ИСЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ УРОВНЯ ЭЛЕКТРОФИКАЦИИ САМОЛЕТА AIRBUS A320-100 С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИБРИДНОЙ УСТАНОВКИ

STUDY OF THE POSSIBILITY OF INCREASING THE LEVEL OF ELECTRICITY OF THE AIRBUS A320-100 AIRCRAFT WITH THE POSSIBILITY OF USING A HIBRID INSTALLATION

Iurii Abolmasov

student, technical operation of aviation electrical systems and flight and navigation systems, Moscow State Technical University of Civil Aviation,

Russia, Moscow

Alexander Selin

student, technical operation of aviation electrical systems and flight and navigation systems, Moscow State Technical University of Civil Aviation,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Исследование возможности применения гибридных электроэнергетических установок на самолете компании Airbus A320-100 при постоянном увеличение электрификации воздушного судна.

ABSTRACT

Study of the possibility of using hybrid electric power plants on the Airbus A320-100 aircraft with a constant increase in the electrification of the aircraft.

Ключевые слова: airbus; A320-100; гибрид, самолет, электрификация.

Keywords: airbus; A320-100; hybrid, aircraft, electrification.

Тенденции в самолетостроение, связанные с повышением уровня электрификации летательных аппаратов, приводят к увеличению мощности и объема потребляемой электрической энергии на борту воздушного судна, а также к повышению требований к рациональному использованию имеющийся энергии.

Следует различать самолет с повышенной электрификацией оборудования (СПЭО) и полностью электрический самолет (ПЭС). СПЭО – летательный аппарат, в котором тяга создается традиционным газотурбинным или поршневыми двигателями, а оборудование получает энергию от централизованной системы электроснабжения. ПЭС – это летательный аппарат, всё функциональное оборудование которого получает для своей работы только электрическую энергию, а движение ЛА осуществляется с помощью электрической силовой установки. Так промежуточным вариантом ПЭС является гибридный самолет, в котором для получения энергии могут использоваться двигатели внутреннего сгорания [1, c.15].

Несмотря на существующий прогресс в авиационной отрасли, уровень электрификации современных летательных аппаратов не высок. В большинстве случаев электрифицированы беспилотные летательные аппараты.

Создание самолетов на электрической тяге ограничивается возможностями электроприводов силовых установок, источников и накопителей электроэнергии.

Необходимость расширения эксплуатационных возможностей новых ЛА (дальность и время полета, грузоподъемность) поставила вопрос о поиске альтернативных источников получения электроэнергии на борту ВС.

В качестве таких источников могут применяться гибридные электроэнергетические установки, в которых механическая энергия двигателей внутреннего сгорания преобразуется в электрическую с помощью генераторов. Преимуществом гибридных установок является более экономичный режим работы двигателей внутреннего сгорания, что позволяет решить проблемы невысокой энергоемкости аккумуляторных батарей и соответственно обеспечить требуемую дальность полета. [2]

На рисунке 1 представлена обобщенная структурная схема имеющейся энергосистемы для самолетов семейства Airbus A320 family.

Рисунок 1. Структура энергосистемы самолета Airbus A320 family

Для расчета имеющийся энергосистемы самолета Airbus A320-100 c 3-мя топливными баками необходимо знать массовые и мощностные характеристики агрегатов и элементов, влияющих на удельную энергию энергосистем. Имеющиеся данные сведем в таблицу [3].

Таблица 1.

Суммарные массовые и мощностные характеристики агрегатов и элементов энергосистемы

Для того, чтобы определить возможность электрификации самолета, необходимо произвести расчет характеристик энергосистем самолета Airbus A320-100.

Произведем расчет мощностей исходя из технической характеристики самолета, так значение взлетной скорости составляет 71 м/с, а значение крейсерской тяги 57 кН.

Рассчитаем крейсерскую мощность:

                                  (1)

Взлетная мощность:

                              (2)

Мощность для набора высоты:

                     (3)

Мощность на руление:

                                        (4)

Полученные данные сведем в таблицу и построим график зависимости мощности от времени (рисунок 2).

Таблица 2.

Расчетные данные зависимости мощности от времени

Рисунок 2. График энергопотребления

Из данных приведённых в таблице 2 рассчитаем энергию для имеющихся энергосистем W(МВт*ч), учитывая мощность на каждом этапе полета с соответствующей продолжительностью:

                                                                  (5)

С учетом 10% запаса значение энергии, имеющийся энергосистемы составила 57 МВт*ч.

Произведем расчет массы керосина и объема бака для имеющейся энергосистемы самолета, считая, что удельная мощность керосина 10 кВт*ч/кг, а также рассчитаем энергию топлива.

                                           (6)

                                                (7)

                                     (8)

Рассчитаем удельную энергоемкость керосина:

                        (9)

Рассчитаем коэффициент доли дополнительной массы в системе хранения:

                                                  (10)

Рассчитаем удельную мощность двигателя внутреннего сгорания для 2-х двигателей:

                                     (11)

Получив параметры для расчета удельной энергии, рассчитаем её при помощи универсальной формулы для удельной энергии:

                                         (12)

Построим структуру связанных между собой элементов энергосистемы самолета с использованием гибридной установки.  Структура гибридной энергосистемы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Структура гибридной энергосистемы самолета

Произведем расчет удельной энергии гибридной энергосистемы самолета Airbus A320-100. Составим таблицу удельных мощностей и КПД гибридной энергосистемы согласно технической информации.

Таблица 3.

Удельные мощности и КПД гибридной энергосистемы

Произведем расчет мощности генератора:

                                    (13)

Найдем массу генератора:

                                                (14)

Так как на электрифицированном самолете система электроснабжения имеет больше мощности и больше вести, рассчитаем ее удельные характеристики. Найдем мощность и вес новой СЭС, учтем, что средняя удельная мощность электроприводов, которыми будет заменены классические агрегаты (гидросистемы и системы кондиционирования) будет равняться 5:

                    (15)

                    (16)

Рассчитаем удельную мощность генератора:

                  (17)

Рассчитаем удельную энергию гибридной энергосистемы по универсальной формуле:

                 (18)

На данный момент времени имеющаяся энергосистема самолета имеет большое значение удельной энергии. Но для дальнейшего развития и для уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу возможно электрифицировать ВС с помощью использования гибридной установки, что подтверждается расчетами.

Список литературы:

1. М.Г. Агапов, В.И. Бекасов, А.С. Евсеев Системы оборудования летательных аппаратов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1995. – 496 с.
2. Микроклимат среды обитания [Электронный ресурс] – режим доступа. – URL: https://ilsvik.ru/?p=40200
3. Материалы официального интернет ресурса [Электронный ресурс] – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Airbus_A320