Сергей Петрович Халютин, первый вице-президент Академии наук авиации и воздухоплавания, доктор технических наук, профессор, президент Ассоциации разработчиков, изготовителей и потребителей средств электропитания «ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ», заведующий кафедрой «Электротехника и авиационное электрооборудование» МГТУ ГА, научный руководитель ООО «Научно-производственное объединение НаукаСофт», главный редактор научно-технического журнала «Электропитание», руководитель всероссийского Научного семинара по проблемам авиационно-космической электроэнергетики имени академика В.С. Кулебакина
В любых сложных технических системах существует большое количество внутренних связей, оказывающих взаимное влияние отдельных элементов друг на друга. Поэтому изменение одних элементов часто приводит к существенным изменениям в других, и это необходимо учитывать при проектировании новых систем и агрегатов. Авиационные системы, такие как силовые установки, системы электрооборудования и эле менты конструкции летательных аппаратов, являются элементами авиационного комплекса, который также представляет собой достаточно сложную систему. Поэтому при проектировании или модернизации авиационных комплексов необходимо рассматривать их в целом с учетом имеющегося взаимного влияния.
Компоновка и архитектура современных воздушных судов при достигнутом уровне технологического развития практически достигла своего совершенства с точки зрения основных показателей – аэродинамического качества, топливной эффективности, удельной массы, которые влияют на основной экономический показатель – себе стоимость тонно-километра. Улучшение данных показателей сопряжено с существенными материальными и экономическими затратами. В последние десятилетия к указанным требованиям добавились экологические требования, связанные с минимизацией вредных выбросов угле кислого газа и оксида азота при работе авиационных двигателей. Несмотря на то, что экологические требования в большей степени направлены на вытеснение конкурентов с мирового рынка авиаперевозок, улучшение экологической обстановки в районах аэропортов всё-таки должно благоприятно сказаться на состоянии окружающей среды.
КАК УЛУЧШИТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ?
Максимальные выбросы вредных веществ основными газотурбинными двигателями наблюдаются на режимах взлёта, набора высоты, то есть в переходных режимах работы. Кроме того, большое количество вредных выбросов происходит при рулении самолётов на аэродроме. Одним из наиболее неэкологичных устройств являются вспомогательные силовые установки (ВСУ), которые большую часть времени работают во время нахождения самолета на земле. Эта специфика работы газотурбинных двигателей легла в основу следующих направлений совершенствования авиационного комплекса: применение для передвижения по аэродрому электромеханических мотор-колёс, а также использование электрохимических генераторов на основе водородного топлива вместо ВСУ с газотурбинными двигателями.
Первое направление теоретически позволяло уменьшить время работы маршевых двигателей на аэродроме, а второе – полностью исключить вредные выбросы при выполнении функции электропитания оборудования на стоянке. Кроме этих очевидных направлений совершенствования воздушных судов, проведённые в 1990-х годах прошлого века исследования показали, что максимальная электрификация всего бортового оборудования и агрегатов (отказ от централизованных гидро- и пневмо систем и переход на питание всего оборудования только электрической энергией) может позволить существенно повысить топливную, а следовательно, и экономическую эффективность воздушных судов.
Обобщая эти пути совершенствования воздушных судов, можно сказать, что все они направлены на электрификацию всех бортовых систем летательного аппарата и авиационного двигателя (рис. 1), а это:
• переход к электромеханическим приводам выпуска/уборки и торможения шасси, управления носовым колесом, приводами механизации крыла и спойлеров, стабилизатора и других рулевых поверхностей управления;
• создание и внедрение системы кондиционирования воздуха с электрическим компрессором, что позволяет исключить отбор воздуха от ГТД;
• создание ВСУ на базе водородных топливных элементов;
• переход на полностью электрическую противообледенительную систему;
• отказ от коробки самолетных агрегатов и интеграция стартер-генератора с валом компрессора;
• электрификация топливной и масляной систем ГТД.
Компоновка и архитектура современных воздушных судов при достигнутом уровне технологического развития практически достигла своего совершенства с точки зрения основных показателей – аэродинамического качества, топливной эффективности, удельной массы, которые влияют на основной экономический показатель – себе стоимость тонно-километра. Улучшение данных показателей сопряжено с существенными материальными и экономическими затратами. В последние десятилетия к указанным требованиям добавились экологические требования, связанные с минимизацией вредных выбросов угле кислого газа и оксида азота при работе авиационных двигателей. Несмотря на то, что экологические требования в большей степени направлены на вытеснение конкурентов с мирового рынка авиаперевозок, улучшение экологической обстановки в районах аэропортов всё-таки должно благоприятно сказаться на состоянии окружающей среды.
КАК УЛУЧШИТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ?
Максимальные выбросы вредных веществ основными газотурбинными двигателями наблюдаются на режимах взлёта, набора высоты, то есть в переходных режимах работы. Кроме того, большое количество вредных выбросов происходит при рулении самолётов на аэродроме. Одним из наиболее неэкологичных устройств являются вспомогательные силовые установки (ВСУ), которые большую часть времени работают во время нахождения самолета на земле. Эта специфика работы газотурбинных двигателей легла в основу следующих направлений совершенствования авиационного комплекса: применение для передвижения по аэродрому электромеханических мотор-колёс, а также использование электрохимических генераторов на основе водородного топлива вместо ВСУ с газотурбинными двигателями.
Первое направление теоретически позволяло уменьшить время работы маршевых двигателей на аэродроме, а второе – полностью исключить вредные выбросы при выполнении функции электропитания оборудования на стоянке. Кроме этих очевидных направлений совершенствования воздушных судов, проведённые в 1990-х годах прошлого века исследования показали, что максимальная электрификация всего бортового оборудования и агрегатов (отказ от централизованных гидро- и пневмо систем и переход на питание всего оборудования только электрической энергией) может позволить существенно повысить топливную, а следовательно, и экономическую эффективность воздушных судов.
Обобщая эти пути совершенствования воздушных судов, можно сказать, что все они направлены на электрификацию всех бортовых систем летательного аппарата и авиационного двигателя (рис. 1), а это:
• переход к электромеханическим приводам выпуска/уборки и торможения шасси, управления носовым колесом, приводами механизации крыла и спойлеров, стабилизатора и других рулевых поверхностей управления;
• создание и внедрение системы кондиционирования воздуха с электрическим компрессором, что позволяет исключить отбор воздуха от ГТД;
• создание ВСУ на базе водородных топливных элементов;
• переход на полностью электрическую противообледенительную систему;
• отказ от коробки самолетных агрегатов и интеграция стартер-генератора с валом компрессора;
• электрификация топливной и масляной систем ГТД.
Рис. 1. Направления электрификации летательных аппаратов
ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ЭЛЕКТРИФИКАЦИЕЙ ЛА И АД
Увеличение требуемой установленной мощности для обеспечения работы потребителей электроэнергии, которое обусловлено следующими факторами:
• замена гидро- и пневмоприводов на электромеханические может привести к росту суммарной потребляемой мощности;
• электрическая система кондиционирования воз духа и полностью электрическая противообледенительная система – дополнительные достаточно мощные потребители электроэнергии, работающие большую часть времени полёта;
• электростартерный запуск основных газотурбинных двигателей требует дополнительной электроэнергии большой мощности;
• возможность использования стартер-генераторов в режимах приёмистости ГТД в процессе полёта требует наличия на борту воз душного судна дополнительных автономных источников электроэнергии, обладающих мощностью, соизмеримой с мощностью основных генераторов.
Условия и режимы работы стартер-генераторов, встроенных в компрессоры газотурбинных двигателей, а именно повышенная температура, высокая частота вращения валов компрессоров, невозможность механического разъединения роторов электрической машины (ЭМ) от ГТД в случае аварийных режимов внутри ЭМ ставят под вопрос целесообразность применения магнитоэлектрических ЭМ в качестве стартер-генераторов. Для выбора наиболее подходящего типа электрической машины необходимы дополнительные исследования систем генерирования в целом с учетом всех заявленных нормальных и аварийных режимов работы воздушного судна и всех устройств и агрегатов с целью оценки их реализуемости, надёжности и безопасности.
При существенном увеличении мощности источников электрической энергии для снижения массы силовых кабельных линий необходимо повышать уровень напряжения в бортовой сети (хотя бы до 270 В), а это приводит к появлению новых проблемных задач – обеспечения безопасности обслуживающего персонала, коммутации в системах распределения электроэнергии, а также применения высоковольтных аккумуляторных батарей.
Увеличение количества и мощности электроприводов, переменная структура источников электро- энергии с различными внешними характеристиками приводят к существенным проблемам качества электрической энергии и вытекающим из этого проблемам управления электропитанием, регулирования напряжения, защиты отдельных агрегатов и систем.
Увеличение количества и разнообразия потребителей электроэнергии приводит к большему влиянию перекрёстных энергетических связей между оборудованием, в первую очередь это касается электромагнитного взаимодействия и термодинамических процессов. Кроме того, перекрестные связи могут стать причиной возникновения вредных автоколебательных процессов в отдельных частях системы или в системе в целом.
При существенном увеличении мощности источников электрической энергии для снижения массы силовых кабельных линий необходимо повышать уровень напряжения в бортовой сети (хотя бы до 270 В), а это приводит к появлению новых проблемных задач – обеспечения безопасности обслуживающего персонала, коммутации в системах распределения электроэнергии, а также применения высоковольтных аккумуляторных батарей.
Увеличение количества и мощности электроприводов, переменная структура источников электро- энергии с различными внешними характеристиками приводят к существенным проблемам качества электрической энергии и вытекающим из этого проблемам управления электропитанием, регулирования напряжения, защиты отдельных агрегатов и систем.
Увеличение количества и разнообразия потребителей электроэнергии приводит к большему влиянию перекрёстных энергетических связей между оборудованием, в первую очередь это касается электромагнитного взаимодействия и термодинамических процессов. Кроме того, перекрестные связи могут стать причиной возникновения вредных автоколебательных процессов в отдельных частях системы или в системе в целом.
О КОРРЕКТНОСТИ УЧЕТА ПРЕДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
Влияние электрификации на увеличение суммарной мощности электроэнергетической системы проявляется в увеличении суммарной массы оборудования (агрегатов, устройств и бортовой электрической сети). Новые системы рекомендуется оценивать с помощью предельных удельных энергетических показателей – удельной мощности (отношение мощности к массе) и удельной энергии (отношение электрической энергии, необходимой для полета, к массе). При этом необходимо корректно определять эти удельные параметры.
Оценку удельных свойств электрических машин, используемых в системах генерирования электроэнергии и во всех электромеханических приводах, в отличие от рекламных показателей, необходимо про изводить с учетом дополнительного оборудования и материалов, обеспечивающих их работу. Так, заявленная компанией Siemens удельная мощность электродвигателя в 5,1 кВт/кг (рис. 2) соответствует «чистой» массе, то есть без хладагента и системы охлаждения.
Влияние электрификации на увеличение суммарной мощности электроэнергетической системы проявляется в увеличении суммарной массы оборудования (агрегатов, устройств и бортовой электрической сети). Новые системы рекомендуется оценивать с помощью предельных удельных энергетических показателей – удельной мощности (отношение мощности к массе) и удельной энергии (отношение электрической энергии, необходимой для полета, к массе). При этом необходимо корректно определять эти удельные параметры.
Оценку удельных свойств электрических машин, используемых в системах генерирования электроэнергии и во всех электромеханических приводах, в отличие от рекламных показателей, необходимо про изводить с учетом дополнительного оборудования и материалов, обеспечивающих их работу. Так, заявленная компанией Siemens удельная мощность электродвигателя в 5,1 кВт/кг (рис. 2) соответствует «чистой» массе, то есть без хладагента и системы охлаждения.
Рис. 2. Перспективный электродвигатель для самолетов на электрической тяге, разработанный компанией Siemens
Кроме того, для расчета удельной мощности некоторые производители указывают предельно возможную мощность, в которой электрическая машина может работать ограниченное время. Для корректной сравнительной оценки разных типов ЭМ расчет удельных показателей рекомендуется проводить для режима номинальной мощности, в котором двигатель может работать в длительном режиме.
Для автономных источников электроэнергии, например аккумуляторных батарей (АБ), расчет удельной энергии следует проводить с учетом дополнительного оборудования, обеспечивающего работу АБ, и системы охлаждения вместе с хладагентом. Так, лучшие показатели для отдельных аккумуляторов, достигнутые мировыми производителями, – 250 Втч/кг. Аккумуляторы, собранные в бата рею вместе с системой управления и конструктивными элементами, не могут иметь удельные показатели больше 200 Втч/кг, а в случае, если используются активные системы охлаждения, удельная энергия будет существенно меньше 200 Втч/кг (рис. 3).
Для автономных источников электроэнергии, например аккумуляторных батарей (АБ), расчет удельной энергии следует проводить с учетом дополнительного оборудования, обеспечивающего работу АБ, и системы охлаждения вместе с хладагентом. Так, лучшие показатели для отдельных аккумуляторов, достигнутые мировыми производителями, – 250 Втч/кг. Аккумуляторы, собранные в бата рею вместе с системой управления и конструктивными элементами, не могут иметь удельные показатели больше 200 Втч/кг, а в случае, если используются активные системы охлаждения, удельная энергия будет существенно меньше 200 Втч/кг (рис. 3).
Рис. 3. Аккумуляторные ячейки (а), батарея в сборе (б), АБ с системой охлаждения (в)
Такие же принципы оценки удельных свойств необходимо применять и для систем с использованием эффекта сверхпроводимости, в которых электромеханические и полупроводниковые преобразователи без учета системы захолаживания и конструктивных элементов обладают существенно более высокими удельными энергетическими свойствами.
Указанные особенности оценки удельных показателей источников и преобразователей энергии, а также новые режимы работы оборудования и внешние воз действия, обусловленные новыми функциями и особенностями работы газотурбинных двигателей, необходимо учитывать при проектировании электроэнергетических систем воздушного судна, которое планируется электрифицировать.
Обобщая представленный анализ, можно сделать следующие выводы и рекомендации:
Электрификация летательных аппаратов и авиационных двигателей – это одно из важнейших направлений повышения эффективности всего авиационного комплекса, причем основным высокоэнергоемким агрегатом, подлежащим электрификации, является газотурбинный двигатель.
Реализация электрифицированных систем и оборудования требует комплексной оценки энергетических показателей новых систем, в том числе изменения требований к системам электроснабжения и ее предельных энергетических возможностей – удельных мощностей преобразователей и удельных энергий автономных источников, рассчитанных корректно.
Реализации электрифицированного оборудования должен предшествовать анализ суммарных энергетических потерь и возможных перекрестных энергетических связей (электромагнитных и тепловых). Этот анализ возможно проводить с использованием моделей, полученных на основе метода математического прототипирования энергетических процессов, который в том числе позволяет оценить возможности возникновения в системе вредных автоколебательных процессов.
Указанные особенности оценки удельных показателей источников и преобразователей энергии, а также новые режимы работы оборудования и внешние воз действия, обусловленные новыми функциями и особенностями работы газотурбинных двигателей, необходимо учитывать при проектировании электроэнергетических систем воздушного судна, которое планируется электрифицировать.
Обобщая представленный анализ, можно сделать следующие выводы и рекомендации:
Электрификация летательных аппаратов и авиационных двигателей – это одно из важнейших направлений повышения эффективности всего авиационного комплекса, причем основным высокоэнергоемким агрегатом, подлежащим электрификации, является газотурбинный двигатель.
Реализация электрифицированных систем и оборудования требует комплексной оценки энергетических показателей новых систем, в том числе изменения требований к системам электроснабжения и ее предельных энергетических возможностей – удельных мощностей преобразователей и удельных энергий автономных источников, рассчитанных корректно.
Реализации электрифицированного оборудования должен предшествовать анализ суммарных энергетических потерь и возможных перекрестных энергетических связей (электромагнитных и тепловых). Этот анализ возможно проводить с использованием моделей, полученных на основе метода математического прототипирования энергетических процессов, который в том числе позволяет оценить возможности возникновения в системе вредных автоколебательных процессов.