Ruská United Engine Corporation (UEC) na poslednej leteckej výstave MAKS-2021 predstavila množstvo sľubných noviniek v rôznych smeroch. Jednou z najzaujímavejších exponátov jeho stánku bol model hybridnej elektrárne (GSU) vyvíjanej na implementáciu v letectve. Očakáva sa, že taký GSU bude schopný nájsť uplatnenie v rôznych leteckých projektoch a poskytne vysoký výkon.
Sľubný smer
Hybridné zariadenia na báze plynovej turbíny alebo piestového motora spojené s rôznymi elektrickými komponentmi majú v porovnaní s tradičnými systémami množstvo dôležitých vlastností a výhod. Tieto výhody je možné využiť v rôznych oblastiach, vrátane v letectve. V súčasnej dobe sa v niekoľkých krajinách súčasne vyvíja letecký GSU rôzneho zloženia. Niektoré projekty už boli preverené na skúšobnej stolici a v teréne.
V auguste 2020 zahájil ruský UEC podobný projekt. Vedúcim vývojárom bol vymenovaný JSC UEC-Klimov. Cieľom nového projektu je vytvorenie sľubného sekvenčného obvodu HSS s výkonom alebo 500 kW. Táto inštalácia bude založená na najnovšom motore turbohriadeľa VK-650V.
Teraz už boli dokončené počiatočné fázy projektu a bol určený celkový vzhľad inštalácie. Okrem toho bol vyrobený model, ktorý bol ukázaný na nedávnej show MAKS-2021. V blízkej budúcnosti bude k dispozícii demonštračný model na testovanie na lavičke. V priebehu nasledujúcich rokov dosiahne maximálnu kapacitu a umožní prechod do nových etáp.
Podľa UEC by v roku 2022 mal demo model GSU vykazovať výkon 150 kW a zaistiť overenie stanovených riešení. Potom bude dokončený a na rok 2023 sú naplánované testy s dosiahnutím konštrukčného výkonu 500 kW. Na základe výsledkov týchto činností začne v roku 2024 experimentálna projekčná práca vytvoriť plnohodnotný GSU na použitie v lietadlách. Dokončenie je plánované v roku 2028.
UEC už identifikoval oblasti použitia sľubného GSO. Tento systém je možné použiť v lietadlách pre miestne trate, na ľahkých viacúčelových vrtuľníkoch a na UAV s hmotnosťou do 8 ton. Je možné ho použiť aj na rôznych zvislých vzletových vozidlách, na perspektívnych „leteckých taxíkoch“atď. Podobný systém pre člny a lode bude vyvinutý na základe leteckého GSU. Bude vyvíjať výkon 200-250 kW.
Maketový vzhľad
Na MAKS-2021 bola demonštrovaná maketa GSU v konfigurácii pre UAV vrtuľníka so štyrmi rotormi. Jednotky inštalácie boli umiestnené na stojan simulujúci podobný výrobok. Tento prístup k zobrazeniu umožňuje posúdiť veľkosť GSU a vlastnosti jeho umiestnenia v lietadle.
Kompaktný generátor plynových turbín založený na existujúcom motore s dostatočným výkonom bol umiestnený na konvenčný trup. Vedľa bol nainštalovaný blok batérií a jednotky výkonovej elektroniky. Na „krídlach“boli umiestnené štyri elektromotory s rotormi. Všetky komponenty GSU boli prepojené káblami.
Rozloženie odráža všeobecnú schému a zloženie sľubného GSU vo vzťahu k kvadrokoptére. Lietadlá iných schém a tried dostanú inštaláciu iného zloženia a architektúry. Je teda možné použiť iný počet elektromotorov, rôzne konfigurácie batérií atď.
Princípy fungovania nového GSU sú celkom jednoduché. Motor s turbohriadeľom s generátorom generuje elektrickú energiu pre výkonovú elektroniku. Ten je zodpovedný za ovládanie elektromotorov zodpovedných za let a tiež nabíja batérie. Prevádzkové režimy inštalácie z UEC ešte neboli špecifikované.
Ťažkosti a výhody
Hybridný závod založený na motore s turbohriadeľom a elektrických komponentoch má oproti tradičným systémom množstvo výrazných výhod. Súčasne existujú aj nevýhody rôzneho druhu. Je zrejmé, že správny prístup k návrhu samotného GSU a k výberu lietadla pre neho vám umožní dosiahnuť maximálnu návratnosť s minimálnymi nevýhodami.
Systémy plynových turbín obsahujú množstvo rozdielnych komponentov, a preto sa líši od tradičných systémov plynových turbín vo väčšej komplexnosti a cene. Hybridná inštalácia má navyše väčší celkový objem a hmotnosť, čo ukladá obmedzenia na vývoj nosného lietadla. Jednotky GSU zároveň nepotrebujú navzájom pevné mechanické spojenie a dajú sa rozmiestniť medzi dostupné zväzky, čo zjednodušuje rozloženie lietadla.
Hybridné zariadenia môžu vykazovať vysokú palivovú účinnosť. Aby to bolo možné, musí motor turbohriadeľa pracovať v optimálnych režimoch, ktoré poskytujú minimálnu spotrebu paliva, a riadiace systémy sú poverené úlohou správne rozdeľovať elektrickú energiu medzi motory a batérie v súlade s aktuálnym letovým režimom. Súčasne sa zlepšujú aj ďalšie charakteristiky: zdroj rastie a znižujú sa škodlivé emisie.
Let zariadenia s GSU vykonávajú elektrické motory riadené elektronikou. To vám umožní efektívnejšie udržiavať požadovaný režim prevádzky a tiež ho rýchlo meniť s prihliadnutím na meniace sa podmienky. Zabezpečí najmä rýchle uvoľnenie na maximálny výkon.
V závislosti od zloženia a princípov riadenia je GSU teoreticky schopný pracovať v niekoľkých režimoch, vrátane bez použitia motora s turbohriadeľom - iba kvôli batériám. Tento režim zvýši spoľahlivosť a bezpečnosť: v prípade poruchy hlavného motora a generátora bude lietadlo schopné pokračovať v lete.
Plány do budúcna
Vďaka jednej alebo druhej výhode si hybridné elektrárne rôznych architektúr môžu nájsť miesto v letectve a vytlačiť tradičné systémy. GSO sú zaujímavé v kontexte ďalšieho vývoja lietadiel s posádkou a bez posádky a helikoptér. Nemali by sme však očakávať, že v rozumnom čase budú schopní úplne vytlačiť ďalšie možnosti pre elektrárne.
Potenciál GSO prirodzene priťahuje vývojárov a zákazníkov z rôznych krajín a od minulého roku sa ruský priemysel tejto téme intenzívne venuje. Prvé práce už boli vykonané, boli sformulované všeobecné zásady sľubných projektov a boli identifikované budúce oblasti ich aplikácie. Okrem toho je ukázaný model budúceho produktu a sú oznámené udalosti pre budúce roky.
Vývojové práce na 500 kW elektrárni na základe motora VK-650V budú prebiehať v rokoch 2024-28. Dá sa teda očakávať, že už v polovici desaťročia alebo na začiatku jeho druhej polovice sa objavia prvé plnohodnotné projekty lietadiel pre domácu leteckú GSU. Rovnako sa budú musieť objaviť aj projekty na zavedenie jeho námornej úpravy.
Nie je známe, aké budú lietadlá a člny s hybridnou elektrárňou. Je však zrejmé, že tento smer má veľký potenciál a umožňuje vám dostať veľmi zaujímavé príležitosti. Mal by byť vyvinutý s ohľadom na praktické využitie. Práve to robí UEC od minulého roka - a už je pripravené ukázať prvé výsledky.
