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航发科普:绿色航空动力正向我们走来 【民航联盟】

来源:OB欧宝体育 作者:欧宝体育软件 2022-09-08 14:20:33

  在“双碳”目标的发展与驱动下,航空动力领域的节能减排越来越受到关注。绿色环保是下一代航空发动机研制的关注点,绿色航空动力正逐步向我们走来。  2022年3月11日,由中国航发动研所、南方联合研制的

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  在“双碳”目标的发展与驱动下,航空动力领域的节能减排越来越受到关注。绿色环保是下一代航空发动机研制的关注点,绿色航空动力正逐步向我们走来。

  2022年3月11日,由中国航发动研所、南方联合研制的混合电推进系统配装SA60L轻型运动飞机在株洲首飞成功。混合电推进系统是中国航发强化前沿技术探索和储备、推进航空动力绿色可持续发展取得的重要成果,也标志着中国航发主动担当、助力“碳达峰”“碳中和”目标实现迈出重要一步。

  电推进技术被称为最有可能在2030年后取代传统燃气涡轮发动机的候选动力技术,不仅能实现耗油率的阶跃性改善,同时,由于其推进系统与发电系统的可分离特点,出现了翼身融合设计、鸭翼布局的倾转机翼设计、分布式推进系统设计等各种飞发一体化的创新设计,能够有效提升飞行器的气动性能,提高等效涵道比,进一步降低油耗与噪声。

  随着绿色航空目标的逐步推进,电推进技术将会日益显现出其潜在优势。与传统燃气涡轮发动机部件不同,电推进系统拥有众多衍生类型,今天发仔就带大家来了解一下不同类型的电推进系统。

  电推进系统有全电动推进、混合动力推进和涡轮电动力推进三种模式,包括全电推进系统、并联混合动力推进系统、串联混合动力推进系统、混联混合动力推进系统、涡轮部分电动力和涡轮全电动力推进系统六种类型。其中,混合动力推进与涡轮电动力推进的主要区别在于是否存在电池;混合动力推进系统的三种构型的区别在于推力驱动来源占比大小。

  在全电推进系统中,电池是飞机的唯一动力来源,用于运转电机以驱动风扇,通过电动机将电能转换成机械能并带动风扇旋转。全电动飞机的优点是飞机的空间设计可以高度灵活,效率高;飞机噪声、热辐射和其他辐射大大降低。但受限于电池能量密度,电池的续航能力较差,对大功率发动机并不适用。

  NASA研制的X-57采用全电动架构、翼尖巡航电动机、大展弦比机翼以及分布式升力推进系统。通过使用电动机,相应的能效将从28%上升到92%,同时借助构型优化设计还可以提升1.5倍能效。

  并联混合动力同时使用涡轮机械能和电动机的电能驱动风扇。这种构型可以让电动机和发动机共同提供推力,从而使发动机能够在最优功率点运行。但是并联混合动力构型的设计复杂度也比常规的发动机要高,要匹配好不同工况对电动机和发动机的推力要求。

  采用并联混合动力构型的 SUGAR Volt飞机,在涡扇发动机的风扇驱动轴上加装了一个电动机,起飞阶段通过电池驱动电动机带动风扇产生辅助推力,从而缩短起飞时间;当飞机到达巡航高度时,可完全通过电池驱动电动机带动风扇产生推力,从而降低燃油的总消耗量和氮氧化物的排放。

  串联混合动力通过涡轮发动机驱动发电机发电,产生的电力一方面通过电动机带动风扇旋转产生推力,另一方面,可以给蓄电池充电,以满足其他机载系统以及飞机不同飞行条件下对电力的需求。串联混合动力是实现动力系统电气化的终极目标,这种串联混合动力构型可以包含多个电机/外涵风扇,该构型一方面对发电机以及电动机的效率有非常高的要求,设计难度较大,另一方面需要对传统的飞机构型做较大的更改。

  目前,由空客、西门子以及罗罗公司联合设计的E-FanX飞机采用了这种串联混合动力构型,该飞机由3台涡扇发动机和1台装有2MW的电动机构成,来验证电气化的应用在减少碳排放、降低噪声方面的潜在优势。

  混联电推进系统将并联混合动力与串联混合动力结构相结合,由涡轮发动机风扇与电风扇共同产生推力,电风扇的电力一方面来自于电池,另一方面由涡轮发动机带动发电机产生。目前针对混联混合动力构型虽然尚未有明确的飞机型号与其对应,但由于该构型与涡轮部分电动力系统的构型非常类似,因此也适用于涡轮部分电动力系统的飞机。

  涡轮部分电动力系统由涡扇发动机为飞机提供动力,发电机从涡扇发动机上提取功率从而带动尾部风扇产生推力。在不同飞行阶段,涡扇发动机与电风扇将进行推力分配,以获得最佳状态。

  NASA目前正在通过一系列单通道涡轮电动飞机(STARC)的研究来探索涡轮部分电动力方案。其研发的STARC–ABL预计于2035年投入使用,与传统推进系统相比,该构型的燃油效率预计可提升7%-12%。

  涡轮全电动力构型中,当燃气涡轮发动机足够可靠时,可以不需要电池,仅由燃气涡轮发动机带动发电机发电,通过驱动电动机带动风扇/螺旋桨产生推力;同时,发电机也可满足飞机其他系统的电力需求。

  NASA设计的N3-X飞机通过燃气涡轮——电力分布式推进系统(TeDP),将混合机翼设计、基于超导电机和功率分配的涡轮全电系统以及分布式推进系统相结合,探索节省燃油的方法。


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