Op de laatste MAKS-2021 vliegshow presenteerde de Russische United Engine Corporation (UEC) een aantal veelbelovende ontwikkelingen in verschillende richtingen. Een van de meest interessante exposities van zijn stand was een model van een hybride energiecentrale (GSU) die wordt ontwikkeld voor implementatie in de luchtvaart. De verwachting is dat een dergelijke GSU toepassing zal kunnen vinden in verschillende vliegtuigprojecten en hoge prestaties zal kunnen leveren.
Veelbelovende richting
Hybride installaties op basis van een gasturbine- of zuigermotor gekoppeld aan verschillende elektrische componenten hebben een aantal belangrijke kenmerken en voordelen ten opzichte van traditionele systemen. Deze voordelen kunnen op verschillende gebieden worden gebruikt, oa. in de luchtvaart. Momenteel wordt in verschillende landen tegelijk de ontwikkeling van luchtvaart-GSU's van verschillende samenstelling uitgevoerd. Sommige projecten zijn al naar bank- en veldtesten gebracht.
In augustus 2020 lanceerde de Russische UEC een soortgelijk project. JSC UEC-Klimov werd aangesteld als hoofdontwikkelaar. Het doel van het nieuwe project is om een veelbelovende sequentiële HSS-schakeling te creëren met een vermogen van 500 kW. Deze installatie zal gebaseerd zijn op de nieuwste VK-650V turboshaft-motor.
Inmiddels zijn de beginfasen van het project afgerond en is het algemene uiterlijk van de installatie bepaald. Daarnaast is er een mock-up gemaakt, getoond op de recente MAKS-2021 show. Binnenkort komt er een demonstratiemodel voor bench testing. In de komende jaren zal het zijn maximale capaciteit bereiken en zal het de overgang naar nieuwe fasen mogelijk maken.
Volgens de UEC moet in 2022 een demomodel van de GSU een vermogen van 150 kW laten zien en zorgen voor de verificatie van de vastgelegde oplossingen. Daarna zal het worden afgerond en zijn tests gepland voor 2023 met het bereiken van het ontwerpvermogen van 500 kW. Op basis van de resultaten van deze activiteiten zullen in 2024 experimentele ontwerpwerkzaamheden beginnen om een volwaardige GSU te creëren voor gebruik in vliegtuigen. Het is de bedoeling dat het in 2028 klaar is.
De UEC heeft de toepassingsgebieden van het veelbelovende GSO al in kaart gebracht. Dit systeem kan worden gebruikt op vliegtuigen voor lokale lijnen, op lichte multifunctionele helikopters en op UAV's met een gewicht tot 8 ton. Het kan ook worden gebruikt op verschillende verticale startvoertuigen, op veelbelovende "luchttaxi's", enz. Een soortgelijk systeem voor boten en schepen zal worden ontwikkeld op basis van de luchtvaart GSU. Het zal een vermogen ontwikkelen van 200-250 kW.
Mock-up-look
Op MAKS-2021 werd een mock-up van een GSU gedemonstreerd in een configuratie voor een UAV van het helikoptertype met vier rotors. De units van de installatie werden op een stand geplaatst die een soortgelijk product simuleerde. Deze benadering van het display maakt het mogelijk om de grootte van de GSU en de kenmerken van de plaatsing op het vliegtuig te beoordelen.
Op een conventionele romp werd een compacte gasturbinegeneratorset geplaatst op basis van een bestaande motor met voldoende vermogen. Ernaast werden een batterijpakket en vermogenselektronica geïnstalleerd. Op de "vleugels" waren vier elektromotoren met rotoren geplaatst. Alle componenten van de GSU waren met kabels verbonden.
De lay-out weerspiegelt het algemene schema en de samenstelling van de veelbelovende GSU in relatie tot de quadrocopter. Vliegtuigen van andere schema's en klassen zullen worden geïnstalleerd met een andere samenstelling en architectuur. Het is dus mogelijk om een ander aantal elektromotoren te gebruiken, verschillende batterijconfiguraties, enz.
De werkingsprincipes van de nieuwe GSU zijn vrij eenvoudig. Een turboshaft-motor met een generator wekt elektrische stroom op voor de vermogenselektronica. Deze laatste is verantwoordelijk voor het aansturen van de elektromotoren die verantwoordelijk zijn voor de vlucht en laadt ook de batterijen op. De bedrijfsmodi van de installatie van de UEC zijn nog niet gespecificeerd.
Moeilijkheden en voordelen
Een hybride installatie op basis van een turboshaft-motor en elektrische componenten heeft een aantal onderscheidende voordelen ten opzichte van traditionele systemen. Tegelijkertijd zijn er ook verschillende soorten nadelen. Het is duidelijk dat de juiste benadering van het ontwerp van de GSU zelf en de selectie van het vliegtuig ervoor u in staat zal stellen het maximale rendement te behalen met minimale nadelen.
Gasturbinesystemen bevatten een aantal verschillende componenten en daarom verschillen ze van traditionele gasturbinesystemen in grotere complexiteit en kosten. Daarnaast heeft de hybride installatie een groter totaal volume en massa, wat beperkingen oplegt aan de ontwikkeling van het draagvliegtuig. Tegelijkertijd hebben GSU-eenheden geen starre mechanische verbinding met elkaar nodig en kunnen ze over de beschikbare volumes worden verdeeld, wat de lay-out van het vliegtuig vereenvoudigt.
Hybride planten kunnen een hoog brandstofverbruik vertonen. Om dit te doen, moet de turboshaft-motor werken in optimale modi die een minimaal brandstofverbruik opleveren, en de besturingssystemen zijn belast met de taak om de elektriciteit correct te verdelen tussen de motoren en batterijen in overeenstemming met de huidige vliegmodus. Tegelijkertijd worden ook andere kenmerken verbeterd: de hulpbron groeit en de uitstoot van schadelijke stoffen wordt verminderd.
De vlucht van het apparaat met de GSU wordt uitgevoerd door elektromotoren die worden bestuurd door elektronica. Hierdoor kunt u de vereiste bedrijfsmodus effectiever handhaven en snel wijzigen, rekening houdend met veranderende omstandigheden. Het zorgt met name voor een snelle ontgrendeling naar maximaal vermogen.
Afhankelijk van de samenstelling en beheerprincipes is de GSU in theorie in staat om in verschillende modi te werken, incl. zonder het gebruik van een turboshaft-motor - alleen dankzij batterijen. Deze modus verhoogt de betrouwbaarheid en veiligheid: bij uitval van de hoofdmotor en generator kan het vliegtuig zijn vlucht voortzetten.
Plannen voor de toekomst
Dankzij een of ander voordeel kunnen hybride energiecentrales met verschillende architecturen een plaats vinden in de luchtvaart en traditionele systemen verdringen. GSO's zijn van belang in het kader van de verdere ontwikkeling van bemande en onbemande vliegtuigen en helikopters. Hoewel men niet mag verwachten dat ze binnen een redelijke tijd in staat zullen zijn om andere opties voor energiecentrales volledig te verdringen.
Het potentieel van de GSO trekt natuurlijk ontwikkelaars en klanten uit verschillende landen aan, en sinds vorig jaar is de Russische industrie nauw betrokken bij dit onderwerp. De eerste werken zijn al uitgevoerd, algemene principes van veelbelovende projecten zijn gevormd en toekomstige toepassingsgebieden zijn geïdentificeerd. Daarnaast wordt een model van het toekomstige product getoond en worden evenementen voor toekomstige jaren aangekondigd.
Ontwikkelingswerkzaamheden aan een 500 kW-krachtcentrale op basis van de VK-650V-motor zullen in 2024-28 plaatsvinden. Dus al in het midden van het decennium of aan het begin van de tweede helft ervan, kan men het verschijnen van de eerste volwaardige vliegtuigprojecten voor de binnenlandse luchtvaart GSU verwachten. Er zullen ook projecten moeten verschijnen voor de invoering van de marinemodificatie.
Het is niet bekend wat de vliegtuigen en boten met een hybride energiecentrale zullen zijn. Het is echter duidelijk dat deze richting een groot potentieel heeft en u zeer interessante kansen biedt. Het moet worden ontwikkeld met het oog op praktische toepassing. Dit is wat de UEC sinds vorig jaar doet - en het is al klaar om de eerste resultaten te tonen.
