CC BY
3
УДК 608.2
Позмогов К.О. студент 1 курса магистратуры Институт автоматики и электронного приборостроения
КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева Россия, г. Казань
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕГКОГО САМОЛЕТА С КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
Аннотация: в статье представлена разработка системы электроснабжения самолета с комбинированной (гибридной) силовой установкой, выполненного по схеме "тяни-толкай". Описывается проектирование функциональной схемы электроснабжения, производятся подбор функциональных элементов и расчет первичной распределительной сети самолета.
Ключевые слова: гибридный самолет; электрический двигатель; автономная система электроснабжения; перспективный самолет; энергоснабжение.
DESIGN OF ELECTRIC SUPPLY SYSTEM OF A LIGHT AIRCRAFT WITH COMBINED POWER PLANT
Annotation: the article describes the development of a power supply system for an airplane with a combined (hybrid) powerplant, designed according to the "pull-push" layout scheme. Described the design of the functional scheme of power supply system, selected the functional elements and calculated the primary distribution network of the aircraft.
Key words: hybrid aircraft; electrical engine; autonomous power supply system; prospective plane; electric power supply.
Введение. Развитие технологий привело к тому, что в наше время стало возможным создание самолета, работающего на электрическом двигателе. Использование электромоторов для движения и двигателей внутреннего сгорания для выработки энергии позволяет существенно снизить массу летательного аппарата, применить новые подходы к его проектированию, а также снизить уровень выбросов углекислого газа в атмосферу.
В поиске оптимальной схемы самолета был сделан выбор в пользу схемы "тяни-толкай". При таком конструктивном расположении двигатели одновременно выполняют две функции. Первая устраняет проблему асимметричности осевой нагрузки. Вторая — уменьшает углы рысканья летательного аппарата. Достоинством данной схемы является то, что электродвигатель и топливный двигатель могут работать одновременно, причем в случае аварийной ситуации отказа одного из двигателей самолет сможет продолжить полет на любом из исправных двигателей.
За основу проектирования системы электроснабжения была взята компоновка самолета Адам А-500, выполненного по данной схеме:
Рисунок 1. Лицо самолета Адам А-500
В статье представлена разработка системы электроснабжения легкого двухмоторного самолета, один двигатель которого - двигатель внутреннего сгорания, а второй - электродвигатель. Электродвигатель в гибридных самолетах используется в режиме совместной работы с двигателем внутреннего сгорания, который работает как вспомогательная силовая установка (ВСУ).
Разработка функциональной схемы, определение состава, параметров, выбор бортовых источников. На основе анализа существующих моделей гибридных самолетов была разработана функциональная схема системы электроснабжения самолета:
Рисунок 2. Функциональная схема системы электроснабжения самолета
Д1 - двигатель внутреннего сгорания, вращающий передний винт. Был
подобран двигатель Rotax 915 IS/ISC. Технические характеристики двигателя Rotax 915 IS/ISC:
Четырехциллиндровый четырехтактный
Тип двигателя
Мощность
Масса
Потребляемое топливо
Номинальная высота полета Критическая высота полета Номинальная частота вращения
101 кВт (135 лс) 84 кг
Высокооктановое автомобильное топливо
4570 м
7010 м
5800 об/мин
Д2 - электродвигатель, вращающий задний винт и питаемый от аккумуляторной батареи АБ2. Исходя из весовых характеристик, в том числе из соотношения мощность-масса, был выбран электродвигатель Siemens SP260D. Тип двигателя - трехфазный асинхронный.
Технические характеристики двигателя Siemens SP260D:
Номинальная мощность Максимальная частота вращения Непрерывный крутящий момент Максимальная температура на входе хладагента Общий вес, включая подшипники пневмовинтов КПД
Промежуточное напряжение холостого хода
260 кВт 2500 об/мин 1000 Н*м 90 °C 50 кг 95% 580 B
Инвертирование постоянного тока для питания электродвигателя осуществляется инвертором Siemens ELFA, который применяется на гибридных самолетах вместе с двигателем SP260D.
DC-DC - преобразователь напряжения постоянного тока. Для преобразования напряжения между АКБ-1 и основной сетью используем преобразователь напряжения постоянного тока BSC618 фирмы Brusa.
SC618-24 V представляет собой двунаправленный преобразователь постоянного / постоянного тока с гальванической развязкой между высоковольтным и низковольтным цепями. Он особенно подходит для
использования в электрических, гибридных и транспортных средствах на топливных элементах. Благодаря двунаправленности и универсальным параметрам конфигурации BSC618-24 V имеет широкий диапазон применений.
Устройство работает по принципу трансформатора, работающего последовательным резонансным образом, с помощью которого реализуется гальваническая развязка. Кроме того, с помощью двух инвертирующих широтно-импульсных преобразователей, работающих в режиме отсечки с целью уменьшения пульсаций, можно установить желаемое напряжение в соответствующем режиме работы. При резонансной топологии трансформаторной ступени и автоматической коммутации ШИП потери могут быть ограничены до минимума и могут быть достигнуты отличные свойства ЭМС (электромагнитная совместимость). При разработке устройства была установлена компактная, виброустойчивая и легкая конструкция, позволяющая использовать практически во всех приложениях и местах установки.
Расчет и подбор аккумуляторной батареи. Анализ существующих моделей показал, что в полностью электрифицированных самолетах и в самолетах с гибридной силовой установкой используются литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы обладают большой емкостью и высокой энергетической плотностью, следовательно, обладают меньшим весом по сравнению с другими типами аккумуляторов, что критически важно для легких самолетов.
Литий-ионные батарейные системы являются эффективной альтернативной системой аккумулирования энергии для транспортных средств на электрической тяге. Требования к литий-ионным батарейным системам, предназначенным для использования в качестве источника энергии для приведения в движение транспортных средств на электрической тяге, существенно отличаются от требований к батареям, используемым в бытовой электронике или для стационарного применения.
Из найденных моделей батарей была выбрана батарея фирмы Kokam, устанавливаемая на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), как обладающая наибольшей энергетической плотностью и используемая в авиации. Технические характеристики аккумуляторной батареи Kokam
SLPB080085270:
Емкость
27 А*ч
Масса
0,385 кг
Энергетическая плотность
260 Вт/кг
Ток зарядки
27 А
Максимальный ток разряда
54 А
Пиковый ток разряда Габариты
108 А
97*272*7,6 мм
Исходя из потребностей двигателя, посредством последовательного и параллельного соединения батарей были собраны две батарейные системы: АКБ-1 и АКБ-2.
Технические характеристики аккумуляторной батареи-1:
Суммарная емкость 27 А*ч
Напряжение на выходе 580 В
Ток разряда 1,5 А
Количество аккумуляторов 8
Масса 3,08 кг
Технические характеристики аккумуляторной батареи-2:
Суммарная емкость 162 А*ч
Напряжение на выходе 580 В
Ток разряда 170 А
Количество аккумуляторов 948
Масса 365 кг
Емкость аккумуляторной батареи АКБ-2 исчисляется из расчета полета в течении не менее 0,5 часа (30 мин). Топливный двигатель в этом режиме работает как ВСУ. Начальная емкость аккумуляторов определяется из расчета 85% заряженности
0Б1.НАЧ = ОБ.ном.Кз = 162 0,85 = 137,7Ач; Емкость аккумуляторной батареи АКБ-2 исчисляется из расчета полета в течении не более 0,34 часа (20 мин.) с учетом отказа генератора Г1, аккумуляторной батареи АКБ-1 и трехкратного запуска двигателя.
0Б.2НАЧ = ОБ.ном.Кз = 27 0,85 = 22,95Ач; Емкость необходимая для трехкратного запуска одного двигателя
ОБ.ЗАП.ДВ. = 3(1ЗАП.срЛзап.) = 3 (80 0,033) = 0,8 Ач; Емкость необходимая для безопасного продолжения полета и посадки
ОБ.ПОЛЕТ. = 22,95 0,34 Ккр = 8,58Ач; где: Ккр=1,1 - коэффициент, учитывающий кратковременное увеличение тока при включении электроприводов шасси, закрылков
Емкость необходимая для работы радиостанции после посадки ОБ.РАДИО = 5 .0,25 = 1,25 А*ч:
Расчетная остаточная емкость аккумуляторной батареи АКБ-2
ОБ.ОСТ. = ОБ.НАЧ.Х - ОБ.ЗАП.ДВ. - ОБ.ПОЛЕТ. - ОБ.РАДИО = 22,95 - 0,8 - 8,58- 1,25= 12,32Ач;
ПРИМЕЧАНИЕ:
1. Продолжительность полета на аккумуляторах при расчете принята 20 минут.
2. Для аварийного полета и посадки в течении 20 минут достаточно емкости одной аккумуляторной батареи АКБ-2.
Разработка схемы первичной распределительной сети. На основе схемы размещения СЭС, а также функциональной схемы была разработана схема первичной распределительной сети. Основной системой электроснабжения (СЭС) самолета с комбинированной силовой установки является система постоянного тока с номинальным напряжением на клеммах потребителей 27 В. Установленная мощность потребителей систем оборудования самолета оценивается величиной порядка 850 Вт. Таким образом, СЭС располагает более чем трехкратным резервом мощности.
Рис.1 Схема электрической сети гибридного самолета В соответствиями с требованиями надежности СЭС разделена на две независимых подсистемы левого и правого борта.
Система электроснабжения постоянным током состоит из: - генератора постоянного тока ГСР-3000;
- генератора постоянного тока Р127250, используется для питания стартера и запуска двигателя;
- аккумуляторной батареи АКБ-1 на основе аккумуляторов Кокат SLPB080085270 емкостью 27 А*ч;
- аккумуляторной батареи АКБ-2 на основе аккумуляторов Кокат SLPB080085270 емкостью 162 А*ч.
- электрической сети;
АКБ-2 является съемной и меняется после каждого полета.
Аварийные режимы работы.
1) Отказ генератора Г1 и/или двигателя Д1
В случае отказа генератора питание осуществляется от АКБ-1. Емкости данного аккумулятора достаточно для питания всех потребителей.
2) Остановка двигателя 1
Остановка двигателя 1 приведет к отказу генератора Г1. В таком случае не потребуются некоторые потребители, непосредственно относящиеся к работе двигателя, такие как:
• Один воздушный винт (ВИШ) Airmaster
• Один привод створки капота
• Один топливный насос
• Один указатель параметров работы двигателя Flydat
Мощность потребления:
Кратковременная 96 Вт
Длительная 180 Вт
В этом случае всех оставшихся потребителей первой группы может взять на себя аккумуляторная батарея АКБ-1. Ток аккумулятора преобразуется в переменный на инверторе электродвигателя и далее поступает на шину ЦРУ.
3) Остановка двигателей 1 и 2. В случае остановки обоих двигателей питание потребителей первой категории осуществляется также за счет аккумуляторной батареи АКБ-1, для чего предусмотрена необходимая емкость.
В соответствии с требованиями к СЭС по надежности и бесперебойности электропитания потребители самолета разделены на две категории. Без потребителей первой категории невозможны продолжение полета и безаварийная посадка приведен в. Потребители второй категории -те, отключение которых не влияет на безопасность полета.
Выводы. Предложенная модель и система электроснабжения гибридного самолета обладает более высокой надежностью в случае отказа одной из силовых установок, а также дальностью полета по сравнению с другими моделями гибридных. Данная модель имеет перспективы к практической реализации, так как спроектирована на базе существующей модели самолета. Проведенные анализ и расчеты позволяют использовать данную исследовательскую работу в качестве основы для разработки перспективного гибридного самолета.
Использованные источники:
1. Новосельский, В.Г., Терещук, В.С., Шакирзянова., Н.Ш. Системы электрооборудования и распределения электроэнергии летательных аппаратов
2. ГОСТ Р МЭК 62660-1-201 «Аккумуляторы литий-ионные для электрических дорожных транспортных средств»
3. В.В. Бочаров, В.А. Постников, С. Б. Резников, И.А. Харченко Энергоэкономичная комбинированная система электроснабжения с высоким качеством электроэнергии для концепции «полностью электрифицированного самолета».
Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск №58
УДК 625.122
Прохмутенко В.А.
аспирант
Ростовский государственный университет путей сообщения
Россия, г. Ростов-на-Дону ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ НАСЫПИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА УЧАСТКАХ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Аннотация: Для безопасной эксплуатации транспортных сооружений особое внимание следует уделять устойчивости насыпей на подходах к мостам. Размывы насыпей приводят к повреждениям дорожного полотна на железнодорожных мостах и на железных дорогах, что влечет к серьезным перебоям в движении транспорта.
Ключевые слова: мостовой переход, насыпи, устойчивость насыпи, основание, укрепление насыпей.
UDC 625.122
Prohmutenko V.A. postgraduate student Rostov state transport University Russia, Rostov-na-Donu IMPROVING THE STABILITY OF RAILROADS IN AREAS OF
BRIDGES
Description: For safe operation of transport facilities, special attention should be paid to the stability of embankments on the approaches to the bridge. Washouts embankments result in damage to the roadway on the railway bridges and railways, which leads to serious disruptions in traffic.
Keywords: bridge, embankment, stability mound, base, strengthening of embankments.
Железные дороги России являются самыми грузонапряженными в мире. В ряду важнейших вопросов ближайшей перспективы перед железнодорожным транспортом стоит задача расширения транспортно-дорожной сети, дальнейшего совершенствования железнодорожного
