Огромный углеродный след авиации может значительно сократиться с электрификацией. Однако на сегодняшний день от земли оторвались только небольшие полностью электрические самолеты. Их электродвигатели генерируют сотни киловатт мощности. Для электрификации более крупных и тяжелых самолетов, таких как коммерческие авиалайнеры, требуются двигатели мощностью в несколько мегаватт. Они будут приводиться в движение гибридными или турбоэлектрическими силовыми установками, в которых электрическая машина соединена с газотурбинным авиадвигателем.
Чтобы удовлетворить эту потребность, команда инженеров Массачусетского технологического института в настоящее время создает двигатель мощностью 1 мегаватт, который может стать ключевым шагом на пути к электрификации более крупных самолетов. Команда спроектировала и испытала основные компоненты двигателя и с помощью подробных расчетов показала, что связанные компоненты могут работать как единое целое для выработки мощности в один мегаватт при весе и размере, конкурентоспособных с современными небольшими авиационными двигателями.
Для полностью электрических приложений команда предполагает, что двигатель может быть соединен с источником электроэнергии, таким как батарея или топливный элемент. Затем двигатель мог превращать электрическую энергию в механическую работу для питания винтов самолета. Электрическая машина также может быть соединена с традиционным турбовентиляторным реактивным двигателем для работы в качестве гибридной силовой установки, обеспечивающей электрическую тягу на определенных этапах полета.
«Независимо от того, что мы используем в качестве энергоносителя — аккумуляторы, водород, аммиак или экологичное авиационное топливо — вне зависимости от всего этого, двигатели мегаваттного класса станут ключевым фактором экологизации авиации», — говорит Золтан Спаковски, профессор T. Wilson. Кандидат аэронавтики и директор Лаборатории газовых турбин (GTL) Массачусетского технологического института, который руководит проектом.
Спаковский и члены его команды вместе с коллегами из отрасли представят свою работу на специальной сессии Американского института аэронавтики и астронавтики – симпозиума по технологиям электрических самолетов (EATS) на авиационной конференции в июне.
Команда Массачусетского технологического института состоит из преподавателей, студентов и научных сотрудников GTL и Лаборатории электромагнитных и электронных систем Массачусетского технологического института: Генри Андерсен Юанкан Чен, Закари Кордеро, Дэвид Куадрадо, Эдвард Грейтцер, Шарлотта Гамп, Джеймс Киртли-младший, Джеффри Лэнг. , Дэвид Оттен, Дэвид Перро и Мохаммад Касим, а также Марк Амато из Innova-Logic LLC. Спонсором проекта является Mitsubishi Heavy Industries (MHI).
Тяжелые вещи
Чтобы предотвратить наихудшие последствия антропогенного изменения климата, ученые определили, что к 2050 году глобальные выбросы углекислого газа должны достичь нулевого уровня. самолеты, интеллектуальные и гибкие топливные системы, передовые материалы и безопасные и эффективные электрифицированные силовые установки. Несколько аэрокосмических компаний сосредоточены на электрифицированных силовых установках и разработке электрических машин мегаваттного масштаба, которые являются достаточно мощными и легкими, чтобы приводить в движение пассажирские самолеты.
«Не существует серебряной пули, чтобы это произошло, и дьявол кроется в деталях», — говорит Спаковски. «Это сложная разработка с точки зрения совместной оптимизации отдельных компонентов и обеспечения их совместимости друг с другом при максимальном повышении общей производительности. Для этого нам нужно раздвинуть границы в материалах, производстве, управлении температурным режимом, конструкциях и динамике ротора, а также в силовой электронике».
Вообще говоря, электродвигатель использует электромагнитную силу для создания движения. Электродвигатели, такие как те, которые приводят в действие вентилятор вашего ноутбука, используют электрическую энергию — от батареи или источника питания — для создания магнитного поля, как правило, с помощью медных катушек. В ответ магнит, установленный рядом с катушками, затем вращается в направлении генерируемого поля и может приводить в действие вентилятор или пропеллер.
Электрические машины существуют уже более 150 лет, с пониманием того, что чем больше устройство или транспортное средство, тем больше медные катушки и магнитный ротор, что делает машину тяжелее. Чем больше энергии генерирует электрическая машина, тем больше тепла она производит, что требует дополнительных элементов для охлаждения компонентов — все это может занимать много места и значительно увеличивать вес системы, что затрудняет ее применение в самолетах.
«Тяжелые вещи не перевозят в самолетах, — говорит Спаковски. «Поэтому нам пришлось придумать компактную, легкую и мощную архитектуру».
Хорошая траектория
В соответствии с проектом электродвигатель и силовая электроника MIT имеют размер зарегистрированного чемодана и весят меньше, чем взрослый пассажир.
Основными компонентами двигателя являются: высокоскоростной ротор, облицованный массивом магнитов с различной ориентацией полярности; компактный статор с малыми потерями, который помещается внутри ротора и содержит сложный набор медных обмоток; усовершенствованный теплообменник, сохраняющий компоненты холодными при передаче крутящего момента машины; и система распределенной силовой электроники, состоящая из 30 специально изготовленных печатных плат, которые точно изменяют токи, протекающие через каждую из медных обмоток статора, на высокой частоте.
«Я считаю, что это первый по-настоящему совместно оптимизированный интегрированный дизайн, — говорит Спаковски. «Это означает, что мы провели очень обширное исследование проектного пространства, в котором все соображения, от управления тепловым режимом до динамики ротора, силовой электроники и архитектуры электрических машин, были оценены комплексно, чтобы выяснить, какая комбинация является наилучшей из возможных для получения требуемой удельной мощности. на один мегаватт».
В целом система двигателя сконструирована таким образом, что распределенные печатные платы тесно связаны с электрической машиной, чтобы свести к минимуму потери при передаче и обеспечить эффективное воздушное охлаждение через встроенный теплообменник.
«Это высокоскоростная машина, и чтобы она продолжала вращаться при создании крутящего момента, магнитные поля должны перемещаться очень быстро, что мы можем сделать с помощью наших печатных плат, переключающихся с высокой частотой», — говорит Спаковски.
Чтобы снизить риск, команда построила и протестировала каждый из основных компонентов по отдельности и продемонстрировала, что они могут работать в соответствии с проектом и в условиях, превышающих обычные эксплуатационные требования. Исследователи планируют собрать первый полностью рабочий электродвигатель, а осенью приступить к его испытаниям.
«Электрификация самолетов неуклонно растет», — говорит Филлип Анселл, директор Центра устойчивой авиации Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне, который не участвовал в проекте. «В конструкции этой группы используется прекрасное сочетание традиционных и передовых методов разработки электрических машин, что позволяет обеспечить как надежность, так и эффективность для удовлетворения практических потребностей самолетов будущего».
Как только команда Массачусетского технологического института сможет продемонстрировать электродвигатель в целом, они говорят, что эта конструкция может использоваться для региональных самолетов, а также может быть дополнением к обычным реактивным двигателям, чтобы обеспечить гибридно-электрические силовые установки. Команда также предполагает, что несколько двигателей мощностью в один мегаватт могут питать несколько вентиляторов, расположенных вдоль крыла в будущих конфигурациях самолетов. Забегая вперед, основы конструкции электрической машины мощностью в один мегаватт потенциально могут быть расширены до двигателей мощностью в несколько мегаватт для питания более крупных пассажирских самолетов.
«Я думаю, что мы на правильном пути», — говорит Спаковски, чья группа и исследования сосредоточены не только на газовых турбинах. «По образованию мы не инженеры-электрики, но решение грандиозной климатической проблемы 2050 года имеет первостепенное значение; работая с преподавателями электротехники, сотрудниками и студентами для этой цели, можно использовать широкий спектр технологий MIT, поэтому целое больше, чем сумма частей. Поэтому мы заново изобретаем себя в новых областях. И Массачусетский технологический институт дает вам возможность сделать это».
Источник: https://news.mit.edu
