Оптимизација и интеграција електровентиланторског система пропулзора

Abstract

Растући тренд у погледу истраживања везана за електрични погон није заоби- шао ваздухопловну грану индустрије. Последњих година, велики број светских компанија и истраживачких центара покушава да развије “зелен” погон летелица. Такође, убрзаним развојем електричних енергетских компоненти (електромотори са сталним магнетима, литијум-полимерне батерије, мосфет транзистори и сл.) створила се велика заступљеност електричних ваздухопловних погона у области малих беспилотних летелица. У складу са овим трендом предмет истраживања ове дисертације представљају електровентилаторски системи пропулзора. У оквиру истраживања извршен је детаљан преглед литературе везане за вентилаторске пропулзоре након чега су представљени математички модели појединих компонен- ти система пропулзора. Такође су представљене и методе параметризације геомет- ријског облика пропулзора Б сплајновима и ЦСТ методом као и метахеуристички методи оптимизације: генетски алгоритми и метод роја честица. Помоћу дефинисаних модела и метода развијена је методологија оптимизаци- је електровентилаторског система пропулзора која је представљена кроз три поје- диначна примера као и кроз интегрисани пример оптимизације и интеграције про- пулзора на малу беспилотну ВТОЛ летелицу. Оптимизацијом постојећег пропулзо- ра указано је на могућност побољшања његових перформанси за одређени режим рада а развијена је и методологија за вишекритеријумску оптимизацију пропулзора погоњеним електричним погоном за чије потребе је створена и база комерцијално доступних компонената.

The growing trend in terms of electric drive research did not bypass the aerospace industry. In recent years, a large number of world companies and research centers have been trying to develop a “green” aircraft propulsion system. Also, with the rapid development of electric power components (permanent magnet motors, lithium-polymer batteries, MOSFET transistors etc.) there is a large representation of electric aircraft propulsion in the field of small UAVs. In line with this trend the subject of research of this dissertation are electric ducted fan propulsion systems. Within the research a detailed review of literature considering fan propulsion systems is done after which the mathematical models of the propulsion system individual components are presented. Also, the methods for geometric shape parameterization via B-Splines and CST as well as the metaheuristic optimization methods: genetic algorithms and particle swarm optimization are presented. Using the defined methods and models an electric ducted fan optimization methodology is developed which is presented through three individual examples as well as an integral example of a small VTOL aircraft propulsion system optimization and integration. By the optimization of an existing propulsor the possibility of improving its performance for a certain design point is shown while a multiobjective optimization methodology of a propulsion system which is electrically driven is also developed for whose needs a database of commercially available components was created. For the purpose of experimental investigation, a propulsion test rig was developed with which the influence of the inlet geometry on a commercially available fan is examined and a numerical analysis via the finite volume method was done in order to obtain a qualitative insight in the propulsion system performance.