Методика многодисциплинарной оценки эффективности применения маршевых гибридных газотурбинных двигателей магистрального самолета

Актуальность темы исследования. Целевые показатели, принятые в Плане деятельности Национального исследовательского центра «Институт имени Н.Е. Жуковского» [1, 2], Национальном плане США [3] и в Европейской программе ACARE [4–6] для самолѐтов гражданской авиации (ГА) средне- и дальнесрочной перспективы, такие как снижение на 60-70 % расхода топлива и эмиссии СО2; уменьшение вдвое уровня воспринимаемого шума и др., могут быть достигнуты только при комплексном совершенствовании планера и силовой установки (СУ) пассажирских и транспортных самолетов [7–8] (см. рисунок В.1).
Рисунок В.1 – Вклад двигателя, самолета и управления воздушным движением в уменьшение удельного расхода топлива к 2025–2030 гг. [8]
Столь существенного повышения экономичности авиационных двигателей (см. рисунокВ.1) только лишь традиционными способами (повышение параметров рабочего процесса, степени двухконтурности и КПД узлов) добиться практически невозможно. Необходимо применение новых прорывных конструктивно-схемных решений и физических принципов в области авиационных двигателей и СУ, которые на сегодняшний день могут быть реализованы в перспективных схемах двигателей, в частности, гибридных [9–13].
Под гибридным двигателем понимается устройство, в котором привод движителя может осуществляться от различных источников мощности. Например, в авиационном гибридном турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) привод вентилятора (и/или компрессора) может производиться как от газовой турбины, так и от электромотора (ЭМ), работающего от какого-либо источника электроэнергии, например, бортовой энергоустановки (ЭУ). Из-за специфики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих многокаскадные схемы, целесообразно применять термин «ГТД с гибридным электрическим
приводом (газовая турбина + электромотор) каскада высокого, среднего, низкого давления и т.д. или их комбинаций.
Ведущие зарубежные авиастроительные и двигателестроительные фирмы инициировали разработку пилотных концептуальных проектов магистральных самолетов, для которых проектируют и оптимизируют гибридные СУ, в том числе на основе гибридных ГТД [14].
Сегодня в мире рассматриваются три основные схемы маршевых гибридных СУ с традиционным газотурбинным приводом [15] (см. рисунок В.2):
– последовательная – вентилятор приводится электромотором, питаемым электроэнергией от аккумуляторной батареи (АБ) или от турбогенератора, который может подзаряжать АБ в полете;
-параллельная–вентилятор находится на одном валу с газотурбинным приводом и мотор-генератором, питаемым электроэнергией от АБ, которая может подзаряжаться в полете;
– последовательно-параллельная – с двумя вентиляторами, где привод одного из вентиляторов осуществляется по последовательной схеме, а второго – по параллельной.
Рисунок В.2 – Схемы авиационных маршевых гибридных СУ с ГТД [16]
Как видно из рисункаВ.2, последовательно-параллельная схема является частным случаем распределенной СУ, поскольку имеет более одного движителя, и поэтому выходит за рамки темы диссертационного исследования.
Последовательная схема (см. рисунок В.2) имеет полностью электрический привод движителя и так же не подпадает под определение гибридного ГТД.
ГТД – газотурбинный двигатель
ЭМ – электромотор
ЭГ – электрогенератор
АБ – аккумуляторная батарея
САУ – система автоматического управления Из представленных на рисунке В.2 схем, только к параллельной схеме может быть применен термин гибридный ГТД, исследованию эффективности которого посвящена диссертационная работа.
На сегодняшний день существует около 1,5 десятков проектов легких пилотируемых и беспилотных пассажирских самолетов с полностью электрической маршевой СУ. Как правило, такие СУ состоят из движителя (одного или нескольких воздушных винтов или закапотированных вентиляторов), электромотора, литий-полимерных аккумуляторов, управляемых системой автоматического управления [14].
Массогабаритные характеристики современных электрических СУ в размерности до 100кВт позволяют заменить двигатель внутреннего сгорания с топливной системой на самолетах с числом пассажиров до 4 человек. Однако, такая замена не является эквивалентной, поскольку при средней скорости полета всего около 100км/ч время полета ЛА с электрическими СУ не превышает 0,5–1 ч. Из-за ограниченной энергоемкости и большой массы аккумуляторов эффективное применение таких ЛА пока прогнозируется в качестве коммерческого городского аэротакси.
Важно отметить, что все существующие проекты ЛА с электрическими СУ являются демонстраторами новых электрических технологий в авиации, развитием которых занимаются ведущие зарубежные и отечественные компании и институты авиационной отрасти. Очевидно, что электрические СУ пока не могут применяться на магистральных самолетах класса МС-21, для которых крейсерскую мощность СУ прогнозируется снизить до ~5–10 МВт лишь к 2040 гг. (см. рисунок В.3).
Рисунок В.3 – Этапы разработки гибридных двигателей для силовых установок перспективных пассажирских самолетов NASA [17]
Экономический эффект от гибридизации ГТД можно продемонстрировать следующим примером. Анализ затраченных мощностей на привод турбин КВД и вентилятора (движителя) показывает, что при степени двухконтурности m~13 располагаемая энергия газа после выхода из КС распределяется приблизительно поровну между турбинами каскадов высокого (ВД) и низкого (НД) давления на крейсерском режиме работы ТРДД с уровнем параметров 2025 года. Это видно из таблицы 1.1.1, где приведены параметры ТРДД 2025 года с тягой Rвзл=9 тс [8].
Т а б л и ц а 1.1.1 – Параметры ТРДД тягой Rвзл=9 тс, работающего на керосине [8]
Параметр Режим
Параметр
Крейсерский, без отборов
Значение
Набор высоты Взлѐтный Взлѐтный
Значение
Условия: H/M, th, ph
11 / 0,8 МСА
11 / 0, 8 МСА
0/ 0 МСА
0/ 0
+30 С, 730 мм рт.ст.
Набор высоты Взлетный Взлетный
Режим
вх 1111
Крейсерский
R, кгс
CR, кг/(кгсч) Т*г, К
m
*к *кнд *в
*квд Nтвд, кВт Nтнд, кВт
1440 1620 9000 9000 0,490 0,512 0,231 0,241 1566 1660 1771 1876 13,2 12,7 13,6 13,5 55,2 60,3 50,3 52,0 2,24 2,12 2,09 2,11 1,40 1,44 1,34 1,36 17,7 20,0 18,0 18,3
5313 5997 15112 4931 5600 13111
15469 13606
Для наглядности наших дальнейших рассуждений обратимся к таблице 1.1.2, где данные приводятся в процентах, относительно уровня характеристик базового ТРДД (см. таблицу 1.1.1).
При поддержании заданного уровня крейсерской тяги и подводе дополнительной внешней мощности к турбине НД (ТНД) мощность турбины ВД (ТВД) будет уменьшаться из-за уменьшения температуры газа перед турбиной Т*г. Расчетные оценки показывают, что для ТРДД с подкруткой вентилятора электромотором (схема No 1 гибридного ГТД или ГГТД-1) дополнительный подвод Nтнд доп=50 % приведет к уменьшению мощности на привод КВД на 50 % (см. таблицу 1.1.2).
Как видно из таблицы 1.1.2, уровень подведенной мощности (50 %) к ТНД позволит уменьшить суммарную затрачиваемую мощность ГГТД-1 на 25 % по отношению к исходному ТРДД (100 % Nтнд+100 % Nквд) той же тяги. Это становится возможным благодаря оптимальному сочетанию проектных параметров цикла ГГТД, в частности, за счет увеличения
его степени двухконтурности на 30 % по отношению к ТРДД.
Таблица 1.1.2–Зависимость уровня мощности на привод ТВД и ТНД
от величины подводимой внешней дополнительной мощности [8]
Параметр
Наименование схемы двигателя
ТРДД
Значение
ГГТД-1
1,0 50 50 50 150 ~-44*
Схема
Rкр/Rкр ТРДД 1,0 Nтнд доп., % 0 Nтвд ГТД, % 100 Nтнд ГТД, % 100 N, % 200 CR отн., % –
Примечание:
100 % соответствует мощности ~5 МВт для двигателя, работающего на крейсерском режиме на керосине;
* – удельный расход топлива только через камеру сгорания ГТД
Как видно из таблицы1.1.2 в ГТД создание избыточной полезной мощности для совершения полета сопряжено с дополнительными затратами энергии для вывода газогенератора (ГГ) на заданный режим работы. Применительно к перспективным ТРДД со степенью двухконтурности m13 дополнительные потери энергии составляют более 50 % (см. раздел3.2.). По этой причине разработчики СУ стремятся найти альтернативную более эффективную замену газотурбинному приводу движителей СУ дозвуковых самолетов в виде гибридных и электрических СУ на базе ЭУ с АБ, топливными элементами (ТЭ) и др., что на практике пока удается реализовать лишь для малоразмерных ЛА.
Представленным примером наглядно объясняется экономический эффект ГГТД в крейсерском полете. Например, в случае применения ЭУ на базе твердооксидных ТЭ (ТОТЭ) [8, 18] суммарный (эквивалентный) расход топлива ГГТД будет складываться из расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания ГТД, и расхода топлива через батарею ТЭ, на базе которой может рассматриваться ЭУ. Чем более эффективно будет вырабатываться электрическая энергия в ЭУ и чем меньше будет масса дополнительных узлов и агрегатов СУ (ЭУ, ЭМ, кабели и др.), тем более экономичным будет ЛА с ГГТД по отношению к ЛА с ТРДД. Многочисленные зарубежные работы в области гибридных СУ для магистральных самолетов (наиболее полный обзор таких исследований в отечественной литературе выполнен В.А. Палкиным [14]) показывают, что:
-переход к полностью электрическим СУ для магистральных самолетов может состояться только в случае разработки систем хранения электроэнергии с высокими удельными параметрами (АБ, суперконденсаторы и др.);
– ориентировочная дата разработки технологий для производства АБ с удельной массой, которая на порядок меньше существующих литий-полимерных батарей, ожидается не ранее 2050–2100 гг.;
– постепенный переход от традиционных СУ на базе ГТД к полностью электрическим СУ, планируется осуществлять путем совершенствования гибридных электрических схем СУ на базе ТРДД и ТВД;
– по отношению к традиционным ГТД, гибридные СУ 2035 гг., с ЭУ на базе АБ и/или ТЭ, обеспечат уменьшение потребляемой энергии за полет и могут улучшить показатели топливной эффективности и эмиссии вредных веществ (ВВ) магистральных самолетов.
– модульный подход к созданию электрических элементов и систем гибридных СУ позволит: совершенствовать эти модули вне СУ, осуществлять замену этих модулей на самолете в процессе эксплуатации, создавать НТЗ для перехода к полностью электрической СУ;
– разнообразие разнородных (и нетрадиционных) элементов, составляющих гибридную СУ, и возможность применения альтернативных топлив требует разработки инженерных методик для оценки эффективности применения таких СУ в составе ЛА;
-выбор схемы гибридной СУ и степени гибридизации (процент использования электрической мощности в СУ) зависят от класса магистрального самолета и уровня технологий, закладываемых при проектировании ЛА.
Своевременное развертывание соответствующих собственных российских целевых комплексных программ может позволить отечественной авиационной промышленности занять свою нишу в создании магистральных и региональных самолетов с гибридной СУ.
Расчетная эффективность применения ГГТД во многом будет зависеть от точности моделирования характеристик ГГТД и ЭУ в составе СУ самолета, и комплексности подхода к оценке показателей эффективности. Комплексное многодисциплинарное исследование ГГТД должно включать не только корректную оценку летно-технических и экономических характеристик, но и оценку экологических критериев (таких как шум и эмиссия ВВ), а также аспектов, выходящих за рамки полетного цикла (например, стоимость зарядки АБ на земле и др.). В настоящее время ежегодно увеличивается количество зарубежных работ с результатами исследований эффективности ГГТД на ЛА. Ведущие зарубежные авиастроительные и двигателестроительные фирмы инициировали финансирование разработок концепт-проектов перспективных пассажирских «зеленых» самолетов и полноразмерных демонстраторов критических элементов гибридных СУ, в том числе на базе ГГТД [14, 15, 19– 21]. На этом фоне задача разработки отечественных расчетных методик и инструментария для комплексной многодисциплинарной оценки показателей эффективности ГГТД различных схем и поколений в составе маршевых СУ пассажирских магистральных самолетов приобретает высокую актуальность.
Степень разработанности темы диссертации. Гибридный ГТД, его узлы и системы являются новыми и малоизученными объектами. В нашей стране отсутствуют теория и практика исследования эффективности подобных объектов, требующих от авиационных инженеров необходимых дополнительных знаний в новых областях, таких как электротехника, электрохимия и др. Для комплексной многодисциплинарной оценки показателей эффективности ГГТД различных схем и поколений в составе маршевых СУ магистральных самолетов необходима разработка соответствующих отечественных расчетных методик и математического инструментария.
Целью данной работы является разработка методики и комплекса математических моделей (ММ) многодисциплинарной оценки эффективности применения маршевых гибридных ГТД магистрального самолета (МС), позволяющей оперативно оценивать и прогнозировать уровень технического совершенства новых электрических и гибридных систем для их дальнейшего эффективного применения в авиации.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методику многодисциплинарной оценки эффективности применения ГГТД в составе маршевой СУ МС.
2.Разработать комплекс ММ для многодисциплинарной оценки эффективности применения ГГТД в составе маршевой СУ МС.
3. Выполнить расчетно-параметрические исследования по определению рационального облика маршевого ГГТД.
4. Выполнить многодисциплинарные исследования по оценке эффективности применения маршевой СУ на базе ГГТД по показателям эффективности МС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1.Разработаны методика и комплекс ММ для многодисциплинарной оценки эффективности маршевых ГГТД в составе СУ МС по самолетным критериям.
2. С использованием разработанного комплекса ММ выполнена комплексная оценка эффективности СУ на базе трѐх альтернативных схем ГГТД и бортовой ЭУ на основе ТОТЭ при использовании четырех видов топлива: керосина, пропан-бутана, метана, водорода.
3.Впервые по летно-техническим, акустическим и эмиссионным характеристикам самолета выполнена комплексная сравнительная оценка эффективности применения одно- и двухтопливной гибридной маршевой СУ, в которой для работы ГГТД используется керосин, а ЭУ с ТОТЭ работает на пропан-бутане, метане или водороде.
4. С использованием разработанной методики и комплекса ММ показана эффективность схемы ГГТД, на которую получен Патент РФ.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработанная методика и многодисциплинарная математическая модель позволяют:
– оценивать эффективность сформированных схем маршевых гибридных СУ на базе ГТД;
– оценивать эффективность применения на магистральных самолетах традиционных и альтернативных видов топлив или комбинации топлив;
– прогнозировать характеристики и формировать требования к элементам и узлам СУ различных схем и планера самолета, с учетом уровней готовности технологий и динамики ужесточения экологических стандартов;
-применять комплекс разработанных ММ или его самостоятельные модули в программных комплексах многодисциплинарной оптимизации гибридных СУ, что позволит повысить обоснованность решений, принимаемых на стадии их предварительного проектирования;
– использовать предложенную методику и полученные результаты в учебном процессе авиационных вузов.
2. В процессе отработки и апробации создаваемой методики и комплекса ММ проведены расчетно-параметрические исследования и получены следующие предварительные научные результаты, которые могут быть положены в основу дальнейших исследований:
– рассмотрены варианты рациональных схем и параметров маршевых ГГТД;
– сформулированы требования к уровню удельных параметров электрических подсистем маршевых СУ на базе ГГТД;
– определена область эффективного применения ГГТД в составе маршевых СУ одно- и двухтопливного самолетов.
3. Разработанная автором методика и ММ определения показателей эффективности маршевых гибридных ГТД для перспективных магистральных самолетов на стадиях их концептуального проектирования была широко использована при выполнении в рамках
Государственных с Минпромторгом России контрактов ряда тематических научно- исследовательских работ (НИР) ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (ЦИАМ) по шифрам: «Двигатели-2025», «Концепт 2030», «Перспектива 2016» и др., а также в совместной НИР с ФГУП «ЦАГИ» по шифру: «Альтернатива–ЦИАМ», что подтверждено соответствующим Актом.
4. Получено авторское свидетельство на расчетный модуль для ЭВМ, входящий состав многодисциплинарного комплекса ММ. Получен Патент РФ на схему ГГТД, эффективность которой была показана с использованием разработанной методики и комплекса ММ.
Методология и методы исследования. Для оценки эффективности рациональных схем ГГТД в составе маршевой СУ магистральных самолетов применен многодисциплинарный подход и методология, аналогичные используемым для оценки эффективности традиционных схем двигателей. В основе разработанной автором методики и комплексной многодисциплинарной ММ лежат методы теории авиационных турбореактивных двигателей, аэродинамики и динамики полѐта летательных аппаратов, а также авиационной акустики. С использованием современных принципов программирования и гибкой архитектуры разработан новый комплекс программ прямого расчета показателей эффективности магистральных самолетов с маршевыми гибридными СУ в соответствии с требованиями норм летной годности [22] и экологических стандартов Международной организации гражданской авиации (ИКАО) [23–25].
Были использованы также разработанные с непосредственным творческим участием автора в содружестве с коллегами по работе в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (ЦИАМ) следующие методы:
-расчета баланса мощностей элементов газотурбинной части гибридного ГТД (соавторы: Дрыгин А.С., Каленский С.М., Эзрохи Ю.А., Максимов А.А, Рябов П.А.);
– численного моделирования и графо-аналитического анализа эффективных характеристик авиационных гибридных двигателей в системе СУ (соавторы: Селиванов О.Д., Максимов А.А., Рябов П.А.);
– прогнозирования интегральных эффективных характеристик электрических систем и систем самолета по известным удельным параметрам (соавторы: Байков А.В., Аверьков И.С., Гулиенко А.И., Селиванов О.Д.);
– расчета массы и габаритов баков для хранения газового топлива (соавторы: Рябов П.А., Селиванов О.Д.);
– расчѐта аэродинамических характеристик самолѐта относительно самолета-прототипа (соавторы: Максимов А.А., Рябов П.А.);
– численного моделирования летно-технических характеристик (ЛТХ) самолѐтов различного назначения с различными топливами и типами СУ (соавторы: Максимов А.А., Рябов П.А.);
– прогнозирования шума самолета с ТРДД на местности (соавторы: Халецкий Ю.Д., Мирзоян А.А., Рябов П.А.);
– расчета эмиссии вредных веществ авиационных двигателей (соавторы: Строкин В.Н., Гольцев В.Ф., Мирзоян А.А., Рябов П.А.);
– прогнозирования эмиссии вредных веществ ЭУ на основе ТЭ (соавторы: Байков А.В., Аверьков И.С., Гольцев В.Ф.).
Положения, выносимые на защиту. В ходе проведения диссертационного исследования автором впервые в отечественной практике были разработаны следующие основные положения, выносимые на защиту:
– методика и комплекс ММ многодисциплинарной оценки эффективности применения ГГТД в составе маршевой СУ магистрального самолета;
-примеры с результатами параметрических исследований по определению рационального облика маршевых ГГТД нескольких альтернативных схем;
– результаты комплексного многодисциплинарного исследования эффективности концепций одно- и двухтопливного магистрального самолета с маршевой СУ на базе ГГТД по летно-техническим (длина ВПП и топливная эффективность в г/(пасскм)), экологическим (шум на местности и эмиссия NOx, CO2, H2O) и экономическим (стоимость топлива за полет) показателям;
– возможные рациональные схемы и параметры ГГТД.
Степень достоверности результатов подтверждается:
– использованием при разработке комплекса ММ в качестве основы положений теории
воздушно-реактивных двигателей, электротехники и электрофизики, аэродинамики и динамики полѐта летательных аппаратов, прочности, авиационной акустики, а также разработанных ранее в ФГУП «ЦИАМ им. П.И.Баранова» математических моделей, достоверность которых подтверждена в ходе экспериментальных исследований;
– сравнением характеристик ряда серийных двигателей и самолетов, рассчитанных с использованием разработанного комплекса ММ, с расчетно-экспериментальными характеристиками этих объектов, полученных их разработчиками;
– использованием опубликованных и обоснованных специалистами-экспертами ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова», ФГУП «ЦАГИ» и др. научных организаций прогнозных данных по развитию технологий создания ГТД, электродвигателей, топливных элементов, улучшению аэродинамики и весового совершенства МС, снижению шума маршевых СУ;
-сравнением полученных результатов с результатами расчетных исследований, выполненных другими авторами;
– результатами неоднократного обсуждения положений и выводов по итогам работы на отраслевых совещаниях с участием специалистов-экспертов, отечественных и международных научно-технических конференциях.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции Военного авиационного инженерного университета (ВАИУ, Воронеж, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения» (ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», Воронеж, 2013 г.); семинаре ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» «Концепции развития гибридных двигателей и ВСУ на базе топливных элементов» (Москва, 2011 г.); Седьмом международном аэрокосмическом конгрессе IAC’12 (Москва, 2012 г.); Международном конгрессе по авиационным наукам ICAS (Брисбен, Австралия, 2012г. и Санкт-Петербург, РФ, 2014г.); Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «О реализации Европейским Союзом рыночных методов снижения выбросов парниковых газов в авиации» (Москва, 2012г.); XXXVII Академических чтениях по космонавтике (Москва, 2014 г.); 14-ом семинаре ONERA–ЦАГИ (Onera Châtillon (Salle Contensou), Франция, 2015 г.); Юбилейной конференции ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» «Авиадвигатели XXI века» (Москва, 2015 г.); Круглом столе «Накопители электроэнергии на основе химических источников тока для аэродромного оборудования и летательных аппаратов» в рамках МАКС-2017 (Жуковский, МО, 2017 г.); на симпозиуме «Перспективы развития ВРД, комбинированных двигателей и гибридных силовых установок» в рамках Научно-технического конгресса по двигателестроению (НТКД-2018) (Москва, 2018 г.); Пятой Всероссийской конференции с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» (Суздаль, 2018 г.). Представленные выше работы, выполненные в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» с использованием разработанной методики и ММ, докладывались и обсуждались при защите материалов тематических НИР, а также неоднократно отмечались и занимали призовые места в ежегодном конкурсе лучших НИР ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них в рецензируемых научных изданиях опубликовано 6 работ, получен 1 патент на изобретение и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 139 страниц основного машинописного текста, 34 таблицы, 52 рисунка. Список литературы включает 111 наименований.
В главе 1 приведены примеры и выполнен анализ зарубежных комплексных методик многодисциплинарной оценки эффективности интеграции гибридных СУ на перспективных магистральных самолетах. Представлен краткий обзор отечественных исследований ЦИАМ в обеспечение разработки методики многодисциплинарной оценки эффективности маршевых ГГТД магистральных самолетов. В этой главе автором ставится задача проведения диссертационного исследования с применением разработанного в ЦИАМ подхода.
В главе 2 дано описание методики многодисциплинарной оценки применения гибридной СУ в составе ЛА по критериям эффективности магистральных самолетов; рассмотрена структура разработанной комплексной ММ. Приводится описание разработанной ММ определения характеристик гибридной СУ и отдельных ее составляющих (газотурбинной части (ГТЧ), ЭМ, ЭУ), ММ моделирования массогабаритных характеристик баков для хранения на борту газового топлива, ММ дальности полета, взлетно-посадочных характеристик (ВПХ), шума на местности и эмиссии ВВ, экономических показателей. Приводится оценка достоверности разработанных и используемых программных модулей, и сделан вывод о возможности применения рассматриваемых ММ для решения задач настоящего исследования.
В главе 3 формируется облик гибридного ГТД на базе ТРДД при использовании керосина и альтернативных газовых топлив: выбираются рациональные схемы ГГТД и ЭУ на ТОТЭ; формируется перечень исходных данных для проведения расчетного параметрического исследования по оценке экономичности выбранных схем ГГТД; представлены результаты предварительных исследований по определению рационального соотношения между электрической и газотурбинной мощностью ГГТД различных схем и результаты параметрического исследования по определению рациональных параметров термодинамического цикла гибридных ГТД при заданном уровне подводимой электрической мощности и различных типах топлив. Произведен отбор рациональных схем гибридных ГТД для дальнейших исследований.
В главе 4 приводятся результаты исследования эффективности магистрального самолета с гибридным ГТД при использовании керосина или газовых топлив. Определены рациональные параметры магистрального самолета с ГГТД на основании предварительных результатов комплексной сравнительной оценки показателей эффективности по критериям: топливная экономичность, длина ВПП, шум на местности, эмиссия вредных веществ (NOx, CO2 и H2O). Проведено предварительное сравнение эффективности применения двухтопливной гибридной маршевой СУ, в которой для работы ГГТД используется керосин, а ЭУ с ТОТЭ работает на пропан-бутане, метане или водороде, и однотопливной СУ аналогичной схемы. Здесь же приведены примеры сформированных рациональных законов управления СУ с ГГТД по траектории полета, а также представлены потенциально возможные сценарии создания магистрального самолета с альтернативными видами топлив и СУ на базе ГГТД.
Основное отличие настоящей работы от проводимых ранее исследований.
1. Постановка задачи:
– исследования эффективности применения в авиации нового объекта – ГГТД;
– многодисциплинарного исследования эффективности ГГТД и ЭУ на ТОТЭ в составе
СУ одно- и двухтопливного магистрального самолета.
2.Разработка методики и новой ММ для многодисциплинарного исследования
эффективности различных схем ГГТД и ЭУ при использовании различных типов топлив в составе СУ одно- и двухтопливного самолета, включающей:
– ММ оценки дальности и топливной эффективности самолета с СУ на базе ГГТД и ЭУ на базе ТЭ/АБ при использовании керосина и газовых топлив (в различных сочетаниях), в том числе с построением траекторий полета интегрированием системы дифференциальных уравнений движения (СДУД) в соответствии с нормами летной годности и эксплуатационными ограничениями;
-ММ оценки ВПХ [26] с построением траекторий интегрированием СДУД в соответствии с нормами летной годности и эксплуатационными ограничениями;
– ММ оценки сертификационного шума СУ (вентилятор, струя, воздушный винт) и планера в к.т. с построением траекторий полета интегрированием СДУД в соответствии со стандартом ИКАО и нормами летной годности и эксплуатационными ограничениями;
-ММ оценки и минимизации показателя эмиссии СО2 в соответствии с новым стандартом ИКАО и эксплуатационными ограничениями;
– ММ оценки эмиссии NOx ГГТД на основе экспериментальных данных камеры сгорания (КС) дозвукового двигателя-прототипа в соответствии со стандартом ИКАО.
3. Проведение параметрических исследований по влиянию на экономичность полѐта уровня подведенной мощности и параметров цикла трѐх альтернативных схем ГГТД.
4. Проведение многодисциплинарных исследований эффективности одно- и двухтопливного самолетов с ГГТД на керосине и газовых топливах по критериям: ЛТХ, шум на местности, эмиссия вредных веществ и др.
Широта охвата проблем, связанных с решением поставленной задачи (создание электрохимических генераторов (ЭХГ), систем конвертации авиационных топлив, электрических и силовых управляющих электронных систем нового поколения, решение вопросов интеграции ЭХГ и газотурбинного блока, а также бортовых самолѐтных потребителей и др.), потребовала использования в работе результатов исследований многих отечественных и
зарубежных ученых, специализирующихся в глубоком изучении указанных аспектов решаемой комплексной проблемы.
Автор выражает глубокую благодарность коллегам, чьѐ дружеское участие, творческое сотрудничество и помощь в решении многих частных задач автор ощущал на протяжении всего периода работы над диссертацией:
– научному руководителю к.т.н. Селиванову Олегу Дмитриевичу, привлѐкшего автора к работам в новой перспективной области – исследованиям авиационных силовых установок на основе газотурбинных и электрических технологий;
– Максимову Александру Андреевичу – научному сотруднику отдела 002 за передачу личного опыта в оценке эффективности различных типов двигателей в составе СУ ЛА; за помощь в доработке и предоставление программы моделирования характеристик гибридных ГТД на базе ТРДД, методики оценки ЛТХ самолетов с альтернативными топливами и валидацию расчетов;
– Мирзояну Артуру Амазасповичу – начальнику сектора отдела 002 за предоставление исходного программного кода ММ шума и взаимный обмен мнениями в области аэроакустики, эмиссии вредных веществ и программирования;
-Палкину Владимиру Анатольевичу – советнику генерального директора за профессиональные консультации в отношении выбора рациональных схем гибридных ГТД и любезное предоставление обзора иностранных публикаций.
– Каленскому Сергею Мирославовичу – к.т.н., старшему научному сотруднику и Эзрохи Юрию Александровичу – к.т.н., начальнику сектора отдела 301 за многолетнее плодотворное сотрудничество, определение области проектных параметров и эффективных характеристик ГГТД, рациональную организацию работы по исследованию концепций гибридных ГТД в ЦИАМ;
– сотрудникам отдела 009: Байкову Алексею Витальевичу – к.т.н., начальнику сектора, Аверькову Игорь Сергеевичу – научному сотруднику, Олесовой Наталье Ивановне – ведущему инженеру за многолетнее плодотворное сотрудничество по исследованию и прогнозированию характеристик ЭХГ на ТЭ для гибридных ГТД; за детальное моделирование процессов и предоставление расчетного модуля ЭХГ на базе ТОТЭ, помощь в интеграции его в программу расчета характеристик ГГТД отделения 300 ЦИАМ; за оценку эмиссионных характеристик ЭУ на ТОТЭ и за консультации в области программирования;
-Гулиенко Анатолию Ивановичу – к.т.н., начальнику отдела502 за формирование принципиальной схемы системы автоматического управления (САУ) и содействие в прогнозировании массогабаритных и эффективных характеристик электрических систем (электроприводы, электрокабели, системы газификации сжиженных газовых топлив и др.) большой мощности для применения их в составе гибридных ГТД с ТЭ;
– Халецкому Юрию Данииловичу – к.т.н., начальнику сектора отделения 100 за тесное сотрудничество в области аэроакустики, сравнение методик и результатов расчетных ММ отделения 100 и отдела 002, проведенных в рамках исследования гибридных ГТД;
– сотрудникам отдела 005: Строкину Виталию Николаевичу – к.т.н., начальнику сектора и Беликову Юрию Валерьевичу – инженеру-конструктору 2категории за формирование методики, определение облика и предварительную оценку эмиссионных характеристик камеры сгорания двигателя типа ПД-14 в составе гибридного ГТД;
– Шустову Андрею Викторовичу – к.т.н., начальнику НИО-10 ЦАГИ за многолетнее сотрудничество и предоставленную возможность принимать участие в совместных НИР по применению альтернативных топлив;
– Болсуновскому Анатолию Лонгиновичу – к.т.н., начальнику отдела НИО-2 ЦАГИ за консультации по определению уровней аэродинамического совершенства МС будущих поколений.
Результаты проведенных совместных исследований с коллегами из ЦАГИ и ЦИАМ легли в основу данной диссертационной работы.