分布式电推进飞机电力系统研究综述

导读:继飞机二次能源逐步统一为电能形成多电/全电飞机之后，电推进技术成为飞机动力系统电气化的重要发展方向，有望进一步提高飞机动力系统能量转换效率、降低燃油消耗和排放，代表了航空电气化的高级阶段。飞机电力系统及相关技术是支撑电推进技术发展的重要基础。系统总结了电推进飞机的类型与发展现状，论述了飞机混合动力系统及分布式电推进系统的基本概念、特点与意义。阐述了航空电推进系统的基本结构，比较了适用于分布式电推进系统的电力系统架构，系统分析了实现电推进技术所需的高效高功率密度电机、高效大容量功率变换器和综合热管理等关键技术   随着空中交通的日益繁忙，航空运输业带来的环境问题得到了越来越多的重视，美国和欧盟均对下一代商用飞机在燃油消耗、噪声控制、污染排放等方面提出了新的要求，并制定了具体的发展目标。美国国家航空航天局(NASA)于2008年提出了对亚声速客机的性能目标，该目标分为3个阶段，第1阶段截至2015年(N+1)，第2阶段截至2020年(N+2)，第3阶段截至2030年(N+3)，各阶段目标如表1。其中“N”为B737NG和CFM56代表的技术水平[1]。

表 1 NASA亚声速客机性能目标[1]

欧盟也提出了未来亚声速客机的性能目标，计划以2000年的技术水平为基准，在2050年前实现二氧化碳排放减少75%、氮氧化合物排放减少90%、噪声排放减少65%[2]。

飞机多电/全电技术是指飞机二次能源逐步统一为电能，从而简化飞机能源结构，提升能源利用率和可靠性，降低燃油消耗。当今最具代表性的多电飞机B787取消了发动机引气结构，从电能取代气压能角度实现多电技术，B787飞机的成功运营已经显示出其在燃油消耗和排放方面的优势。但是总体而言，多电/全电技术是飞机二次能源利用形式方面的革新。飞机动力系统技术进步是进一步提升燃油利用率和降低排放的必要保证，目前以Leap-X(CFM国际)、PW1100G(普惠公司)、GE9X(通用电气公司)和TrentXWB(罗罗公司)为代表的新一代涡轮风扇发动机，与上一代涡轮风扇发动机相比能够降低约15%的燃油消耗。配合超临界机翼、先进翼梢小翼等气动布局上的改进，以及复合材料的大量使用，再加上多电技术的应用，以A350XWB、A320neo和B737max为代表的新一代客机性能已经接近NASA制定的N+1目标，但是距离完全达到该目标还有差距。大涵道比发动机技术的发展为这些目标的实现奠定了基础。涡轮螺旋桨发动机推进效率高，但最佳运行速度较低；涡轮风扇发动机能够在较高速度运行，但效率不如涡轮螺旋桨发动机。开式转子发动机，又称为桨扇式发动机，同时具备这两者优点，在较高运行速度下仍具有高效率。图1为罗罗公司的开式转子发动机，与同等推力等级的传统涡扇发动机相比，开式转子发动机能够进一步将燃油消耗率降低30%，该类型发动机有望在2025~2030年进入市场[3]。装备开式转子发动机的客机性能具备达到N+2目标的潜力。

图1开式转子发动机

为了达到N+3目标，需要进一步提高发动机性能，典型做法是不断提高发动机涵道比。目前最新一代的涡轮风扇发动机涵道比普遍在10左右，开式转子发动机的涵道比能够达到15~20。更大的涵道比意味着更大直径风扇，由于风扇叶尖的线速度不能超过声速，风扇转速受到了限制，与风扇相连的压气机转速一并受到约束，影响了压气机效率[2]。三转子和齿轮传动技术是实现风扇与压气机转速分离的两种方案，但是存在结构复杂和可靠性问题，电齿轮传动技术是另一种有效途径[4]。燃气涡轮发动机中的电齿轮传动技术在概念上等同于混合动力汽车的电传动技术，即发动机仅驱动发电机发电，通过电力驱动风扇产生飞机飞行所需动力。电齿轮传动技术有望将发动机的燃油消耗率降低到更低的水平。当然，使用电驱动的方式将风扇从发动机中分离出来后，电能的来源就不局限于发动机驱动的发电机，燃料电池等装置同样能够作为电源。以上对飞机动力系统的改进能够大幅改善飞机的排放性能和燃油经济性，以达到N+2目标。但是达到N+3目标仍具有相当的挑战性，因而需要从另外的角度对飞机性能进行改进。飞机气动性能是首先考虑的一个方面。与传统雪茄型布局的飞机相比，翼身融合布局的飞机气动效率更高，升阻比更高。国外翼身融合布局在军用飞机上已有应用，如B-2轰炸机。国内的高校和科研院所如北京航空航天大学[5-6]、南京航空航天大学[7]以及清华大学和中国商飞北京民用飞机技术研究中心[8]等均对翼身融合飞机的气动特性进行了前瞻性研究。翼身融合布局带来的气动效率的提高能够使燃油消耗率降低14%[9]。配合新型高效涡轮风扇发动机，这种布局的飞机能够减小50%的燃油消耗。动力系统的分布式布局同样能够提高飞机的气动效率和升阻比，在翼身融合飞机上进一步采用涡轮发电分布式电推进系统作为动力，燃油消耗将减少70%以上[9]。翼身融合布局配合涡轮发电分布式电推进系统具备实现N+3目标的潜力，NASA[9-13]、英国克兰菲尔德大学[14-16]等科研机构以及空客集团[17]、罗罗公司[18-19]等企业进行了大量探索性研究。可见，从动力系统电气化角度提升飞机能量转换效率是电推进技术提出与发展的出发点与根本创新。本文讨论了航空电推进系统组成，重点论述了分布式电推进系统的概念及意义，比较了适用于分布式电推进系统的3种电力系统架构，分析了实现电推进技术所需的先进电机、高效大容量功率变换器、热管理和推进能源等航空电力系统关键技术，以期为发展飞机电推进技术提供参考。

1 分布式电推进系统的基本组成传统飞机通过发动机将燃料的化学能转化为机械能产生动力，与之相对的，电推进飞机通过电动机驱动涵道式风扇、螺旋桨或其他装置产生动力，直接将电能转化为机械能。目前涡轮风扇发动机对燃料能量的利用效率仅约40%[20]，而电推进系统对电能的利用率能够超过70%[21]，这意味着采用电推进技术具备提高系统整体效率的潜力，能够达到降低燃油消耗、减少排放的目的。电推进系统的实现首先需要与原先发动机推进功率相当的电动机作为动力源，推力在300kN级别的涡轮风扇发动机重约6t，输出的最大推进功率能够达到30~40MW。得益于电机具有相对尺度近似无关的特性，即一个大功率电机系统分解为总功率相同的数个小功率电机系统后，整个系统的功率密度和效率基本不变[21-22]，使得能够采用多个相对较小功率电动机驱动较小直径风扇的方式取代超大直径风扇，有效提高系统的涵道比[10]，同时系统的能量控制更为灵活、容错性能更好，能够有效提高动力装置性能，改善燃油消耗率[20]。此外，小风扇能够更为方便地融入机身，使得飞机气动效率更高，从另一个角度改善飞机飞行性能和燃油消耗率。这种推进系统称为涡轮发电分布式电推进(TurboelectricDistributed Propulsion, TeDP)系统。图2为实验系统航宇公司(ESAero)的分布式电推进概念飞机[20,23]，该飞机能够达到N+2中的性能指标。

图2 ESAero涡轮发电分布式电推进飞机

电推进系统首先需要提供动力的推进系统，其次需要为推进系统提供电能的供电系统，此外还需要储能系统、保护系统等一系列辅助、支持系统等[2,24]，如图3所示。

1.1 推进系统作为电推进飞机上直接产生动力的部分，推进系统是电推进飞机的核心部分，主要由动力产生装置和驱动电机系统组成，如图4所示，动力产生装置一般是螺旋桨[25-26]或涵道式风扇[4,25,27]。与传统发动机相比，电动机的设计与控制更为灵活，既能设计为直驱的方式取消齿轮机构，使得推进系统结构简单、可靠性高；也可以使用高速电机加减速器的方案减轻电机系统的重量。同时，推进系统与发电系统没有机械连接，易于实现两者的解耦，使得电动机的运行不受发电系统影响，能够使两者都在最佳工作点附近高效运行[28]。此外，电能的传输较为简单，推进系统的安装位置更为灵活，易于实现推进系统的分布式布局，达到增加升力、减小阻力的效果，提高飞机气动效率，降低能量的消耗[5,9, 17,20-21]。

图4 传统推进装置与电推进装置

1.2 供电系统由于电推进飞机使用电能产生所需动力，因此其供电系统需要提供足够的功率，电推进飞机的推进功率根据飞机大小从数十千瓦至数十兆瓦不等。小型电动飞机一般只需要几十千瓦的推进功率[21]，因此蓄电池就可作为其主电源使用。该类型的飞机由于直接使用蓄电池向推进系统供电，因此电压等级的选取较为灵活，但需要同时考虑蓄电池的输出和电动机的需求，一般在数百伏，如NASAX-57纯电动飞机的锂电池组输出电压为400~525V[29]。稍大一些的电推进飞机如大型电动无人机和公务机等，其推进功率在数百千瓦至数兆瓦，蓄电池难以满足功率以及续航要求，通常需要使用发动机驱动的发电机作为主电源系统，同时需要更高的电压等级，以克服输电线缆过重、损耗过大的问题，因此需要将电压等级提高至700~1000V[30]。电力系统需要进行改动以适应电压等级的提高。至于大型电推进客机，如150座级窄体客机和300座级宽体客机，其推进功率在数兆瓦至数十兆瓦之间，同样需要由大功率发电机提供电能，发电机由涡轮发动机驱动。为了配合该功率等级的电力系统，特别是推进系统的需求，需要进一步将电压等级提高至±2~±4.5kV[28]，甚至是±10kV[18]。提高电压等级助于降低固态断路器和电缆等设备的重量和损耗，但会增加功率变换器的重量和损耗[31]，还需要重视高空、高压对于电气设备绝缘带来的特殊影响。电压等级的选取需要对电力系统中各部件的影响进行权衡。供电系统中，除了主电源系统提供电能以外，往往还需要储能系统进行电能存储和辅助供电，必要的时候，储能系统能够向电网输出功率。1.3 储能系统在电推进飞机中，储能系统是非常重要、甚至是不可缺少的组成部分。高能量密度储能系统如蓄电池能够直接作为小型电动飞机的主电源。对于推进功率在数百千瓦以上等级的电推进飞机，主电源系统为发动机驱动的发电机，储能系统能够在飞机需要较大推进功率时(如起飞爬升阶段)提供额外功率，在飞机巡航阶段吸收多余功率，起到功率调配的作用，使发动机能够始终在最佳工作点附近高效运行。而对于推进功率达到数十兆瓦的大型电推进飞机，储能系统受制于容量或放电功率，难以直接作为主电源使用，更多作为有源补偿环节，调节飞机电网电能质量。一些新型储能系统如超导磁储能系统、超级电容、飞轮储能系统等能够在短时提供大功率的储能系统除了用于调节飞机电网电能质量，还能够提供瞬时兆瓦级的过载功率，这些系统在电推进飞机上具有较大的应用前景[32]。

文章来源：航空之家