Москва, Внуково 3

Гибридные двигатели: уже прорыв или еще миф?

News
24 Марта 2020
Любой выигрыш в эффективности достигается за счет участия в переходных процессах газовой турбины, когда крутящий момент двигателя возвращается через коробку передач и используется в качестве стартового двигателя. Но эти эффекты не могут компенсировать 9% потерь, вызванных весом батареи.

Каждый раз, когда разработчики пытаются пойти по пути повышения эффективности авиалайнеров с помощью энергии аккумулятора, вес аккумулятора убивает эту идею.

Лучшие литий-ионные аккумуляторы достигают 300 Вт/кг, что достаточно для небольших самолетов, в то время как региональному авиалайнеру потребуется блок батарей на 500 Вт/кг. Параллельный гибрид без большой батареи, по сути, является встроенным стартовым двигателем. Однако, он не может заменять или поддерживать мощность газовой турбины при взлете, наборе высоты или крейсерском режиме. Это связано с тем, что в этом случае размер и вес батареи значительно увеличивается, и все преимущества теряются.

Гибридные двигатели коммерческих транспортных самолетов - это актуальная область с большим потенциалом, позволяющая повысить эффективность использования топлива, снижения выбросов и уровня шума в них. Исследования НАСА в этой области включают в себя концепции самолетов, системы электропитания, материалы для компонентов и испытательные установки, а также исследовательские инвестиции в турбогенераторные взаимодействия.

Электрическая силовая установка в коммерческих воздушных судах может быть в состоянии уменьшить выбросы углекислого газа, но только тогда, когда новые технологии достигают необходимых параметров для успешного коммерческого флота, прежде всего таких как вес и надежность. Для региональных самолетов и больших самолетов конструктивные конфигурации обычно делятся на три категории: частично турбоэлектрические, полностью турбоэлектрические и гибридные электрические.
Концепции двигательных установок на электрифицированных самолетах

В ближайшее время предполагается развитие следующих направлений создания самолетов: полностью электрические, гибридные (параллельный гибрид, серийный гибрид, параллельный частичный гибрид) и турбоэлектрические (полностью турбоэлектрический, частично турбоэлектрический). Эти шесть архитектур основаны на различных электрических технологиях (батареи, двигатели, генераторы и т. д.). Уровни снижения выбросов CO2, связанные с различными архитектурами, зависят от конфигурации, характеристик компонентов и задач.

Во всех электрических системах батареи используются в качестве единственного источника энергии на летательном аппарате.

Гибридные системы используют газотурбинные двигатели для приведения в движение и для зарядки аккумуляторов; батареи также обеспечивают энергию для движения в течение одного или нескольких этапов полета.

В параллельной гибридной системе двигатель с батарейным питанием и турбинный двигатель оба установлены на валу, который приводит в движение вентилятор, так что один или оба могут обеспечивать движение в любой момент времени.

В последовательной гибридной системе только вентиляторы механически связаны с вентиляторами; газовая турбина используется для привода электрического генератора, выходной сигнал которого приводит в движение двигатели и/или заряжает аккумуляторы. Серия гибридных систем совместима с концепциями определенного движения, которые используют несколько относительно небольших двигателей и вентиляторов.

Последовательная /параллельная частичная гибридная система имеет один или несколько вентиляторов, которые могут приводиться в движение непосредственно газовой турбиной, а также другие вентиляторы, которые приводятся в действие исключительно электрическими двигателями; Эти двигатели могут питаться от батареи или от турбогенератора.

Полные и частичные турбоэлектрические конфигурации не полагаются на батареи для энергии движения в течение любой фазы полета. Скорее, они используют газовые турбины для привода электрических генераторов, которые приводят в действие инверторы и, в конечном итоге, двигатели постоянного тока, которые приводят в действие распределенные электрические вентиляторы.

Частичная турбоэлектрическая система является вариантом полной турбоэлектрической системы, которая использует электрическую тягу для обеспечения части движущей силы; остальное обеспечивается турбовентилятором, приводимым в движение газовой турбиной. В результате электрические компоненты для частичной турбоэлектрической системы могут быть разработаны с меньшими достижениями по сравнению с уровнем техники, чем требуется для полной турбоэлектрической системы. Поскольку относительно легко передавать электроэнергию нескольким широко разнесенным двигателям,

Исследование турбоэлектрической тяги является одним из четырех высокоприоритетных подходов для разработки передовых технологий движителей и энергетических систем, которые могут быть введены в эксплуатацию в течение следующих 10-30 лет для сокращения выбросов CO2. Гибридно-электрические и полностью электрические системы не рекомендуются в качестве высокоприоритетного подхода, поскольку аккумуляторы с емкостью и удельной мощностью, необходимые для коммерческих воздушных судов пока не достигают характеристик, удовлетворяющих требованиям сертификации FAA.

Альтернатива на ближайший период

Итак, можно сделать вывод, что на сегодняшний день при современных устройствах хранения энергии ни электрические авиалайнеры на акумуляторах ни гибридные электрические авиалайнеры для коммерческого использования применять не придется. Этот тезис остается как минимум до тех пор, пока сертифицируемые аккумуляторные системы не повысят плотность своей энергии. Для ближнемагистральных самолетов - эта задача будет решена в ближайшие годы.

В течение ближайшего 30-летнего периода та же ситуация применима к технологиям, связанным со сверхпроводящими двигателями и генераторами, топливными элементами и криогенным топливом. Конфигурации самолетов с полностью электрическим аккумулятором вероятно всего будут ограничены небольшими самолетами (авиация общего назначения и пригородных самолетов), которые не являются значительным источником выбросов CO2 по сравнению с более крупными коммерческими самолетами. Для больших коммерческих самолетов вполне вероятно, что применение топливных элементов будет ограничено вторичными системами, такими как вспомогательные силовые установки и стартовые системы. Значительные улучшения в удельной мощности батарей и топливных элементов должны быть достигнуты, прежде чем эти источники энергии будут рассмотрены для больших самолетов. Кроме того, чистое сокращение CO2, выбросов от использования полностью электрических систем или систем с топливными элементами значительно минимизируются, если электрическая энергия, используемая для зарядки батарей или производства водорода, используемого для питания топливных элементов, будет генерируется с использованием возобновляемых источников или технологий с низким уровнем выбросов углерода.

Реальные планы на перспективу

Концепции двигательных установок на электрифицированных самолетах, в которых используется комбинация обычной и электрической энергии, представляют собой один многообещающий подход к двигателям с низким выбросом вредных веществ в период до 2025 года и в последующий период. В этих концепциях предполагается использовать лучший источник питания или комбинацию источников для обеспечения мощности, необходимой в различных условиях полета, и они предлагают гибкие возможности проектировщикам планера для уменьшения сопротивления или достижения других требуемых характеристик.

Предполагается, что в течение следующего десятилетия альтернативная энергия начнет существенно влиять на сокращение выбросов и повышения эффективности, а рынки начнут открываться для электрифицированных небольших самолетов. При этом усовершенствованные двигательные установки с оптимизированным использованием устойчивых топлив, которые производятся экономически в достаточных количествах, существенно сократят выбросы углерода в парке, а сертифицированные малые летательные аппараты, оснащенные двигателем с электрифицированным самолетом, предоставят новые варианты мобильности. В этом десятилетии возможно первоначальное применение альтернативной двигательной установки на больших самолетах.

Ожидается, что после 2035 года устойчивое потребление альтернативного топлива станет нормой для оптимизированных газовых турбин и альтернативных двигательных установок.

Это обеспечит улучшение технико-экономических показателей, повышение производительности, безопасности и меньшего вредного воздействия на окружающую среду, в то время как увеличение парка воздушных судов больших самолетов с более чистыми, более эффективными альтернативными двигательными установками будет в значительной степени способствовать снижению выбросов углерода.
к списку новостей
×