混合电推进有可能成为涡扇发动机后的选择
2017-8-29 来源：转载 作者：-
【美航空周刊2017年8月10日报道】某种程度来说，涡扇民用航空可能无法提供工业界需要的效率改善，没人知道何时或什么能替代涡扇动力，但一个博弈方向是投资发展涡轮-电混合推进，此法能实现飞发一体化，随之带来超出只改进发动机能得到的更多收益。
人们对混合电的兴趣受到如果涡扇发动机按预计方向进步飞机设计不得不接纳更大发动机这一认识所驱动。机翼上弯以便为更大的短舱提供空间，或更大的发动机安装在机翼上以避免采用长起落架已出现在民用客机设计概念图上。但这些解决方案有条件限制，并可能存在其他解决方法。
航空燃料能量密度比电池高，电机比涡轮效率更高。涡轮-电混合推进将这两方面综合在了一起，但重量和复杂程度增加。混合电的效率改进必须显著超过付出的代价。飞机级净收益需要推进和气动的紧密集成。一种方式是采用多台风扇提供推力，风扇与飞机密切集成，不仅增加有效涵道比，带来推进效率的改进，还能改善机体周围的气流进而提升气动效率。用电而不是采用机械方法为这些风扇提供动力是一种潜在的简单和可靠的方式。
对大型民用飞机来说全电推进被视为不可行，因为电池和航空燃料的能量密度差异巨大。电池的系统级能量密度为200瓦时/千克，到2035年有望达到500瓦时/千克，1000瓦时/千克还是个远景，而煤油的为12000瓦时/千克。赛峰高级执行副总裁和首席技术官Stephane Cueille称，即使达到了1000瓦时/千克，一架全电的空客A320或波音737同级别飞机将需要170吨电池。他说：“你不得不制造更大的飞机，因为A320就是80吨的最大起飞重量。全电对于更大的远程飞机来说不实用。”
混合电系统使用燃气涡轮作为动力来源，具有煤油的能量密度，同时采用电机而拥有更高的效率。能量可有几种来源，包括航空燃油、电池和燃料电池。Cueille称，这样设计空间更广，而问题变为什么构型能提供耗油率的收益。我们的估计是大型短途/中程飞机为3-12%，取决于构型的复杂程度。但同时还面临着重要挑战，其中之一是重量，他说由于采用电气系统重量更重。其他还有与常规推进相比的复杂度和可靠性的问题。这些代价只有在飞发一体化带来的效率提升足够大才能得到补偿。罗•罗公司航空技术和未来项目部主管Alan Newby说：“集成是关键。我们已了解到可通过发动机和短舱更好的结构和气动综合改进推进系统。”暗示集成的下一步是嵌入式和分布式推进。
7月份在亚特兰大举行的美国航空航天协会（AIAA）推进与能源论坛上，NASA和4家主要发动机制造商中的3家展示了A320/737同级别客机尾部嵌入风扇的相似设计概念。这个风扇吸入机身上缓慢运动的边界层气流、为尾流重新供能，从而降低阻力。该风扇可采用机械或电驱动。
NASA的设计概念称为STARC-ABL（带后部边界层推进的单通道涡轮电飞机），后部风扇由2.6兆瓦的电机驱动，该电机由机翼下部的两台涡扇发动机驱动的发电机供电。获得的减阻可允许使用尺寸更小的涡轮发动机，NASA研究显示与常规构型相比油耗降低7-12%。
STARC-ABL被形容为“初级分布式”，这一概念是2014年启动的一项5年技术挑战研究的成果，该项目旨在识别一种在其他技术加入前、仅从电气化获得净收益的一种构型。NASA涡轮-电混合子项目主管Amy Jankovsky称，我们认为已发现了至少一种概念，STARC-ABL能够满足要求。
尽管GE、罗•罗和赛峰都展示了类似构型，但不是所有人都像NASA一样有信心边界层吸入（BLI）可以提供近期实现混合电推进的路线。普惠公司技术与环境副总裁Alan Epstein称，对于BLI有多于一种工程解决方案，可以通过机械、充气、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构型这些方式的任何正式的背对背比较。
GE航空先进技术总经理Eric Ducharme称，针对不同任务BLI可实现两位数的提升。为将其加入大型运输机设计中，我们很可能不得不使用更高的电压，这样也带来了挑战，如高空的隔离性能，但线缆的重量降低颇具挑战性。
脱离现有构型到NASA STARC-ABL或其他非常规设计，必须证明向混合电推进转变的合理性。Newby称，简单的将今天的飞机和一种非常高效的风扇以及变速箱用电动机、发电机和某些功率电子替换并不好，这将带来更多重量并引起系统的其他损失。
如果飞机级效率提升高于分别由发动机和机体技术进步获得的改进总和，混合电推进才能在民用航空获得推广。Newby称这一概念可行的唯一原因是它使你在设计飞机时获得了一些自由，简单的替换不是答案。（中国航空工业发展研究中心 吴蔚）
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