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Dec 29, 2023

Dr. de la Universidad Wrexham GlyndwrROB BOLAMCEng FRAeS y Asistente de Investigación DoctoralJHON PAUL ROQUEProporcionar una visión del prototipo patentado de motor a reacción eléctrico 'FAST-Fan' impulsado por llantas de la Facultad de Arte, Ciencia y Tecnología.

En la Facultad de Arte, Ciencia y Tecnología (FAST) de la Universidad Wrexham Glyndwr (WGU), los estudiantes y el personal de ingeniería están concentrando sus esfuerzos en lograr Net Zero Wales.

Como parte del programa SMARTExpertise del gobierno de Gales, FAST-Fan es uno de los últimos proyectos financiados a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional. WGU ha colaborado con seis PYMES con sede en el Reino Unido (Ad-Manum UAS Technologies Ltd, Invertek Drives Ltd, Motor Design Ltd., Drone-Flight Ltd, Geola Technologies Ltd y Tirius Ltd) para realizar los análisis, el diseño y la fabricación de un prototipo de llanta patentado. -Motor de avión a reacción eléctrico 'FAST-Fan' accionado. La unidad de propulsión resultante es capaz de entregar más empuje por área frontal y velocidades de eflujo más altas que las configuraciones de ventilador actuales.

Los ventiladores impulsados ​​por borde (RDF) son un tipo de ventilador con conductos que tienen un borde de rotor continuo unido a las puntas de las aspas del ventilador y son impulsados ​​por medio de un circuito de motor electromagnético dispuesto dentro del conducto. (WGU) Aunque la generación y almacenamiento de energía eléctrica a bordo se considera el principal obstáculo para la propulsión eléctrica de las aeronaves, la distribución de energía eléctrica y su conversión en empuje propulsor todavía presentan desafíos importantes. Uno de ellos es cómo lograr de manera eficiente la propulsión para vuelos de alta velocidad.

Los aviones civiles convencionales utilizan hélices para operaciones regionales para alcanzar velocidades de hasta Mach 0,6 y altitudes de hasta 30.000 pies, pero para viajes más largos que requieren velocidades y altitudes más altas (hasta Mach 0,9 y 45.000 pies) se utilizan ventiladores de derivación con conductos. Ambas tecnologías son impulsadas por cubos con el flujo de aire propulsor principal pasando por una unidad energizante central, concretamente el motor de turbina de gas, y los impulsores propulsores se transmiten a través de ejes giratorios.

Por lo tanto, es bastante lógico que la tecnología impulsada por cubos se considere automáticamente para las soluciones de propulsión eléctrica de aviones: presenta una tecnología familiar y parece ofrecer un menor riesgo de desarrollo. Sin embargo, sigue siendo cuestionable si los motores de cubo siempre proporcionan la configuración ideal para satisfacer las necesidades de la propulsión eléctrica de los aviones.

El objetivo del proyecto FAST-Fan es explorar el potencial de la tecnología impulsada por llantas en este contexto. Los objetivos eran investigar, analizar y desarrollar la tecnología y utilizar las últimas técnicas de creación rápida de prototipos disponibles para realizar conceptos de diseño mediante la construcción de un dispositivo prototipo a escala adecuado para impulsar un pequeño avión de prueba no tripulado.

Análisis de software de elementos finitos de rotor de palas (o "blotor"). (WGU) Los ventiladores impulsados ​​por borde (RDF) son un tipo de ventilador con conductos que tienen un borde de rotor continuo unido a las puntas de las aspas del ventilador y son impulsados ​​por medio de un circuito de motor electromagnético dispuesto dentro del conducto. Los RDF ofrecen algunas ventajas clave en comparación con los ventiladores convencionales accionados por cubo. Como un aumento en el empuje por área frontal debido a la eliminación de la restricción de flujo causada por el motor montado en el cubo; longitud total más corta del conjunto de ventilador; una reducción de las fuerzas tangenciales del motor necesarias para generar par debido a un aumento del brazo de momento radial; aerodinámica mejorada del ventilador gracias a la omisión de pérdidas por punta del ventilador; provisión de refrigeración por aire para los devanados del motor y la capacidad de instalar fácilmente dos RDF contrarrotativos en tándem. Esta última ventaja también proporciona ganancias de eficiencia debido a la eliminación de los remolinos de flujo y facilita la generación de mayores relaciones de presión del ventilador, lo que permite velocidades de eflujo y velocidades de vuelo más rápidas. Un inconveniente de una configuración RDF puede ser su peso si el circuito electromagnético no está optimizado.

La historia de la tecnología RDF se remonta a principios de la década de 1960 y al Ryan Vertifan. (NASA) Uno de los primeros relatos registrados sobre la tecnología de ventiladores impulsados ​​por llantas para aplicaciones aeroespaciales tuvo lugar en 1961, cuando Ryan Aircraft Corporation desarrolló el avión XV-5A Vertifan. Los ventiladores del XV-5A eran impulsados ​​neumáticamente por los gases de escape de los motores a reacción que actuaban sobre las palas de la turbina ubicadas alrededor de la periferia de los ventiladores productores de sustentación del avión. Aunque la tecnología del ventilador se consideró un éxito, el elemento de transmisión por llanta se detuvo y el diseño del ventilador pasó a desarrollarse para los diseños de motores de alto bypass CF6 de General Electric.

La tecnología de ventiladores eléctricos impulsados ​​por llantas para aplicaciones aeronáuticas también ha sido objeto de varias publicaciones teóricas desde la década de 1960, una de las más recientes (2006) realizada en el Centro de Investigación Glenn de la NASA durante la cual se utilizó un ventilador impulsado por llantas de 32 pulgadas (813 mm) de diámetro. fue objeto de un estudio sobre cojinetes de llanta magnéticos activos (levitados). Sin embargo, este estudio no consideró las características de rendimiento del ventilador sin concentrador en un rango de velocidades operativas.

Un informe más reciente sobre la tecnología eléctrica RDF, realizado en WGU en 2016, involucró la fabricación y demostración del concepto de un RDF eléctrico impreso en 3D, de plástico y de bajo costo destinado a pequeñas aplicaciones de UAV. El estudio probó con éxito un RDF CC sin escobillas de 115 mm de diámetro a varias velocidades, pero las aspas del ventilador y el circuito electromagnético no eran óptimos, y los valores de potencia de entrada y empuje obtenidos de la prueba se consideraron no representativos del verdadero potencial. Aun así, el concepto subyacente se consideró viable y se sembró la semilla para el proyecto FAST-Fan.

Se utilizó CFD para modelar numéricamente el flujo a través de la unidad energizadora. (WGU) En el corazón del FAST-Fan se encuentra la unidad energizadora que transfiere el par de los motores al aire a través de las aspas del ventilador. Existe una velocidad finita a la que se puede transferir energía de esta manera, según lo rige por la ecuación de trabajo de Euler. El aumento de presión a través del ventilador también es importante porque determina la velocidad de salida alcanzable, que depende de la cantidad de energía (par) que se puede transferir por volumen barrido. Por lo tanto, la unidad energizadora está optimizada para entregar la cantidad máxima requerida de energía al flujo de aire, y el aire es arrastrado en un conducto de volumen que disminuye gradualmente para lograr el aumento de presión deseado en las etapas dobles del ventilador. Las puntas cerradas del ventilador minimizan las fugas de presión y la contrarotación de los ventiladores garantiza que no se pierda energía en el remolino de eflujo a medida que el aire fluye a través de la boquilla para generar un empuje de alta velocidad. Las velocidades relativas del rotor se pueden modular de forma independiente para controlar el rendimiento del ventilador y, al igual que los motores turborreactores, el FAST-Fan debería beneficiarse del efecto ram, especialmente cuando funciona a altas velocidades y altitudes. El aire de refrigeración entra por las rejillas de ventilación situadas en la superficie exterior de la entrada y es arrastrado sobre los devanados del motor por el flujo motriz del aire que sale.

Lograr un diseño liviano, de alta resistencia y eficiente fue el mayor desafío. Desde el principio del proyecto, era fundamental obtener una predicción precisa de la característica de par versus velocidad del FAST-Fan, de modo que el diseño del circuito del motor no fuera demasiado potente y pesado para el propósito previsto. Se utilizó CFD para modelar numéricamente el flujo a través de la unidad energizadora y se utilizó el software Motor-CAD y FE (elementos finitos) para modelar los circuitos electromagnéticos y analizar las tensiones del rotor.

Ya que la intención era fabricar un dispositivo prototipo. Las dimensiones del FAST-Fan fueron determinadas por el presupuesto disponible y las capacidades de la máquina de creación de prototipos. Se seleccionó un diámetro de ventilador de 200 mm basándose en cálculos iniciales que también permitieron un generoso margen de hasta 300 mm de diámetro para diseñar y fabricar la entrada y la boquilla. Se desarrolló una nueva técnica de fabricación y herramientas personalizadas para fabricar los conjuntos de rotores de palas.

Los perfiles aerodinámicos de las aspas de los ventiladores de los aviones modernos son de naturaleza patentada y es de difícil acceso a la información. Pero estas aspas de ventilador a menudo están optimizadas para funcionar a velocidades supersónicas como 450 m/s, que es mucho mayor que las previstas para el FAST-Fan con velocidades de aire operativas subsónicas cercanas a 200 m/s.

Los perfiles de paletas de compresores se consideraron más adecuados para esta aplicación y, afortunadamente, los datos de perfil y rendimiento estaban disponibles públicamente. Finalmente se seleccionó un perfil de aspa estándar de la Serie C y, en base a esto, se desarrolló una aspa de ventilador con una relación de aspecto baja (<1,5) para garantizar la máxima transferencia de energía al flujo de aire, manteniendo al mismo tiempo un área de entrada frontal mínima.

El demostrador de conceptos FAST-Fan en la Universidad Wrexham Glyndwr. (WGU) El análisis, diseño y fabricación del rotor de palas presentó desafíos únicos y proporcionó algunos beneficios interesantes e inesperados. La estructura del borde brinda soporte a las puntas de las aspas, lo que alivia las tensiones de flexión, torsión y centrífugas que normalmente se concentran en el extremo de la raíz y la región del cubo de un ventilador. La dispersión de estas tensiones, en el rotor de palas, significó que las raíces de las palas podrían optimizarse estructural y aerodinámicamente y evitarse los efectos adversos de las deflexiones operativas de las palas. Las raíces de las palas se adelgazaron y no hubo necesidad de un complicado ensamblaje a la estructura del buje. Los intentos anteriores de encajar ambos extremos de las palas individuales en la estructura del cubo y la llanta se habían abandonado por motivos de complicaciones innecesarias. En lugar de ello, un “blotor” de rotor de palas homogéneo. se creó el diseño.

Se analizaron varias arquitecturas de motores, incluida la tecnología de CC sin escobillas (BLDC), CA síncrona y de motor de inducción. Pronto se descartó una configuración BLDC (basándose en experiencias previas con transmisiones de llanta), ya que se anticipaba que los devanados concentrados, el par dentado y los efectos de ondulación del par causarían problemas de arranque del motor y de vibración a baja velocidad.

Sin embargo, la tecnología de imanes permanentes parecía ofrecer una mejor generación de par que los diseños de motores de inductancia. Por lo tanto, se desarrolló un diseño de motor síncrono de CA de alto voltaje. Los motores de ventilador FAST son livianos e incorporan estatores de hierro mínimos, devanados de aluminio y rotores sin hierro. Se utilizan devanados distribuidos con múltiples ranuras para minimizar la ondulación del par y la vibración. Estos sólo están sujetos a corrientes relativamente bajas, debido a la mayor tensión de alimentación y a los menores requisitos de fuerza del borde. Lo que reduce significativamente el calentamiento resistivo de los devanados refrigerados por aire y aumenta la eficiencia alcanzable del motor por encima del 93%. El diseño del demostrador conceptual compacto resultante tiene una potencia nominal máxima de 30 kW y proporciona una potencia específica general de 2,5 kW/kg. Que incluye los componentes activos (circuito) y no activos (estructurales) como. Pilón, toma, boquilla, góndola y ventiladores, etc.

El borde del FAST-Fan se enrolla. (WGU) Se hicieron predicciones de rendimiento para velocidades del FAST-Fan hasta la velocidad máxima de diseño de 15.000 rpm, a la que el empuje previsto es de 350 N (36 kg) y la velocidad media de salida de 112 m/s (250 mph). La fase inicial de prueba cualitativa a baja velocidad (hasta 5000 rpm) ha demostrado que el ventilador funciona silenciosamente y sin problemas. Este beneficio se atribuyó principalmente a dos características de diseño: la distancia entre los rotores proporcionada por el estator estructural y la construcción del eje fijo que evita el problema de la "oscilación del eje" inherente a los ejes giratorios. Las mediciones iniciales de empuje ya indican que el rendimiento es mejor de lo previsto y se considera que esto se debe a los efectos del empuje inducido en el labio de admisión. La siguiente etapa de pruebas tiene como objetivo examinar los efectos de velocidades de rotor más altas (hasta 15.000 rpm) y diferenciales en el rendimiento del ventilador.

La Universidad Glyndwr de Wrexham acoge con agrado las colaboraciones con la industria, las universidades y las organizaciones de investigación y ha puesto sus investigaciones a disposición del público. (WGU)

El UAV Quick Electric System Test (QuEST) ya está en progreso en el laboratorio UAS de la universidad con un equipo de estudiantes, personal y socios que construyen este avión MTOM de 4 m de envergadura y 50 kg destinado a las pruebas de vuelo del FAST-Fan.

Al observar aplicaciones más amplias, se hizo evidente que había argumentos convincentes para la adopción de tecnología impulsada por llantas para aviones más grandes. Los resultados de un estudio comparativo entre el RDF teórico de doble etapa y un pequeño motor de ventilador moderno existente indicaron que, como dispositivo propulsor, el RDF ofrece una alternativa compacta y liviana a los pequeños motores de ventilador. Funcionará a temperaturas internas mucho más bajas que un motor a reacción y probablemente será más liviano, más eficiente, más fácil de monitorear y controlar, más silencioso y ofrecerá valores mucho mayores de empuje específico. Los próximos pasos implican el diseño y modelado de un eficiente dispositivo de propulsión impulsado por llantas de alto empuje (≈10kN), alta velocidad (hasta velocidad sónica) y cero emisiones para pasajeros regionales, aviones comerciales BWB de empuje distribuido e incluso aviones de negocios de alta velocidad. Aplicaciones de aerodeslizadores.

El cambio climático ha sido el resultado del uso de dispositivos de ingeniería y es probable que también se resuelva de esta manera. Aparentemente, los desafíos que existen en el camino hacia un Net Zero 2050 son superables, siempre que la comunidad de la aviación trabaje con un espíritu de colaboración y apertura.

WGU desea participar de esta manera y ha hecho que todas sus investigaciones publicadas sobre el proyecto FAST-Fan estén disponibles gratuitamente a través del repositorio de investigación en línea de la Universidad Wrexham Glyndwr https://glyndwr.repository.guildhe.ac.uk/.

La Universidad Wrexham Glyndwr también acoge con agrado las colaboraciones con la industria, las universidades y las organizaciones de investigación. Este proyecto fue financiado por el Gobierno de Gales (WEFO) bajo la iniciativa SMARTExpertise (Referencia de Proyecto 82321) y apoyado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional.

Dr. Rob Bolam CEng FRAeS y Asistente de Investigación Doctoral Jhon Paul Roque 14 de marzo de 2023