Обобщенная теория основополагающих физических процессов в высокотемпературных электромеханических преобразователях энергии, интегрированных в авиационный газотурбинный двигатель

Прямая интеграция (без редуктора) электромеханического преобразователя энергии (стартер-генератора) в авиационный двигатель (АД) позволит снизить массогабаритные показатели последнего за счет отказа от редуктора и коробки механических приводов, а также повысить его экологичность за счет прямого электрозапуска турбины и перейти к практической реализации концепции электрического самолета. Все это приведет к повышению топливной эффективности летательного аппарата (ЛА). Поэтому ведущими мировыми научными школами в области электромеханики совместно с двигателестроительными корпорациями ведутся исследования и разработки в данном направлении. При этом конструктивный облик электромеханического преобразователя энергии определяется местом его установки в АД: на валу низкого давления или на валу высокого давления. Так в ряде работ предлагается установка электромеханического преобразователя на валу низкого давления, для которого характерна относительно невысокая рабочая температура (до 100 град. С) и невысокая скорость вращения от 1000 до 3000 об/мин.В то же время в исследованиях Morioka Noriko, Takeuchi Michiya , Oyori Hitoshi (Moving to an All-Electric Aircraft System // IHI Engineering Review. 2014. Vol. 47. № 1. Pp. 33-39.) показано, что установка электромеханического преобразователя только на валу высокого или низкого давления будет малоэффективной, так как на каждом из этих валов АД при определенном режиме работы характерны те или иные преимущества. Поэтому концерном Rolls–Royce совместно с университетом Sheffield была предложена концепция интеграции в АД двух электромеханических преобразователей, один на вал высокого давления авиационного двигателя, другой на вал низкого давления. При установке электромеханического преобразователя на вал высокого давления возникает ряд научно-технических задач, основная из которых обусловлена тем, что температура окружающей среды на валу высокого давления АД достигает 250-300 градусов. То есть интегрируемый на вал высокого давления электромеханический преобразователь должен являться высокотемпературным электромеханическим преобразователем, обладающим высоким коэффициентом полезного действия. Поэтому конечной целью предлагаемой НИР является формирование научно-технического задела, позволяющего перейти к созданию нового класса авиационных электрических машин - высокотемпературных стартер-генераторов с возможностью установки на валу высокого давления. Из анализа работ (Волокитиной Е. В., Харитонова С. А., Коробкова Д. В., Маслова М. А., Зечихина Б.С. и др.) видно, что наиболее перспективной электрической машиной для систем электроснабжения летательных аппаратов являются бесконтактные электромеханические преобразователи энергии с высококоэрцитивными постоянными магнитами (ВПМ), которые обладают максимальной надежностью и коэффициентом полезного действия при минимальной удельной массе, поэтому в научно-исследовательской работе рассматриваются и исследуются именно высокотемпературные электромеханические преобразователи энергии с ВПМ. При этом в известной теории авиационных электрических машин с высококоэрцитивными постоянными магнитами, разработанной такими учеными, как Бут Д.А., Бертинов А.И., Балагуров В.А., Сугробовым А.М. и др., рассматриваются только электромеханические преобразователи энергии, работающие при невысоких температурах, то есть имеющаяся теория не позволяет перейти к созданию высокотемпературных электрических машин с ВПМ, которые можно установить на валу высокого давления авиационного двигателя, и не удовлетворяет в полной мере современным требованиям промышленности. Работа электромеханических преобразователей при высоких температурах рассматривается только в МГД-машинах. Но физическая сущность данного вида преобразователей отличается от вращающихся электрических машин. Поэтому данная теория также не может быть использована для достижения поставленной цели.В связи с этим возникает научное противоречие: невозможность применения известной теории, описывающей процессы в электромеханических преобразователях для создания высокотемпературных перспективных электромеханических преобразователей энергии с возможностью установки на валу высокого давления авиационного двигателя. Данное научное противоречие лежит в основе решаемой в рамках НИР научной проблемы. И для решения данной проблемы необходимо исследовать основополагающие физические процессы в высокотемпературных, высокооборотных электромеханических преобразователях энергии, интегрированных в авиационный газотурбинный двигатель, и на этой основе разработать обобщению теорию данных электромеханических преобразователей, что в дальнейшем позволит перейти к их дальнейшему практическому созданию.Научная новизна предлагаемого исследования заключается в том, что впервые будут исследованы основополагающие физические процессы электромеханического преобразования энергии, в том числе нестационарные трехмерные электромагнитные и тепловые поля в электромеханических преобразователях энергии (ЭМПЭ) с высококоэрцитивными постоянными магнитами с учетом их взаимовлияния при установке ЭМПЭ на валу высокого давления авиационного двигателя и высоких температурах окружающей среды (300–350 град. С), и разработана обобщенная математическая модель, описывающая данные процессы (разработанная математическая модель пройдет экспериментальную верификацию), на основе исследований которой будут разработаны конструктивные схемы высокотемпературных электромеханических преобразователей энергии нового поколения с возможностью интеграции в авиационный двигатель с оптимальными геометрическими соотношениями, методики их расчета и проектирования, что позволит перейти в дальнейшем к их практическому созданию. По результатам исследования будет разработан демонстрационный макет данного ЭМПЭ мощностью 100 кВт и с рабочей температурой окружающей среды 300-350 градусов. Также значительной новизной обладает то, что в работе будет разработан новый метод стабилизации напряжения высокотемпературного электромеханического преобразователя энергии, установленного на валу высокого давления авиационного двигателя, заключающийся в взаимоувязке тепловых полей двигателя и энергетических характеристик постоянных магнитов. Данный метод предлагается впервые в мировом научном сообществе.Масштабность научной проблемы для экономики и общества. Решение поставленной фундаментальной научной проблемы позволит обеспечить создание новой отечественной техники как гражданского, так и военного применения, превосходящей по своим техническим характеристикам мировые аналоги. Это позволит РФ быть конкурентоспособной на рынке гражданской авиации и энергомашиностроения, в том числе полученные результаты могут быть использованы при создании дальнемагистральных летательных аппаратов нового поколения, полностью электрических самолетов, а также высокоэффективных беспилотных летательных аппаратов. Это позволит привлечь в экономику РФ инвестиции, в том числе и Азиатских стран (Индии, Китая), и, как следствие всего этого, увеличить количество рабочих мест на предприятиях, подняв тем самым уровень жизни населения.Также хотелось бы отметить, что на современных авиационных летательных аппаратах установлены в основном электромеханические преобразователи зарубежных производителей (Thales, Hamilton Sundstrand, Honeywell), и решение поставленной научной проблемы позволит разрешить ряд задач по импортозамещению в авиационной промышленности.Кроме того, в результате решения поставленных задач будет достигнут синергетический эффект в фундаментальной электромеханике, так как поставленная задача подразумевает под собой совместную работу исследователей из нескольких областей: электромеханики и теплопроводности, при консультативной поддержке авиационных двигателестроителей. Таким образом, в результате решения задачи может появится новое научное направление-высокотемпературная электромеханика.