обмотка | Литцендрат тип 8 | Cu |
| Постоянный магнит | Recoma 35E | Sm-Co |
| Обод (бандаж) ротора | Титан | Ti |
И давайте пройдёмся в том же порядке, как в статье О революции в электродвигателях...
Напряжённость магнитного поля
В статье она не указана в явном виде. Пока они "ковыряют" статор, всё переживают о том, чтобы от 2 Тл у них сердечник не шибко грелся при перемагничивании, но это в самых "нагруженных" местах. Но это же двигатель с постоянными магнитами, причём самарий-кобальтовыми, для них отдельно они измерили 0,6 Тл в зазоре, не особо уточняя, присутствовал ли там в положенных 3 миллиметрах кусок статора? Учитывая, что поле они снимали аккурат в 1,5 миллиметрах от магнита, видимо, ДА. Так что эти 0,6 Тл и возьмём за ответ. Ну совсем не рекорд.
Плотность тока
В таблице указано, 13,3 А/мм2 пиковая, что снова довольно хорошо попадает в упомянутый нами диапазон 3..10 А/мм2. Да, на 30% больше, ну так пиковая же! Обязательно потом напишут, что такую плотность можно давать лишь кратковременно на взлёте. У самых обычных асинхронных движков при запуске плотность тока может и посильнее "зашкаливать", и ничего, живут.
Доля меди в массе мотора
Мы упоминали, что "стандарт" 1/10. Здесь при массе активных элементов 57,4 кг, на медь приходится 6,1 кг. Вполне себе классика жанра.
Развиваемая сила
Мы приводили простейшую формулу: F=BjV, где
B - индукция (напряжённость) магнитного поля, Тл
j - плотность тока, А/м2,
V - объём меди, м3.
Подставляя 0,6 Тл, 13,3 А/мм2 и объём меди в 0,68 литра, получаем полную силу, развиваемую ротором: 5,5 кН, или 560 кгс.
Блинчик или колбаска?
Диаметр ротора 300 мм, а длина пакета: 198 мм. Выглядит опять же вполне классически, разве что ротор и статор поменялись местами, что повышает крутящий момент "при прочих равных".
Не будем сильно вдаваться в подробности, умножим свои 5,5 кН на 150 мм (плечо силы, "на глазок") и получим крутящий момент 820 Н*м.
"Обещаемый" крутящий момент можно получить из мощности в 1 МВт и частоты вращения 12500 об/мин. Последнюю умножаем на 2π, чтобы получить радианы в минуту, потом делим на 60, чтобы прийти к радианам в секунду. Поделив на них 1 МВт, мы и получим заявленный крутящий момент, 760 Н*м
По нашей прикидке должно было выйти больше, поскольку сила возникает всё-таки никак не в титановом бандаже, а чуть ближе к центру. Заменим 150 мм на 140 мм - получим аккурат 760.
Опять всё дело в частоте вращения!
12500 об/мин при такой мощности - это дохрена... Край ротора должен достигать скорости 200 м/с, т.е под 2/3 скорости звука!
Именно эту величину почему-то ни один журналист перепечатывать не пожелал! Попросту не бывает мегаваттного пропеллера или вентилятора, который мог бы работать на таких оборотах. Все эти штуки очень резко теряют в эффективности (и становятся невообразимо шумными), если их кромка достигает сверхзвука. Причём в отличии от ротора, у которого "своя атмосфера", пропеллер/вентилятор ещё и ловит скорость набегающего воздуха, поэтому её нужно векторно сложить с линейной скоростью вращения, и получившаяся скорость не должна превысить скорость звука! Т.е если наш самолётик должен летать сколько-нибудь быстро, пропеллер/вентилятор тупо за диаметр этого двигателя не может выйти! И значит, весь набегающий воздух будет биться об торец двигателя.
Впрочем, можно даже не особо размышлять о вентиляторе на 12500 об/мин, а просто посмотреть на историю реактивной авиации. Турбореактивный двигатель, который примерно такие обороты и развивал, в итоге сменился на турбовентиляторный (Turbofan), габариты которого непрерывно росли.
Так, для сравнения, Боинг 737-200:
(двигатель узкий и очень длинный)
И 737 Max, не к ночи будь помянут:
То есть, тренд на топливную экономичность требует: вентилятор побольше, обороты поменьше. А может, и к винтам потихоньку возвращаться начнём такими темпами.
Возможен ли такой электродвигатель?
Теоретически, да, фундаментальных законов физики он не нарушает, все проблемы чисто технические - справиться с отводом тепла, максимально грамотно рассчитать сердечник и обмотку статора, чтобы нигде не возникало лишних вихревых токов, минимизировался скин-эффект (там они на килогерцы выходят). Отбалансировать железяку (титаняку) раскрученную до 2/3 скорости звука, чтобы она не "била" до такой степени, что убьёт подшипники. Подобрать хорошие подшипники, и всё-таки закрепить ротор с двух сторон. Вполне возможно, но дешёвым такой моторчик явно не будет.
А почему до сих пор ничего такого не делали?
Вон тот же двигатель для "Теслы", хотя его тоже превозносили все кто мог, но ни в какое сравнение не идёт, он всего лишь на 391 кВт (и те очень условные. всего на несколько секунд, а сколько-нибудь продолжительный режим 160 кВт), при том, что весит больше, аж 84 кг. Что изменилось с тех пор, если рекордных плотностей тока, магнитных полей и даже оборотов не прибавилось? Тот же "тесловский" движок может до 19 000 об/мин раскручиваться.
Изменилась характеристика нагрузки. В статье о "революции в электродвигателях" мы говорили преимущественно о тяговых двигателях, это самый тяжёлый режим работы для электродвигателя! Мы ожидаем от него примерно такой характеристики:
На малых скоростях: постоянная тяга, чтобы быстро трогаться с места. Начиная с определённой скорости, у нас попросту не хватит мощности "на борту" (или сечения контактного провода), чтобы продолжить разгоняться с этой тягой, поэтому начинается участок постоянной мощности, выглядящий как гипербола (т.е F*v = const). У "идеального" тягового двигателя этот участок продолжается прямо до максимальной скорости. На деле зачастую появляется ещё один участок, где F*v2=const, т.е тяга падает быстрее, у коллекторных двигателей последовательного возбуждения это "автоматическая характеристика", у асинхронных: повышение частоты, когда напряжение уже подаётся полное, и повысить его уже нельзя (пробой обмоток наступит).
Получается в итоге, что двигателю не дают развить свою "габаритную" мощность: то он даёт максимальную тягу, но на малых оборотах, то он наконец набрал обороты, но вынужден был уйти в ослабление поля и рабочего тока! Так-то, немножко "поколдовав" над таким двигателем, мы могли бы сделать ему постоянную тягу вплоть до максимальной скорости, и тем самым повысив его мощность в 3..10 раз. Просто с ним будет гораздо сложнее работать.
Уж лучше самую чуточку оптимизировать конструкцию двигателя под реально необходимую характеристику, да, он станет формально в 10 раз меньшей мощности, но будет НАИБОЛЕЕ ХОРОШ на своём месте.
А здесь нам предлагают двигатель, нагруженный на пропеллер или вентилятор. Они являются, ВНЕЗАПНО, вентиляторной нагрузкой:
Потребный момент растёт как квадрат от частоты вращения, а мощность - вообще как куб! Это поезд или автомобиль, чтобы резво тронуться с места, должен выдать огромную тягу на нулевых оборотах, а самолёту или вертолёту ничего не остаётся, как раскрутить пропеллер до максимальных оборотов.
Двигатель под вентиляторную нагрузку развивает свою полную "габаритную" мощность. Максимальные обороты (и соотв. полное напряжение на обмотках при полном магнитном поле) и максимальный крутящий момент (а значит, полный ток через обмотки) достигается одновременно! Поэтому он выходит гораздо компактнее тягового двигателя, как будто бы на ту же мощность.
Вообще, нас повсюду окружают двигатели под вентиляторную нагрузку - это и вентиляторы, и насосы, от мала до велика. Очень многие из них - это двигатели общего назначения стандартных серий, которые как будто бы не обладают выдающимися параметрами. Но это лишь пока мы не вспомним, что днём с огнём не найдёшь вентилятора или насоса, где установлен редуктор. Двигатель крутит крыльчатку напрямую, и при этом не выглядит особенно громоздким, сам насос или вентилятор существенно больше по габаритам. Ну зачем создавать излишнюю сложность, потери, шум, стоимость, понижать надёжность, если результатом станет уменьшение конструкции процентов на 10, да и в большинстве случаев никто её и не увидит, она будет запрятана от взгляда "эстетов" где-нибудь в техническом помещении, запертом на замок. А если хочется всё красивое и ажурное (а-ля пылесос Dyson), редуктор это полумера, скорее обороты самой крыльчатки разгонят, чтобы она шумела как реактивный двигатель (это же круто!) и движок потребовался совсем небольшой.
В общем, рекордно компактный электродвигатель под вентиляторную нагрузку до сих пор не требовался, единственное назначение для него - авиация. Собственно, в авиамоделях и квадрокоптерах мы их начали видеть довольно давно.
В комментариях к статье об этом двигателе уже вспоминали, что такая мощность, 1 МВт - это уровень АН-2.
Давайте "поставим" в АН-2 этот электродвигатель...
Для начала посмотрим характеристики воздушного винта: диаметр 3,6 метра, частота вращения во взлётном режиме около 1200 об/мин.
Оба-на: нам нужен редуктор 1:10,41. Хорошо подходит планетарная передача, но одной ступени маловато (делать отношение более 1:8 на одной ступени не рекомендуется), нужна двухступенчатая. Не будем вдаваться во все расчёты, просто посмотрим примеры таких редукторов из статьи "К вопросу оценки массы редуктора в задаче оптимизации параметров рабочего процесса ТВД на этапе начального проектирования":
| Наименование | Мощность, кВт | Выходная частота вращения, об/мин | передаточное число | масса, кг |
| НК-12 | 11000 | 750 | 11 | 850 |
| АИ-20 | 3000 | 1000 | 11 | 235 |
| АИ-24 | 1900 | 1300 | 12 | 122 |
| НК-93 | 20000 | 1650 | 5 | 475 |
| АШ-82В | 1268 | 175 | 13,5 | 475 |
| АИ-26В | 423 | 170 | 9 | 135 |
| М-14В26 | 273 | 290 | 3 | 200 |
| АИ-14В | 177 | 320 | 2 | 80 |
Самый близкий к нашим показателям - редуктор для АИ-24: выходные обороты, передаточное число, разве что мощность почти вдвое больше, чем надо. Если нам очень повезёт, массу редуктора удастся снизить примерно вдвое (на 1000/1900, т.е пропорционально мощности), до 61 кг.
Итак, к заявленным 57 кг приходится добавить ещё столько же на редуктор, а ещё килограмм 30 на станину, вал, остов и подшипники. Инвертор не забываем. Его они тоже проектировали,
и обещают получить удельную мощность инвертора в 53 кВт/кг (похоже, тоже без учёта всяких никому не интересных штук вроде кожухов и системы охлаждения), так что для этого мегаватта ещё нужно добавить 19 кг инвертора.
Так, мало помалу, уже вышло 170 кг. Бензиновый звездообразный двигатель АШ62-ИР весил 560 кг, так что у нас "высвободилось" 390 кг под аккумуляторы!
А ещё все топливные баки под 1200 л бензина снимем, и их тоже заменим на аккумуляторы, условно, ещё здесь 1200 кг аккумуляторов (бензин весит меньше, но ещё сами баки, ещё масла сильно меньше надо, только под редуктор), условно получаем 1600 кг аккумуляторов...
Возьмём "всеми любимые" аккумуляторы Panasonic/Tesla, здесь для них указывают следующие параметры:
- вес одной банки 18650: 48 грамм,
- ёмкость 3410 мАч,
- максимальный ток разряда 10 ампер,
- внутреннее сопротивление 30 мОм,
- напряжение полностью заряженного: 4,2 вольта.
Будем благодушны и полностью пренебрежём шинками, BMS-ками, конструктивными элементами батареи и пр., будем подсчитывать только банки! В 1600 кг их влезет 33 тысячи. С одной банки можно снять 39 Вт максимум, и получится 1,3 МВт - надо же, пожалуй, хватит и на этот движок с учётом потерь и на нём, и на инверторе, и на охлаждении. Так что взлететь можно, пока аккумуляторы заряжены прямо до 100%. Есть даже шанс куда-то прилететь, приземлиться, и взлететь на обратный путь с наполовину заряженными аккумуляторами... Когда напряжение просядет до "стандартных" 3,6 вольт, банка даст только 33 Вт, а все 33 тысячи: 1,1 МВт. Пока даже что-то вырисовывается...
А как насчёт дальности полёта? Выберем режим максимальной дальности полёта. По документам, это было 40% мощности двигателя и скорость 145 км/ч. Суммарная энергия, запасаемая в 33 тысячах этих банок: 0,4 МВт*ч. Хотя бы 10% оставим в качестве аварийного запаса, очень уж не хочется внезапно рухнуть, не долетев до аэродрома считанные километры. Возьмём из этих статей КПД двигателя 97,3% и КПД инвертора 98%, а про систему охлаждения вообще пока забудем. АН-2 обходился 40% мощностью от своего движка на 1000 л.с, т.е в режиме максимальной дальности нам нужно 300 кВт. Поделим на два КПД и получаем мощность с аккумуляторов: 308 кВт. Поделив 0,36 МВт*ч (т.е за вычетом аварийного запаса) на 308 кВт, получаем 83 минуты полёта, или 200 км.
Это очень оптимистичная оценка, мы уйму всего не учли. Скажем так, лучше не получится, даже поверив, что этот движок будет изготовлен, и его характеристики будут до последней запятой соответствовать заявленным.
Для сравнения, оригинальный АН-2 1947 года может пролететь на одной заправке 1200..1600 км (может лететь до 11 часов)!
Будем честны: они не утверждают, что эта штука будет непременно работать от батарей, рассматривают также варианты электрической трансмиссии. Чем это поможет, не особенно понятно.
Выводы
1. Законам физики такой двигатель не противоречит, его параметры по электрическому и магнитному нагружению вовсе не рекордные.
2. Поскольку о массе двигателей заботились в первую очередь на транспорте, то занялись для начала тяговыми двигателями, которые оказываются перетяжелёнными, чтобы давать высокую мощность даже на весьма низких оборотах. Здесь же речь пошла о двигателе для вентиляторной нагрузки, они принципиально легче почти что на порядок. Другое дело, что обычно такие двигатели использовались стационарно (насосы, вентиляторы от мала до велика) где масса не так важна, а вот простота конструкции (отсутствие редуктора, простые подшипники с твёрдой смазкой) и малая нагруженность позволяет им работать десятилетиями без каких-либо проблем. Потребности в таком двигателе попросту не было.
3. Как он поможет в авиации - пока не особенно ясно, проблемой, как обычно, остаются аккумуляторы.
Комментарии
Мне кажется что жилы подвода питания к двигателю мощности 1 мвт
чутка толще чем изображенные на фото.
Для примера - дизельная электростанция контейнерного исполнения, мощностью 1 мвт.
Это дает понимание, о чем мы говорим, упоминая эту мощность.
В правой части - движок, в левой - электрогенератор.
На фото изображён один полюс, а их там 10, и каждый такими проводами (6 штуками, потому что кое-кто не учил работ Доливо-Добровольского) запитан от своего собственного инвертора! А вот провода от инвертора они попросту не показывали, они весь инвертор так и не сделали, только 1/10 часть.
PS. На фото изображено 6 ШИН, по которым обмотка запитывается, а две пары тонюсеньких проводов - это термодатчики туда вставлены.
Ясно.
Прошу прощения, у меня фото в комментарии не подгрузились сразу.
На вашем фото они теплообменник испытывают, и поставили грелки всего на 2 кВт. Часть проводов к ним, часть - термодатчики и датчики давления.
А я вот об этой картиночке, на ней 6 шин, через которые 100 кВт идёт, и ещё два термодатчика:
"На вашем фото они теплообменник испытывают, и поставили грелки всего на 2 кВт. Часть проводов к ним, часть - термодатчики и датчики давления. "
-Существуют вариации с утилизацией выделяемого тепла, через теплообменник, скорее он не изображен.
"6 шин, через которые 100 кВт идёт,"
Трудно судить по фото, но если у вас электроплита, то вы знаете какой
кабель используется для подвода 8-11 квт. А там 100.
У этого провода очень тонкая изоляция. А там литцендрат, и возможно на более высокое напряжение
Обычные кабели всегда с огромным запасом по мощности делают, исходя из того, что их пойдёт несколько, а потом, возможно, они будут замурованы в стену в соответствующей гофре, и надо, чтобы электрики, этим занимающиеся, не должны были раз за разом проводить тепловой расчёт. Просто поставили сечение из таблички, выполнили все остальные требования (не набивать слишком много проводов вместе, гофра металлическая и т.д) - и ЗАВЕДОМО всё будет работать долго и счастливо.
А тут всё "индивидуально", да: изоляции как таковой нет, просто они жёсткие, нужной формы их согнули до инвертора, и притом всё это дело обдувается воздухом.
И напряжение повыше немного, пишут о 480 вольтах в каждой фазе.
А вот кстати: чисто теоретически должна же быть у электродвигателя какая-то предельная удельная мощность?
Точной формулы, вроде закона сохранения энергии или 2го закона термодинамики, вроде как нет. Чисто технические ограничения: раскрутить так чтобы не разорвало на части, подать такой ток чтобы не обуглился!
Ну да, примерно так и есть. Чоткие граничные условия!
Надоть какую книжонку по теории электроприводов полистать.
Можно начать с моей статейки: https://aftershock.news/?q=node/1114877
В учебниках по электротехнике очень любят про мощность двигателя многозначительно промолчать. Сказать: вот формула с десятком коэффициентов, вот A электрическое нагружение берём из таблицы 1, вот B магнитное нагружение берём из таблицы 2, и т.д. а откуда всё это берётся - ни намёка. Потому как оно уже в 80х на компьютерах считалось, численно, вот что он соптимизировал - то в таблицу и вбили. Но исходные данные для компьютера - то самое, чтоб не разнесло и не сгорело :)
О, спасибо!
Сейчас зачту.
Огромное спасибо! То, что надо!
Всё сразу не осилил, положил в закладки и обязательно дочту с карандашыком.
Ну и кое-кому всенепременно отправлю…
P.S. Вы явно #Фтеме.
По большому счёту современные электродвигатели УЖЕ достаточно хороши для полётов. Проблема в отсутствии достаточно ёмких источников электроэнергии. Качество системы определяется наихудшим элементом.
Какой смысл изобретать супермегадвигатель? (ну кроме того, чтобы грантики какие-нибудь попилить).
Инвесторы в хайтек не любят улучшения на проценты, им подавай в разы! На аккумуляторах мы можем удельную ёмкость поднять в разы? Не можем. Вывод: надо изобретать супермегадвигатели!
Удельная мощность зависит от установленной мощности (чем больше установленная мощность - тем больше удельная). Поэтому, мне думается, основным критерием в оценке мощностных параметров электродвигателей является энергоемкость резистивных (не сверхпроводящих) индуктивных накопителей (обмоток), которую для синхронных двигателей можно аппроксимировать:
k=0,0002503*Pмех^1,016, [Вт*с/кг]
где Pмех - развиваемая электродвигателем механическая мощность.
При механической мощности электродвигателя (считаем КПД =0,97) 970000 Вт, энергоемкость составит: 302,7 [Вт*с/кг].
И, тогда масса двигателя составит
1000000/302,7=3303 кг.
Это соответствует каталожным данным выпускаемых в настоящее время серийно синхронных двигателей.
Если создает сверхпроводящий двигатель, у них энергоемкость в 4,96 раза больше, поэтому массу можно оценить:
3303/4,96=665,9 кг.
Это если использовать классические конструктивные методы проектирования синхронных электродвигателей с возбуждением от электричества - не постоянных магнитов.
Хех, просто и понятно!
Я-то, в общем, задал чисто «качественный» вопрос. Просто из общих соображений обязана быть какая-то верхняя (ну или нижняя, смотря откуда смотреть) оценка максимальной теоретической удельной мощности.
Спасибо, очень порадовали!
Спасибо! Отличная статья! Как бы характеристика крутящего момента и удельная мощность ставят крест на электромоторах в авиации, но пусть товарищи покорячатся.
крест ставит удельная энергоемкость источников тока. Причем, там скорее не крест, а отлитое в граните надгробие типа египетской пирамиды.
кПа
Они в статье не объяснили особо, что это за величина. Скорее всего, это насколько пытается "закрутить" теплообменник при работе, он и в своей бесконечной мудрости сделали его силовым элементом, который держит статор! А статор начинает закручивать в сторону, противоположную ротору.
Напряжение тут в сопроматном смысле, нагрузка на единицу площади.
просто я электрик и чот подофигел
Уже в авиадвигателе 50-х годов Р-11Ф-300 первые ступени компрессора низкого давления (сейчас такой компрессор в двухконтурных двигателях чаще называют вентилятором) были сверхзвуковыми. Параметры вентилятора АЛ-31Ф: диаметр 0,9м, обороты 10200об/мин, окружная скорость 480 м/с. Как видим уже даже линейная скорость вращения значительно превышает скорость звука.
Ну, Р11Ф300 был все же одноконтурным, и его компрессор низкого давления был именно компрессором, а не вентилятором дующим во второй контур, в котором топливо не сжигается. Ну и лопаточные машины сильно отличаются от воздушных винтов, им в сверхзвук можно.
Да причём здесь одно- или двухконтурность и уж тем более сжигание топлива. Лопатка первой ступени компрессора всех в мире (любых) авиадвигателей, с любой двухконтурностью, в том числе и нулевой, начиная с 50-х годов только сверхзвуковые. Автор же заметки написал, что сверхзвуковых скоростей обтекания передней кромки вентилятора (причем подчеркнул авиационного) быть не может.
Может, конечно. Режим работы лопатки в лопаточной машине сильно отличается от режима работы лопасти винта. Грубо говоря, в первом приближении лопасть винта - это одиночное крыло, а лопатка компрессора или турбины - элемент бесконечной решетки лопаток :)
Режим работы лопатки компрессора (которая также всё то же крыло) отличается от режима работы винта только тем, что у компрессора есть входное устройство, где воздушный поток замедляется (тормозится). Именно поэтому ВРД могут работать на бОльших скоростях по сравнению с двигателями с винтом.
Всё-таки разные. Лопасть винта опять же в первом приближении - это крыло в невозмущенном потоке. А в лопаточной машине сплошной возмущенный поток, настолько часто лопатки стоят.
Ну и промежуточный случай, конечно - винт-вентилятор, его к двум крайним случаям даже в первом приближении не сведешь.
Боковой ветер для винта- это и есть возмущенный поток при каждом обороте.
Нет, конечно. Отдельную лопасть винта можно рассматривать как крыло в невозмущенном потоке без влияния других лопастей. Взаимным влиянием лопастей можно пренебречь.Лопатку - нельзя в принципе, поскольку типичное расстояние между соседними лопатками меньше хорды лопатки. Каждая влияет на соседей. Пренебречь взаимным влиянием нельзя.
Поэтому и методы расчета совсем разные.
Режим работы лопатки компрессора (которая также всё то же крыло) отличается от режима работы винта только тем, что у компрессора есть входное устройство, где воздушный поток замедляется (тормозится). Именно поэтому ВРД могут работать на бОльших скоростях по сравнению с двигателями с винтом.
Да, вроде как даже пропеллеры ТУ-95 в некоторых режимах становятся сверхзвуковыми, из-за чего он такой громкий. Но у нас же этот электродвигатель - следствие "зелёной повестки", когда изо всех сил борются за экономичность, а выход на сверхзвук эту самую экономичность стремительно убивает.
Сверхзвук чего? Скорости полёта самолёта или все-таки скорости обтекания передней кромки лопатки первой ступени компрессора (вентилятора)? Если речь о самолёте, то оба гражданских проекта доказали свою экономическую и функциональную несостоятельность. Если же речь о первых ступенях компрессора (вентилятора), то все первые ступени компрессоров начиная с 50-х годов только сверхзвуковые, что обеспечивает высокую напорность ступени и при достаточно высоком КПД ступени обеспечивает высокую экономичность двигателя, при минимальном количестве ступеней компрессора. Кстати последние ступени компрессора - дозвуковые. Там температура высокая и скорость звука воздуха там выше 330 м/с.
В заключение, не в первый раз на АШ выскажу свой скептиз, по поводу "электричества" в авиации. Мощность необходимая для привода вентилятора двигателя с тягой 8 тс на взлёте ровна примерно 12,8 МВт. Вот вы, как грамотный специалист по электродвигателям, можете назвать примерную массу двух электродвигателей и массу батареек к двум таким двигателям, необходимых для ближнемагистрального самолёта на 100 пассажиров?
Речь шла о скорости обтекания. Наверное, чуть категорично сказал: НЕМНОЖКО в сверхзвук уйти можно. Сейчас посчитал для этих новых движков к боингам и аэрбусам, выходит 400 м/с максимум и, вероятно, 350 м/с в крейсерском режиме. 1,2 М и 1,08 М соответственно. Для таких оценок плюс-минус 20% считаю нормальным, для объяснения на пальцах, почему для таких мощностей при ожидании высокой экономичности 12500 об/мин это не очень хорошо...
Сейчас, пожалуй, один спойлер туда вставлю по этому поводу.
У меня тоже скепсис, и даже у авторов этого движка в какой-то мере, они себе соломки стелят, что и в EV (Electric Vehicle) сгодится. Хотя здесь, считаю, они неправы, для EV другие характеристики нужны, а как их сделаешь - все рекордные параметры куда-то испарятся...
Это получается для замены литра бензина надо 3133 шт аккумуляторов Panasonic? Только бензин весь можно сжечь, а в батарейках заряд еще останется до порогового значения.
А ещё при сжигании бензина аппарат становится легче. А с батарейках такое не прокатит.
главный косяк аккумуляторов - чтобы передать им энергию, нужно совершить работу, превышающую переданную энергию!
В отличие от химтоплива, где передача мегаватт осуществляется смешным насосом, а если не торопиться, можно и самотеком налить.
Совсем до отсечки такую прорву сложно будет высушить: там всё равно какой-никакой дисбаланс.
Плюс - литий не любит работать по отсечкам, ресурс катастрофически уменьшается.
Ну, и, отсечки они температурнозависимы, и при изменениии температуры сборок, пороги и фактическое - изменятся.
А-а-а-а-а! Спасибо! Вы доставили огромное эстетическое наслаждение!
Я похихикал над исходным сообщением просто немного зная, как штатники генерят свои сообщения о великих научно-технических достижениях. А вы разнесли эту избушку по бревнышку
еще раз спасибо!!
ТС, спасибо. У меня вопрос касательно закона Ома. Допустим 13 А/мм2 пиковая плотность тока. Нигде не указано напряжение на пиковой мощности. Я уж писАл, если ток 1000 А при пусть 1000 В, сечение обмотки получается 75 мм2. Это около 10 мм диаметра, теплопередача уже не ахти и при 40 % от максимальной плотности тока.
Думаю, тесла ездит на 10 - 30 % пиковой мощности, а чаще всего меньше 10 %.
Фазное напряжение 480 вольт, кажется. Полный ток разветвляется на 10 полюсов (они присоединены каждый к своему инвертору), и провода выполнены прямоугольным профилем, точнее множество более мелких проводов в каком-то компаунде сформованные в прямоугольные секции, из которых уже всё это мотают. Плюс, после этого пазы чем-то заполняются для лучшей теплопередачи. Вроде выполнимо, и как говорилось, у многих асинхронных двигателей при запуске с плотностью тока всё ещё напряжённее, но работают десятилетиями вполне себе.
Насчёт теслы согласен: нормальному автомобилю чтобы ездить по городу и по трассе на положенных 90-110 км/ч, хватает 70 л.с (50 кВт) и то без фанатизма, без педали в пол. Где-то я находил, что сколько-нибудь аэродинамичная легковушка тратит 15 кВт на движение 100 км/ч. Так что для теслы, у которой только задний мотор 390 кВт "в импульсе", а полная мощность чуть ли не 500 кВт, получается 3%...
Я сомневаюсь, этот двигатель предназначен для полётов на аккумуляторах. Возможно, что это проработка двигателя для перспективного самолёта на ядерном реакторе или солнечной батарее. Или для перспективных, высокоемких аккумуляторов
На дирижабль.
С ядерной установкой.
Но там уже можно ставить менее экспериментальные двигатели или на сверхпроводниках.
Они ссылаются на этот документ NASA: https://ntrs.nasa.gov/citations/20170012222
там чего только не напихано: и аккумуляторы, и электрическая трансмиссия, и водородные топливные элементы. С солнечной батареей тухло: Солнышко даёт в лучшем случае 1000 Вт/м2 в атмосфере, но в отличие от наземных установок которые можно направлять прямой наводкой, в самолёте они должны стелиться по фюзеляжу и крыльям, и уж собирать сколько получится. На КПД таких панелек есть ограничения, см. https://aftershock.news/?q=node/1135050 Классический самолёт целиком панельками обклеить - особой прибавки и не почувствуешь... Нужны очень своеобразные модели, вроде такой:
с тончайшим крылом и очень протяжённым. Пускают такие время от времени, и не проходит много времени, как они рушатся, не хватает устойчивости, порывы ветра их ломают, а упрочнить - уже не хватает энергии на полёт...
Но даже для них 1 МВт перебор, это навскидку нужна площадь панелек в 7000 м2. Это квадрат 84 на 84 метра...
Очевидно, что химические аккумуляторы тока на настоящем этапе развития технологий не позволяют в электроавиацию, за исключением очень маленькой ниши специфических беспилотников.
Ждём увеличения плотности энергии в 10 раз.
При увеличении плотности энергии в 10 раз аккумулятор будет иметь тротиловый эквивалент недалеко от 1.
А что делать? Аккумулятор самодостаточен. А для углеводородного топлива нужен ещё кислород, который не в баке, а в атмосфере, и возить или накапливать его не нужно, и вес его не учитывают.
Вот если бы инженерными решениями удалось повысить КПД тепловых машин на углеводородном топливе, то это существенно снизило бы выбросы.
А вместо "зелёной" генерации преобразование углекислоты в углеводороды. :)
Карета оказалась из тыквенной корки и изготовлена путём погрыза мышами.
Браво! Прекрасная статья!
Страницы