Na posledním leteckém veletrhu MAKS-2021 představila Russian United Engine Corporation (UEC) řadu slibných novinek v různých směrech. Jedním z nejzajímavějších exponátů jeho stánku byl model hybridní elektrárny (GSU) vyvíjený pro implementaci v letectví. Očekává se, že takový GSU bude schopen najít uplatnění v různých leteckých projektech a poskytovat vysoký výkon.
Slibný směr
Hybridní zařízení založená na plynové turbíně nebo pístovém motoru spojená s různými elektrickými součástmi mají oproti tradičním systémům řadu důležitých vlastností a výhod. Tyto výhody lze využít v různých oborech, vč. v letectví. V současné době probíhá v několika zemích najednou vývoj leteckých GSU různého složení. Některé projekty již byly přivedeny k testům na lavičce a v terénu.
V srpnu 2020 zahájil ruský UEC podobný projekt. Vedoucím vývojářem byl jmenován JSC UEC-Klimov. Cílem nového projektu je vytvoření slibného sekvenčního obvodu HSS s výkonem nebo 500 kW. Tato instalace bude založena na nejnovějším motoru turbohřídelového motoru VK-650V.
Nyní již byly dokončeny počáteční fáze projektu a byl stanoven celkový vzhled instalace. Kromě toho byl vytvořen model, který byl ukázán na nedávné výstavě MAKS-2021. V blízké budoucnosti bude k dispozici demonstrační model pro testování na lavičce. Během příštích let dosáhne své maximální kapacity a umožní přechod do nových etap.
Podle UEC by v roce 2022 měl demo model GSU vykazovat výkon 150 kW a zajistit ověření stanovených řešení. Poté bude dokončen a na rok 2023 jsou naplánovány testy s dosažením konstrukčního výkonu 500 kW. Na základě výsledků těchto činností začne v roce 2024 experimentální projekční práce vytvářet plnohodnotné GSU pro použití v letadlech. Dokončení je plánováno na rok 2028.
UEC již identifikoval oblasti použití slibného GSO. Tento systém lze použít na letadlech pro místní tratě, na lehkých víceúčelových vrtulnících a na UAV s hmotností do 8 tun. Lze jej také použít na různá svislá vzletová vozidla, na perspektivní „letecké taxi“atd. Podobný systém pro lodě a lodě bude vyvinut na základě leteckého GSU. Bude vyvíjet kapacitu 200-250 kW.
Maketový vzhled
Na MAKS-2021 byla předvedena maketa GSU v konfiguraci pro UAV vrtulníkového typu se čtyřmi rotory. Jednotky instalace byly umístěny na stojan simulující podobný výrobek. Tento přístup k zobrazení umožňuje posoudit velikost GSU a vlastnosti jeho umístění v letadle.
Kompaktní generátor plynové turbíny na základě stávajícího motoru s dostatečným výkonem byl umístěn na konvenční trup. Vedle byl instalován blok baterií a jednotky výkonové elektroniky. Na „křídlech“byly umístěny čtyři elektromotory s rotory. Všechny součásti GSU byly propojeny kabely.
Dispozice odráží obecné schéma a složení slibné GSU ve vztahu ke kvadrokoptéře. Letadla jiných schémat a tříd dostanou instalaci jiného složení a architektury. Je tedy možné použít jiný počet elektromotorů, různé konfigurace baterií atd.
Principy fungování nového GSU jsou poměrně jednoduché. Turboshaftový motor s generátorem generuje elektrickou energii pro výkonovou elektroniku. Ten je zodpovědný za řízení elektromotorů odpovědných za let a také dobíjí baterie. Provozní režimy instalace z UEC dosud nebyly specifikovány.
Obtíže a výhody
Hybridní závod založený na motoru s turbohřídelovým hřídelem a elektrických součástech má oproti tradičním systémům řadu výrazných výhod. Současně existují také nevýhody různého druhu. Správný přístup k návrhu samotného GSU a výběru letadla pro něj vám zjevně umožní dosáhnout maximální návratnosti s minimálními nevýhodami.
Systémy plynových turbín obsahují řadu rozdílných součástí, a proto se liší od tradičních systémů plynových turbín ve větší složitosti a ceně. Hybridní instalace má navíc větší celkový objem a hmotnost, což ukládá omezení pro vývoj nosných letadel. Jednotky GSU zároveň nepotřebují pevné mechanické spojení mezi sebou a mohou být rozmístěny napříč dostupnými svazky, což zjednodušuje rozložení letadla.
Hybridní závody mohou vykazovat vysokou palivovou účinnost. K tomu musí motor turbohřídele pracovat v optimálních režimech, které dávají minimální spotřebu paliva, a řídicí systémy jsou pověřeny úkolem správné distribuce elektřiny mezi motory a bateriemi v souladu s aktuálním letovým režimem. Současně se zlepšují i další charakteristiky: zdroj roste a snižují se škodlivé emise.
Let zařízení s GSU zajišťují elektromotory ovládané elektronikou. To vám umožní efektivněji udržovat požadovaný provozní režim a také jej rychle měnit s ohledem na měnící se podmínky. Zejména zajistí rychlé uvolnění na maximální výkon.
V závislosti na složení a principech řízení je GSU teoreticky schopen pracovat v několika režimech, vč. bez použití motoru s turbohřídelovým hřídelem - pouze kvůli bateriím. Tento režim zvýší spolehlivost a bezpečnost: v případě poruchy hlavního motoru a generátoru bude letadlo moci pokračovat v letu.
Plány do budoucna
Díky té či oné výhodě mohou hybridní elektrárny různých architektur najít místo v letectví a vytlačit tradiční systémy. GSO jsou zajímavé v souvislosti s dalším vývojem letadel a vrtulníků s posádkou i bez posádky. Neměli bychom však očekávat, že v rozumném čase budou schopni zcela vytlačit další možnosti pro elektrárny.
Potenciál GSO přirozeně přitahuje vývojáře a zákazníky z různých zemí a od loňského roku se ruský průmysl tomuto tématu úzce věnuje. První práce již byly provedeny, byly vytvořeny obecné zásady slibných projektů a byly identifikovány budoucí oblasti jejich aplikace. Kromě toho je ukázán model budoucího produktu a jsou oznámeny události pro budoucí roky.
Vývojové práce na 500 kW elektrárně založené na motoru VK-650V budou probíhat v letech 2024-28. Již v polovině desetiletí nebo na začátku jeho druhé poloviny lze tedy očekávat vzhled prvních plnohodnotných leteckých projektů pro tuzemské letecké GSU. Budou se muset objevit i projekty na zavedení jeho námořní úpravy.
Není známo, jaká budou letadla a čluny s hybridní elektrárnou. Je však jasné, že tento směr má velký potenciál a umožňuje vám získat velmi zajímavé příležitosti. Mělo by být vyvinuto s ohledem na praktické použití. Právě to UEC od loňského roku dělá - a už je připraveno ukázat první výsledky.
