En l’últim saló aeri MAKS-2021, la Russian United Engine Corporation (UEC) va presentar una sèrie d’evolucions prometedores en diferents direccions. Una de les mostres més interessants del seu estand va ser el model d'una central elèctrica híbrida (GSU) que s'està desenvolupant per a la seva implementació en aviació. S'espera que aquesta GSU pugui trobar aplicacions en diversos projectes d'avions i proporcionar un alt rendiment.
Direcció prometedora
Les plantes híbrides basades en una turbina de gas o un motor de pistó juntament amb diversos components elèctrics tenen una sèrie de característiques i avantatges importants respecte als sistemes tradicionals. Aquests avantatges es poden utilitzar en diversos camps, incl. en aviació. Actualment, a diversos països alhora, s'està duent a terme el desenvolupament de GSU d'aviació de composició diferent. Alguns projectes ja s’han portat a proves de banc i de camp.
L’agost de 2020, la UEC russa va llançar un projecte similar. JSC UEC-Klimov va ser nomenat desenvolupador principal. L’objectiu del nou projecte és crear un prometedor circuit HSS seqüencial amb una potència o 500 kW. Aquesta instal·lació es basarà en l'últim motor de turbocompressor VK-650V.
A hores d’ara, les primeres fases del projecte s’han completat i s’ha determinat l’aspecte general de la instal·lació. A més, es va fer una maqueta que es va mostrar al recent espectacle MAKS-2021. En un futur proper, hi haurà un model de demostració per a proves de banc. Durant els propers anys, assolirà la seva capacitat màxima i permetrà la transició a noves etapes.
Segons la UEC, el 2022, un model de demostració de la GSU hauria de mostrar una potència de 150 kW i garantir la verificació de les solucions establertes. Després es finalitzarà i es preveuen proves per al 2023 amb l’assoliment de la potència de disseny de 500 kW. Basant-se en els resultats d’aquestes activitats, el 2024 començaran els treballs de disseny experimental per crear una GSU de ple dret per utilitzar-la en avions. Està previst que s’acabi el 2028.
La UEC ja ha identificat els àmbits d’aplicació del prometedor OSG. Aquest sistema es pot utilitzar en avions per a línies locals, en helicòpters polivalents lleugers i en vehicles pesats de fins a 8 tones. També es pot utilitzar en diversos vehicles verticals d’enlairament, en prometedors “taxis aeris”, etc. Un sistema similar per a vaixells i vaixells es desenvoluparà sobre la base de l'aviació GSU. Desenvoluparà una potència de 200-250 kW.
Aspecte de maqueta
A MAKS-2021, es va demostrar una maqueta d'un GSU en una configuració per a un UAV tipus helicòpter amb quatre rotors. Les unitats de la instal·lació es van col·locar en un estand simulant un producte similar. Aquest enfocament de la pantalla permet avaluar la mida de la GSU i les característiques de la seva col·locació a l'avió.
Un grup generador de turbines de gas compacte basat en un motor existent de potència suficient es va col·locar en un fuselatge convencional. Al seu costat hi havia instal·lades una bateria i unitats d’electrònica de potència. A les "ales" es van col·locar quatre motors elèctrics amb rotors. Tots els components de la GSU estaven connectats per cables.
El disseny reflecteix l’esquema general i la composició de la prometedora GSU en relació amb el quadrocòpter. Els avions d'altres esquemes i classes rebran la instal·lació d'una composició i arquitectura diferents. Per tant, és possible utilitzar un nombre diferent de motors elèctrics, diferents configuracions de bateries, etc.
Els principis de funcionament de la nova GSU són força senzills. Un motor de turboeix amb un generador genera energia elèctrica per a l'electrònica de potència. Aquest últim s’encarrega de controlar els motors elèctrics responsables del vol i també recarrega les bateries. Els modes de funcionament de la instal·lació de la UEC encara no s’han especificat.
Dificultats i avantatges
Una planta híbrida basada en un motor de turboeix i components elèctrics té una sèrie d’avantatges distintius respecte als sistemes tradicionals. Al mateix temps, també hi ha desavantatges de diversos tipus. Viouslybviament, l’enfocament correcte del disseny de la pròpia GSU i de la selecció de l’avió per a això us permetrà obtenir el màxim rendiment amb desavantatges mínims.
Els sistemes de turbines de gas inclouen una sèrie de components diferents, per la qual cosa difereix dels sistemes tradicionals de turbines de gas en major complexitat i cost. A més, la instal·lació híbrida té un volum i una massa total més grans, cosa que imposa restriccions al desenvolupament de l'avió portador. Al mateix temps, les unitats GSU no necessiten una connexió mecànica rígida entre elles i es poden separar entre els volums disponibles, cosa que simplifica la disposició de l'avió.
Les plantes híbrides poden mostrar una alta eficiència energètica. Per fer-ho, el motor de turbocompressor ha de funcionar en modes òptims que proporcionin un mínim consum de combustible i els sistemes de control tenen la tasca de distribuir correctament l’electricitat entre els motors i les bateries d’acord amb el mode de vol actual. Al mateix temps, també es milloren altres característiques: el recurs creix i es redueixen les emissions nocives.
El vol del dispositiu amb la GSU es realitza mitjançant motors elèctrics controlats per electrònica. Això us permet mantenir de manera més eficaç el mode d’operació requerit, així com canviar-lo ràpidament tenint en compte les condicions canviants. En particular, assegurarà un alliberament ràpid fins a la màxima potència.
Depenent de la composició i els principis de gestió, la GSU és teòricament capaç de funcionar en diversos modes, incl. sense l'ús d'un motor de turbocompressor, només a causa de les bateries. Aquest mode augmentarà la fiabilitat i la seguretat: en cas de fallada del motor principal i del generador, l'avió podrà continuar el seu vol.
Plans de futur
Gràcies a un o altre avantatge, les centrals elèctriques híbrides de diferents arquitectures poden trobar un lloc a l'aviació i expulsar els sistemes tradicionals. Les OSG són d’interès en el context del desenvolupament posterior d’avions i helicòpters tripulats i no tripulats. Tot i això, tot i que no s’ha d’esperar que en un temps raonable siguin capaços de desplaçar completament altres opcions per a les centrals elèctriques.
El potencial de l’OSG naturalment atrau a desenvolupadors i clients de diferents països i, des de l’any passat, la indústria russa s’ha dedicat estretament a aquest tema. Els primers treballs ja s’han dut a terme, s’han format principis generals de projectes prometedors i s’han identificat les àrees futures de la seva aplicació. A més, es mostra un model del futur producte i s’anuncien esdeveniments per als propers anys.
Els treballs de desenvolupament d’una central elèctrica de 500 kW basats en el motor VK-650V es duran a terme els anys 2024-28. Així, ja a mitjan dècada o al començament de la segona meitat, es pot esperar l'aparició dels primers projectes d'avions de ple dret per a l'aviació nacional GSU. També hauran d’aparèixer projectes per a la introducció de la seva modificació naval.
No se sap què seran els avions i els vaixells amb una central elèctrica híbrida. Tot i això, és clar que aquesta direcció té un gran potencial i us permet obtenir oportunitats molt interessants. S’ha de desenvolupar tenint en compte l’aplicació pràctica. Això és el que fa la UEC des de l'any passat, i ja està preparat per mostrar els primers resultats.
