涡轮电力分布式推进设计参数优化选择分析

为研究涡轮电力分布式推进系统(Turbo-electric Distributed Propulsion system简称TeDP)设计参数的选择,基于部件法对整个TeDP系统建立设计点性能计算模型,推导了TeDP的有效功在涡轴尾喷管和风扇系统间的最佳分配关系。在此基础上,以ECO-150-300客机作为应用对象,采用差分进化算法,以设计巡航点的耗油率作为优化目标,对TeDP的循环参数进行优化选择;然后对优化后的循环参数进行分析,并将优化结果与大涵道比涡扇发动机作对比。结果表明,优化后的巡航耗油率比原系统下降了7.68%;存在最佳风扇设计压比使风扇涵道效率最高,最佳设计压比与涵道的总压损失有关;TeDP系统的耗油率对电部件传输效率、自由涡轮效率和风扇绝热效率最为敏感,当效率分别降低1.0%时,耗油率分别上升1.0%,0.94%和0.85%;与涵道比为20的齿轮传动涡扇发动机相比,当电部件传输效率大于0.95时,TeDP才显现经济优势,当电部件传输效率接近1时,TeDP耗油率下降了5.40%。

氢电-锂电通勤飞机分布式推进系统匹配设计

针对通勤类飞机总体设计参数和飞行任务剖面需求,根据氢电-锂电推进系统架构方案,提出了推进系统参数匹配方法和能源动态平衡管理策略。以19座级通勤飞机作为验证对象,对其动力装置和储备能源进行了选型和管理研究。根据选型的分布式推进气动布局方案,进一步采用全析因试验设计方法分析了螺旋桨转向对飞机气动特性的影响,获得了有利于飞机巡航状态的螺旋桨转向配置方案。

分布式推进关键参数对BWB飞机气动特性影响

基于350座级分布式推进系统与翼身融合(BWB)耦合的飞机气动布局设计方案,采用数值计算流体动力学的方法研究了推进系统关键设计参数对飞机气动特性的影响.结果表明:巡航时,推进系统沿机身布置越靠前,质量流量率(MFR)对飞机的气动特性影响越明显,增大MFR在一定范围内提高了飞机的气动效率;进气道入口位置后移可有效提高飞机巡航升阻比,但推进系统进气均匀性的恶化将不利于其有效运行,需权衡考虑;只有选择合适的进气道入口高度才可实现在保持较好的进气条件下提高飞机的气动效率.起飞时,增大MFR可有效提高飞机的起飞升力,与无分布式推进系统的飞机相比,升力最大能提高约20%.

分布式推进翼身融合飞行器气动特性研究

基于下一代民用客机发展研究背景,针对某特种布局分布式推进翼身融合飞行器,采用数值仿真与风洞试验相结合的方法对其纵向气动特性及失速机理进行分析研究。介绍了该分布式推进翼身融合飞行器的气动构型及数值模型方法,针对当前翼身融合飞行器有无分布式动力影响下的纵向气动特性进行了对比分析,基于当前翼身融合飞行器无动力缩比模型风洞试验,在对数值模型方法进行校验的同时,结合流场显示结果对其大迎角失速发展过程中的流动机理进行分析研究。结果表明:当前分布式推进翼身融合体的分布式动力匣平台区域前缘展向流动是诱导失速发生的主要因素,但中部机身在大迎角下仍能够提供足够大的升力维持飞行,而分布式动力抽吸对于翼上流动具有较为明显的梳理作用,可以用于控制和改善翼身融合飞行器大迎角失速特性。

回热式工质驱动分布式推进系统参数研究

为研究以回热后的压气机引气驱动推进器风扇的工质驱动分布式推进系统(Recuperated Gas-Driven Distributed Propulsion,RGDDP),对其热力循环过程和能量流动展开研究。基于部件法建立了推进系统的设计点计算模型,分析了引气参数和推进器风扇压比对推进系统耗油率的影响,在此基础上,分析了推进系统耗油率对部件效率的敏感性。在不同循环参数下与涡轮电分布式推进系统(Turboelectric Distributed Propulsion,TeDP)的耗油率进行了对比,得到了RGDDP的热力循环特征。结果表明,引气参数存在最优组合使得推进系统的耗油率最低,同时耗油率对能量传输相关的部件效率敏感性最高;与TeDP相比,涡轮前温度对推进系统的耗油率影响更大,而总压比的影响较小;总涵道比为20时,相对于TeDP,RGDDP具有一定耗油率收益,随着总压比的升高收益降低,总压比为66时仍有3%左右的收益。提高RGDDP总体效率的关键在于降低能量传输过程中的损失并提高换热效率。

分布式推进垂直起降固定翼的过渡走廊边界研究

过渡状态是垂直起降固定翼飞行器在整个飞行过程中最关键和最危险的状态。针对一种分布式推进垂直起降固定翼飞行器,基于机翼升力特性和动力单元需用功率的限制条件进行了过渡走廊研究。根据滑流理论,引入涵道影响因子,建立了机身前部升力风扇系统和机身尾部分布式涵道系统的动力特性模型,并结合试验数据进行了验证;根据机翼的升力特性,计算得到飞行器在不同迎角下的过渡曲线,其中零升迎角和失速迎角对应的过渡曲线组成了分布式推进垂直起降固定翼飞行器的升力特性过渡走廊;基于动力单元的动力特性模型,计算得到升力特性过渡走廊内各状态点对应的需用功率,根据升力风扇系统需用功率限制、分布式涵道系统需用功率限制以及动力单元总需用功率限制,得到分布式推进垂直起降固定翼飞行器在升力特性和动力单元需用功率限制条件下完整的过渡走廊。最终结果表明:完成过渡所需要的最小前飞速度与过渡状态迎角呈反比;飞行器在低速、小倾转角过渡时尾部分布式涵道系统的需用功率会出现严重的超限现象;对于需用功率限制边界而言,单部件的功率限制条件比总功率限制条件更加严格。文中的研究成果可以为这类垂直起降固定翼飞行器的过渡走廊研究提供一定的参考借鉴,并可在此基础上进行过渡走廊的参数敏感性分析、控制系统设计、总体参数优化等后续工作。

工质/涡轮电驱动分布式推进系统设计参数研究

针对回热式工质驱动分布式推进系统在布局、安装等方面存在的不足,将涡轮电驱动方式与其结合,提出了一种部分涡轮电分布式推进系统。基于部件法建立了设计点计算模型,开展了推进系统的能量流动机理分析,提出了能量传输中关键参数的设计方法。以此为基础,分析了设计参数对推进系统的影响,并对比了分析不同分布式推进系统的性能及设计参数。结果表明:部分涡轮电分布式推进系统耗油率对涡轮前温度的敏感性高于总增压比;相对于工质驱动分布式推进系统,部分涡轮电分布式推进系统存在1.7%的耗油率优势,且当功率占比选取合理时,能够改善原工质驱动分布式推进系统的不足。围绕推进系统耗油率,论证了基于工质驱动的部分涡轮电分布式推进系统在性能上的适用性。

基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(αsoc)和氢燃料剩余状态(αsoh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的αsoc和αsoh的敏感性分析不容忽视,对其进行更为精确和可靠的状态估计有助于优化航程和载荷的性能表现。

一种分布式电推进飞机的多学科参数快速估计方法

由于分布式电推进飞机综合性能显著,各个学科的交叉性强,是未来航空领域飞行器发展的趋势,因此建立一种适用于总体设计阶段的多学科参数评估方法对分布式电推进飞机的设计有着重大的意义。为了提高电动飞机在初始设计阶段的效率,本文提出了一种分布式电推进飞机的多学科参数快速估计方法。该方法对分布式电推进飞机进行总体建模并搭建能源系统框架,使用基于势流理论的简化气动分析方法对螺旋桨与机翼的气动—推进耦合特性进行分析。经仿真验证,该简化气动模型可以较好地模拟螺旋桨与机翼的气动—推进耦合特性。利用该方法在设定的飞行剖面下对某分布式电推进飞机进行多学科参数快速估计,得到了整个飞行剖面下的飞机气动性能变化及电推进系统的性能变化,为分布式电推进飞机的总体设计提供了支撑。

电动飞机分布式螺旋桨—机翼设计分析方法研究

为逐步实现航空器从传统能源到清洁能源的转换,将传统涡桨飞机改型成分布式电推进螺旋桨飞机是目前重要的研究方向。本文以运12F飞机巡航性能为约束,根据动量理论对其改型为分布式螺旋桨飞机后的机翼参数进行修正;从螺旋桨桨盘面积、螺旋桨与电动机匹配关系、螺旋桨质量三个方面综合评估确定分布式电推进螺旋桨个数;根据巡航及爬升任务剖面的拉力需求进行螺旋桨设计;将最终确定的分布式螺旋桨—机翼模型与原型机模型在OpenVSP中进行升阻力对比分析。结果表明,分布式螺旋桨的滑流效应在小速度、大迎角下增升作用更明显,可用于提升飞机起飞及爬升阶段性能指标。在巡航及爬升状态下,分布式螺旋桨上置比下置升力特性更好,升力系数可提高约5%,但在小速度时,升力系数提升的代价是阻力系数增加。本文研究为传统涡桨飞机改型为分布式螺旋桨飞机总体设计提供了参考。

分布式电推进飞机概念方案气动特性快速评估方法

分布式电推进(DEP)飞机充分利用气动/推进耦合效应提高飞机的气动效率,但动力数量增加导致螺旋桨滑流与翼面流场干扰强烈,气动分析和设计的复杂度及计算成本上升。为提高DEP飞机早期设计阶段气动设计效率,降低研制成本,采用线性无黏的涡格法-激励盘理论(VLM-ADT)、涡格法-非定常涡格法(VLM-UVLM)及加入黏性修正的VLM(Modified-VLM)提出气动特性快速评估方法。对单机翼、单螺旋桨/机翼耦合、X-57机翼(巡航、高升力状态)及分布式螺旋桨/机翼耦合构型的气动特性进行快速评估。与基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解器的结果对比,单机翼和单螺旋桨/机翼升力系数和阻力系数一致性良好,误差最大不超过8.2%;俯仰力矩系数在同一数量级。X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的升力系数与RANS方程结果吻合度较高,误差最大不超过10%。考虑黏性修正的VLM所计算的X-57机翼和分布式螺旋桨/机翼的总阻力系数与RANS方程结果趋势一致。分布式螺旋桨滑流增加机翼的动压,使机翼局部有效迎角发生改变,改变了机翼当地升阻特性。所提方法为分布式螺旋桨飞机在早期设计阶段气动特性快速评估和气动布局方案快速选型提供了一种兼顾计算精度和效率的有效方法。

分布式电推进飞机能量优化动态管理技术研究

针对分布式混合涡轮电推进飞机电力系统动态能量管理技术开展研究,将分层模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法用于其能量优化控制,针对分布式电推进飞机飞行功率需求的变化特点,采用了两层能量管理控制器的方法。即顶层MPC控制混合电推进飞机系统的飞行过程能量优化分配和多发电机组间、非关键载荷的投切状态等,实现燃油消耗代偿最小的目标,将优化问题等效为混合整形二次规划问题(Mixed integer quadratic programing,MIQP);底层MPC则控制双向DC-DC变换器,负责管理电池组的充放电状态和维持直流母线的电压动态平衡,利用储能装置的“削峰填谷”,改善并优化系统在飞行任务过程中的平衡工作点,同时实现飞机电网能量的动静态特性的协同控制,达到对混合电推进飞机电力系统的动态能量优化管理的目的,并与采用基于规则控制的能量管理策略进行了对比研究。最后通过建立基于RT-LAB的分布式电推进飞机电力系统硬件在环半实物仿真平台,对混合涡轮电推进飞机的分层MPC能量管理算法进行了技术验证,数字仿真和半物理试验结果表明其对于混合电推进飞机的动态能量管理具有很强的鲁棒性和操作性,验证了理论分析和设计的正确性。

基于面元法的分布式涵道推进系统进气道优化设计

分布式涵道推进系统被认为是一种高效率的动力布局形式,其中进气道如何使气流低损失地快速过渡到数个圆形截面的涵道风扇进口是一个亟需探索的设计问题。以分布式涵道推进系统进气道过渡段为研究对象,基于面元计算方法,发展了一种进气道内流动的快速数值预测手段。应用所发展面元法数值方法结合进气道的超椭圆参数化方法、自适应优化算法,建立了分布式涵道推进系统进气道的无经验优化设计方法。以某型悬停状态的分布式涵道推进垂直起降飞行器为例,使用该设计方法实现了从无圆滑过渡的简单初始几何到气动指标符合优化预期的光顺几何的优化设计。基于RANS的三维数值分析表明:所优化设计的进气道相比于初始几何总压畸变系数(DC)从0.0086降低到0.0067,低于基于经验设计的参考几何(DC=0.0073),且流场无明显分离及旋涡,确认了这种具有高时间效率的无经验设计方法的有效性。

边界层抽吸效应对分布式推进系统气动性能影响数值研究

为探究边界层抽吸(BLI)效应对飞机的气动性能影响,采用基于沿流线体积力模型的飞机/发动机一体化数值模拟方法对某分布式推进系统进行了计算和分析。结果显示,BLI效应主要影响飞机中心体部分及发动机外整流罩的气体流动,对翼身融合体(BWB)的融合段及外翼段的升阻力影响较小。保持飞行条件和飞行攻角不变,飞机的升、阻力系数均随着无量纲化的发动机流量增加而增大,存在最佳无量纲化的发动机流量对应最大升阻比。发动机的安装位置直接影响机身表面的局部超声区和整流罩外的激波分布,布局在机身尾缘处会获得更好的升阻比,最大升阻比对应的无量纲化的发动机流量为0.65。

分布式电推进系统与机翼的综合设计

在某款超轻型电动飞机的基础上设计了一个分布式电动力推进系统,并对机翼几何尺寸进行了相应的修改,提出了分布式电推进系统参数与机翼几何参数的综合设计方法。在机翼前缘布置多个电动螺旋桨,利用其滑流效应提高了空气动力效率并降低机翼面积和结构重量。从动力性,结构重量,续航时间和航程方面验证了该系统的可行性与优越性。分布式电动飞机的最大平飞速度为182km/h,大于参考机型最大平飞速度175.5km/h,满足动力要求。机翼面积减小36%,体积减小将近一半,动力系统与机翼结构的总重量减轻31.7%,飞机空重减少7.29%。电池能量增加36.61%,续航时间延长45.71%,航程增加64%。展现出分布式电推进系统的巨大优势与发展前景,并为分布式电动飞机的设计与优化提供了参考。

分布式螺旋桨倾转角度对机翼气动性能的影响

分布式电推进飞行器通过机翼前缘规律分布的螺旋桨滑流作用改善飞行器的升阻特性。本文采用类X-57的分布式电推进机翼构型,通过等效盘方法研究了分布式螺旋桨倾转对机翼气动特性的影响。介绍了等效盘方法,并用实验数据和CFD计算数据对其进行验证。对比了在不同来流迎角下起降构型在有无滑流影响下的升阻力特性。分别对机翼起降构型分析了螺旋桨倾转角度对机翼气动性能的影响。结果表明,螺旋桨倾转改变了滑流对机翼的实际迎角和推力方向,当实际迎角减小时,机翼的气动升力系数也随之减小,但是倾转导致的螺旋桨推力在升力方向上的分量提高了机翼的有效升力系数;在5.5°迎角下,对于起飞构型,螺旋桨倾转角为20.18°时获得最大有效升力系数,约为2.445 1,对于降落构型,螺旋桨倾转角为23.83°获得最大有效升力系数,约为3.628 8。

反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能影响数值模拟

为了研究新型反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能的影响,将机身简化为二维模型,利用数值模拟的手段来研究攻角、反推开度,以及风扇打开或关闭对飞行参数的影响,为翼身融合分布式推进系统的反推装置设计提供初步的意见和建议。结果显示:反推闭合和风扇打开之后该机型的升力系数和俯仰力矩系数都会有较大增加;随着反推开度的增加,升力系数和俯仰力矩系数也随之增加;来流攻角对翼身融合分布式推进系统的气动性能也有较大影响。

分布式电推进无人机总体参数设计方法研究

分布式电推进动力技术为无人机的设计带来了新的思路,例如提高气动效率和推进效率以及新概念垂直/短距起降构型等。然而和常规无人机相比,分布式电推进无人机的动力系统更为复杂,这为分布式电推进无人机的设计带来了难度和挑战。研究了考虑气动/推进耦合特性的分布式电推进无人机总体参数设计方法和流程。以一架分布式电推进短距起降无人机为算例进行了概念设计和总体参数设计,并对设计参数对起飞质量和续航性能的影响进行了分析,最后通过原理样机的飞行实验对所建立的设计方法的有效性进行了验证。结果表明,分布式电推进动力系统在起飞质量中的占比超过20%,动力系统中的涵道风扇效率、电机功率系数、电子调速器功率系数和供电线电阻率是影响无人机性能最显著的设计参数,随着技术水平的提升,起飞质量有望降低20%以上,续航性能有望提升3倍以上。

不同分布式螺旋桨转向组合下的机翼滑流效应研究

目前航空喷气式发动机仍为运输类飞行器的主要动力且仍在不断进步,但关于未来航空运输的分布式螺旋桨推进、分布式涵道推进等各类电推进概念研究早已开始,并将成为未来运输类航空飞行器的核心竞争力。文中首先采用等效盘方法对单独螺旋桨进行算例验证,计算得到的拉力、扭矩与试验结果吻合较好,且与非定常时间平均的滑流速度分布相近;然后,基于雷诺平均N-S方程,结合SA湍流模型,运用无厚度圆盘代替真实分布式螺旋桨,完成四种分布式螺旋桨旋转组合下的机翼滑流效应研究;最后,对单个螺旋桨正反转情况下的滑流效应进行研究,特别是单个螺旋桨滑流对机翼升阻力增量影响情况。分析结果表明:四种分布式螺旋桨转向组合下的滑流效应均引起机翼升阻力增大;机翼升力与其上下表面吸力峰数量关系密切,而分布式螺旋桨的转向组合直接决定了机翼吸力峰数量,特别是翼尖螺旋桨转向;相邻桨叶转向相反时,其转轴中间位置桨叶均处于上行或下行状态,使得转轴中间区域机翼前缘吸力相对转向同向状态有所加强或减弱;翼尖螺旋桨逆翼尖涡方向旋转具有增升减阻效果,反之则增阻减升。

一种分布式螺旋桨运输机方案及其滑流效应研究

随着电推进技术在汽车、火车等传统运输领域获得不断发展和广泛关注,应用于纯电动或油电混合动力中小型飞行器的分布式螺旋桨推进技术已成为航空研究新热点。首先提出了一种分布式螺旋桨电推进运输机初步方案;然后,基于雷诺平均N-S方程,结合SA湍流模型,运用等效盘代替真实分布式螺旋桨,完成该机低空低速大拉力状态下的有无滑流全机气动特性分析;最后,重点对机翼和尾翼的压力分布、俯仰力矩特性以及分布式螺旋桨下机翼流动进行滑流影响研究。分析结果表明:有滑流状态下升阻力均较无滑流大,且有滑流较无滑流状态机翼低头力矩大,尾翼抬头力矩较大;尾翼离滑流区较远或完全处于滑流区时,有无滑流状态下尾翼俯仰力矩差量较小,而尾翼仅部分处于滑流区时,差量较大;分布式螺旋桨直径相对机翼厚度较大时,更多的螺旋桨功率用于对远离机翼表面区域的气流做功,引起升力系数增加不显著。