Был ли когда-нибудь дизель-электрический вертолет?

Изредка попадаются дизель-электрические (ДЭ) конструкции для подводных лодок и грузовых поездов. Они говорят что-то вроде «дизельный двигатель, приводящий в действие электропривод, позволяет обоим работать на своих наиболее эффективных оборотах, а электропривод имеет очень небольшие потери в эффективности».

Так что меня поразил вопрос: был ли вообще вертолет DE? Есть ли в системе DE что-то плохое для авиационной промышленности? Может вес? Но заметьте, нам не нужна куча аккумуляторов, как на подводной лодке. Нам не нужно запасать энергию, мы просто преобразуем ее в электричество, которое сразу идет на электропривод роторов.

"Изредка"? Все дизельные подводные лодки и почти все тепловозы железнодорожные — дизель-электрические.
@DavidRicherby Да, в наши дни они есть. Я имел в виду, что иногда я читаю о них снова.
Я бы сказал «нет» (хотя есть концептуальные проекты), потому что технология, позволяющая сделать батареи легкими и достаточно прочными, была разработана совсем недавно.
@Simon Если вы прочитаете последние два предложения в OP, вертолет DE не нуждается в батареях, потому что нам не нужно хранить энергию. Мощность сразу идет на роторы.
Если мощность от дизеля сразу идет на роторы, то какой смысл пропускать ее через электрическую систему?
@DarioP Смотрите мой ответ. Электрические системы — это просто очень красивая коробка передач, если они используются без накопителя энергии.
@DarioP идея заключалась в том, чтобы позволить дизелю вращаться на самых экономичных оборотах.
Может быть, если бы вы хотели, чтобы один двигатель-генератор приводил в действие множество роторов? SHIELD helicarrier или стиль Robur. Хотя что-то достаточно большое для того, чтобы это имело смысл, вероятно, должно использовать ядерный реактор, а не дизельный двигатель, для питания. (Не утверждая, что это имеет смысл, просто это, вероятно, должно быть размером с ядерный авианосец, чтобы иметь смысл, чтобы это было возможно.)
Вы имеете в виду двигатели на основе цикла Отто или все двигатели и циклы, работающие на дизельном топливе?
@jCisco Я имею в виду традиционный дизельный двигатель с поршневым приводом, которому не требуются свечи зажигания, потому что степень сжатия настолько высока, что топливо воспламеняется автоматически. Это было первоначальное значение слова «дизель», но сегодня оно может относиться только к дизельному топливу, так что есть место для путаницы.
Я думаю, что обороты, необходимые для винта вертолета, довольно постоянны. Таким образом, вы можете спроектировать редуктор так, чтобы ваш дизельный двигатель работал вблизи его оптимального числа оборотов, когда ваш ротор вращается с номинальным числом оборотов только с одним передаточным числом.
@Sanchises: очень причудливая, гораздо более эффективная коробка передач с бесступенчатой ​​регулировкой.

Ответы (5)

Вертолеты в настоящее время используют легкие, но довольно неэффективные газовые турбины. Дизель-электрические двигатели имеют большую энергоэффективность с точки зрения механической энергии, отдаваемой на килограмм топлива. Однако они достаточно тяжелые. Это означает, что вам нужно больше подъемной силы, что, в свою очередь, означает, что требуется больше мощности. Это сводит на нет первоначальное преимущество.

С появлением легких материалов последний эффект уменьшается, поэтому ситуация может измениться.

Дизельные двигатели могут немного увеличивать и уменьшать скорость, в отличие от газовых турбин, но эта мощность не имеет отношения к вертолетам. Обратите внимание, что вертолетам нужна довольно постоянная подъемная сила.

«Обратите внимание, что вертолетам требуется довольно постоянная подъемная сила». У вас есть ссылка на это? Мне кажется, что вертолету нужно довольно сильно варьировать подъемную силу (например, для достижения ускорения вверх?)
@ROIMaison: На самом деле это не так уж много вариаций. Обычно вы не поднимаетесь на вертолете с перегрузкой 2 g и, конечно, пытаетесь избежать снижения в свободном падении, поэтому требуемое вам доверие отличается менее чем на 100% от номинального. Автомобили часто разгоняются на уровнях мощности, в несколько раз превышающих требуемые для движения по улицам скорости (вот почему максимальные скорости намного выше). IOW, автомобили обычно борются только с воздухом и трением качения (не сильно), тогда как вертолеты обычно борются с гравитацией (гораздо больше).
Отметим, что Airbus Helicopters работает над дизельным вертолетом, но с прямым приводом, а не дизель-электрическим.

Основное преимущество дизель-электрических двигателей заключается в том, что они обеспечивают большой крутящий момент при низких оборотах двигателя [с Physics Forums]. По сути, кривая крутящего момента электродвигателя максимальна при 0 об/мин и имеет очень пологий спад при увеличении оборотов.

Это имеет большое значение для транспортных средств, которые должны тянуть большой вес и преодолевать инерцию, возникающую при трогании с места. Это имеет небольшое или отрицательное значение для самолетов, потому что оно гораздо менее эффективно. Каждый раз, когда вы генерируете энергию из одного носителя, а затем используете эту мощность для привода другого носителя, много энергии тратится впустую. Таким образом, преобразование дизельного топлива в механическую энергию, а затем в электрическую энергию слишком расточительно и ненужно для вертолета, где на счету каждый эрг. В вертолетах, которые в наши дни в основном используют газотурбинные двигатели, максимально возможная мощность, получаемая за счет сжигания топлива, преобразуется непосредственно во вращательное движение. Также обратите внимание, что большой крутящий момент на низких оборотах бесполезен для винтовых самолетов, поскольку такие аппараты могут летать только на высоких оборотах.

Важным также является тот факт, что системы двойного питания, такие как дизель-электрические, добавляют много веса, поскольку вы имеете дело с двумя разными типами двигателей. Для любого самолета, особенно для вертолета, это может быть даже большим недостатком, чем трата энергии, хотя эти вещи можно рассматривать как две стороны одной медали.

Это только что в : Журнал The Economist опубликовал статью « Гибридная мощность сделает вертолеты более безопасными и производительными » в связи с появлением вертолетов, которые будут использовать гибридные двигатели.

Также стоит отметить, что в дизель-электрическом локомотиве или подводной лодке вес часто является благом , так как в любом случае, если дизель-электрическая силовая передача и трансмиссия весят недостаточно, необходимо добавить балласт [локомотив слишком легкая не сможет тянуть очень сильно, а слишком легкая относительно своего объема субмарина не сможет погрузиться в воду.
Где вы все еще используете эрги как единицу энергии?
@immibis: В стране метафор и ярких текстов.
Динамика электрического двигателя @Robusto сбивает с толку упрощенные модели в представленном виде. В действительности, вопреки обобщению, например, двигатели постоянного тока с шунтирующим полем, работающие с постоянной скоростью вращения, отображают кривую крутящего момента, которая ведет себя по отношению к увеличению числа оборотов следующим образом. По мере того, как RPM движется от 0 до ~ 90% от идеального и, следовательно, целевого RPM. Доступный крутящий момент составляет 300% от доступного при 100% оборотах в минуту. За последние 10 % увеличения скорости крутящий момент уменьшается до уровня 100 %. Этот график Torque % (x) представляет собой прямую прямую, затем изгибающуюся влево на 10% увеличения вращения = y.

Дизель-электрический двигатель выбран как решение ряда проблем, которые на самом деле не связаны с числом оборотов. В случае с поездами основной причиной выбора была невозможность эффективно использовать механическую связь для привода нескольких колес.

Существует предел мощности и крутящего момента, которые могут быть переданы через трансмиссию, прежде чем это станет практически невозможным. Поезда с дизельными двигателями мощностью 2000 л.с. требуют трансмиссии чрезмерного размера и веса, чтобы передавать крутящий момент в 100 000 фунтов на фут на колеса. Еще больше усложняет это необходимость разделения выходного сигнала по нескольким осям. Он сложный, тяжелый, ненадежный и неэффективный, и это было очевидно на очень ранних дизельных двигателях, несмотря на то, что они не соответствовали паровым двигателям, которые они заменяли.

Решение для увеличения тягового усилия состояло в том, чтобы приводить в действие несколько электродвигателей, каждый из которых приводил в действие одну ось (иногда более одной). Это потребовало замены механической трансмиссии генератором / генератором переменного тока и необходимым силовым оборудованием.

Конечно, существуют некоторые накладные расходы порядка 25% из-за процесса преобразования механической энергии в электрическую, а также необходимость питания вспомогательных систем, таких как теплообменники, аккумуляторные батареи и т. д. Однако увеличение гибкости, надежности, производительности и упрощения сделать накладные расходы дешевым компромиссом по сравнению с альтернативами.

Характеристики поезда и вертолета:

  • Типичный первичный двигатель локомотива имеет мощность 4400 л.с. и крутящий момент 21 000 фут-фунт при 1100 об/мин. Генератор/генератор переменного тока будет обеспечивать 2,1 МВт электроэнергии. Весь локомотив весит 400 000 фунтов. Электродвигатель в типичном наборе из шести будет иметь крутящий момент около 6 200 футо-фунтов.
    Размер: (Первичный двигатель, Генератор и привод): Огромный.

  • Легкий вертолет , такой как R22, имеет мощность 124 л.с. и крутящий момент 241 фунт-фут при 2700 об/мин. Максимальная взлетная масса 1400 фунтов.
    Размер: (силовая установка и трансмиссия) Большой чемодан.

  • Тяжелый вертолет CH-53E имеет три двигателя мощностью 4 380 л. MTOW 73 500 фунтов
    Размер: (силовая установка и трансмиссия) 10 000 фунтов в объеме мини-купера.

Нижняя линия

  1. Локомотиву требуется немедленный высокий крутящий момент, чтобы преодолеть собственный вес и сопротивление груза. Время начала движения имеет решающее значение, поезд должен иметь возможность начать движение по требованию. В то время как вертолеты успевают раскрутить двигатель (двигатели) и вывести ротор на рабочие обороты. Требуемый крутящий момент увеличивается с нуля до рабочих оборотов, после чего ротору требуется постоянный базовый крутящий момент со значительными накладными расходами.

    • чрезвычайно разные операционная среда и оболочка

  2. Создание дизель-электрического вертолета потребует установки очень тяжелого генератора, тормозов на валу/блоков резисторов, теплообменников, распределительного устройства, маховика плюс несколько сотен килограммов медной проводки и электродвигателей. Все в дополнение к первичным двигателям, ни один из которых не окупается с точки зрения возможностей. Дополнительные компоненты занимают ценное внутреннее пространство и добавляют значительный вес, намного превышающий очень эффективные существующие механические звенья, которые в многодвигательных вертолетах не могут быть устранены.

    • Сложный, тяжелый и съедает внутренний объем без плюсов
Еще одно ключевое соображение для железнодорожных локомотивов заключается в том, что вес - это хорошо , поскольку он улучшает тягу, но не требует много дополнительной энергии для перемещения на колесах. Напротив, вес вертолета — это плохо: каждый лишний фунт двигателя, не улучшающий характеристики, будет стоить фунта полезной нагрузки.
Да, безусловно, масса локомотива помогает увеличить максимальную силу, которую можно приложить к колесу, прежде чем оно пробуксовывает, что фактически способствует ускорению и торможению. Что несколько противоречит интуиции и не является проблемой с точки зрения возможностей локомотива, поскольку пространство и вес не являются проблемой, а также нет никаких последствий для принудительной подачи воздуха в теплообменники, промежуточные охладители и блоки нагрузки. сток тока от тормозов. Высокая энергия требует много места и веса, а вертолеты тоже чувствительны.
Интересно, я не знал, что тяжелый вертолет примерно такой же мощный, как локомотив!

Одна вещь, которую я еще не вижу в других ответах:

Причина использования дизель-электрических систем заключается в том, что дизельные двигатели (фактически все двигатели с ДВС) эффективны только при определенных значениях оборотов. Для дорожных транспортных средств, которые сильно разгоняются и замедляются, это означает, что большую часть времени ваш напрямую связанный двигатель работает неэффективно. Чтобы облегчить эту проблему, вы можете либо иметь навороченную коробку передач (например, двойное сцепление или вариатор — или даже обычная коробка передач подойдет), либо иметь генератор и электродвигатель: это очень удобная «коробка передач», поскольку электроны так легко манипулировать. Некоторые (прототипы) гибридных автомобилей также используют эту систему.

Вертолеты почти всегда работают на фиксированных оборотах , установленных губернатором. Это означает, что какой бы двигатель ни использовался, вы можете просто позволить ему работать на лучших оборотах, используя простую фиксированную коробку передач. Фактические изменения подъемной силы зависят от шага лопастей, а не от оборотов двигателя. Весь смысл наличия электрической системы (которая представляет собой просто очень причудливую трансмиссию, похожую на своего рода вариатор) тогда сводится на нет, поэтому эта система никогда не будет использоваться как в винтокрылых самолетах, так и в вертолетах.

То же самое можно сказать и о дизель-электрических поездах. Я уверен, что обороты двигателя крейсерского поезда тоже почти постоянны. Реальный вопрос заключается в том, является ли типичный турбовальный двигатель наиболее эффективным при оборотах, необходимых для вертолета? Если так, то да, дизель-электрическая идея теряет какой-то стимул.
Я согласен с DrZ214, такая система уже изучается и используется в самолетах с неподвижным крылом (не все из которых имеют фиксированные обороты). Я не думаю, что ваша точка зрения полностью неверна, я просто не согласен со всеми утверждениями.
@fooot, смысл гибрида в том, что в цепи есть батарея. Гораздо проще с неподвижным крылом, так как им требуется более низкая тяговооруженность.
@JanHudec да, но последнее предложение, кажется, объединяет все пропеллерные / вертолетные транспортные средства вместе, говоря, что они никогда не будут его использовать, с чем я не согласен.
@DrZ214. крейсерский поезд имеет почти постоянные обороты. Но в поездах есть подшипники скольжения (потому что они слишком тяжелые для подшипников качения), смазываемые насосами с приводом от оси. Поэтому, когда поезд останавливается, давление масла падает, масло выдавливается, а статическое трение намного выше, чем трение качения. Таким образом, двигатель поезда нуждается в высоком крутящем моменте с места, и это то, в чем электрические двигатели хороши.
Единственное, чего мне не хватает в этом интересном обсуждении: трансмиссия вертолета выходит за рамки «простой коробки передач». Он должен иметь очень высокое передаточное число (по крайней мере, в турбовальных вертолетах) плюс необходимость изменения направления на 90 градусов. Будучи ответственной частью, он также довольно тяжелый и дорогой. Так что есть причина искать какую-то альтернативу, даже если электромеханический может не соответствовать требованиям. Может гидравлика?
Обратите внимание, что нагрузочные характеристики вертолета и локомотива сильно различаются, у вертолета высокие требования к крутящему моменту, поскольку речь идет о скорости вращения ротора, необходимой для входа в полет. В то время как крутящий момент, требуемый локомотивом, падает по мере того, как он достигает более высокой скорости, когда требуемый крутящий момент мал по сравнению с его движением. Несущий винт вертолета предназначен для работы на максимальной скорости, обычно связанной с компромиссом скорости законцовки? Поддержание этих рабочих оборотов — это очень высокий максимальный доступный крутящий момент. Он действительно не падает при входе в круизный полет.
@JanHudec Вау, я никогда не знал этого о поездах. Я даже не уверен, видел ли я ваш комментарий до сих пор. Я бы хотел, чтобы существовал Trains.SE, чтобы я мог задать вам все эти вопросы.

Преимущества использования электрической трансмиссии с дизельными двигателями:

  1. Высокий крутящий момент с нуля. Это чрезвычайно важно для поездов, потому что поезда имеют гораздо более высокое трение качения на первых нескольких футах, прежде чем масляные насосы с приводом от колес смогут в достаточной степени смазать подшипники. Дизельные поезда, в которых используется механическая трансмиссия, даже часто имеют дополнительные краткосрочные источники энергии, такие как паровые турбины, чтобы помочь с этим.

    Обратите внимание, что эта причина распространяется даже на автомобили с дизельными двигателями, но с механической трансмиссией. А для вертолетов им даже коробка передач не нужна, потому что они и так вращают ротор на постоянных оборотах.

  2. Батареи могут быть легко включены. Это важно для подводных лодок, потому что они не могут запустить дизельный двигатель ниже перископной глубины, потому что ему нужно много кислорода (на перископной глубине они могут использовать трубку). Но это специфично для подводных лодок.

    Другие транспортные средства также могут использовать это, например, гибридные автомобили используют его для получения более высокой пиковой мощности с двигателем меньшего размера, который может работать более эффективно. Но вертолетам нужна довольно постоянная мощность, так что от них тоже мало толку.

Так что вертолеты с дизелем возможны, и по крайней мере Airbus Helicopters над этим работают, но от электрической части просто нет толку. До сих пор их не существовало, потому что дизельные двигатели были слишком тяжелыми, но они становятся достаточно легкими, чтобы их можно было использовать в будущем.

Когда вы говорите «они становятся достаточно легкими», вы имеете в виду дизельные двигатели, как в грузовике, например, поршневой двигатель? Или вы про турбовальный двигатель, работающий на дизельном топливе?
@ DrZ214, «Дизельный двигатель» означает поршневой двигатель с воспламенением от сжатия, и именно об этом я говорю. Турбины, работающие на дизельном топливе, не заслуживают внимания, потому что все они работают — реактивное топливо — это в основном то же самое, что и автомобильное дизельное топливо, но с более строгими ограничениями по чистоте (а авиационные дизели обычно работают на Jet-A/Jet-A1).
@JanHudec: Реактивное топливо - это керосин, а не дизель.
@ Шон, стандартное автомобильное дизельное топливо немного тяжелее, чем Jet-A1, но диапазоны перекрываются, и ни один из двигателей в любом случае не слишком заботится.
Был ли когда-нибудь дизель-электрический вертолет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v