CC BY
81
УДК 621.31 Халютин С, П.
ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия
К ВОПРОСУ ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ ГЕНЕНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Рассмотрен вопрос об эффективности систем генерирования электроэнергии летательных аппаратов с учётом особенностей их назначения, охлаждения и массогабаритных характеристик. Аппаратом исследования является объектно-энергетический и его развитие — структурно-функциональный методы анализа и синтеза электроэнергетических систем. Ключевые слова:
система электроснабжения, авиационные системы генерирования электроэнергии
Введение
Очевидно, что перспективы развития авиационной техники связаны в первую очередь в её максимальной электрификацией вплоть до полной электрификации всего бортового оборудования и тяговой силовой установки [0]. Вопросы оптимизации систем электроснабжения (СЭС) летательных аппаратов (ЛА) являются важными при создании летательных аппаратов, критически важным показателем качества авиационных комплексов и систем является их полётная масса [0]. В случае использования первичных источников электроэнергии в качестве стартера, к системе генерирования (СГ) предъявляются дополнительные требования, и оптимальные параметры системы могут существенно различаться. Многообразие вариантов видов электроэнергии, преобразователей и способов реализации свойства обратимости (для стартерного режима), а также требования к качеству электроэнергии делают задачу проектирования систем генерирования достаточно сложной. Применение объектно-энергетического подхода [0-0] позволяет на этапе верхнего уровня (энергетического) проектирования провести анализ режимов работы системы и оценить массогабаритные характеристики всей системы. Исследования по выбору первичных источников электрической энергии [0, 0], а также синтезу структур систем электроснабжения [0] на основе применения структурно-функционального подхода показали его эффективность при проектировании новых СЭС ЛА.
Основная часть
В соответствии с объектно-энергетическим подходом необходимо составить объектно-энергетическую диаграмму системы генерирования. Рассмотрим СГ, состоящую из одного канала генерирования (рис. 1), причем в качестве источника электроэнергии рассматривается генератор (стартер-генератор).
Энергетические объекты СГ - механическая передача (МП), электромеханический преобразователь (ЭМП) и электрический преобразователь (ЭП) - это основные преобразователи энергии (в общем случае должны быть обратимы), масса и габариты которых зависят от мощности преобразуемой энергии, параметров преобразуемой энергии (частоты вращения, механического момента, электрического напряжения и др.).
В качестве МП могут использоваться приводы постоянных оборотов (для систем электроснабжения постоянной частоты), механические вариаторы, редукторы (мультипликаторы), электромагнитные (фрикционные, гидравлические и т.п.) муфты сцепления (расцепления). Передаточные отношения МП могут быть фиксированные или регулируемые, что позволяет оптимизировать мощность ЭМП, а, следовательно, и их массу. Так, в стартерном режиме можно снизить пиковые значения пускового момента (тем самым снизить номинальную мощность ЭМП), предварительно переведя ЭМП в режим номинальной (а может и более чем номинальной частоты вращения), а затем в управляемом режиме (по заданной траектории значения момента нагрузки) довести момент запуска до требуемого. В генераторном режиме возможность быстрого расцепления ЭМП от первичного источника механической энергии (ПИМЭ) в случае короткого замыкания на электрическом выходе ЭМП может обеспечиваться электромагнитными, гидравлическими и др. муфтами расцепления.
Электромеханические преобразователи изначально являются обратимыми устройствами, однако
требования к двигательному и генераторному режимам как правило несимметричны. Диапазон значений электромагнитного момента в генераторном режиме меньше диапазона значений момента в двигательном (стартерном) режиме, и диапазон электрических параметров (тока и напряжения) также существенно различается. Для увеличения ресурса ЭМП, как правило, стараются делать бесконтактными и это вызывает дополнительные проблемы. Один из путей - применение трёхмашинных генераторов (подвозбудитель, возбудитель и основной генератор) - увеличивает массу генератора, однако позволяет расширить диапазон регулирования напряжения. В другом варианте - применении генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением -преимущества, связанные с малой массой и габаритами электрической машины, нивелируются необходимостью применения дополнительных устройств для обеспечения регулирования выходного напряжения во всём диапазоне электрических нагрузок (дополнительный статический преобразователь, дополнительные конструктивные элементы электрической машины и др.). В конечном счете, суммарная масса системы генерирования растёт
Масса и габариты электрических преобразователей обеспечивается правильным выбором электронных компонентов, а также схемотехническим решений, что позволяет минимизировать тепловые потери (то есть повысить КПД преобразователя). Кроме того, их масса напрямую зависит от доли энергии, которую необходимо преобразовывать.
Важным элементом системы генерирования электроэнергии является система охлаждения преобразователей энергии, которая может быть как автономной, так и централизованной в общем контуре охлаждения других систем самолёта. Выделяемое тепло может быть использовано вторично либо для нужд обогрева, либо для получения электрической энергии в тепловом преобразователе (ТП). Однако термоэлектрические преобразователи пока не обладают высоким КПД.
Основными источниками потерь являются: механическое трение, потери в проводниках при протекании по ним тока (потери в меди), вихревые токи и гистерезис в магнитопроводах. Их величина зависит от многих факторов - величин и частот токов, свойств проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов и др.
Противоречие в выборе типа и способа технической реализации системы охлаждения заключается в следующем. Чем выше КПД преобразователя и чем больше его запас по мощности, тем меньше тепловой энергии необходимо отводить от него, тем меньше требуемая масса и габариты агрегатов системы охлаждения. С другой стороны избыточная мощность преобразователя увеличивает массу самого преобразователя. Выбор оптимального решения может быть сделан на основе оценки массы всей системы в целом (преобразователя, агрегатов системы охлаждения и теплоносителя).
Информационная система СГ представлена в виде системы управления электропитанием (СУЭП), основной задачей которой является управление потоками энергии на всех режимах работы СЭС на всех этапах полёта. Она реализует все функции управления и защиты. Масса СУЭП слабо зависит от мощности и других параметров СГ, а в основном от совершенства микропроцессорной техники, поэтому при проектировании её можно принимать в виде постоянной величины.
Рисунок 1 - Объектно-энергетическая диаграмма системы генерирования
Таким образом, суммарная конструктивная масса СГ может быть оценена следующим выражением:
МСГ = ММП (фР) + мЭМП (ф Рл) + ДМЭМП (фРЛ,и) + +МЭП (ЛРЛ,и) + Мсо (ЛЭМПЛЭП) + МТН (ЛЭМПЛЭП) +
M
М* мп - масса механической передачи; 1 ЭМП - масса электромеханического преобразователя; ДМ эмп - дополнительная масса ЭМП, учитывающая аппаратную реализацию бесконтактности и обеспечения заданного диапазона регулирования напряжения; М эп - масса электрического преобразователя с учётом доли преобразуемой им энергии; Мсо - масса агрегатов системы охлаждения всех преобразователей, зависящая от КПД этих преобразователей; М - масса теплоносителя, необходимого для отвода тепла от преобразователей; ДМ - масса дополнительных конструктивных и соединительных элементов (электрических кабелей, разъёмов, клеммных колодок и других конструктивных элементов СГ); Ф, Р Л,Л,и - параметры
процесса преобразования энергии (частота вращения, преобразуемая мощность, КПД, частота тока и напряжение).
В качестве критерия эффективности целесооб-раз но использовать полётную массу СГ, которая ДМычисляется на основе конструктивной массы для конкретного ЛА по формулам, приведённым в [0]. Заключение
Проведённый анализ системы генерирования летательного аппарата и его элементов показывает, что процедура выбора оптимального с точки зрения полётной массы варианта требует рассмотрения всей системы в совокупности энергетических связей, взаимовлияния и перераспределения масс элементов в зависимости от параметров передаваемой энергии.
Для проведения оптимизационных расчётов необходимо провести достаточно объемную работу по исследованию отдельных элементов СГ на предмет оценки их массогабаритных характеристик для различных параметров электрической и механической энергии, определению предельных возможностей с учётом технической реализуемости и других внешних требований (электромагнитной совместимости, конструктивной особенности и др.). Наиболее рациональным является автоматизация этого процесса и применение структурно-функционального подхода [0-0].
ЛИТЕРАТУРА
1. Лёвин А.В., Халютин С.П., Жмуров Б.В. Тенденции и перспективы развития авиационного электрооборудования. Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. 2015. № 213 (3). С. 50-57.
2. Халютин С.П., Жмуров Б.В., Тюляев М.Л., Иванов В.В., Савенко В.А., Мусин С.М. Системы электроснабжения летательных аппаратов. Учебник под редакцией С.П. Халютина. Москва, 2010.
3. Халютин С.П. Электрический самолёт. Системный подход. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2015. № 3. С. 72-76.
4. Халютин С.П. К оценке объёма энергии для полностью электрического самолета. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 2. С. 85-87.
5. Халютин С.П. Объектно-энергетический метод конструирования моделей энергетических систем. Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 1. С. 24-28.
6. Жмуров Б.В., Халютин С.П. Структурно-функциональное моделирование электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 6. с. 45-53.
7. Жмуров Б.В., Халютин С.П., Корнилов С.В. Развитие структурно-функционального моделирования электроэнергетических систем самолета. Проблемы безопасности полетов. 2009. № 8. с. 53-62.
8. Халютин С.П., Жмуров Б.В. Алгоритм определения состава и параметров первичных источников электроэнергии БПЛА. Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2010. Т. I. С. 425429.
9. Матюшина А.В., Халютин С.П. Методика синтеза системы генерирования электрической энергии перспективных воздушных судов на основе структурно-функционального подхода. Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского. 2015. № 3. С. 257-260.
10. Потёмкин А.В., Горшков П.С., Халютин С.П. Методика синтеза структурных схем системы электроснабжения воздушных судов. Труды международного симпозиума надежность и качество. 2013. Т. 1. с. 318-321.
