华乐网
当前位置: 首页 >头条 >社会 >正文

混合动力或将成为涡扇发动机之后的新选择

2018-08-10 04:18    

如果涡扇发动机按既定方向发展,那么飞机将不得不改变结构设计,以适应更大尺寸的发动机。例如,机翼上弯以便为更大的短舱提供离地空间,或在机翼上方安装更大的发动机以避免采用长起落架,这两种方案已出现在民用客机设计概念图上。但这些解决方案均存在一定限制条件,并可能还存在其他的一些问题。在认识到这一点后,航空界对混合电推进的兴趣更加浓厚。

​ 后置边界层吸入风扇减小了阻力,使得飞行器能够使用尺寸更小的涡扇发动机。 为此,人们想出了一种可能的推进方式,就是采用多台风扇的分布式推进,使风扇与飞机相集成,这种方式不仅能够增加有效涵道比,而且还可以提高推进效率,改善机体周围的气流进而提高气动效率。采用电力而非机械的方法为风扇提供动力可能是一种更简单和可靠的方式。 涡扇发动机越大,它们在飞机上的安装就越发成问题。 由于电池和航空燃料的能量密度差异巨大,对大型民用飞机来说目前全电推进并不可行。目前锂电池的系统级能量密度最高为200W·h/kg,到2035年实验室采用新的化学物质后有望达到500W·h/kg。但是与煤油的12000W·h/kg能量密度相比,1000W·h/kg的电池能量密度也是个远景目标。 赛峰集团高级执行副总裁和首席技术官Stephane Cueille表示,即使能够达到1000W·h/kg,一架与空客A320或波音737同级别的全电飞机也将需要170t电池,可是A320飞机的最大起飞重量才是80t。对于更大的远程飞机来说,全电推进显然更不实际。

混合电动系统使用煤油,以燃气涡轮作为动力来源,采用电动机提供更高的效率。能量来源包括航空燃油、电池和燃料电池。Cueille认为,这样设计空间更大,而问题是采用哪种结构能够使效率最大化,而且结构的复杂程度又将如何。 同时重量方面也面临着重大挑战。Cueille表示,采用电气系统将会使重量增大。与常规推进系统相比,还将面临复杂度和可靠性的问题。既保留燃气轮机,又增加额外的电力系统。这些代价只有在飞/发一体化带来的效率提升足够大时,才能得以弥补。 罗罗公司航空技术和未来项目部主管Alan Newby认为集成是关键因素。罗罗公司已了解到可通过发动机和短舱更好的结构和气动综合措施改进推进系统,并表示集成的下一步工作是嵌入式和分布式推进。 在今年7月于美国亚特兰大举办的美国航空航天协会(AIAA)推进与能源论坛上,美国国家航空航天局(NASA)和3家主要发动机制造商展示了在A320/737同级别客机尾部嵌入风扇的类似设计概念。风扇吸收缓慢运动的边界层气流并重新激励尾流,从而降低阻力。该风扇可采用机械或电驱动,Newby表示,这样的设计概念不需要太在意其基本原理。 NASA的设计概念名为“带下方边界层推进的单通道涡轮-电飞机”(STARC-ABL),风扇由2.6MW的电动机驱动,该电动机由机翼下部的两台涡扇发动机驱动的发电机供电。研究显示,与常规结构相比油耗可降低7%~12%。 STARC-ABL被称为“初级分布式”,这一概念是2014年启动的一项为期5年的技术挑战研究的成果,目的是在应用其他技术前,研究出一种仅使用电力获得净收益的结构。NASA的涡轮-电混合子项目主管Amy Jankovsky表示,STARC-ABL能够满足要求。 尽管GE公司、罗罗公司和赛峰集团都在亚特兰大展示了类似结构,但不是所有人都像NASA那样相信边界层吸入(BLI)可以为目前的混合动力推进概念提供解决方案。普惠公司技术与环境副总裁Alan Epstein认为,对于BLI来说,有多种解决方案可以通过机械、气动、液压或电驱动实现同一目标。他表示尚未看到针对某一特定飞机结构应用这些方式的任何正式的对比结果。 GE公司航空先进技术总经理Eric Ducharme表示,针对不同的任务,BLI可实现效率两位数的改进。但为使其能够在大型运输机上得以应用,GE公司可能不得不使用更高的电压。这样也会带来高空的绝缘性能和降低线缆重量等更多方面的挑战。 如果想要从目前的结构转化成STARC-ABL或其他非常规设计则必须证明向混合电推进转变的合理性。Newby表示,因为这并不是仅仅在当前飞机结构的基础上将一套高效的风扇和变速箱用电动机、发电机和一些电力电子设备替换即可,而是要对发动机的结构,甚至是机体结构进行重新布局,否则只会给系统带来额外的重量和其他损失。 安装电动滑行系统仅需对A320的主起落架做少量修改。 因此,只有飞机级效率的提高高于发动机和机体各自的技术改进,混合电推进才能在民用航空领域得到推广。

品牌、内容合作请点这里: 寻求合作 ››

榜单

今日推荐