Development of an energy efficient no-bleed environmental control system for aircraft with distributed power plant

Full Text

Обоснование

Большие высоты и скорости полета летательных аппаратов (ЛА) предъявляют высокие требования к комфорту пассажиров. Совершенствованием систем кондиционирования воздуха (СКВ) можно добиться повышения показателей комфорта.

Для перспективных региональных самолетов (РС) с распределенной силовой установкой (РСУ) также необходимо создание энергоэффективной СКВ.

В РСУ от одного газогенератора приводятся во вращение несколько вынесенных вентиляторов (вентиляторных модулей) (рис. 1), что позволяет в отличие от применения только лишь газотурбинного двигателя (ГТД) получить дополнительную тягу при относительно небольших диаметральных размерах вентиляторных модулей [1].

 

Рис. 1. Компоновка РСУ на региональном (а) и дальнемагистральном (b) самолетах.

Fig. 1. Distributed power plant layouts for regional (а) and long-haul (b) aircraft.

 

Существует большая потребность по созданию опережающего научно-технического и технологического задела, направленного на повышение технического совершенства и ценовой привлекательности продукции отечественного агрегатостроения для его реализации в СКВ для воздушных судов (ВС) с распределенной силовой установкой (РСУ). В качестве такой системы, которая может повысить конкурентоспособность отечественного агрегатостроения, рассматривается энергоэффективная электрическая СКВ (ЭСКВ), обеспечивающая повышение конкурентоспособности отечественных ВС за счет:

• отказа от отбора воздуха от компрессора газотурбинного двигателя на нужды СКВ;
• устранения потерь энергии за счет дросселирования воздуха, характерных для СКВ с отбором воздуха от газотурбинного двигателя;
• снижения массы агрегатов и трубопроводов системы подготовки воздуха;
• обеспечения независимости функций наддува герметической кабины ВС от вида применяемой силовой установки;
• повышения энергетической эффективности СКВ за счет большего использования электрической энергии вместо пневматической.

Производство и экспериментальные образцы таких энергоэффективных ЭСКВ и их агрегатов в РФ на сегодняшний день отсутствуют. В настоящее время единственным производителем экспериментальных образцов подобных агрегатов является компания «Liebherr Aerospace Toulouse», Франция. Учитывая это, а также необходимость независимости РФ от импорта в ключевых областях техники предлагаемая разработка имеет перспективы на отечественном рынке и рынке развивающихся стран.

Функция СКВ — создание и поддержание в гермокабине ЛА параметров воздуха, нормируемых нормами летной годности самолетов транспортной категории НЛГ 25 (температура, давление, относительная влажность, скорость движения воздуха, содержание вредных примесей в воздухе и др.) и обеспечивающих комфортные условия экипажу и пассажирам в полете и на земле, на всех режимах эксплуатации ЛА, и обеспечивающих требуемый тепловой режим для работы бортового оборудования. Необходимость наддува гермокабины требует наличия на борту ЛА источника сжатого воздуха.

СКВ оказывает значительное влияние на летно-технические характеристики самолета, т.к. может иметь установочную массу, достигающую 2% от взлетной массы самолета, а затраты топлива на подготовку воздуха для работы СКВ могут достигать до 4–6% взлетной массы самолета [2].

Наиболее перспективное направление в развитии самолетов — создание «полностью электрического самолета» (ПЭС) [3–5] — самолета с полностью электрифицированным оборудованием, с единой централизованной системой электроснабжения, которая обеспечивает все энергетические потребности самолета.

Известен мировой опыт создания ПЭС (Boeing 787, Airbus 350) [6–8]. В связи с этим имеет смысл оценить возможность создания энергоэффективной безотборной ЭСКВ для РС на 42 пассажира с РСУ (под безотборной СКВ понимается СКВ, не использующая отбор воздуха от двигателя).

Цель работы

Расчетная оценка работоспособности схемного решения, созданного в ходе научно-исследовательской работы (НИР) по энергоэффективной электрической СКВ регионального самолета с распределенной силовой установкой.

Методы

Расчетное исследование проводилось в рамках научно-исследовательской работы (НИР) проводимой совместно с ФАУ «ГосНИИАС» для создания научно-технического задела (НТЗ) по ЭСКВ для РС с РСУ.

Оценка работоспособности схемного решения СКВ производилась на основе ее тепло-влажностного расчета на основных ожидаемых эксплуатационных режимах РС с РСУ.

Исследованию подвергается схема одной подсистемы СКВ, приведенная на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема одной подсистемы исследуемой СКВ.

Fig. 2. Subsystem diagram of the studied ECS.

 

Описание работы исследуемой СКВ приведем далее.

Воздух поступает в систему из атмосферы через специальный воздухозаборник. С помощью двухканальной заслонки на входе в систему осуществляется подача воздуха в один из двух агрегатов для подготовки сжатого воздуха: электротурбокомпрессор (ЭТК1(2)) или электрокомпрессор (ЭК1(2)).

На наземном режиме подача воздуха ввиду необходимости получения максимальной холодопроизводительности осуществляется в ЭТК, теплообменники и петлю влагоотделения. На крейсерском режиме подача воздуха осуществляется в ЭК и теплообменники.

На режимах взлета и снижения в зависимости от потребной холодопроизводительности может производиться подготовка воздуха как в ЭТК, так и в ЭК. Необходимость использования того или иного агрегата подготовки воздуха на данных режимах необходимо оценить в ходе выполнения тепловлажностного расчета СКВ в ходе НИР.

На входе и выходе компрессорных ступеней ЭТК и ЭК установлены датчики абсолютного давления ДД3(4) и ДД9(10), ДД5(6) и ДД7(8), соответственно. При превышении давления на выходе компрессорных ступеней, ЭК и ЭТК отключаются блоком управления (БУ1(2)) СКВ. На выходе из компрессорных ступеней ЭТК и ЭК установлены датчики температуры ДТ3(4) и ДТ1(2) соответственно. При превышении допустимой температуры на выходе из компрессорных ступеней ЭТК и ЭК производится отключение ЭТК и ЭК БУ СКВ.

Переключение режима работы СКВ с ЭК на ЭТК и наоборот производится с помощью двухканальной заслонки ЗРУ1(2).

Обводные заслонки ЗРУ3(4), ЗРУ5(6) предназначены для защиты от помпажа и для подогрева воздуха в режиме обогрева при низких температурах окружающего воздуха при низкой температуре на выходе из компрессорных ступеней ЭК и ЭТК соответственно. Для замера расхода воздуха служат датчики расхода ДРП1(2) вместе с датчиками абсолютного давления ДД11(12), датчиками перепада давления ДПД1(2), датчиками температуры ДТ5(6), ДТ7(8). Сигнализатор давления СД1(2) предназначен для отключения СКВ при превышении допустимого давления в случае отказа датчиков абсолютного давления ДД7(8), ДД9(10). Обратные клапаны КО1(2), КО3(4), КО5(6), КО7(8) предназначены для предотвращения обратного тока воздуха.

Заслонки ЗРУ7(8) регулируют расход воздуха через СКВ.

Заслонка ЗУ1 открывает-закрывает линию кольцевания трубопроводов.

Воздух, сжатый и нагретый в компрессорных ступенях ЭК и ЭТК охлаждается в теплообменнике АТ1(2) наружным воздухом. На земле продувочный воздух подается в АТ1(2) электровентилятором ЭВ1(2), на высоте продувка осуществляется в основном с помощью скоростного напора набегающего потока воздуха через обводную линию с обратным клапаном КО9(10).

Охлаждение электродвигателей ЭК и ЭТК осуществляется наружным воздухом подаваемым электровентилятором ЭВ1(2).

В схеме предусмотрено влагоотделение в петле высокого давления, в которую входят блок теплообменников АТ3(4), состоящий из перегревателя и конденсатора, и влагоотделитель ВД1(2). В турбине ЭТК происходит окончательное охлаждение воздуха. Датчик температуры ДТ9(10) измеряет температуру за влагоотделителем для поддержания ее выше нуля. Заслонка ЗРУ 11(12) предназначена для оттайки конденсатора. Данная заслонка открывается и пропускает горячий воздух при превышении гидравлического сопротивления конденсатора блока теплообменников АТ3(4) при его обмерзании. Гидравлическое сопротивление конденсатора измеряется датчиком перепада давления ДПД3(4).

С помощью заслонки ЗРУ13(14), ЗРУ15(16) поддерживается температура на выходе из установки охлаждения воздуха (УОВ). Данные заслонки открываются последовательно. При необходимости повышения температуры за УОВ открывается заслонка ЗРУ15(16). При ее полном открытии и недостаточном повышении температуры на выходе из УОВ открывается заслонка ЗРУ13(14).

Заслонка ЗРУ17(18) осуществляет обвод петли на высотных режимах, когда рабочий воздух практически сухой, с целью снижения гидравлического сопротивления выходного участка системы и исключения потерь холода в петле.

С помощью эжектора ЭЖ1, вентилятора ЭВ3 производится подмес рециркуляционного воздуха из кабины, очищенного в фильтрах Ф3.

После смешения с рециркуляционным воздухом воздух из УОВ поступает в коллектор и далее в систему распределения, которая подает воздух в кабину экипажа, пассажирский салон, туалеты, кухню, отсеки бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО), и далее, через выпускной клапан системы автоматического регулирования давления (САРД) выбрасывается в атмосферу.

Для продувки салона свежим воздухом при отказе 2 УОВ и снижении до безопасной высоты используется поток наружного набегающего воздуха, поступающий в СКВ через заслонку аварийной подачи воздуха ЗРУ23.

Перечень эксплуатационных режимов следующий:

Жаркий день, температура окружающей среды при H = 0 м 37 °С, влагосодержание d_ос = 18 г/кг

Режим 1 H = 0 м, M = 0 (число Маха, характеризующее скорость полета)

Номинальный расход воздуха через одну подсистему СКВ G = 500 кг/ч.

Работает 2 УОВ и 2 узла рециркуляции.

Режим 2 H = 8000 м, M = 0,65

Номинальный расход воздуха через одну подсистему СКВ G = 500 кг/ч.

Работает 2 УОВ и 2 узла рециркуляции.

Режим 3 H = 8000 м, M = 0,65

Номинальный расход воздуха через одну подсистему СКВ G = 650 кг/ч.

Работает 1 УОВ и 1 узел рециркуляции.

Максимальное количество пассажиров (с учетом членов экипажа) — 42 человека:

• 2 члена экипажа в кабине экипажа;
• 40 пассажиров в пассажирской кабине.

Результаты и обсуждение

Для подтверждения работоспособности схемного решения была составлена расчетная схема (рис. 3). Результаты тепловлажностного расчета параметров воздуха в основных узловых точках схемы на основных эксплуатационных режимах, представлены в табл. 1, 2, 3, где T — температура воздуха, °С, P — давление воздуха, кПа, G — расход воздуха, кг/ч, d_п, d_в, d_сум — влагосодержание воздуха в паровой фазе, в жидкой фазе и суммарное, г/кг сухого воздуха.

 

Рис. 3. Расчетная схема подсистемы исследуемой СКВ.

Fig. 3. Analytical subsystem model of the studied ECS.

 

Таблица 1. Результаты расчета для режима 1

Table 1. Calculations for mode 1.

Параметр	T, °С	P, кПа	G, кг/ч	dп, г/кг	dв, г/кг	dсум, г/кг
1	37	101.33	500	18	0	18
2	37	100.33	500	18	0	18
3	278.45	431.67	500	18	0	18
4	278.45	431.37	500	18	0	18
5	278.45	431.37	500	18	0	18
6	278.45	413.37	500	18	0	18
7	278.45	412.37	500	18	0	18
8	45.4	407.06	500	15.36	2.64	18
9	45.4	406.86	500	15.36	2.64	18
10	45.4	406.66	500	15.36	2.64	18
11	45.4	406.46	500	15.36	2.64	18
12	12.5	405.43	500	2.26	15.74	18
13	-21.25	404.67	500	0.14	17.86	18
14	-21.22	397.81	500	0.49	3.5	3.99
15	34.42	397.37	500	3.99	0	3.99
16	34.42	397.07	500	3.99	0	3.99
17	-27.87	129.59	500	3.76	0.23	3.99
18	-27.87	129.59	500	3.76	0.23	3.99
19	-27.87	129.59	500	3.76	0.23	3.99
20	10.52	128.9	500	3.99	0	3.99
22`	10.52	128.9	302.73	3.99	0	3.99
23	14.89	112	696.65	7.06	0	7.06
51	37	101.33	100	18	0	18
54	97.95	97.48	100	18	0	18
60	37	101.33	2517.15	18	0	18
61	37	100.83	2517.15	18	0	18
62	26.55	100.83	2517.15	22.4	9.8	32.2
63	51.38	97.68	2517.15	32.2	0	32.2
64	53.16	97.48	2617.15	31.66	0	31.66
65	58.57	101.37	2617.15	31.66	0	31.66
72	26	108	196.65	14.85	0	14.85

 

Таблица 2. Результаты расчета для режима 2

Table 2. Calculations for mode 2

Параметр	T, °С	P, кПа	G, кг/ч	dп, г/кг	dв, г/кг	dсум, г/кг
Атм	-37.00	35.65	0.00	0.00	0.00	0.00
1	-12.71	48.48	500.00	0.00	0.00	0.00
2	-12.71	47.48	500.00	0.00	0.00	0.00
3	124.67	131.04	500.00	0.00	0.00	0.00
4	124.67	131.04	500.00	0.00	0.00	0.00
5	124.67	131.04	500.00	0.00	0.00	0.00
6	124.67	113.04	500.00	0.00	0.00	0.00
7	124.67	112.04	500.00	0.00	0.00	0.00
8	-5.84	106.74	500.00	0.00	0.00	0.00
22`	-5.84	106.74	331.72	0.00	0.00	0.00
23	1.62	90.10	652.95	3.27	0.00	3.27
51	-12.71	48.48	100.00	0.00	0.00	0.00
54	21.65	35.69	100.00	0.00	0.00	0.00
60	-12.71	48.48	4120.11	0.00	0.00	0.00
61	-12.71	47.98	4120.11	0.00	0.00	0.00
62	-12.71	47.98	4120.11	0.00	0.00	0.00
63	3.18	35.89	4120.11	0.00	0.00	0.00
64	3.62	35.69	4220.11	0.00	0.00	0.00
65	3.62	35.69	4220.11	0.00	0.00	0.00
72	26.00	85.80	152.95	13.97	0.00	13.97

 

Таблица 3. Результаты расчета для режима 3

Table 3. Calculations for mode 3

Параметр	T, °С	P, кПа	G, кг/ч	dп, г/кг	dв, г/кг	dсум, г/кг
Атм	-37.00	36.65	0.00	0.00	0.00	0.00
1	-12.71	49.83	650.00	0.00	0.00	0.00
2	-12.71	48.83	650.00	0.00	0.00	0.00
3	195.30	155.08	650.00	0.00	0.00	0.00
4	195.30	155.08	650.00	0.00	0.00	0.00
5	195.30	155.08	650.00	0.00	0.00	0.00
6	195.30	137.08	650.00	0.00	0.00	0.00
7	195.30	136.08	650.00	0.00	0.00	0.00
8	-2.31	127.38	650.00	0.00	0.00	0.00
22`	-2.31	127.38	450.49	0.00	0.00	0.00
23	4.38	93.00	851.11	2.51	0.00	2.51
51	-12.71	49.83	100.00	0.00	0.00	0.00
54	55.20	36.68	100.00	0.00	0.00	0.00
60	-12.71	49.83	4199.10	0.00	0.00	0.00
61	-12.71	49.33	4199.10	0.00	0.00	0.00
62	-12.71	49.33	4199.10	0.00	0.00	0.00
63	18.08	36.88	4199.10	0.00	0.00	0.00
64	18.94	36.68	4299.10	0.00	0.00	0.00
65	18.94	36.68	4299.10	0.00	0.00	0.00
72	26.00	85.80	201.11	10.62	0.00	10.62

 

Математическая модель ЭСКВ выполнена в виде программного кода в программной среде Matlab Simulink и предназначена для оценки изменения выходных параметров ЭСКВ при изменении входных параметров и выработки алгоритмов оптимального управления ЭСКВ при последующей разработке демонстратора технологий ЭСКВ.

Математическая модель приближенного тепло-влажностного расчета ЭСКВ (расчета параметров в узловых точках СКВ) представляет из себя многоитерационный цикл, в котором сводятся следующие величины:

• расход продувочного воздуха до сведения давления на выходе из СКВ до давления окружающей среды с учетом потери скоростного напора на выходе;
• давление, температура и влагосодержание на входе в перегреватель по холодному тракту;
• количество влаги, впрыскиваемой в продувочный тракт на входе в первичный теплообменник АТ1;
• подбор требуемой частоты вращения ротора ЭТК для обеспечения необходимых параметров на выходе из СКВ.

Общий цикл расчета модели представлен на рис. 4.

 

Рис. 4. Общий цикл расчета.

Fig. 4. General calculation cycle.

 

Математическая модель построена на базовых зависимостях для агрегатов авиационных СКВ, приведенных, например, в источнике [3] с учетом особенностей рассматриваемой схемы СКВ.

Из результатов моделирования работы СКВ на заданных эксплуатационных режимах были сделаны выводы, что:

• предложенное схемное решение работоспособно (на всех 3 режимах полученные значения холодопроизводительности СКВ 5,5 кВт, 8,5 кВт, 4,9 кВт, соответственно, удовлетворяют заданным требованиям);
• позволяет для наземного и низковысотных режимов и крейсерского режима использовать свой оптимальный источник сжатого воздуха (в первом случаев в виде ЭТК, во втором случае в виде ЭК);
• обладает большей энергетической эффективностью по сравнению с традиционными схемными решениями с отбором воздуха от компрессора газотурбинного двигателя.

Был проведен сравнительный анализ затрачиваемой электрической мощности на подготовку сжатого воздуха для ЭСКВ и затрачиваемой пневматической мощности на подготовку сжатого воздуха для СКВ при традиционной схеме отбора от компрессора ГТД на примере параметров отбираемого воздуха от турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) ПС-90А самолета Ту-204 и турбовинтового двигателя (ТВД) ТВ7-117СМ самолета Ил-114-100. Отбор от автономного источника менее энергозатратный, чем отбор от ГТД.

Расчет проводился для одной подсистемы при расходе воздуха G = 500 кг/ч на двух режимах:

• H = 0 м, M = 0, t_ос = 40 ℃ при H = 0 м;
• H = 8000 м, M = (0,727 для Ту-204, 0,65 для РС с РСУ, 0,43 для Ил-114-100), t_ос = 40 ℃ при H = 0 м, где H — высота над уровнем моря, м; M — число Маха; t_ос — температура окружающего воздуха, ℃.

Результаты расчета приведены в табл. 4 и 5.

 

Таблица 4. Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха для СКВ (режим 1)

Table 4. ECS air compression power (mode 1)

Источник сжатого воздуха	Мощность, кВт	Давление отбора, кПа
ЭСКВ	24,1	405
ТРДД ПС-90А	42,1	765
ТВД ТВ7-117СМ	36,5	633

 

Таблица 5. Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха для СКВ (режим 2)

Table 5. ECS air compression power (mode 2).

Источник сжатого воздуха	Мощность, кВт	Давление отбора, кПа
ЭСКВ	21,9	135
ТРДД ПС-90А	43,6	471
ТВД ТВ7-117СМ	30,4	237

 

На рис. 5 приведен внешний вид ЭТК. В табл. 6 приведены основные характеристики ЭТК.

 

Рис. 5. Внешний вид ЭТК.

Fig. 5. Electric turbo compressor (exterior view).

 

Таблица 6. Характеристики ЭТК на основном рабочем режиме

Table 6. ETC performance in the basic operating mode

Режим №1	H = 0 м, M = 0
Турбина
Расход воздуха на входе в турбину, кг/ч	500
Температура воздуха на входе, ⁰С	36
Температура воздуха на выходе, ⁰С (по сухому воздуху), не менее	минус 38
Абсолютное полное давление на входе, кПа	386,4
Абсолютное полное давление на выходе, кПа	112,8
Суммарное влагосодержание, г/кг с.в.	7,5
Компрессор
Расход воздуха на входе в компрессор, кг/ч	500
Температура воздуха на входе, ⁰С	37
Абсолютное полное давление на входе, кПа	100,3
Абсолютное полное давление на выходе, кПа	421,7
Частота вращения ротора ЭТК, об/мин	80000

 

Выводы

Результаты математического моделирования ЭСКВ для РС с РСУ подтверждают работоспособность предложенного схемного решения.

Результаты расчетной оценки показывают уменьшение энергозатрат на подготовку сжатого воздуха для ЭСКВ по сравнению с традиционным отбором воздуха от ГТД.

Уровень технологической готовности полученного научно-технического результата в соответствии с ГОСТ Р 58048-2017–УГТ3 — критические функции и характеристики подтверждены аналитическим путем (в соответствии с математической моделью СКВ обеспечивает подачу воздуха в количестве необходимом для наддува кабины, обеспечивает комфорт пассажиров и экипажа на рассмотренных режимах с заданной холодопроизводительностью).

Результаты НИР могут быть использованы для разработки электрической СКВ для регионального самолета с распределенной силовой установкой и других самолетов, предполагающих использование электрических СКВ без отбора воздуха от двигателя.

Рекомендуется приступить к разработке конструкторской документации демонстраторов технологий ЭТК и УОВ ЭСКВ.

Дополнительная информация

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Финансирование. Работа выполнена в рамках Договора № 17705596339220001430/ДПСТ-209-2024 от 13.05.2024 г. между ПАО НПО «Наука» и ФАУ «ГосНИИАС».

Additional information

Author contributions. All authors made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication.

Competing interests. The author declares no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. The work was carried out under Contract No. 17705596339220001430/DPST-209-2024 dated May 13, 2024, between PJSC NPO Nauka and FAI GosNIIAS.

About the authors

Igor V. Tishchenko

Public Joint Stock Company NPO «Nauka»; Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: iv.tishchenko@npo-nauka.ru
ORCID iD: 0000-0001-6094-8723
SPIN-code: 5630-4301

Cand. Sci (Engineering)

Russian Federation, Moscow; Moscow

Sergey A. Abalakin

Public Joint Stock Company NPO «Nauka»

Email: sa.abalakin@npo-nauka.ru
ORCID iD: 0009-0001-9193-1147
SPIN-code: 7580-9545
Russian Federation, Moscow

Artem S. Gornovskii

Public Joint Stock Company NPO «Nauka»

Email: as.gornovskiy@npo-nauka.ru
ORCID iD: 0000-0003-2676-3463
SPIN-code: 8087-8959
Russian Federation, Moscow

Konstantin N. Gubernatorov

Federal Autonomous Institution «GosNIIAS»

Email: guber47@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0007-4795-5655
SPIN-code: 5063-7716
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files