Электрифицированный компрессор гибридной силовой установки регионального самолета тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Гарипов Искандер Радикович

• Гарипов Искандер Радикович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Гарипов Искандер Радикович

Список сокращений

Введение

Глава 1. Анализ исследований в области создания гибридно-электрических силовых установок

1.1 Тенденции развития рынка региональных самолётов

1.2 Подходы к реализации ГСУ регионального самолёта

1.3 ЭМ с высокими удельными характеристиками для ГСУ

1.4 Интеграция ЭМ и ГТД в конструкции электрифицированного компрессора

Выводы к первой главе постановки задач исследования

Глава 2. Многодисциплинарная методика проектирования электрифицированного компрессора

2.1. Многодисциплинарное проектирование

2.2 Системный уровень проектирования

2.3 Аналитические модели для первичного выбора параметров

2.4 Численные методы анализа электрифицированного компрессора

Выводы ко второй главе

Глава 3. Формирование комплекса технических решений для электрифицированного компрессора

3.1. Оценка диапазонов рабочих параметров электрифицированного компрессора в составе ГСУ

3.2. Согласование геометрических параметров ЭМ и компрессора

3.3. Проектирование облика электрифицированного компрессора

Выводы к третьей главе

Глава 4. Исследование влияния параметров электрифицированного

компрессора на характеристики ГСУ регионального самолёта

4.1 Комплексный алгоритм оценки эффективности внедрения электрифированного компрессора

4.2 Исходные данные для анализа

4.3 Программы управления

4.4 Верификация подхода к моделированию программы управления

4.5 Результаты исследования

4.6 Сопоставление с результатами исследований других авторов

Выводы к четвёртой главе

Заключение

Список работ опубликованных по теме диссертации

Список литературы

Приложение А

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКБ - аккумуляторная батарея; ГСУ - гибридная силовая установка; ГТД - газотурбинный двигатель; СУ - силовая установка; ЭМ- электрическая машина; ПМ - постоянные магниты; ПЦ - полетный цикл.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрифицированный компрессор гибридной силовой установки регионального самолета»

Актуальность исследования.

Гибридные силовые установки (ГСУ) являются одним из перспективных направлений совершенствования авиаперевозок, поскольку позволяют снизить удельное энергопотребление, расход топлива и уровень выбросов загрязняющих веществ. В контексте разработки ГСУ регионального самолёта в ближайшей перспективе особое внимание уделяется параллельной схеме, поскольку она не предполагает изменений аэродинамической компоновки планера самолета. Преимущества данной схемы обеспечиваются за счет применения нескольких источников энергии: аккумуляторных батарей (АКБ) и традиционных авиационных топлив. При этом АКБ обеспечивают подвод электрической энергии к газотурбинному двигателю (ГТД) через электрическую машину (ЭМ) в режимах, требующих повышенной мощности или на протяжении всего полётного цикла, снижая нагрузку, приходящуюся на ГТД.

Для реализации регионального самолёта с ГСУ необходимо решение ряда научно-технических задач, в их числе повышение удельной мощности ЭМ. Решение данной задачи лежит на стыке дисциплин и требует разработки многодисциплинарного подхода. Такой подход предложен в данной работе и предусматривает проектирование нового функционального компонента ГСУ электрифицированного компрессора, в котором ротор ЭМ сопряжен с ротором компрессора ГТД. Данный ротор выполнен в виде цилиндрической оболочки, объединяющей рабочие лопатки компрессора и магнитную систему ЭМ. В результате обеспечивается прямое преобразование и передача энергии без использования промежуточных механических элементов. Проектирование электрифицированного компрессора выходит за рамки традиционных методик по разработке узлов ГСУ и должно рассматриваться как задача системного уровня, с учетом взаимовлияния электромагнитных, тепловых, газодинамических и механических процессов. В связи с этим актуальными являются вопросы: формирования многодисциплинарной методики, включающей электромагнитный

расчёт ЭМ, увязанный с газодинамическим анализом компрессора и оценкой механической прочности ротора, а также оценку параметров электрифицированного компрессора на показатели топливной и энергетической эффективности регионального самолета.

Степень разработанности темы.

Вопросы проектирования компонентов ГСУ рассматривались в работах Боровикова Д.А., Рябова П.А., Варюхина А.Н.., Исмагилова Ф. Р., Ковалева К. Л., Равиковича Ю. А., J. J. Gonzalez, P. C. Vratny, A. P., Habermann A. L., Dowdle, N. J. Renner, Chen Y., Dowdle A. P., Swanke J., Balachandarn T., Zhao W. и др. Анализ работ показывает, что в настоящее время ведётся множество исследований и разработок, направленных на создание ГСУ. Однако вопрос сопряжённого проектирования компонентов ГСУ и учёта их взаимодействий недостаточно исследован на системном уровне.

Объект исследования: электрифицированный компрессор, как функциональный компонент ГСУ регионального самолета.

Предмет исследования: методы проектирования и моделирования процессов, протекающих в электрифицированном компрессоре ГСУ регионального самолета.

Цель работы: разработка и обоснование многодисциплинарной методики проектирования электрифицированного компрессора, обеспечивающей снижение массы и повышение топливной эффективности ГСУ регионального самолета.

Задачи, решаемые в диссертации.

1. Анализ современных исследований в области ГСУ региональных самолётов с акцентом на способы повышения удельных характеристик ЭМ.

2. Разработка многодисциплинарной методики проектирования электрифицированного компрессора в составе ГСУ, с учётом взаимосвязи между электромагнитными, тепловыми, газодинамическими и механическими процессами на системном уровне.

3. Разработка комплекса технических решений, включающего рекомендации по выбору конфигурации и параметров электрифицированного

компрессора, с учётом существующего уровня развития электротехнических и конструкционных материалов.

4. Исследование влияния параметров электрифицированного компрессора на характеристики ГСУ регионального самолёта, в сравнении с альтернативными вариантами по показателям его топливной и энергетической эффективности.

Научная новизна работы:

1. Впервые предложена многодисциплинарная методика проектирования электрифицированного компрессора, которая предусматривает сопряженный выбор размеров проточной части компрессора и главных размеров ЭМ, при учете взаимосвязи между электромагнитными, тепловыми, газодинамическими и механическими процессами на системном уровне.

2. С применением многодисциплинарной методики проектирования впервые сформулирован комплекс технических решений, включающий рекомендации по выбору конфигурации и параметров электрифицированного компрессора (мощность, степень повышения давления, тепловой фактор, окружная скорость, частота вращения), позволяющие реализовать электрифицированный компрессор на базе ЭМ обращённой конструкции.

3. Предложен комплексный алгоритм оценки эффективности применения электрифицированного компрессора в составе ГСУ, который в отличие от существующих позволяет увязывать его параметры с параметрами ГТД на основе уравнений баланса масс и энергии, что обеспечивает корректное определение влияния электрификации на рабочие процессы ГТД и на показатели эффективности самолёта на ранних этапах проектирования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработана многодисциплинарная методика проектирования электрифицированного компрессора, обеспечивающая выбор его параметров с учётом взаимосвязи между электромагнитными, тепловыми, газодинамическими и механическими процессами на системном уровне.

2. Разработан комплекс технических решений, включающий рекомендации по выбору параметров электрифицированного компрессора, при

существующем уровне электромагнитных и конструкционных материалов, которые могут применяться в конструкторских бюро в рамках исследований и эскизного проектирования.

3. Разработан комплексный алгоритм, на основе которого получены научно обоснованные результаты оценки эффективности применения электрифицированного компрессора в составе ГСУ регионального самолета, которые могут быть использованы, для расширения возможностей проектирования ГСУ регионального самолета.

Исследования проводились в рамках научных программ:

1. НИР «Прогноз развития технологий и ключевых параметров электрических машин для гибридных и полностью электрических силовых установок перспективных ЛА», в интересах АО «ОДК-Климов».

2. НИР «Исследование высокооборотных электрических машин зарубежного производства», заказчик АО «ОДК».

3. НИР «Разработка электрической системы демонстратора гибридной силовой установки перспективного летательного аппарата», заказчик АО «ОДК-Климов».

4. Научного проекта № 24-29-00177 «Исследование и совершенствование систем охлаждения для повышения удельной мощности электрических машин».

Положения, выносимые на защиту

1. Многодисциплинарная методика проектирования электрифицированного компрессора, включающая три уровня детализации процесса проектирования (системный, аналитический и численный), позволяющая увязать требования надсистемы (ГСУ) с внутренними параметрами электрифицированного компрессора и разработать комплекс технических решений, необходимых для его реализации.

2. Комплекс технических решений, включающий рекомендации по выбору конфигурации и параметров электрифицированного компрессора (мощность, тепловой фактор, окружная скорость, частота вращения), позволяющие реализовать

удельную мощность до 12 кВт/кг с учетом существующего уровня развития электротехнических и конструкционных материалов.

3. Результаты оценки эффективности применения электрифицированного компрессора в составе ГСУ регионального самолета, в сравнении с альтернативными вариантами, подтверждающие прирост топливной эффективности вследствие и снижение массы ГСУ за счет применения многодисциплинарной методики проектирования электрифицированного компрессора.

Соответствие паспорту научной специальности

Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта специальности 2.4.2 - Электротехнические комплексы и системы:

п. 2 «Разработка научных основ проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов, систем и их компонентов».

п. 4. «Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов, систем и их компонентов в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях, диагностика электротехнических комплексов».

Методы и средства исследования.

В рамках диссертационной работы применялись: элементы теории электромеханических преобразователей энергии, методы системного анализа, имитационного и численного моделирования. Расчет электромагнитных процессов проводился с использованием ПО ANSYS Motor-CAD и ANSYS Maxwell, тепловых и газодинамических процессов ANSYS Fluent, механических процессов ANSYS Static Structural.

Обоснованность и достоверность

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием известных положений теории электромеханических преобразователей энергии, системного анализа, а также верификацией математических моделей экспериментальными данными.

Апробация результатов работы

Положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской конференции по электрическим машинам (Уфа, 2022-2024 гг.); Международной научно-технической конференции International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (Сочи, 2023, 2024 гг.); Научно-технической конференции «Климовские чтения - 2024: перспективные направления развития авиадвигателестроения» (Санкт-Петербург, 2024); Международной научно-технической конференции Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry: Research & Practice (Магнитогорск, 2023); XXVI Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (Казань, 2023 г.).

Внедрение результатов работы

Методика многодисциплинарного проектирования и комплексный алгоритм оценки эффективности внедрены и используются в образовательном процессе на кафедре электромеханики ПИШ «Моторы Будущего» ФГБОУ ВО УУНиТ в рамках дисциплин «Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах» по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и «Системы терморегулирования перспективных силовых установок» по направлению подготовки 24.04.05 «Двигатели летательных аппаратов».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе: 4 — в печатных изданиях, включённых в перечень ВАК РФ, 2 — в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 7 — в сборниках научных конференций, входящих в РИНЦ и Scopus, получен 1 патент РФ на изобретение и 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ. (объем публикаций составляет - 6,5 п.л., авторский вклад- 5,2 п.л.).

Личный вклад автора

В работах, выполненных при участии соискателя, соискателю принадлежит: в [1,4,6,11,13] — методика многодисциплинарного проектирования ЭМ, в том числе в составе ГСУ; в [2,3,5,12] — анализ схем и технических решений в части электрических машин для ГСУ; в [7,8,9,10] — результаты исследований по влияния параметров ЭМ, в том числе в составе электрифицированного компрессора, на

характеристики ГСУ; в [14] — способ интеграции ЭМ в конструкцию ГТД; в [15,16] - разработка архитектуры программных модулей.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка. Объём диссертации — 113 страниц, включая 54 рисунка, 8 таблицы и 1 приложение. Библиографический список содержит 87 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность разработки электрифицированного компрессора для повышения энергетической и топливной эффективности региональных самолётов. Сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы, а также изложены положения, выносимые на защиту. Обоснован выбор направления исследования, ориентированного на совершенствование ГСУ регионального самолёта за счёт и сопряжённого проектирования ЭМ и компрессора.

В первой главе проведён анализ существующих схем ГСУ, рассмотрены особенности реализации ГСУ с механической и газодинамической связью. Выделены перспективные подходы к повышению удельной мощности ЭМ, включая совершенствование материалов и сопряжённое проектирование. На основе проведённого анализа выявлены недостатки существующих решений и сформулирована подход к разработке электрифицированного компрессора для ГСУ регионального самолёта.

Во второй главе разработана многодисциплинарная методика проектирования электрифицированного компрессора на основе учёта электромагнитных, тепловых, газодианмических и механических процессов и их взаимосвязей. Методика включает трёхуровневую структуру проектирования: системный (оценка влияния электрификации на эффективность силовой установки), аналитический (первичное согласование параметров) и численный (детальное моделирование процессов).

Описаны математические модели, итерационные схемы сопряжённого расчёта и программные средства для автоматизации проектирования.

В третьей главе представлены результаты разработки комплекса технических решений, включающего рекомендации по выбору конфигурации и параметров электрифицированного компрессора, с учётом существующего уровня развития электротехнических и конструкционных материалов. В главе проведён анализ типов электрических машин и систем охлаждения, обоснован выбор синхронной машины обращённой конструкции с постоянными магнитами и жидкостным охлаждением. Выполнено численное исследование зависимости удельной мощности и КПД от параметров конструкции, определены ограничения, обеспечивающие техническую реализуемость электрифицированного компрессора.

В четвёртой главе представлены результаты исследования влияния параметров электрифицированного компрессора на характеристики ГСУ регионального самолёта, в сравнении с альтернативными вариантами по показателям топливной и энергетической эффективности регионального самолёта. Для реализации данного исследования разработан комплексный алгоритм оценки эффективности применения электрифицированного компрессора в составе гибридной силовой установки регионального самолёта. Проведено моделирование типового полётного цикла и сравнение предложенной архитектуры с альтернативными вариантами ГСУ. Показано, что применение электрифицированного компрессора обеспечивает снижение расхода топлива на 1011%. Дополнительно в главе проведена верификация расчётной модели на стенде и даны рекомендации по применению различных программ управления мощностью.

В заключении подведены итоги работы. Отражены результаты достижения поставленной цели, сформулированы основные научные и практические результаты, обоснована реализуемость электрифицированного компрессора и его влияние на топливную эффективность регионального самолёта. Определены направления дальнейших исследований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ГИБРИДНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

В первой части анализируются существующие тенденции рынка региональных самолётов. После чего описываются ключевые характеристики существующих СУ на базе ГТД. Далее проводится анализ концепций, направленных на реализацию ГСУ, в частности проводится анализ способов сопряжения тепловой и электротехнической части. На основе проведённого анализа выделяется ГСУ параллельной схемы, как реализуемая в перспективе ближайших десятилетий. В завершении выносится гипотеза о том, что дальнейшее совершенствование параметров ГСУ регионального самолёта возможно за счёт более тесной интеграции ЭМ и ГТД.

1.1 Тенденции развития рынка региональных самолётов

Рынок региональных воздушных перевозок в последние десятилетия демонстрирует устойчивые изменения, связанные как с экономическими, так и с экологическими вызовами. В последние десятилетия на рынке региональных самолетов прослеживается тенденция к увеличению пассажировместимости воздушных судов — от 50 до 70-90 мест [1]. Это объясняется консолидацией пассажиропотока в крупных аэропортах и большими эксплуатационными затратами самолетов местных воздушных линий (рисунок 1). Подобные процессы характерны как для РФ [2], так и для зарубежных стран [3,4], и приводят к сокращению региональных маршрутов, снижая транспортную доступность удалённых регионов.

Одним из решений, способных повысить экономическую эффективность и сохранить региональные маршруты, является внедрение ГСУ [5,6,7]. Гибридизация потенциально позволяет снизить эксплуатационные расходы и обеспечить снижение выбросов загрязняющих веществ, что соответствует глобальным трендам на декарбонизацию транспорта [8], а также актуально для районов с низким уровнем наземной инфраструктуры [9].

Рисунок 1 - Сопоставление эксплуатационных затрат региональных самолётов (а -вместимостью более 70 пасс.; б - вместимостью менее 50 пасс)

Отдельного внимания заслуживает экологический аспект. В настоящее время авиаперевозки формируют порядка 2% глобальных выбросов СОг и до 12% выбросов от транспорта [10]. Международная программа CORSIA предусматривает ограничение выбросов углерода на уровне 2020 года до 2035 года. При этом технологический вклад в снижение выбросов оценивается в 10%. Очевидно, что это требует внедрения и формирования новых подходов к проектированию, обеспечивающих принципиальной иной уровень параметров силовых установок [11]. В этом контексте гибридизация рассматривается как один из наиболее перспективных путей.

Следует отметить, что именно региональные самолёты наиболее уязвимы к проблеме низкой топливной эффективности, обусловленной конструктивными особенностями их двигателей турбовальной схемы. Поскольку в отличие от силовых установок магистральных лайнеров, представляющих собой турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД) с термическим КПД порядка 0,42 [12], турбовинтовые двигатели региональных самолётов имеют КПД на уровне 0,32 [12] (рисунок 2). Причиной служат ограниченные параметры термодинамического цикла — по степени повышения давления п и температуре газов перед турбиной Тг.

с

<u

E

л £

0,42 0,37 0,32 0,27 0,22

Makila 1А2 CFM LEAP ПТТ-Ъ RR Trent j__• GEnx •

РТ6В-36А PW210 GF90 •- CFM56

ТМЗЗЗ

(

T700-GE

. PT6C-67A CT7-2E1

250

RTM-322-01

2500

• Турбовальные двигатели >600 кВт

• Двухкоитурные двигатели

25000

250000

Тепловая мощность, кВт

Рисунок 2 - Зависимость эффективного (термического) КПД ГТД от мощности

Анализ конструктивных схем турбовальных двигателей подтверждает эту тенденцию. В диапазоне мощностей 300-500 кВт преобладают схемы с одной центробежной ступенью компрессора и низкими значениями степени повышения давления (п < 8), обеспечивающие минимальные производственные затраты, но характеризующиеся высокой удельной топливной затратой (рисунок 3) [13]. С увеличением мощности наблюдается постепенный рост термического КПД за счёт перехода к осецентробежным схемам и повышению п до 16-18 (двигатели General Electric T700, ТВ7-117) [14, 12]. Однако даже в этом случае региональные двигатели остаются ограниченными по топливной эффективности и чувствительными к нагрузочным режимам полёта.

Рисунок 3 - Конструкция турбовинтовых двигателей

В результате, региональные самолеты являются приоритетной областью для внедрения ГСУ, так как именно в данном классе энергетические потери традиционных ГТД наиболее значимы. Кроме того, ограниченные массогабаритные параметры региональных самолётов обуславливают целесообразность локальной электрификации наиболее энергетически нагруженных компонентов, таких как компрессор [15]. С точки зрения совершенствования эффективности ГСУ, электрификация элементов ГТД открывает возможность оптимизировать параметры газодинамического цикла за счёт перераспределения энергии между контуром внутреннего сгорания и электрическим приводом [16,17].

Прогноз развития рынка подтверждает значимость данного направления. Ожидается, что объём рынка гибридных и полностью электрических региональных воздушных судов превысит 75 млрд долларов в ближайшие десятилетия, при уже заключённых контрактах на сумму порядка 38 млрд долларов [18]. К числу компаний, активно работающих над созданием компонентов данных силовых установок, относятся Ampaire, MagniX, Pratt & Whitney, ZeroAvia, ОДК-Климов и пр.. Ряд проектов направлен на разработку гибридных схем с интеграцией ЭМ непосредственно в конструкцию компрессоров, описан в источниках [19, 20], что подчёркивает востребованность научных исследований в данной области.

Таким образом, научная задача, связанная с обоснованием и проектированием электрических машин для ГСУ регионального самолёта, является актуальной и соответствует мировым трендам [21,22]. Решение данной задачи требует формирования новых подходов к проектированию, связанных в том числе с интеграцией ЭМ в ГТД, обеспечивающих совершенствование показателей эффективности регионального самолета.

1.2 Подходы к реализации ГСУ регионального самолёта

В данном разделе освящаются существующие подходы к реализации ГСУ региональных самолетов, в частности, проводится обзор схем, а также анализ вопросов, связанных с подходами к их проектированию. Современные

исследования в области схем ГСУ выделяют три базовые схемы: последовательная, параллельная и комбинированная [23]. В последовательной схеме ГТД работает исключительно в генераторном режиме, а основное тяговое усилие создаёт ЭМ. В параллельной схеме ГТД и ЭМ одновременно обеспечивают привод движителя. Комбинированные схемы объединяют отдельные элементы, выработанные в рамках описанных ранее подходов. Для региональных самолётов особый интерес представляют параллельные схемы, поскольку они позволяют комбинировать различные источники энергии без необходимости радикальных изменений в конструкции планера. На рисунке 4Ошибка! Источник ссылки не найден. представлены два варианта реализации параллельной ГСУ, описанные в научно-технической литературе [24,25,26].

а б

Рисунок 4 - Структурные схемы ГСУ (а - с механической связью; б - с газодинамической связью)

Первый подход - с механической связью, предполагает, что ЭМ осуществляет подкрутку выводного вала ГТД (с англ. «mechanical integrated hybrid») [20,27], второй, что через ЭМ подводится дополнительная энергия непосредственно к термодинамическому циклу ГТД (с англ. «cycle integrated hybrid») [14,20,26].

Рассмотрим подробнее схему с механической связью, здесь ЭМ соединяется с выводным валом ГТД (свободной турбиной) через редуктор или напрямую. ЭМ работает: в режиме двигателя— подводя дополнительную мощность на этапах пиковых нагрузок и генераторном режиме — осуществляя рекуперацию на этапах

снижения. Энергоснабжение ЭМ преимущественно осуществляется от АКБ. Основными преимуществами данной схемы являются: высокий уровень технологической готовности, снижение стоимости ГТД, относительная простота в управлении, возможность рекуперации энергии. К недостаткам данной схемы можно отнести: проблемы, связанные с дополнительной массой электрической части; потери в механических узлах, снижение удельных характеристик ГТД, наличие жесткой кинематической связи между ЭМ и ГТД.

В исследованиях данной конфигурации отмечается возможность снижения расхода топлива за ПЦ до 20-30% [27], при удельной энергоёмкости АКБ порядка Е =400 Вт/ч/кг, а удельная мощность ЭМ ^уд=10 кВт/кг. В данных исследованиях в течении ПЦ мощность ЭМ изменяется пропорционально мощности ГТД, на взлетном режиме соотношение электрической и тепловой мощностью достигает НР = 50%. гибридизация этапов: руления, взлета и набора высоты предполагает обеспечение минимума выбросов в зоне аэропорта и потенциально продлевает ресурс ГТД. Существует другой способ реализации программы управления, предложенный в исследовании [28]. При постоянном соотношении НР =60% через электротехнической комплекс обеспечивается сокращение массы топлива расходуемого за ПЦ Мт на 66% при энергоемкости батареи Е =1500 Вт ч/кг [29]. При подобной программе управления за счет гибридизации крейсерского полета обеспечивается большее сокращение расхода топлива за ПЦ. В исследовании [30] архитектура параллельного гибрида была предложена для применения на самолете Ан-26 (рисунок 5).

Рисунок 5 - Параллельная ГСУ с механической связью для регионального самолета Ан-26 на базе турбовального двигателя ТВ3-117.

В схеме с газодинамической связью часть ступеней компрессора приводятся от ЭМ, энергоснабжение которой осуществляется от внешнего источника, что позволяет разгрузить турбину и повысить эффективный КПД ГСУ. Применение ГСУ с газодинамической связью позволяет разорвать жёсткую связь между компрессором и турбиной, что обеспечивает независимую оптимизацию режимов вращения. В результате преимущества ГСУ с газодинамической связью заключаются в возможности повышения эффективного КПД ГТД, снижении тепловых и механических нагрузок, приходящихся на турбину, возможности оптимизации режимов работы за счет введения дополнительного регулирующего фактора. К недостаткам ГСУ с газодинамической связью можно отнести: высокие требования к удельным параметрам ЭМ; необходимость размещения ЭМ в зоне турбокомпрессора; сложность расчёта и моделирования взаимовлияния ЭМ и ГТД; отсутствие существующих методик проектирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гарипов Искандер Радикович, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Pegasus [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://sacd.larc.nasa.gov/asab/asab-projects-2/pegasus/ (дата обращения: 30.04.2025).

2. Губенко А.В., Растова Ю.И., Панкратова А.Р. Современное состояние и перспективы развития рынка пассажирских авиаперевозок в России // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Экономика и экологический менеджмент». - 2019. -№2. - С.82-90.

3. Eurostat: Transport Database [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ec.europa.eu/eurostat/web/transport/database (дата обращения: 30.04.2025).

4. The surprising market demand for regional air mobility [Электронный ресурс] / Aviation Today. - 30.01.2023. - Режим доступа: https://www. aviationtoday. com/2023/01/30/the-surprising-market-demand-for-regional-air-mobility/ (дата обращения: 30.04.2025).

5. Regional Air Mobility: Market Exploration & Infrastructure Opportunities for Sustainable Regional Transportation. - [без изд.], 2021.

6. Antcliff K. et al. Regional air mobility: Leveraging our national investments to energize the American travel experience. - 2021.

7. Подгузов А.А., Гарипов И.Р., Вавилов В.Е. Electrified and Hybrid Propulsion Systems for Vertical Take-Off and Landing Aircraft // Russian Electrical Engineering. - 2025. - Т.95, №1. - С.956-962.

8. Кулясов В.М., Сливицкий А.Б. Декарбонизация пассажирской авиации.

- 2023.

9. Skytte K., V0lstad M.L., Stougaard Stiler D. Overview of Electricity and Energy Capacity for the Establishment of Electric Aviation Routes in the Nordic Region.

- 2023.

10. ICAO Action Plan on CO2 Emission Reduction // Federal Office of Civil Aviation FOCA. - 2015.

11. Козлов А.Л., Палкин В.А. Перспективы развития авиационного двигателестроения // Авиационные двигатели. - 2023. - Т.1, №18. - С.13-30.

12. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2008.

13. Snyder C.A., Tong M.T. Modeling turboshaft engines for the Revolutionary Vertical Lift Technology Project // Annual Forum and Technology Display: The Future of Vertical Flight. - 2019. - №GRC-E-DAA-TN66991.

14. Schenderlein J., Clayton T. Comparison of Helicopter Turboshaft Engines [Электронный ресурс] // AIAA. - 2015. - Режим доступа: https://www.aiaa.org (дата обращения: 27.09.2024).

15. Habermann A.L. et al. Study of a regional turboprop aircraft with electrically assisted turboshaft // Aerospace. - 2023. - Т.10, №6. - С.529.

16. Spierling T., Lents C. Parallel hybrid propulsion system for a regional turboprop: conceptual design and benefits analysis // 2019 AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium (EATS). - IEEE, 2019. - С.1-7.

17. Варюхин А.Н. и др. Традиционные, гибридные и электрические силовые установки самолетов местных воздушных линий // Авиационные двигатели. - 2022. - №1. - С. 14.

18. Short-haul flying redefined: The promise of regional air mobility [Электронный ресурс] / McKinsey & Company. - 2023. - Режим доступа: https://www.mckinsey.com/industries/aerospace-and-defense/our-insights/short-haul-flying-redefined-the-promise-of-regional-air-mobility (дата обращения: 30.04.2025).

19. Dowdle A.P. Design of a High Specific Power Electric Machine for Turboelectric Propulsion : дис. - MIT, 2022.

20. Vratny P.C. et al. Performance investigation of cycle-integrated parallel hybrid turboshafts // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. - 2017. - Т. 139, №3. - С.031201.

21. Варюхин А.Н., Гордин М.В., Захарченко В.С. Дорожная карта технологического развития гибридных и электрических силовых установок летательных аппаратов // MLSD'2018. - 2018. - С.270-280.

22. N0land J.K. et al. High-power machines and starter-generator topologies for more electric aircraft: A technology outlook // IEEE Access. - 2020. - Т.8. - С.130104-130123.

23. Григорьев В.А. и др. Основы теории, расчета и проектирования воздушно-реактивных двигателей : учебник для вузов. - Самара: Изд-во Самарского ун-та, 2021. - 268 с.

24. Lorenz L., Seitz A., Kuhn H., Sizmann A. Hybrid Power Trains for Future Mobility // Deutscher Luft- und Raumfahrt Kongress. - 2013.

25. Schmitz O. Methodical Assessment of Electric Propulsion Systems for Transport Category Aircraft : PhD thesis. - TUM, 2016.

26. Schmitz O. Fahrzeugtriebwerk, Fahrzeug mit diesem Fahrzeugtriebwerk und Verfahren zum Betrieb dieses Fahrzeugtriebswerkes: пат. ... A1 DE102012015104 A1; заявл. 30.07.2012; опубл. 30.01.2014; - IPC F02K5/00.

27. Vratny P.C. Conceptual Design Methods of Electric Power Architectures for Hybrid Energy Aircraft : дис. - TUM, 2019.

28. Kang L. et al. The effects of the degree of hybridisation on the design of hybrid-electric aircraft considering the balance between energy efficiency and mass penalty // Aerospace. - 2023. - Т.10, №2. - С.111.

29. Shmyrov V. et al. The modernization concept of aircraft An-26 and An-140 based on the use of a hybrid power system // Вост.-Европ. журн. передовых техн. -2020. - Т.5, №1-107. - С.6-17.

30. Johansson C., Bucanac C. The v-model. - IDE, Univ. of Karlskrona, 1999.

31. Jansen R.H. et al. NASA electrified aircraft propulsion efforts // Aircraft Engineering and Aerospace Technology. - 2020. - Т.92, №5. - С.667-673.

32. Гарипов И.Р. и др. Обзор систем охлаждения криогенных электрических машин // Materials. Technologies. Design. - 2023. - Т.5, №1(11). -С.13-26.

33. Ismagilov F.R., Pronin E.A., Garipov I.R. Experimental Studies of Electrical and Vibrational Characteristics of Additive Aluminum Windings of a Synchronous Generator Based on Permanent Magnets with Carbon Nanotubes // 2023 Russian

Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry (PEAMI). -IEEE, 2023. - С.18-22.

34. Zherebtsov A.A. et al. On the Prospects for Using a Dual-Phase Magnetic Material to Increase the Specific Power of an Autonomous Generator // Russian Electrical Engineering. - 2023. - Т.94, №12. - С.888-892.

35. Duffy K.P. Electric motors for non-cryogenic hybrid electric propulsion // 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. - 2015. - С.3891.

36. Корзева И.Н. и др. Разработка сверхпроводниковых электрических машин для полностью электрического самолета // XIV Международная конференция "Авиация и космонавтика-2015". - 2015. - С.207-208.

37. Scheidler J.J. et al. Progress toward the critical design of the superconducting rotor for NASA's 1.4 MW high-efficiency electric machine // 2019 AIAA/IEEE EATS. -IEEE, 2019. - С.1-13.

38. Ковалев К.Л. и др. Индукторная электрическая машина на основе высокотемпературных сверхпроводников. - 2019.

39. Курбатова Е.П. Обзор применения ВТСП обмоток в конструкциях электрических машин // Сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования. - 2023. - №1. - С.40-55.

40. Российский научный фонд. Проект 20-19-00689 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/20-19-00689/ (дата обращения: 07.11.2024).

41. Российский научный фонд. Проект 24-29-00099 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/24-29-00099/ (дата обращения: 07.11.2024).

42. Российский научный фонд. Проект 24-29-00763 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/24-29-00763/ (дата обращения: 07.11.2024).

43. Российский научный фонд. Проект 23-19-00624 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/23-19-00624/ (дата обращения: 07.11.2024).

44. Российский научный фонд. Проект 21-19-00454 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/21-19-00454/ (дата обращения: 07.11.2024).

45. Российский научный фонд. Проект 24-29-00177 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/24-29-00177/ (дата обращения: 07.11.2024).

46. Российский научный фонд. Проект 24-29-00675 [Электронный ресурс].

- Режим доступа: https://rscf.ru/project/24-29-00675/ (дата обращения: 07.11.2024).

47. Zhao W. et al. Multi-physics and multi-objective optimization of a high speed PMSM for high performance applications // IEEE Trans. on Magnetics. - 2018. -Т.54, №11. - С.1-5.

48. Ismagilov F.R. et al. Multidisciplinary design of ultra-high-speed electrical machines // IEEE Trans. on Energy Conversion. - 2018. - Т.33, №3. - С.1203-1212.

49. Kovalev K. et al. Multidisciplinary approach to the design of superconducting electrical machines // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. - 2019. - Т.581, №1. - С.012012.

50. Klaass R.M., DellaCorte C. The quest for oil-free gas turbine engines // SAE Trans. - 2006. - С.863-881.

51. Yu S., Ganev E. Next generation power and thermal management system // SAE Int. J. Aerospace. - 2008. - Т.1, №2008-01-2934. - С.1107-1121.

52. Vavilov V.Y., Argakov A.S., Garipov I.R. Integrated Starter-Generator for a More Electric Engine: A Brief Overview // 2023 PEAMI. - IEEE, 2023. - С.23-28.

53. Исмагилов Ф.Р. и др. Основы теории запуска двухконтурного турбореактивного двигателя при помощи интегрированного стартера-генератора // Materials. Technologies. Design. - 2022. - Т.4, №4(10). - С.34-47.

54. Friedrich G., Girardin A. Integrated starter generator // IEEE Ind. Appl. Mag.

- 2009. - Т.15, №4. - С.26-34.

55. Zhu L. et al. Design of power hardware-in-the-loop simulations for integrated starter-generator systems // IEEE Trans. on Transp. Electrific. - 2018. - Т.5, №1. - С.80-92.

56. Королев Н.А. и др. Турбогенератор: патент РФ 2767579; заявл. 29.01.2020; опубл. 29.07.2021; - МПК F01D15/10.

57. Бергамини Л. и др. Многоступенчатая турбомашина со встроенными электродвигателями: патент РФ 2667532; заявл. 02.02.2015; опубл. 21.09.2018; -МПК F04D19/02.

58. Григорьев А.В. и др. Газотурбинный двигатель: патент РФ 2657051; заявл. 07.12.2016; опубл. 09.06.2018; - МПК F01D15/10.

59. Livadaru L. et al. Design and finite element analysis of high-density torque induction motor for traction applications // 2015 ATEE. - IEEE, 2015. - С.211-214.

60. Swanke J. et al. Comparison of modular PM propulsion machines for high power density // 2019 ITEC. - IEEE, 2019. - С. 1-7.

61. Andersen H. et al. Design and manufacturing of a high-specific-power electric machine for aircraft propulsion // AIAA AVIATION 2023 Forum. - 2023. -С.4158.

62. Dowdle A.P. Design of a High Specific Power Electric Machine for Turboelectric Propulsion : дис. - MIT, 2022.

63. Balachandran T. et al. Assembly and qualification of a slotless stator assembly for a MW-class permanent magnet synchronous machine // 2020 AIAA/IEEE EATS. - IEEE, 2020. - С.1-10.

64. Hull T.N. Jr., Warren R.E. Gas turbine engine with booster stage: U.S. Patent 3,979,903 A; filed Aug.1 1974; issued Sept.14 1976; - IPC F02C7/04.

65. Hehenberger P., Zeman K. Hierarchical structuring of mechatronic design models // Proc. 3rd IFAC Symp. on Mechatronic Systems. - 2004.

66. Шляхтенко С.М. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. -М.: Машиностроение, 1987. - 568 с.

67. Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Айгузина В.В. Методология проектирования линейки высокоскоростных магнитоэлектрических генераторов // Инновац., инф. и комм. технологии. - 2019. - №1. - С.506-511.

68. Liu G.L. Simple Formulae for Optimal Solidity of Two-Dimensional Compressor Cascades Based on Diffusion Concept // Int. J. Turbo Jet Engines. - 1993. -Т.10, №2.

69. Анютин А.Н. Газодинамический расчет сверхзвуковой ступени осевого компрессора на ЭВМ. - Харьк.: Харьк. авиац. ин-т, 1988. - 33 с.

70. Анютин А.Н. Газодинамический расчет трансзвуковой ступени осевого компрессора на ЭВМ. - Харьк.: Харьк. авиац. ин-т, 1986. - 33 с.

71. Комиссаров Г.А., Микиртичан В.М., Хайт М.В. Методика газодинамического расчета осевого компрессора. - М.: ЦИАМ им. П.И. Баранова, 1960.

72. Старцев А.Н. Аэродинамическое проектирование осевого компрессора // Авиационные двигатели. - 2021. - №3. - С. 19-34.

73. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. - М.: Наука,

1986.

74. Беляев А.Н., Попов Е.М. Сопротивление материалов. - М., 2003.

75. Innovationspace by Ansys [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://innovationspace.ansys.com (дата обращения: 30.04.2025).

76. ANSYS, Inc. ANSYS Maxwell User's Guide [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell (дата обращения: 30.04.2025).

77. ANSYS, Inc. ANSYS Fluent User's Guide [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent (дата обращения: 30.04.2025).

78. ANSYS, Inc. ANSYS Mechanical APDL User's Guide [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.ansys.com/products/structures/ansys-mechanical-apdl (дата обращения: 30.04.2025).

79. Gerada D. et al. High-speed electrical machines: Technologies, trends, and developments // IEEE Trans. on Ind. Electronics. - 2013. - Т.61, №6. - С.2946-2959.

80. Гарипов И.Р., Саяхов И.Ф., Юшкова О.А. Влияние окружной скорости и частоты вращения на конструкцию, систему охлаждения и характеристики электрической машины в составе гибридной силовой установки // Вестник Южно-Урал. гос. ун-та. Серия «Энергетика». - 2025. - Т.25, №1. - С.52-65.

81. Eremenko V.V., Garipov I.R., Goryukhin M.O. Optimization of a HighSpeed External Rotor Electric Machine Using a Genetic Algorithm // Russian Electrical Engineering. - 2024. - Т.95, №1. - С.985-989.

82. Isler N., Morandi S. A Western engine for an Eastern aircraft—Re-engining of CSFR LET 610 turboprop transport with the GE CT7-9 // 27th Joint Propulsion Conference. - 1991. - С.1911.

83. Григорьев В.А., Рызыванов И.П., Загребельный А.О. Совершенствование параметрической модели массы авиационных турбовинтовых двигателей // Вестник МАИ. - 2020. - Т.27, №2. - С.81-89.

84. Donohie H.G. T700/CT7 growth engine for European helicopters. - 1985.

85. Kastrineli P.L., Lightfoot W.E. CT7-6: The Most Recent T700 Growth Derivative Engine. - ASME, 1990. - №79054.

86. Duyar A., Gu Z., Litt J.S. A simplified dynamic model of the T700 turboshaft engine // J. Amer. Helicopter Soc. - 1995. - Т.40, №4. - С.62-70.

87. Jux B., Foitzik S., Doppelbauer M. A standard mission profile for hybrid-electric regional aircraft based on web flight data // 2018 IEEE Int. Conf. on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). - IEEE, 2018. - С.1-6.

113

ПРИЛОЖЕНИЕ А

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Гарнпов И.Р. на тему «Электрифицированный компрессор для гибридной силовой установки регионального самолета»

Мы, нижеподписавшиеся, составили настоящий акт о том, что результаты диссертационной работы Гарипова И.Р. на тему «Электрифицированный компрессор гибридной силовой установки регионального самолета» используются в лекционных курсах, а также при дипломном и курсовом проектировании, а именно:

электрифицированного компрессора и комплексный алгоритм формирования облика электрифицированного компрессора в составе ГСУ внедрены в курс «Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах» по направлению подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и «Системы терморегулирования перспективных силовых установок» по направлению подготовки 24.04.05 «Двигатели летательных аппаратов» и позволяют проводить исследования в рамках курсового проектирования.

предложенный подход к многодисциплинарному проектированию

Заместитель директора по образовательной деятельности

Заместитель директора по науке