Главная » Проект платформы «Распределенные силовые установки»

Проект платформы «Распределенные силовые установки»

Конечная цель программы проекта — широкая линейка силовых установок с ГТД в вариантах: турбогенератор (ТГ), вспомогательная силовая установка (ВСУ), турбовинтовой двигатель (ТВД) эквивалентной мощностью 50, 60, 75, 100, 160, 250, 350, 500 кВт, турбореактивный двигатель (ТРД), двухконтурный (ДТРД) — тягой 400Н, 1000Н, 1500Н, 2500Н.

Пилотный проект платформы «Распределенные силовые установки» — турбогенератора в классе мощности 60/100 кВт

Проект дважды докладывался на заседании эРГ «Аэронет» 19.02.2019 и 14.05.2019: доклад «Линейка ТРД, ДТРД и ТВД БЛА на основе единого газогенератора, конструкция которого ориентирована на применение аддитивных технологий»; доклад «Платформа распределенных силовых установок с турбогенератором и электроприводом винтов/вентиляторов»; доклад «Пилотный проект платформы «Распределенные силовые установки» — газотурбинный двигатель (ГТД) в классе мощности 60/100 кВт». В качестве основной в рамках проекта выбрана приоритетная тематика №33 «Широкий типоразмерный ряд силовых установок …». Проект непосредственно соответствует приоритетной тематике №33, поскольку она предусматривает разработку ГТД, ТВД и вспомогательных силовых установок (ВСУ) мощностью от 30 кВт до 2000 кВт.

Научная новизна и обоснование предлагаемых в проекте решений

  • Высокоскоростные роторы турбомашин с воздушными подшипниками;
  • Аддитивные технологии печати лопаточных машин без потери механических характеристик по сравнению с традиционной технологией штамповки и механической обработкой;
  • Увеличение эффективности сжигания органического топлива;
  • Эффективные численные методы, включая расчеты течений с низким числом Рейнольдса, расчеты ударно-волновых процессов, детонации, горения, вихревых жгутов.

Приведенные выше четыре научно-технические подпрограммы, осуществляемые в рамках проекта, определяют научную новизну и инновационность проекта.

По этим направлениям ключевые члены коллектива имеют большой опережающий научно-технический задел и являются признанными на мировом уровне специалистами.

Научная новизна подтверждается более, чем 100 публикациями членов коллектива по теме проекта за последние 5 лет. Некоторые из них:

  • Булат П.В., Минин О.П. О современном подходе к проектированию беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с коротким взлетом и посадкой. Часть III. Численное моделирование вихревой аэродинамики летательного аппарата методом дискретных вихрей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 2. С. 169–190. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-2-169-190.
  • Булат П.В., Минин О.П. О современном подходе к проектированию беспилотных летательных аппаратов самолетного типа с коротким взлетом и посадкой. Часть I и II // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 6. С. 961–996. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-961-996.
  • M.P. Bulat, P.V. Bulat, P.V. Denissenko, I.I. Esakov, L.P. Grachev, K.N. Volkov, I.A. Volobuev. Ignition and combustion of air/fuel mixture in a long tube induced by microwave subcritical streamer discharge. Acta Astronautica, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.01.028.
  • P. Denissenko, M.P. Bulat, I.I. Esakov, L.P. Grachev, K.N. Volkov, I. A.Volobuev, V.V. Upyrev, P.V. Bulat. Ignition of premixed air/fuel mixtures by microwave streamer discharge. Combustion and Flame 202 (2019) 417–422. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.01.029.
  • M.P. Bulat, P.V. Bulat, P.V. Denissenko, I.I. Esakov, L.P. Grachev, K.N. Volkov, I.A. Volobuev. Ignition and combustion of air/fuel mixture in a long tube induced by microwave subcritical streamer discharge. Acta Astronautica. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.01.028.
  • Bulat, M., Bulat, P., Denissenko, P., (…), Volkov, K., Volobuev, I. Numerical simulation of ignition of premixed air/fuel mixtures by microwave streamer discharge. IEEE Transactions on Plasma Science. 47(1),8479354, с. 62-68.
  • Bulat, M., Bulat, P., Denissenko, P., (…), Volkov, K., Volobuev, I. Experimental study of microwave streamer discharge ignition of premixed air/fuel mixtures. IEEE Transactions on Plasma Science. 47(1),8493512, с. 57-61.P.V. Bulat, M.P. Bulat, I.A. Volobuev, A.A. Levikhin. Numerical and Experimental Study of a Hybrid Segmented Air Bearing for an Aircraft Gas Turbine Engine. Russian Aeronautics (Iz.VUZ), 2018, Vol. 61, No. 3, pp. 420–424. DOI: 10.3103/S1068799818030157

Разрабатываемые элементы платформы,в целом, и двигателей, в частности, отличаются высокой степенью конструктивной новизны, что отражено в патентах.

  • Патент на полезную модель «Турбина газовая» №180053;
  • Патент на полезную модель «Газотурбинный двигатель» №156076;
  • Патент на полезную модель «Газотурбинная установка с накопителем энергии» №120145;
  • Патент на полезную модель «Гибридная энергетическая установка» №160574;
  • Патент на полезную модель «Акустический излучатель» №168404;
  • Патент на полезную модель «Акустический излучатель» №152649.

Обоснование принятых в проекте решений

Выполненные во всем мире исследования показали, что в ближайшие 10 лет основным и наиболее
ёмким сегментом рынка беспилотных авиационных систем (БАС) будут транспортные системы для региональных перевозок. Наиболее коммерчески привлекательным, по единогласному мнению международных экспертов, являются транспортные летательные аппараты (ЛА) с укороченным или вертикальным взлетом и посадкой, с коммерческой нагрузкой от 300 кг до 1,5 т.

1

а — Тематическая модель — региональный транспортный БВС, 3000 кг, 1200 км;

б — Тематическая модель — Межрегиональный транспортный БВС, 5500 кг, 3000 км

Многокритериальный анализ грузового БВС с вертикальным/коротким взлетом и посадкой
(ВВП/КВП) и взлетным весом в 1-3 т приводит к компоновкам с большой относительной толщиной фюзеляжа (более 30%), крылом малого удлинения и большой нагрузкой на крыло. Крыло умеренного удлинения затрудняет вертикальный взлет и посадку в условиях порывов ветра или в затесненных условиях городской застройки. Использование грузового БЛА в качестве аэротакси накладывает дополнительные компоновочные ограничения, связанные с требованием экстренного покидания воздушного судна пассажирами в аварийных ситуациях. Эти ограничения затрудняют использование не только традиционного прямого крыла, но и дельтавидного крыла большой площади с корневым наплывом, схемы летающего крыла, а также крыла Кармана, замкнутого на вертикальное оперение. Последнее, к тому же, обладает плохой устойчивостью к боковым порывам ветра.

Для решения проблемы разработана концепция планера с пропульсивными профилями. Суть этой концепции заключается в том, что в критической точке профилей, образующих внешнюю форму крыла и фюзеляжа, осуществляется отбор воздуха с заданным расходом. Хвостовая часть профилей профилируется таким образом, чтобы создавать тягу. Таким образом, профили имеют «отрицательное» сопротивление. Очевидно, что тяга создается за счет энергии, затрачиваемой на отбор воздуха с поверхности профиля.

Расчеты показывают, что за счет большой площади, создающей тягу, при правильно спрофилированном тяговом участке внешней поверхности крыла и фюзеляжа, затраты энергии на создание тяги оказываются примерно в три раза меньше, чем при создании тяги непосредственно движителем. Описанные выше принципы позволяют спроектировать БВС ВВП/КВП, у которого силовая установка и её элементы, взаимодействующие с внешним течением, будут размещены внутри объемного планера.

2

Концепция транспортного БВС с пропульсивным планером и распределенной силовой установкой, полностью размещенной внутри фюзеляжа

Это позволяет сделать БВС практически бесшумным, т.к. скорость веерной струи, выбрасываемой, например, через заднюю кромку крыла, будет небольшой. Большие внутренние объемы и строительная высота позволят удобно размещать внутри контейнеры с грузом или пассажирскую кабину. Небольшое крыло будет устойчиво к порывам ветра и не будет мешать эвакуации пассажиров в аварийных ситуациях.

Конечно, описанная концепция выглядит весьма необычно, что потребует выполнения не только теоретических исследований, но и тщательной экспериментальной отработки. Потребуется отработка всех основных элементов: планера, движителей, турбогенератора, электрического синхронного генератора, инвесторов, силовых контроллеров, биротативных высокобортных электрических двигателей. К настоящему моменту выполнены работы по обоснованию концепции. Это позволило заявить системообразующий проект по разработки платформенного решения в области распределенной силовой установки, интегрированной с планером летательного аппарата.

Функциональная схема гибридной распределенной силовой установки

Вместо турбогенератора может применяться двигатель внутреннего сгорания (ДВС) или роторно-поршневой (РПД) или батарея топливных элементов. Рассматриваются также различные их комбинации. Для работы гибридной установки в любых вариантах необходимы три ключевых компонента: аккумуляторная батарея (АКБ); контроллер верхнего уровня, распределяющий потоки мощности; а также контроллеры — преобразователи для
управления электродвигателями (ЭД) и управления генератором, при работе последнего в режиме стартера. Типичная структурная схема РСУ приведена на рисунке

3

1 — двигатель, 2 — аккумуляторная батарея, 3 — блок распределения электрических потоков с силовым контроллером и инвертором, 4 — выпрямитель, 5 — турбогенератор с синхронным высокочастотным электрическим генератором, 6 — винтокольцевой движитель

4

Функциональная схема распределенной силовой установки с высокочастотным синхронным генератором, аккумуляторной батареей (АКБ), выпрямителем и инвертором

Научно-техническая задача проекта

Для того, чтобы РСУ могла конкурировать с классической силовой установкой, все её компоненты должны отличаться высоким весовым совершенством, а полный пропульсивный (тяговый) КПД должен быть не менее 80%. Для дальнейшего увеличения КПД элементов необходимо повышать характеристики компрессоров, увеличивать частоту вращения для уменьшения габаритов, снижать внутренние потери, облегчать конструкции.

Создаваемый коммерческий продукт и его характеристики

Конечная цель программы — широкая линейка силовых установок с ГТД в вариантах: турбогенератор (ТГ), вспомогательная силовая установка (ВСУ), турбовинтовой двигатель (ТВД) эквивалентной мощностью 50, 60, 75, 100, 160, 250, 350, 500 кВт, турбореактивный двигатель (ТРД),
двухконтурный (ДТРД) — тягой 400Н, 1000Н, 1500Н, 2500Н.

5

Элементы платформы, разрабатываемые на базе масштабируемого газогенератора: а)
турбовинтовой двигатель; б) двухконтурный двигатель; в) турбореактивный; г) турбогенератор

Силовые установки разрабатываются для транспортных БВС со следующими характеристиками:

  • легкий грузовой — ВВП/100-300 кг/300-450 км/ч;/300 км.
  • для местных линий (аэротакси) — ВВП/460-600 км/ч;/400 км.
  • региональный — КВП/400-1000 кг/600-650 км/ч/800 км;
  • подъемно-транспортный — ВВП/ 25-120 кг/до 100 км/ч/25-100 км.

Расчетным путем определены соответствующие целевые характеристики (2025 г.):

Мидель:

  • 100 кВт — 500-700 мм;
  • 500 кВт — 1000-1800 мм.

Масса:

  • 100 кВт — 50-80 кг;
  • 500 кВт — 150-300 кг.

Топливная эффективность:

  • 100 кВт — 200г/кВт•ч (147 г/л.с.ч), КПД 37-38% на клеммах;
  • 500 кВт — 180г/кВт•ч (132 г/л.с.ч), КПД 40-42% на клеммах.

Цель текущего этапа проекта, осуществляемого в рамках контракта с Фондом (Договор №516ГРНТИС5/49468 от 17.09.2019 (код 0049468) — стенд для отработки турбогенератора и экспериментальный ТВД. Разрабатываемый стенд имеет единственное отличие от реального двигателя — внешний привод вместо штатной камеры сгорания и турбины. Турбина и камера сгорания отрабатываются отдельно, вне рамок контракта с Фондом.
Стенд разрабатывается в двух вариантах: турбогенератора (ТГ) с приводом синхронного генератора и турбовинтового двигателя (ТВД) со свободной турбиной с выводом мощности на вал для привода винта (вентилятора) или для привода асинхронного электрического генератора.
Пилотный ТГ предназначен для применения на борту воздушного судна в качестве источника электрической энергии и сжатого воздуха, основной РСУ или в качестве вспомогательной силовой установки (ВСУ), используемой для запуска основных двигателей, снабжения бортовых
систем электрической энергией и сжатым воздухом.

6

Продукт текущего этапа проекта

Пилотный ТГ

  • номинальная электрическая мощность, кВт — не менее 100/60 кВт при номинальной частоте вращения не более 60/75 тыс. об/мин;
  • масса синхронного электрического генератора, кг — не более 30 кг для 100 кВт/60 тыс. об/мин; не более 22 кг для 60 кВт/75 тыс. об/мин.

В варианте ТВД

ТВД предназначен для использования в качестве основного или подъемного двигателя с непосредственным приводом воздушных винтов (вентиляторов).

  • номинальная частота вращения вала отбора мощности — 4500 об/мин;
  • частота вращения на чрезвычайном режиме — 8000 об/мин;
  • номинальная эквивалентная мощность, передаваемая винту при частоте вращения 4500 об/мин, кВт — 60 кВт.

Методы и способы решения поставленных задач для получения ожидаемых характеристик.

  • Изначальный расчет на полную интеграцию планера и силовой установки, аэродинамика и формообразующие конструкции
    планера рассматриваются совместно с конструкцией двигателей и движителей.
  • Платформенный подход при проектировании ГТД.
  • Углубленный аналитический подход к оптимизации газодинамических процессов и силовых конструкций.
  • Технологии высокоскоростных роторов.
  • Создание широкой научной и производственной кооперации.

Интеграция планера и силовой установки. Проектом в качестве конечной цели предлагается решение — создание концепции летательного аппарата с распределенной силовой установкой (РСУ), у которой энергия движителей дополнительно используется для управления обтеканием планера. Таким образом, глубокая интеграция силовой установки и планера позволяет говорить о концепции пропульсивного фюзеляжа и крыла, т.е. элементов планера, создающих тягу. В этом заключается инновационность подхода.

Платформенный подход. Разрабатывается платформа силовых установок, в основе которой лежат типовые масштабируемые решения, включающие схемы газогенераторов, турбокомпрессоров, синхронных электрических генераторов, электродвигателей. Типовые решения платформы (рисунок 2.7, 2.8) позволят в будущем оперативно разрабатывать и выпускать ГТД, турбовинтовые двигатели, турбокомпрессоры и турбогенераторы мощностью от 50 кВт до 500 кВт.

7

Типовые схемы ГТД в зависимости от степени сжатия компрессора и мощности, О Косевой компрессор, ОТ — осевая турбина, ЦБК — центробежный компрессор, ЦСТ — центростремительная турбина

 

8

Типовые схемы ТВД: универсальный ГТД с отбором мощности в «холодную» сторону (а); универсальный маршевый ТВД с отбором мощности в «горячую» сторону; ГТД в вариантах подъемного двигатели или ВСУ с отбором мощности в в «холодную» сторону (в) и в «горячую» сторону; маршевый винтовентиляторный двигатель (д); ВВ — винт-вентилятор; СОТ — свободная
осевая турбина

Углубленный аналитический подход: в численных расчетах используются пристеночные модели турбулентности, позволяющие эффективно рассчитывать пограничные слои при низких числах Рейнольдса; при проектировании профилей и лопаточных машин решаются обратные задачи газодинамики и аэроупругости, что позволяет сразу получить характеристики близкие к оптимальным; используются собственные алгоритмы топологической оптимизации конструкции.

Технологии высокоскоростных роторов на газодинамических подшипниках (до 25 кг) и гибридных воздушных подшипниках (от 25 кг до 300 кг) используются для разработки турбомашин, не имеющих масляной смазки. Это позволяет увеличивать частоту вращения и, соответственно, уменьшать габариты и вес ГТД, одновременно, увеличивая КПД электрических машин.

Кооперация включает: Лаборатория механики и энергетических машин Университета ИТМО — исследования, воздушных подшипников и технологии высокочастотных электрических машин; Научно-исследовательская лаборатория газотурбинных энергетических комплексов БГТУ «ВОЕНМЕХ» — исследования высокоэффективных лопаточных машин и камер сгорания; ООО «Основа» (Санкт-Петербург), АО «Центр Аддитивных технологий» (Воронеж) (методы аддитивных технологий).

 

Аэродинамика

Отработана теория проектирования гипернесущих профилей, пропульсивного крыла. Разработаны компоновки транспортных БВС средней и большой дальности, выполнены аэродинамические расчеты экспериментальных профилей и компоновок, изготовлены и испытаны в аэродинамической трубе модели высоконесущих профилей для пропульсивного крыла, а также транспортного БВС, модель топологически оптимизированной силовой конструкции крыла.

Методика топологической оптимизации крыла будет использована в проекте для разработки конструкции топологически оптимизированной лопатки осевой турбины.

9

Тематические аэродинамические модели

 

10

Аэродинамические расчеты

 

11

Аэродинамические модели профилей и транспортного БВС

Силовые установки

Освоено проектирование и изготовление высокообортных роторов для турбомашин, выполнено параметрическое проектирование рабочих колес турбин и компрессоров, выполнены электромагнитные расчеты, разработаны компоновки и принципиальные схемы генератора, биротативного электромотора, дожимного компрессора для поддержания давления во внутренних каналах силовой установки, турбогенератора, выполнены аэродинамические расчеты винта — вентилятора.

 

12

Элементы быстро вращающихся роторов на воздушных подшипника

 

13

Колесо турбины и компрессора для перспективного турбогенератора

 

14

Биротативный электромотор на 2х35=70 кВт

 

15

Дожимной компрессор, изготовленный с привлечением микрогранта Сколково

 

16

Расчетная схема компактного турбогенератора на 100 кВт

 

17

Винтовентилятор

Топологическая оптимизация силовых конструкций

Выполнены работы в направлении создания методик топологической оптимизации силовых конструкций с расчетом на дальнейшее применение 3D — печати жаропрочными сплавами, титаном и композиционными материалами.

 

18

Топологическая оптимизация рабочего колеса

 

19

Топологическая оптимизация силовой конструкции крыла

 

2019г