SPÔSOBY CHUDNUTIA - PDF na stiahnutie zadarmo

1 SPÔSOBY ZNÍŽENIA HMOTNOSTI V OBLASTI SITERÁCIÍ V SIETI ELEKTRICKÉHO LIETADLA SCHVÁLENÁ Fakultou elektrotechniky Univerzity Helmuta Schmidta/Univerzita federálnych ozbrojených síl Hamburg na získanie akademického titulu doktorského inžiniera, ktorý predložil Dipl.-Ing. Johannes Brombach z berlínskeho Hamburgu, 2014

zadarmo

2. deň ústnej skúšky: Prvý recenzent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz Druhý recenzent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus F. Hoffmann

5 III TIETI Hlavné tézy tejto práce sú tieto: Elektrické meniče na strane záťaže majú najväčší podiel hmotnosti v sieti elektrických kabín. Optimálna integrácia elektrického systému v kabíne na jednosmerné napätie sa dosahuje pomocou architektúr bez transformátorov. Najvyššia úspora hmotnosti v palubnom elektrickom systéme vyplýva zo zavedenia úrovne jednosmerného napätia pre všetky záťaže. Súhrn technických a štrukturálnych výhod kabínovej siete na jednosmerné napätie naznačuje ekonomickú implementáciu. Batériové technológie môžu nahradiť súčasný pomocný a núdzový zdroj napájania.

7 V OBSAH Poďakovanie. Ja! Krátka verzia. II! Tézy. III! Obsah. V! Zoznam použitých symbolov. IX! Zoznam použitých indexov. XI! Použité skratky. XII! 1! Úvod. 1! 1,1! Motivácia 1! 1,2! Cieľ práce a postup 2! 2! Najnovší stav techniky. 7! 2,1! Dodávka energie pre lietadlo 7! 2.1.1! Historický vývoj 8! 2.1.2! Energetické systémy leteckých motorov 10! 2.1.3! AC zdroj 12! 2.1.4! DC napájanie 14! 2.2! Výstavba leteckých sietí 14! 2.2.1! Sieťová štruktúra 15! 2.2.2! Zapojenie 16! 2,3! Ochrana siete v palubných sieťach 17! 2.3.1! Poistky 17! 2.3.2! Tepelné ističe 19! 2.3.3! Elektronické ističe 19! 2,4! Optimalizácia sa blíži k 20! 2.4.1! Elektrifikácia energetických systémov 20! 2.4.2! Správa elektrického zaťaženia 20! 2.4.3! DC palubné siete 21! 2,5! Siete jednosmerného napätia v konvenčnom dodávaní energie 21! 2.5.1! Najnovší stav 21! 2.5.2! Spínanie a ochrana vysokého jednosmerného napätia 22! 3! Modelovanie. 25! 3,1! Modelovanie referenčného lietadla 26!

10 VIII 6,2! Integrácia nových funkcií 133! 6,3! Zníženie prevádzkových nákladov 133! 7! Zhrnutie a výhľad! 7,1! Zhrnutie práce 135! 7,2! Outlook 137! 8.! Príloha. XV! 8,1! Parametre kábla špecifické pre lietadlo XV! 8,2! Príslušné normy XV! 8,3! Prevádzkové náklady moderného lietadla XVI! 8.3.1! Vplyv zmeny hmotnosti XVIII! 8.3.2! Vplyv zmeny spotreby elektrickej energie XIX! 8,4! Použitá laboratórna technológia nastavenia a merania XX! 8.4.1! Napájanie XX! 8.4.2! Elektrické zaťaženie XX! 8.4.3! Kontrolný a regulačný systém XXI! 8.4.4! Meracia technológia XXI! 8.4.5! Laboratórne usporiadanie XXIII! 8.4.6! Ukážka riadenia záťaže XXIV! 8.4.7! Softvér na správu napájania XXV! 8.4.8! Malý demonštrant XXVI! 8,5! Architektonické štúdie XXVII! 8,6! Simulácia nového typu ochrany na diaľku XXIX! 8,7! Váhy celkovej architektúry HVDC XXX! 8,8! Meranie kapacity a indukčnosti káblov XXXI! 9! Vedecký dôkaz o činnosti. XXXII! 10! Bibliografia. XXXVIII! Pokračovať. XIII!

11 IX ZOZNAM POUŽITÝCH SYMBOLOV FORMULA Symboly vzorca Jednotka Popis α W m -2 K -1 Súčiniteľ prestupu tepla g špecifická zmena spotreby pri β m kg 100! Km variácia hmotnosti g špecifická zmena spotreby pri β W kwh! "Zmena spotreby elektrickej energie Δ - rozdiel ε r - dielektrická konštanta µ r - koeficient priepustnosti ϕ V elektrický potenciál ϕ - uhol v radiánovej miere ρ Ws kg -1 hustota energie ψ V s tok cievky ω s -1 uhlová frekvencia Δ - rozdiel ϕ W kg -1 hustota výkonu θ teplota K θ 0 C teplota okolia! K časová zmena teploty a - parametre vzorca A m 2 plocha B - koeficient zväzku BT hustota magnetického toku! T špičková hodnota hustoty magnetického toku BW súčasná hodnota b - parameter vzorca b - pomer prevádzkové/užitočné zaťaženie c - parameter vzorca CJK -1 tepelná kapacita CF elektrická kapacita CF km -1 kapacita d mm priemer f Hz frekvencia G - prenosová funkcia I., i Prúd! Špičková hodnota prúdu j - komplexný operátor k - parameter K Náklady l m dĺžka L H indukčnosť L H km -1 indukčný povlak

12 X Symbol vzorca Označenie jednotky m kg hmotnosť m EQ kg hmotnosť zariadenia m kg km -1 špecifická hmotnosť kábla n - počet N - počet závitov O - výpočtová sila r φ m kruhová trasa ts čas T s perióda p% úrok P, p W efektívny výkon R Ω odpor R Ω km -1 špecifický odpor kábla sjs -1 komplexná uhlová frekvencia sm dráha, vzdialenosť s - koeficient mierky v - pomer w kg,% absolútna hmotnosť, relatívna hmotnosť W Ws energia xm vzdialenosť kolmá na smer letu a vodorovne k zemi X Ω reaktancia U, u V napätie ! V špičková hodnota napätia Q el Ako elektrický náboj y m vzdialenosť v smere letu Y S vstup z m vzdialenosť kolmá na dno kabíny Z Ω impedancia

13 XI ZOZNAM POUŽITÝCH UKAZOVATEĽOV Indexy Význam C Teplota v C 3 Ph 3 fázových vodičoch a pomer AC/DC A320 Airbus A320 (lietadlo na krátke a stredné vzdialenosti) AC striedavé množstvo b Prevádzkové DC konštantné množstvo pokles úbytku napätia e Earthms rms hodnota el elektrický čas bez vybitia Eq Vybavenie Fh Letové hodiny podľa nameraného medzného limitu j prevádzkové indexy j rok k spojka vápno imputované K petrolej Kst káblové trasy Ktyp typy káblov L zaťaženie zaťaženie strana zaťaženia L1, L2, L3 označenie fázy min. Minimálna hodnota max. Maximálna hodnota nominálna konštrukčná veľkosť strana siete n n užitočné zaťaženie normalizované N neutrálny vodič Q zdroj th tepelný w prevodník „normalizovaný Hodnota medziobvodu

20 4 1 ÚVOD Elektrické spotrebiče Elektrické rozvody Elektrická výroba Krok: 1 Prístupy k redukcii hmotnosti Určenie hmotnostných proporcií Určenie podielov spotreby Prístupy k redukcii spotreby 2 Určenie efektívnosti optimalizačných prístupov Určenie efektívnosti optimalizačných prístupov Variancia viacerých parametrov 3 Nie Stanovenie optimálnej štruktúry 4 Nie sú splnené špecifické požiadavky na lietadlo? 5 Áno Ekonomicky uskutočniteľné? 6 Áno Optimalizovaný elektrický systém Obrázok 1.3 Postup viacparametrovej optimalizácie elektrického systému s cieľom znížiť hmotnosť a spotrebu

21 1 ÚVOD 5 Táto práca je rozdelená do siedmich kapitol. Kapitola 1 popisuje motiváciu a cieľ práce. Kapitola 2 popisuje súčasný stav techniky. Tu je uvedená štruktúra palubných sietí moderných komerčných lietadiel. Popísané sú tri hlavné komponenty výroby, distribúcie a elektrického zaťaženia dnešných lietadiel. Kapitola 3 analyzuje a charakterizuje tri elektrické subsystémy moderného lietadla na krátke a stredné vzdialenosti. Takto sa vytvorí databáza a model, ktorý slúži ako východiskový bod pre ďalšie vyšetrovania. V kapitole 4 sú výsledky overené na simulácii elektrického systému vozidla a sú stanovené dôležité parametre príslušných komponentov elektrického systému. Kapitola 5 popisuje aplikáciu rôznych optimalizačných stratégií na model. Tam sú výsledky vyhodnotené a matematicky spracované. Kapitola 6 ukazuje potenciál technickej a ekonomickej optimalizácie na celkovej úrovni lietadla. Kapitola 7 sumarizuje výsledky a poskytuje výhľad na budúci výskum.

25 2 Doterajší stav techniky HVDC: Vysoké napätie DC VF: Variabilná frekvencia MEA: Viac elektrických lietadiel CF: Konštantná frekvencia par. Gen .: Generátory zapojené paralelne HVDC 230 V AC VF MEA 115 V AC VF Správa záťaže 115 V AC CF 115 V AC CF (par. Gen.) 28 V DC (par. Gen.) 28 V DC Obrázok 2.1 Časové využitie rôznych technológií v civilné letectvo (nové dodávky), pozri [Moi09] Obrázok 2.2 ukazuje vývoj inštalovaného výkonu generátora na palube lietadla. Je vidieť, že spočiatku zväčšenie veľkosti lietadla (B747) spôsobilo zvýšenie výkonu. K ďalšiemu zvýšeniu spotreby energie došlo zavedením nových komfortných systémov pre cestujúcich. Tu treba spomenúť jednomiestny zábavný systém za letu (IFE), ktorý sa čoraz viac používa v nových lietadlách B787 Výkon [kva] Douglas DC-8 B A380 0 rok Obrázok 2.2 Vývoj inštalovaného výkonu generátora vo veľkých komerčných lietadlách pozri [Mec05]

27 2 PRIOR ART 11 sa pomer ďalej zvýšil. Motor Pratt & Whitney PW1100G modelu A320neo bude mať pomer obtoku 12: 1 a v porovnaní so súčasnou generáciou motorov ušetrí 15% paliva (zdroj: Airbus). Obrázok 2.3 zobrazuje základnú konštrukciu dvojhriadelového turbodúchadlového motora. Nízkotlakový kompresor dúchadla (ventilátora) vzduchu Nízkotlaký kompresor Nízkotlaký odvzdušňovací ventil Hydraulické čerpadlo palivového čerpadla Prídavné zariadenie vysokotlakového kompresora Vysokotlaký kompresor Vysokotlakový odvzdušňovací vzduch Štartér spaľovacej komory Hriadeľ pomocného zariadenia Nízkotlaková turbína Nízkotlakový hriadeľ Vysokotlaková vlna Vysokotlaková turbína Vysokotlaková turbína Obrázok 2.3 Budúci dvojhriadeľový letecký motor (s turbodúchadlom) s pripojeným nosičom dva navzájom do seba zapadajúce hriadele, čo znamená, že otáčky vysokotlakej turbíny a nízkotlakovej turbíny môžu byť odlišné. V zobrazenom príklade vysokotlaková turbína poháňa iba vysokotlakový kompresor systému