Авиационная интегрированная электроэнергетическая установка
AVIATION INTEGRATED ELECTRIC POWER PLANT

Область техники.
Изобретение относится к размещению на летательном аппарате элементов силовых установок, в частности, устройств для циркуляции криогенной среды с принудительной циркуляцией, с использованием трубопроводов для охлаждения элементов высокотемпературных сверхпроводящих компонентов установок.
Уровень техники.
В авиационной технике к силовым установкам предъявляют самые жесткие требования по удельной мощности, эффективности и безопасности. До недавнего времени и до появления материалов и изделий на основе эффекта высокотемпературной сверхпроводимости было принципиально невозможно создать электрические приводы для движителей высокой мощности на традиционных технологиях, особенно для авиации.
Актуальные для этих задач электрические приводы, спроектированные по самым передовым технологиям и методам, без использования высокотемпературных сверхпроводников (далее ВТСП), имеют компромиссные характеристики с точки зрения эффективности и удельной мощности. Однако, системы передачи и распределения электроэнергии в традиционном исполнении, без использования ВТСП, в несколько раз превышают по массогабаритным параметрам решения на основе сверхпроводников и криогенных технологий.
Для длительного полета пассажирского или транспортного летательного аппарата (далее ЛА), с целью улучшения технических характеристик, могут применяться гибридные силовые установки (далее ГСУ), в которых питание электродвигателя осуществляется от электрических генераторов с приводом, например, от двигателей внутреннего сгорания. Для длительного полета ЛА класса меньшего, чем для пассажирских и транспортных перевозок, уже используются полностью электрические силовые установки (ЭСУ), в которых первичным источником энергии является накопительная система аккумулирования энергии (батарея, батарейный блок).
Электроэнергетические установки являются универсальными, первичный источник энергии в них может быть, как от электрогенератора с приводом, при этом в качестве привода может использоваться, например, двигатель внутреннего сгорания, так и от накопительной системы аккумулирования энергии (батарей, батарейного блока). При этом в каждой из указанных силовых установок для пассажирского или транспортного ЛА можно добиться снижения массогабаритных характеристик и повышения эффективности, если обмотки статора, ротора электродвигателей, электрогенератора, кабели силовой установки выполнены с использованием ВТСП проводников, которые работают при криогенных температурах.
Эффект сверхпроводимости всех известных на сегодняшний день высокотемпературных сверхпроводников лежит в криогенном диапазоне (например, ниже 77°К), поэтому для работы устройств и приборов на основе ВТСП необходим охлаждающий аппарат.
Так из уровня техники известна система криообеспечения по патенту RU №2616147 (F25B 45/00, 12.04.2017), предназначенная для ввода и удаления хладагента в высокотемпературных сверхпроводящих устройствах. При этом система содержит дополнительную дренажную магистраль с установленным вентилем, подогревателем паров азота и вакуумным насосом, систему подачи газообразного гелия в криостат и его барботирования через криогенную жидкость в емкости. Изобретение предназначено для увеличения эффективности и надежности поддержания заданного уровня температуры криогенной жидкости в ВТСП обмотках электрических машин.
Недостатками данной системы является использование криорефрижератора для компенсации тепловых потерь, который существенно увеличивает массу криосистемы, имея при этом ограниченную холодопроизводительность. Исходя из схематического изображения криосистемы, для ее работы требуется перепад высот между криосистемой и охлаждаемым объектом, что не всегда может быть реализовано при применении криосистемы для охлаждения двигателя на транспортном средстве. Таким образом, данную систему криообеспечения невозможно использовать на борту летательного аппарата из-за высокой массы системы и сложности в обеспечении безопасной автономной работы. Также приведенное устройство рассчитано на охлаждение только одного потребителя, и даже при установке второго циркуляционного насоса применение криорефрижератора для компенсации тепловых потерь не позволяет регулировать глубину переохлаждения каждого потребителя независимо, поскольку криорефрижератор переохлаждает весь запас хладагента в баке.
Также из уровня техники известны силовые установки с использованием криогенного охлаждения для достижения высоких удельных показателей мощности в авиационной технике.
Из патентного документа US 2019009917 (B60L 0/10, 10.01.2019) известна система привода и способ обеспечения кинетической энергией двигательного устройства летательного аппарата. Приводная система выполнена в виде последовательной гибридной системы, которая содержит электродвигатель для приведения в движение двигательного устройства, генератор для обеспечения электрической энергией электродвигателя и двигатель внутреннего сгорания для обеспечения работы генератора. В конструкции генератора есть элементы, использующие при работе свойства сверхпроводимости. В качестве хладагента для генератора используется водород. Как только водород в области, окружающей генератор, превышает заданную температуру, водород извлекается из генератора в газообразном состоянии и подается в устройство, которое обрабатывает водород таким образом, что обеспечивается энергия, которая может быть использована в приводной системе. Устройство может представлять собой топливный элемент и/или двигатель внутреннего сгорания, выполненный, например, в виде водородной турбины. За счет системы и способа по указанному патенту достигается оптимальное соотношение мощности и веса для серийной гибридной приводной системы транспортного средства.
Недостатком данного решения является то, что система привода подразумевает одностороннюю подачу хладагента из резервуара на сверхпроводниковый компонент с последующим испарением. Хладагент (часть теплоносителя может быть передана в газообразном состоянии) от генератора передается на топливный элемент, откуда продукт реакции в топливном (деионизированная вода) элементе передается на электродвигатель для его охлаждения. Однако поскольку требуемая холодильная мощность может меняться во времени, а для надежного функционирования системы привода необходимо, чтобы подаваемого хладагента было достаточно в любой момент времени, необходимо либо создавать сложную систему обратной связи, регулирующей подачу хладагента, либо всегда подавать хладагент в избыточном количестве, чтобы перекрыть теплоприток, что приводит к неэффективному расходованию хладагента. Также в описании к решению не уделяется внимание, как охлаждать несколько сверхпроводниковых компонентов-потребителей, расположенных в разных частях транспортного средства.
Наиболее близким к предложенному изобретению является техническое решение по патенту RU №2730734 (B60K 6/22,25.08.2020). Согласно данному техническому решению гибридная силовая установка включает преобразователь первичной энергии в механическую (ППЭМ) с первичным источником энергии (ПИЭ), где в качестве преобразователя может быть двигатель внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинный двигатель (ГТД), турбовинтовой двигатель (ТВД), турбореактивный двигатель (ТРД) и др. В качестве ПИЭ используется, например, химическое, ядерное топливо и др. ГСУ также содержит генератор электрической энергии, один или несколько электродвигателей, соединительные кабели, альтернативные источники энергии, накопительную систему аккумулирования энергии, блок распределения энергии (распределительное устройство), контроллеры и преобразовательные устройства. Дополнительно содержит блоки криоохлаждения соединительных кабелей силовой установки, выполненные с использованием сверхпроводникового материала, блоки криоохлаждения вентилей преобразовательных устройств, блоки криоохлаждения электрогенератора и электродвигателей, которые содержат обмотки якоря и возбуждения, выполненные из сверхпроводникового материала. Блоки криоохлаждения соединительных кабелей силовой установки, вентилей преобразовательных устройств, а также обмоток якоря и возбуждения электрогенератора и электродвигателей объединены в единую систему криогенного обеспечения. За счет чего достигается повышение удельной мощности, улучшение массогабаритных показателей, повышение КПД.
Однако, в рамках обеспечения криогенного охлаждения в данной ГСУ каждый компонент силовой установки охлаждается отдельным блоком криогенного охлаждения, что создает большое число криогенных трубопроводов и крионасосов.
Криогенный трубопровод представляет собой двойную стальную трубу с вакуумной теплоизоляцией, обычно имеющую вес 2-5 кг/м.п., и теплоприток 2-10 Вт/м.п. Каждое криогенно охлаждаемое устройство имеет по два трубопровода - по одному криогенная среда подается в устройство, по второму осуществляется возврат в криосистему. При условии охлаждения всех устройств от единой криогенной системы, в условиях воздушного судна двигатели возможно располагать на расстоянии 15-30 метров от криосистемы. Таким образом, даже при наличии всего двух криогенно-охлаждаемых электродвигателей вес трубопроводов может составлять от 120 до 600 кг, и создавать дополнительный теплоприток в криогенный объем от 120 до 1200 Вт. Такую же тепловую нагрузку и дополнительный вес создают криогенно-охлаждаемые кабели и другие устройства. Кроме того, каждый криогенный контур требует установку независимого насосного аппарата, который создает дополнительно до 500 Вт теплопритока. В целом указанные недостатки оставляют техническое решение экспериментальным (исследовательским), сложно реализуемым в реальных условиях эксплуатации ЛА.
Раскрытие сущности изобретения.
Важно отметить, что некоторые компоненты (устройства), использующие сверхпроводимость при работе (на фиг. 1 - схеме авиационной интегрированной электроэнергетической установки они условно обозначены более темными прямоугольниками и объединены термином: «криогенные элементы»), как гибридных силовых установок, так и электроэнергетических силовых установок могут работать только во взаимосвязи, и выход из строя, в частности, потеря криогенного охлаждения одного устройства приведет к невозможности использовать второе и все функционально взаимосвязанные. Так, например, взаимосвязанную пару компонентов установки образуют электродвигатель и питающий его ВТСП кабель, которые могут работать только при исправном функционировании друг друга. В случае выхода из строя, например, насоса снабжения криогенной средой одного из устройств, автоматически станет невозможна эксплуатация второго, даже в случае, если его насос снабжения криогенной средой исправен.
Таким образом, при объединении в криогенный контур, например, электродвигателя и питающего его ВТСП кабеля, снижается требуемое количество криогенных трубопроводов и криогенных насосов, вдвое снижается теплоприток по криогенным магистралям и, как следствие, вдвое снижается риск отказа системы из-за отказа криогенного насоса.
Объединение возможно выполнить за счет подключения магистрали подачи криогенной среды от криосистемы к электродвигателю, магистраль возврата криогенной среды из электродвигателя подключить к магистрали подачи криогенной среды к ВТСП кабелю, а возвратную магистраль ВТСП кабеля подключить к криосистеме. Аналогично возможно объединить магистрали коммутационно-защитных устройств (токоограничивающего и распределительного устройств) и, если в силовой установке используется генератор, то возможно объединить магистрали генератора и ВТСП кабеля питания от генератора.
Техническим результатом осуществления изобретения является снижение общей массы авиационной интегрированной электроэнергетической установки и достижение стабильной работы установки за счет снижения тепловой нагрузки на криогенную систему установки и исключения неиспользуемых криогенных насосов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что авиационная интегрированная электроэнергетическая установка, содержащая следующие компоненты: по меньшей мере, один двигатель, соединительные кабели, распределительное устройство, выполненные с использованием сверхпроводниковых материалов с возможностью криоохлаждения, накопительную систему аккумулирования энергии и криосистему с, по меньшей мере, одним контуром криогенного охлаждения для взаимосвязанных компонентов установки, выполненных с использованием сверхпроводниковых материалов.
Также авиационная интегрированная электроэнергетическая установка может включать в себя генератор, выполненный с использованием сверхпроводниковых материалов с возможностью криоохлаждения, связанный с приводом от преобразователя первичной энергии в механическую и с выпрямительным устройством для вырабатываемого электричества.
Кроме того, авиационная интегрированная электроэнергетическая установка может включать в себя токоограничивающее устройство.
Контуры криогенного охлаждения в авиационной интегрированной электроэнергетической установке могут быть выполнены для охлаждения следующих взаимосвязанных компонентов установки, выполненных с использованием сверхпроводниковых материалов: «двигателя и кабеля», и дополнительно для «генератора и кабеля» и дополнительно для «токоограничивающего устройства и распределительного устройства».
При этом криосистема содержит распределительный бак с насосами и, по меньшей мере, один выход и один вход для криогенных трубопроводов по количеству криогенных контуров, а распределительный бак криосистемы включает в себя, по меньшей мере, один насос по количеству криогенных контуров.
При этом соединение криогенных контуров может быть выполнено через быстроразъемные муфты для облегчения ремонта и обслуживания силовой установки.
Также авиационная интегрированная электроэнергетическая установка может быть выполненная с возможностью использовать для каждого из двигателей отдельную систему управления, при этом каждый из двигателей связан с отдельным движителем.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 представлена схема авиационной интегрированной электроэнергетической установки (АИЭУ).
Питание потребителей электроэнергии заявленной авиационной интегрированной электроэнергетической установки может осуществляться от генератора (1) или от накопительной системы аккумулирования энергии, выполненной в виде батарейного блока (7) электроэнергии без использования генератора (1) электроэнергии в электроэнергетической системе.
Пример реализации, заявленной авиационной интегрированной электроэнергетической установки представлен (фиг. 1) с использованием, по меньшей мере, одного генератора (1) электроэнергии, приводимого в движение первичным приводом (2). Первичный привод (2) представляет собой либо двигатель внутреннего сгорания, либо газотурбинный двигатель, либо турбовинтовой двигатель, либо турбореактивный двигатель. Так как в примере реализации АИЭУ использован генератор (1), питание потребителей электроэнергии осуществляется от генератора (1) электроэнергии, вырабатываемое электричество с которого выпрямляется выпрямительным устройством (на фиг. 1 обозначено, как в/у) (3) и по высокотемпературному сверхпроводящему кабелю (4) передается на распределительное устройство (5).
Выпрямительным устройством (3) является силовой блок на основе диодов, тиристоров или иных полупроводниковых приборов, который на вход получает переменный ток с обмоток генератора (1), а на выходе выдает постоянный ток.
Распределительное устройство (5) может включать в себя не менее двух пар контактов для подключения к линии питания постоянного тока, каждая из которых подключена через контактор, позволяющий управляемо подключать или отключать линию.
От распределительного устройства (5) электроэнергия раздается внешним потребителям (8), таким как: системы авионики, навигации, климатические системы и т.д., а также через один или несколько кабелей (9) на, по меньшей мере, одну систему управления (10) (на фиг. 1 обозначена, как с/у), по меньшей мере, одним двигателем (11), приводящих в движение, по меньшей мере, один движитель (12).
Также к распределительному устройству (5) через токоограничивающее устройство (6) (далее по тексту - ТОУ), подключен батарейный блок (7). При этом использование ТОУ (6) является опциональным.
В систему управления (10) двигателя (11) входят силовые полупроводниковые устройства, такие как IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) или MOSFET транзисторы (металл - окисел -полупроводник, так же известные, как МОП-транзисторы) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем), которые осуществляют преобразование постоянного тока на входе в переменный ток на выходе, при чем частота и фаза переменного тока зависят от уставки частоты вращения и углового положения вала двигателя.
В АИЭУ предусмотрена возможность использовать для каждого из двигателей (11) отдельную систему управления (10). При этом каждый из двигателей (11) связан с отдельным движителем (12).
Движитель (12) - это узел преобразования механической энергии на валу электродвигателя в пропульсивную, например, воздушный винт или вентилятор.
Для обеспечения криогенного охлаждения всех компонентов (устройств) АИЭУ в своем составе имеет криогенную систему (13) заполненную криогенной средой, которая посредством криогенных насосов
(14) подается в контуры охлаждения АИЭУ через криогенные трубопроводы (15).
В частности, раскрытые по настоящему изобретению контуры охлаждения могут состоять из:
- генератора (1) и ВТСП кабеля (4);
- двигателя (11) и ВТСП кабеля (9);
токоограничивающего устройства (6) и распределительного устройства (5).
В качестве генератора (1) и двигателей (11) используются сверхпроводящий генератор и сверхпроводящие электродвигатели.
Генератор (1) и двигатели (11) содержат, по меньшей мере, по одному сверхпроводящему компоненту, например, с обмотками якоря и возбуждения на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов второго поколения с высокой токонесущей способностью, которые находятся в сверхпроводящем состоянии, когда компоненты находятся при соответствующей криогенной температуре.
Т.е. для поддержания генератора (1) и двигателей (11) в рабочем состоянии при криогенной температуре хладагента, в них подается криогенная среда. В качестве криогенной среды может использоваться, например, водород в жидком состоянии, азот, неон, гелий и т.п.
В качестве сверхпроводникового материала соединительных ВТСП кабелей (4,9) авиационной интегрированной электроэнергетической установки, а также обмоток якоря и возбуждения генератора (1) и двигателей (11) и ТОУ (6), используется сверхпроводниковый материал в виде длинномерных лент на базе ВТСП.
Криосистема (13) содержит распределительный бак, по меньше мере, один криогенный насос (14) и, по меньшей мере, один выход и вход для криогенных трубопроводов (15) по количеству криогенных контуров в АИЭУ.
В качестве криогенных насосов (14) могут использоваться насосы центробежного типа.
Каждый из криогенных трубопроводов (15) представляет собой двойную трубу, выполненную из гофрированной нержавеющей стали с вакуумной теплоизоляцией.
При этом, так как генератор (1) и токоограничивающее устройство (6) являются не обязательными компонентами (устройствами) для реализации функции АИЭУ, то количество криогенных контуров для охлаждения взаимосвязанных компонентов авиационной интегрированной электроэнергетической установки может изменяться, равно, как могут изменяться взаимосвязанные компоненты, для которых осуществляется охлаждение и последовательность объединения взаимосвязанных компонентов криогенных контуров так же может отличной от приведенной в примере реализации изобретения.
Осуществление изобретения.
В предложенной АИЭУ (фиг. 1) использован генератор (1) синхронного типа, два двигателя (11) синхронного типа, связанные с двумя движителями (12), расположенные на крыльях (не показаны).
Следует отметить, что далее конкретные значения токов, давления и температур приведены для наглядности и в частных воплощениях изобретения могут существенно отличаться.
Ток порядка 1000 А от генератора (1) поступает по ВТСП кабелям (4) через выпрямительное устройство (3) на распределительное устройство (5), откуда распределяется на внешних потребителей (8) порядка 10 А и на двигатели (11) порядка 500 А через ВТСП кабели (9) и две системы управления (10) по числу двигателей (11) для приведения в действие движителей (12).
Криосистема (13) содержит распределительный бак, заправленный криогенной средой (жидкий азот), четыре выхода и входа в распределительном баке для криогенных трубопроводов (15) и четыре центробежных криогенных насоса (14) по количеству криогенных контуров в АИЭУ.
Для поддержания ВТСП компонентов (устройств) АИЭУ в рабочем состоянии в требуемом количестве криогенной среды, с минимальным испарением азота в процессе работы АИЭУ, криогенная среда из распределительного бака криосистемы (13) посредствам криогенных насосов
(14) с давлением 0,5 бара подается в контуры охлаждения АИЭУ через криогенные трубопроводы (15) на контуры охлаждения «Генератор - ВТСП кабель»; на два контура «Двигатели - ВТСП кабели» и контур «ТОУ - Распределительное устройство».
Каждый криогенно охлаждаемый компонент (устройство) из указанных контуров охлаждения АИЭУ имеет по два трубопровода (15) - по одному криогенная среда подается в компонент (устройство), по второму осуществляется возврат в криосистему (13).
Так в контуре охлаждения «Генератор - ВТСП кабель» жидкий азот циркулирует, поступая из криосистемы (13) по трубопроводу (15) в генератор (1), далее прямоточно по следующей части трубопровода (15) в линию ВТСП кабеля (4), далее прямоточно по следующей части трубопровода
(15) жидкий азот возвращается в криосистему (13), где охлаждается до температуры 72 К.
В контурах охлаждения «Двигатели - ВТСП кабели» жидкий азот циркулирует, поступая из криосистемы (13) по соответствующим трубопроводам (15), в соответствующие двигатели (11), далее прямоточно по следующим частям трубопровода (15) в линии кабелей (9), далее прямоточно по следующим частям трубопровода (15) жидкий азот возвращается в криосистему (13), где охлаждается до температуры 72 К.
В контуре охлаждения «ТОУ - Распределительное устройство» жидкий азот циркулирует, поступая из криосистемы (13) по трубопроводу (15) первоначально в ТОУ (6), далее прямоточно по следующей части трубопровода (15) в распределительное устройство (5), далее прямоточно по следующей части трубопровода (15) жидкий азот возвращается в криосистему (13), где охлаждается до температуры 72 К.
Так как все ВТСП компоненты (устройства) АИЭУ охлаждаются от единой криогенной системы (13), в условиях ЛА двигатели (11) возможно расположить на расстоянии 20 метров от криосистемы (13), общий вес трубопроводов, выполненных в соответствии с заявленным изобретением, при удельном весе 3 кг/м.п., составит 120 кг, а теплоприток при удельном теплопритоке 2 Вт/м.п. - 80 Вт.
Таким образом, за счет последовательного объединения криогенных контуров криогенных компонентов (устройств), входящих в авиационную интегрированную электроэнергетическую установку достигается снижение общей массы АИЭУ и стабильная работа установки за счет снижения тепловой нагрузки на криогенную систему и исключения криогенных насосов, необходимость в которых отсутствует при реализации заявленного решения.