Planta de energía híbrida de aviación de UEC
Vista general del diseño para MAKS-2021
En la última exhibición aérea MAKS-2021, la Russian United Engine Corporation (UEC) presentó una serie de desarrollos prometedores en diferentes direcciones. Una de las exhibiciones más interesantes de su stand fue un modelo de planta de energía híbrida (GSU), desarrollado para su implementación en aviación... Se espera que tal GSU pueda encontrar aplicación en varios proyectos de aeronaves y proporcionar un alto rendimiento.
Dirección de perspectiva
Las plantas híbridas basadas en una turbina de gas o un motor de pistón junto con varios componentes eléctricos tienen una serie de características y ventajas importantes sobre los sistemas tradicionales. Estas ventajas se pueden utilizar en varios campos, incl. en la aviación. Actualmente, en varios países a la vez, se está llevando a cabo el desarrollo de GSU de aviación de diferente composición. Algunos proyectos ya se han sometido a pruebas de laboratorio y a gran escala.
En agosto de 2020, la UEC rusa lanzó un proyecto similar. JSC UEC-Klimov fue nombrado desarrollador principal. El objetivo del nuevo proyecto es crear un circuito HSS secuencial prometedor con una capacidad de 500 kW. Esta instalación se basará en el último motor turboeje VK-650V.
A estas alturas, se han completado las primeras etapas del proyecto y se ha determinado el aspecto general de la instalación. Además, se realizó una maqueta, que se mostró en la reciente feria MAKS-2021. En un futuro próximo, aparecerá un modelo de demostración para pruebas de banco. Durante los próximos años alcanzará su capacidad máxima y permitirá la transición a nuevas etapas.
Generador y motor turboeje
Según la UEC, en 2022, una muestra de demostración de la GSU debería mostrar una potencia de 150 kW y garantizar la verificación de las soluciones establecidas. Luego se finalizará, y las pruebas están previstas para 2023 con el logro de la potencia de diseño de 500 kW. Sobre la base de los resultados de estas actividades, en 2024, el trabajo de diseño experimental comenzará a crear una GSU completa para su uso en aeronaves. Está previsto que se complete en 2028.
La UEC ya ha identificado las áreas de aplicación de la prometedora OSG. Este sistema se puede utilizar en aviones para líneas locales, en helicópteros ligeros polivalentes y en vehículos aéreos no tripulados de hasta 8 toneladas. También se puede utilizar en varios vehículos de despegue vertical, en prometedores "taxis aéreos", etc. Se desarrollará un sistema similar para barcos y barcos sobre la base del GSU de aviación. Desarrollará una capacidad de 200-250 kW.
Mirada de maqueta
En MAKS-2021, se demostró una maqueta de un GSU en una configuración para un UAV tipo helicóptero con cuatro rotores. Las unidades de la instalación se colocaron sobre un stand simulando un producto similar. Este enfoque de la pantalla permite evaluar el tamaño de la GSU y las características de su ubicación en la aeronave.
Un grupo electrógeno de turbina de gas compacto basado en un motor existente de suficiente potencia se colocó en un fuselaje convencional. Junto a él se instalaron un paquete de baterías y unidades de electrónica de potencia. En las "alas" se colocaron cuatro motores eléctricos con rotores. Todos los componentes de la GSU estaban conectados mediante cables.
Bloques de electrónica de potencia responsables de la distribución de energía.
El diseño refleja el esquema general y la composición de la prometedora GSU en relación con el cuadricóptero. Las aeronaves de otros esquemas y clases recibirán instalación de una composición y arquitectura diferente. Por lo tanto, es posible utilizar un número diferente de motores eléctricos, diferentes configuraciones de batería, etc.
Los principios de funcionamiento de la nueva GSU son bastante sencillos. Un motor de turboeje con un generador genera energía eléctrica para la electrónica de potencia. Este último se encarga de controlar los motores eléctricos responsables del vuelo, y también recarga las baterías. Aún no se han especificado los modos de funcionamiento de la instalación de la UEC.
Dificultades y ventajas
Una planta híbrida basada en un motor turboeje y componentes eléctricos tiene una serie de ventajas distintivas sobre los sistemas tradicionales. Al mismo tiempo, también existen desventajas de varios tipos. Obviamente, el enfoque correcto del diseño del GSU en sí y de la selección del avión para él le permitirá obtener el máximo rendimiento con mínimas desventajas.
Los sistemas de turbinas de gas incluyen varios componentes diferentes, por lo que se diferencian de los sistemas de turbinas de gas tradicionales en una mayor complejidad y costo. Además, la instalación híbrida tiene un mayor volumen y masa total, lo que impone restricciones al desarrollo del avión portaaviones. Al mismo tiempo, las unidades GSU no necesitan una conexión mecánica rígida entre sí, y se pueden espaciar entre los volúmenes disponibles, lo que simplifica el diseño de la aeronave.
Baterias recargables
Las plantas híbridas pueden mostrar una alta eficiencia de combustible. Para ello, el motor turboeje debe funcionar en modos óptimos que den el mínimo consumo de combustible, y los sistemas de control tienen la tarea de distribuir correctamente la electricidad entre los motores y las baterías de acuerdo con el modo de vuelo actual. Al mismo tiempo, también se mejoran otras características: el recurso crece y se reducen las emisiones nocivas.
El vuelo del dispositivo desde la GSU se realiza mediante motores eléctricos controlados por electrónica. Esto le permite mantener de manera más efectiva el modo de operación requerido, así como cambiarlo rápidamente teniendo en cuenta las condiciones cambiantes. En particular, asegurará una liberación rápida a la máxima potencia.
Dependiendo de la composición y los principios de gestión, la GSU es teóricamente capaz de operar en varios modos, incl. sin el uso de un motor turboeje, solo debido a las baterías. Este modo aumentará la confiabilidad y la seguridad: en caso de falla del motor principal y el generador, la aeronave podrá continuar su vuelo.
Planes para el futuro
Gracias a una u otra ventaja, las centrales eléctricas híbridas de diferentes arquitecturas pueden encontrar un lugar en la aviación y eliminar los sistemas tradicionales. Las OSG son de interés en el contexto del desarrollo ulterior de aeronaves y helicópteros tripulados y no tripulados. Sin embargo, si bien no se debe esperar que en un tiempo razonable puedan desplazar por completo otras opciones para las centrales eléctricas.
Variante del diseño del avión bimotor GSU
El potencial de la OSG atrae naturalmente a desarrolladores y clientes de diferentes países y, desde el año pasado, la industria rusa se ha comprometido estrechamente con este tema. Ya se han realizado los primeros trabajos, se han formado principios generales de proyectos prometedores y se han identificado áreas futuras de su aplicación. Además, se muestra un modelo del producto futuro y se anuncian eventos para años futuros.
El trabajo de desarrollo en una planta de energía de 500 kW basada en el motor VK-650V se llevará a cabo en 2024-28. Por lo tanto, ya a mediados de la década o al comienzo de la segunda mitad de la misma, se puede esperar la aparición de los primeros proyectos de aviones en toda regla para la aviación nacional GSU. También deberán presentarse proyectos para la introducción de su modificación marina.
No se sabe cuáles serán los aviones y barcos con planta de energía híbrida. Sin embargo, está claro que esta dirección tiene un gran potencial y te permite sacar oportunidades muy interesantes. Debe desarrollarse teniendo en cuenta el uso práctico. Esto es exactamente lo que ha estado haciendo la UEC desde el año pasado, y ya está lista para mostrar los primeros resultados.
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