Исследования тяжелых роторов турбогенераторов на воздушных подшипниках

ООО «ПЛТМ» проводит работы по изучению поведения роторов с промежуточной гибкой соединительной муфтой в условиях маневра летательного аппарата.

В целом, в мире имеется обширный опыт применения газодинамических подшипников в турбохолодильных установках и турбодетандерах, где ротор весит от 500 грамм до, максимум,  1кг. В роторах, которые весят 15-20 кг и до 50 кг, воздушные подшипники устанавливаются только на стационарные энергетические турбины, имеющие фундамент, где нет никаких поперечных перенагрузок, перокосов и т.п.

Фундаментальные вопросы применения тяжелых роторов в газостатических и гибридных подшипниках исследовались ООО «ЦТТ «КУЛОН» с 2014 г. и Университетом ИТМО в 2018 – 2019 г. Применение газодинамических подшипников в таких условиях ранее не изучалось. Весь 2020г исследования выполнялись за счет собственных средств ООО «ПЛТМ».

На фото – две высокочастотные обратимые электрические машины мощностью по 100 кВт, валы которых соединены гибкой муфтой. Одна из машин работает в режиме двигателя, вторая вырабатывает электрическую энергию, сбрасываемую на резистивную нагрузку. Машины установлены под углом для имитации поперечной нагрузки. В таких условиях недостатки центровки и балансировки роторов проявляются наиболее сильно.

(далее…)

Работы в рамках проекта по разработке турбогенератора для РСУ воздушного судна продолжены

ООО «Проблемная Лаборатория «Турбомашины» с 2016 г. в рамках плана мероприятий, предусмотренных ДК «Аэронет», совместно с ООО «ОКБ «Кулон» разрабатывает линейку газотурбинных двигателей (ГТД) эквивалентной мощностью 60 кВт, 100 кВт, 250 кВт, 350 кВт и 500 кВт.

В каждом из классов мощности предусмотрены наземные исполнения в вариантах турбокомпрессора и вспомогательной силовой установки (ВСУ). Возможно исполнение в трех вариантах: с отбором всей свободной мощности турбины на привод синхронного высокоскоростного электрического генератора; с отбором воздуха от переразмеренного основного компрессора; с отбором воздуха от вспомогательного компрессора с приводом от свободной турбины. Традиционно, турбины являются всеядными, т.е. многотопливными. От представленной на мировом рынке продукции проект отличается следующими существенными особенностями:

— используется полностью безмасляная трансмиссия на воздушных подшипниках. На легких ВСУ и турбокомпрессорах применяются оригинальные отечественные лепестковые газодинамические подшипники, на тяжелых — гибридные газовые статодинамические подшипники с рекордными характеристиками по несущей способности. Технология гибридных газовых подшипников с 2013 г. разрабатывается ООО «ЦТТ «Кулон» и в настоящее время доведена до состояния экспериментальных образцов с несущей способностью до 300 кг и частотой вращения ротора до 100 тыс. об/мин. Применение воздушной трансмиссии позволяет отказаться от масла, уменьшить размеры и массу ГТД примерно на одну треть и делает ресурс подшипников практически неограниченным;

— при проектировании ГТД/ВСУ изначально используется подход, ориентированный на применение аддитивных технологий. Технология 3D-печати с последующим упрочнением отпечатанных конструкций методом прессования при высокой температуре (1000ºС) применяется в проекте для изготовления колес турбины, компрессоров, камеры сгорания. Это позволило облегчить конструкцию данных узлов на 40-60% при сохранении их механических характеристик на уровне деталей, получаемых традиционными методами штамповки и последующей механической обработки. Испытания экспериментальных образцов подтвердили заявленные характеристики.

В рамках текущей стадии проекта за деньги гранта Фонда ФСИ и привлеченных внебюджетных средств разработаны экспериментальные колеса компрессора и турбины и технология их изготовления. Разработаны воздушные подшипники экспериментального стенда «Турбогенератор». Изготовлены стенд  «Турбогенератор» и Тягоизмерительный стенд для проведения испытаний узлов макетов и моделей будущих турбогенераторов и РСУ.

Работы второго этапа по Договору №516ГРНТИС5/49468 от 17.09.2019 г. по теме «Разработка турбогенератора для распределенной силовой установки воздушного судна» конкурса РАЗВИТИЕ НТИ V Фонда содействиям инновациям выполнены в 2020 году в полном объеме и сданы в срок.

(далее…)

Запуск стенда для исследований биротативных электродвигателей

Современной тенденцией является применение электродвигателей для привода винтов беспилотных воздушных судов (БВС). Соосные винты противоположного вращения имеют более высокий КПД по сравнению с применением двух изолированных винтов. Актуальной задачей является разработка бирототивных электрических двигателей с соосными валами, которые могли бы использоваться для привода соосных винтов.

В ноябре 2020г. специалистами ООО «ПЛТМ» подготовлен и запущен стенд для исследований подобных электромоторов.

Еще в 2016 году ООО «ПЛТМ» начали большую программу исследований, итогом которой к 2024 году должны стать стандартные отработанные технические решения и технологии, которые можно будет применять при производстве БВС. Программа проходит корректировки ежегодно и в существующем виде была впервые сформулирована в 2018г, а также отдельные её положения были включены в состав предложений, которые стали основой Дорожной карты Аэронет в 2020г. Сам цикл исследований, собственно, состоит из «традиционных» шагов: разработка концепции, действующий макет, стенд для исследовательских испытаний, опытный образец, технологические карты для производства изделий. К настоящему моменту разработан ряд решений, доказывающих, что новые технологии реализуемы и обеспечивают заданные характеристики будущих изделий.

На стенде уже прошли тестовые испытания бандажа для удержания на роторе постоянных магнитов. Задача бандажа – исключить разрушение магнитов под воздействием центробежных сил. Было выполнено сравнение стандартного покупного швейцарского бандажа и отечественной кевларовой нити, пропитанной связующим. В ходе выполнения экспериментов осуществлялась запись динамики работы обоих двигателей, откуда стало видно, что уровень вибрации на них — одинаковый. То есть доступное отечественное решение ничем не хуже, чем дорогое швейцарское.

(далее…)

Павел Булат преподает в магистратуре Аэронет в СевГУ

Доктор физико-математических наук Павел Викторович Булат (Санкт-Петербург) прочел курс лекций «Аэродинамика беспилотных авиационных систем и энергетические методы управления подъемной силой и силой сопротивления» для студентов магистратуры «Аэронет» Севастопольского госуниверситета. В дальнейшем занятия продолжатся, в том числе и дистанционно.

Магистратура и открытая в этом году в СевГУ лаборатория «Динамика полета и управление беспилотных авиационных систем» работают в рамках Дорожной Карты «Аэронет» Национальной технологической инициативы (НТИ).

Павел Булат рассказал о профессиональных перспективах севастопольских магистрантов и совместных проектах ученых СевГУ и Балтийского государственного технического университета «Военмех» имени Маршала Д. Ф. Устинова.

Какое впечатление на Вас произвели наши магистранты? Отличаются ли они от студентов Петербурга?

Приятно удивили активность и желание узнать что-то новое. Видно, что люди реально хотят что-то изменить в своей жизни и ищут для этого способы. Я занимаюсь с аспирантами уже 15 лет, и меня в первый раз в моей практике после лекции не отпускали два часа, задавали вопросы. Если говорить о первоначальном уровне подготовки, сравнивать, например, с МГУ или «Военмехом», то он ниже, что естественно.  Но у нас есть возможность скорректировать курс, подстроиться под потребности студентов и их начальный уровень, благо сейчас существует множество эффективных способов образования и самообразования. Было бы желание учиться. Преподаватель должен показать правильные дороги, а пройти их надо самостоятельно. Так что нормальные студенты.

Вы главный научный сотрудник новой лаборатории СевГУ «Динамика полета и управление беспилотных авиационных систем». Будут ли магистранты принимать участие в ее работе?

Да, я рекомендовал базовое направление исследований лаборатории. Лаборатория и курс лекций — это неразрывно связанные вещи. Студенты будут привлекаться к работе в этой лаборатории. Одна из целей ее создания – воспитание молодых кадров, причем не рядовых, а специалистов, которые через 3-4 года станут руководителями новой зарождающейся отрасли. Нами поставлены амбициозные цели. Привлечен ученый из Великобритании Петр Денисенко. Это неординарный специалист, экспериментатор, очень яркая личность.

Чем и в каких отраслях станут заниматься наши магистранты, когда станут специалистами будущего?

Мы постарались сформировать курс таким образом, чтобы он давал не только узкую специализацию по работе с беспилотными летательными аппаратами, а позволял выпускникам в будущем решать широкий спектр задач.  В рамках своего курса лекций я буду проводить практические занятия, на которых мы будем рассматривать аэрокосмический комплекс в целом: и авиационные транспортные системы, и мультимодальные перевозки. Стоит задача, чтобы магистранты получили навык самостоятельного обновления знаний. Если этого нет, то выпускник через два года теряет свою компетентность.

Второй момент: у нас обучение высокоинтерактивное. Я узнал пожелания студентов, и мы уже корректируем план лекций и практических занятий. Это выгодно отличается от тех курсов, которые преподаются в больших университетах, там никто не занимается с каждым студентом индивидуально. Так что у нас прогрессивная методика, напоминающая методику Массачусетского технологического института, который многие годы занимает первое место в мировом рейтинге лучших технических вузов.

Где смогут работать выпускники нашей магистратуры со своими дипломами?

Где угодно. Это и судостроение, и авиационный комплекс, и сбытовые предприятия «Аэронета», и все, что хочешь. Есть заказы на специалистов от конкретных предприятий этих отраслей. В России сейчас профессиональный голод в области «Аэронет».  Нет ни разработчиков современных, ни эксплуатантов, ни юристов, никого нет.

СевГУ в рамках совместной работы предоставляет свои полигоны для испытания беспилотников, созданных по технологиям «Военмеха». Планируете ли вы делиться компетенциями с нашими сотрудниками?

Не просто делиться. Основная идеология создания данных двух лабораторий заключалась в том, чтобы в Крым передавались компетенции, накопленные в Военмехе за многие годы, в том числе и при работе с предприятиями оборонно-промышленного комплекса. Чтобы местные специалисты могли работать на экспериментальном оборудовании и проводить научные расследования, осуществлять разработки. В рамках «Аэронета» мы рассматриваем Крым как один из основных опорных регионов. На это повлияла позиция ректора СевГУ — очень прогрессивное желание внедрять новое. Я очень доволен тем, как здесь все быстро развивается.

Тематики севастопольской и петербургской лабораторий взаимосвязаны. Лаборатория в СевГУ делает упор на беспилотники с вертикальным взлетом и посадкой, винты, системы управления, микроэлектронику, динамику полетов, то есть то, что касается эволюции летательных аппаратов при внешних и самых сложных режимах – взлете, посадке. «Военмех» больше ориентируется на разработку двигателей – газотурбинные технологии, ракетные технологии, технологии 3D-печати, термодинамику — все, что связано с энергетикой транспортных средств.

Какие проекты будут совместно разрабатывать лаборатории СевГУ и Военмеха?

Это, прежде всего, фундаментальные лаборатории. Основная их задача – разработка перспективных опережающих технологий и подготовка кадров, которые этими технологиями владеют, а не создание конкретных изделий. Сейчас в работе два проекта, которые можно назвать учебными или демонстрационными, но они будут иметь и прикладное значение. Во-первых, это беспилотный спасательный корабль — плот, оснащенный подводным беспилотным аппаратом, который будет осуществлять поиск, спасение или обследование утонувших кораблей и других подводных объектов. Кроме того, на этом плоту будет установлена станция базирования беспилотных летательных аппаратов, которые будут обследовать акваторию с воздуха. Они смогут решать самые разные задачи: устанавливать поисковые радиобуи, делать подсветку зоны бедствия при помощи прожектора, доставлять грузы на корабли.  Создаются системы посадки на качающиеся палубы.

Второй проект – «Аэротакси». Это транспортное средство, способное летать до 500 км дальности, со скоростью 500 км/час и перевозить четырех людей либо 500 кг груза. Это один из приоритетных проектов «Аэронета».

Министр цифрового развития, связи и массовых коммуникаций России Максут Шадаев, говорит, что реализовать проект «Аэротакси» будет возможно только при развитии технологии 5G. Это действительно так?

Действительно технология 5G, поскольку она является системой связи с высокопропускной способностью, позволит летать в поле действия этой системы связи. Но «Аэротакси» будет летать выше – на высоте 5-6 километров и связи ни 4G, ни 5G нет и не будет. Там гораздо более сложные проблемы стоят. Дело в том, что при использовании классических инновационных технологий на создание такого вот судна надо либо на 40-60% улучшить удельные характеристики силовой установки, либо на 40-60% облегчить конструкцию самого воздушного судна. Ни то, ни другое невозможно даже теоретически, потому что традиционные технологии пришли к своему пределу. И создание «Аэротакси» возможно только при отработке принципиально новых технологий, новых аэродинамических схем, новых силовых установок, созданием которых занимаются наши две лаборатории.

Источник: новости Севастопольского государственного университета

(далее…)

Завершен первый этап проекта по разработке турбогенератора для распределенной силовой установки воздушного судна

Коллектив ООО «ПЛ «Турбомашины» завершил первый этап проекта по разработке турбогенератора для распределенной силовой установки воздушного судна, выполняемого при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

В рамках текущего этапа работ были разработаны типовые компоновки распределенных силовых установок мощностью от 60 до 100 кВт, интегрированных с планером беспилотного воздушного судна,  экспериментальный стенд «турбогенератор» для отработки узлов и технологий перспективных распределенных силовых установок, «тягоизмерительный стенд». Проведены работы по созданию программ и методик исследовательских испытаний.

Целью всего проекта является разработка ключевых элементов и технологий турбогенератора для авиационной распределенной силовой установки в классе мощности 60-100 кВт, включая применение в конструкции ротора безмасляной трансмиссии и газовых подшипников.

Актуальность — научно-исследовательская работа (НИР) выполняется в соответствии с планом-графиком работ Дорожной Карты «Аэронет» вер. от 10 ноября 2019 г. (далее ДК Аэронет), в соответствии с приоритетным направлением исследований 3.1.1 «Платформа распределенных силовых установок с электротягой винтов (вентиляторов)». Связь с другими проектами — НИР выполняется в рамках мета-проекта «Аэротакси» (п.2.3 Приложения Г ДК Аэронет) с использованием технических требований (ТТ), предоставленных ПАО «Гражданские самолеты Сухого», ПАО «Туполев», ПАО «Объединенная судостроительная корпорация», АО «Новосибирский Научно-исследовательский институт авиационных технологий и организации производства, ООО «Аэроб». Работы, выполняемые в ходе настоящей НИР, предусмотрены Протоколом от 15 марта 2018 г., подписанного Центром компетенции НТИ по технологиям новых и мобильных источников энергии на базе Института проблем химической физики Российской Академии наук, ООО «ПЛ Турбомашины» и соруководителем рабочей группы (РГ) Аэронет С.А.Жуковым по вопросу создания демонстратора «Водородное беспилотное воздушное судно (БВС).

Предполагается, что благодаря применению новых технических решений, а также полученного ранее научно-технического задела будет создана экспериментальная модель турбогенератора (ТГ), в конструкции которого будут применены воздушные подшипники, выдерживающие перегрузки в ходе маневрирования БВС, эффективный авиационный электрический синхронный генератор постоянного тока (СГПТ), колеса компрессора и турбины, выполненные с использованием топологической оптимизации силовой конструкции и аддитивных технологий печати.

За счет применения перечисленных выше решений предполагается продемонстрировать технический уровень и технические характеристики, превосходящие мировые.
Учитывая высокую степень новизны, в рамках настоящего проекта необходимо:

— Разработать и изготовить стенд для поузловой отработки ТГ;

— Разработать и изготовить тягоизмерительный стенд, который позволит провести испытания элементов распределенной силовой установки (РСУ) «от турбогенератора до движителя» (электродвигатели и винты принимаются стандартными);

— Разработать программы и методики исследовательских испытаний (ПМИИ) для поузловых испытаний;

— Выполнить исследовательские испытания воздушных подшипников, ротора ТГ, синхронного генератора, колес лопаточных машин, ТГ целиком.

Целью первого этапа НИР была разработка общих компоновочных решений турбогенератора и линейки РСУ на их основе; разработка стендов для испытания узлов макетов и моделей будущих турбогенераторов и РСУ; разработка ПМИИ с использованием разработанных стендов, а также программы и методики исследовательских испытаний самого турбогенератора.

На заключительном этапе предполагается выполнить исследовательские испытания на стенде «Турбогенератор», с использованием соответствующих ПМИ, воздушных подшипников (разрабатываются на втором этапе), колес компрессора и турбины (разрабатываются на втором этапе), модели СГПТ, а также выполнить исследовательские испытания на «Тягоизмерительном стенде», с использованием соответствующих ПМИИ, СГПТ в связке с электроприводом винтов.

Результаты испытаний предполагается использовать в разработке модели турбогенератора, изготовление и испытание которой также планируется провести на третьем этапе. Модель будет отличаться от будущего опытного турбогенератора отсутствием камеры сгорания и топливной системы (для привода турбины предполагается использовать внешний источник сжатого горячего воздуха), а также применением лабораторных покупных силовых контролеров. В будущем предполагается разработать собственные контроллеры обратимых высокочастотных электрических машин.

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.

Работы в рамках первого этапа работ по договору №516ГРНТИС5/49468 от 17 сентября 2019 г. выполнены полностью и в запланированном объеме.

Стратегическая сессия Аэронет в МАИ

(далее…)

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.

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.

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

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

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.

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.

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.

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

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.

Тематические аэродинамические модели

Аэродинамические расчеты

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.

Элементы быстро вращающихся роторов на воздушных подшипника

Колесо турбины и компрессора для перспективного турбогенератора

Биротативный электромотор на 2х35=70 кВт

Дожимной компрессор, изготовленный с привлечением микрогранта Сколково

Расчетная схема компактного турбогенератора на 100 кВт

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.

Топологическая оптимизация рабочего колеса

Топологическая оптимизация силовой конструкции крыла

2019г

Акустические мощные нелинейные явления в области аэроакустики и термоакустики

За период 2016-2019 годы продолжены исследования акустических мощных нелинейных явлений в области аэроакустики и термоакустики. Например, при исследовании воздействия на работу инжекторов выявлено, что импульс реактивных двигателей в атмосфере можно увеличивать до 20% с помощью этого акустического излучения, можно определенным образом влиять на структуру выхлопной струи двигателя. Исследованы явления как генерации шума так и шумоглушения, а также влияние этих мощных акустических нелинейных явлений на процесс горения. Исследовался довольно широкий комплекс явлений и на сегодня комания достаточно далеко ушла от начальной программы чисто по термоакустическому упрочнению металлических изделий.
Эти изыскания нашли отражения в новых патентах и ноу-хау.

Акустический излучатель (2017г)

Акустический излучатель (2015г)

Акустический излучатель (2014г)

Баркемп 20.35 в Точке Ленполиграфмаш г. Санкт-Петербург

Самые значимые проекты эксперты и участники рынка Аэронет обсудили на Баркемпе «Национальная технологическая революция 20.35», который проходит 7-8 ноября 2019г в «Точке кипения Ленполиграфмаш в Санкт-Петербурге: «Это, прежде всего, сверхлегкая ракета-носитель, транспортный летательный аппарат в трех классах, малые космические аппараты дистанционного зондирования Земли. Кроме конечных продуктов, у нас имеется ряд сквозных технологий — бортовых двигателей, материалов, и, как один из примеров, рассматривается проект по выращиванию кристаллов для ультра-фиолетовых светодиодов. УФ-светодиоды – это космическая связь, это солнечно-слепые сенсоры в атмосфере, атмосферная связь, система посадки», – рассказал заместитель соруководителя рабочей группы Аэронет Павел Булат, генеральный директор ООО «ПЛ «Турбомашины», заведующий НИЛ «Газотурбинные энергетические комплексы» БГТУ «ВОЕНМЕХ», заведующий международным научным подразделением «Лаборатория механики и энергетических систем» Университета ИТМО.

В выставочной зоне  ставшего ежегодным мероприятия Национальной технологической инициативы ООО «ПЛ ТМ» представила свои разработки, в том числе макет  турбогенератора для распределенной силовой установки воздушного судна.

В рамках Баркемпа прошел Круглый стол «Создание частного беспилотного авиатранспорта и частных космических технологий —  стратегия Аэронет»,  модератором которого выступил Павел Булат. Основные вопросы, затронутые во время работы круглого стола:

— Стратегия и реализация дорожной карты Аэронет (AeroNet) НТИ;

—  Возможности выхода на глобальные рынки.

На рабочей встрече были обсуждены перспективы эксплуатации БВС с акцентом на безопасности, правовом регулировании и защите интеллектуальной собственности. Создание научно-производственных консорциумов, включая вузы и предприятия частного сектора, о развитии проектов в области космоса, о глобальных рыночных трендах и перспективах России.

Партнер мероприятия: АНО «Аналитический центр «АЭРОНЕТ».

(далее…)