渦輪發電混合動力分布式推進系統設計分析

■ 滿運堃 姚軒宇 王愛峰 / 中國航發研究院

分布式推進系統作為一種新型航空推進技術，其系統構架、設計方法和思路均與傳統模式有所區別，開展設計方法梳理及影響因素分析，有助于加深對混合動力系統設計的認識，為方案設計提供理論支持。

隨著航空業的快速發展，人們對飛行器動力系統性能的要求也在不斷提升。其中，渦輪發電混合動力（渦輪混電）分布式推進系統作為一種極具潛力的新型航空動力系統，成為目前的研究熱點之一。

渦輪混電分布式推進系統是指通過渦輪發電系統和儲能系統為飛行器提供能量，驅動分布在飛行器不同位置的多個推進器產生推力的一種新型推進系統。該系統由原動機（通常為渦軸發動機）、發電機、儲能裝置、電動推進單元（電動機和風扇/螺旋槳）以及能量管理、熱管理、控制系統等多個部件、子系統組成。

相比于現有航空動力系統，渦輪混電分布式推進系統具有諸多優勢。原動機與推進器解耦，二者可以分別在最佳工況工作，從而有效降低耗油率、提高推進效率。電動推進單元體積小巧，可與飛行器深度融合設計，從而優化整機氣動性能，提高升阻比。分布式推進器更易于實現主動控制，通過產生主動控制力矩或直接產生升力，可以減少舵面等部件結構，還可使固定翼飛機的高機動飛行成為可能。諸多的優勢令渦輪混電分布式推進系統在民用航空領域有著廣泛的適用性，具有很好的市場應用前景。

圖1 不同工況能量分配情況

設計方法及思路

動力系統的需求直接來源于飛行器，因此在開始動力系統設計前，應對飛行器開展總體初步設計分析，提煉動力系統的基本需求。通常來說，較為完整的飛行器方案設計流程至少應包含：概念設計、初步設計、詳細設計、設計定型等階段。因此，可通過概念設計和初步設計，得到飛行器的總體初步方案，給出基本尺寸和布局、主要性能參數、功率或推力需求范圍、飛行包線等設計約束，作為渦輪混電分布式推進系統的設計輸入。

渦輪混電分布式推進系統可簡化為電推進系統、渦輪發電系統、儲能系統3個部分。由于儲能系統的存在，能量流動路徑不是單向的，因此涉及到不同工況下的能量分配。起降階段（特別是短距/垂直起降）需要的推進功率較大，但持續時間相對較短；巡航階段需要的推進功率較小，但占據了絕大部分飛行時間。為達到最優設計（此處定義為在滿足飛行器全飛行包線動力需求的前提下，動力系統部件及電池、燃油的總質量最小），則應盡量降低渦輪發電系統的容量并使其工作在恒定、高效的狀態。故渦輪發電系統的設計應以滿足巡航時的功率需求為基準，穩定輸出；儲能系統的設計應以滿足起降階段峰值功率下的功率缺口為基準，在不同階段通過充放電實現動態調整。整機總功率需求與原動機、電池輸出功率的關系如圖1所示，該圖展示了美國國家航空航天局（NASA）X-57渦輪混電分布式驗證機的能量分配策略。

基于以上思路，可以采用從需求逆推的順序開展分布式推進系統設計。第一步，針對背景飛行器開展總體初步設計，得到動力系統需求并確定推進器布局、尺寸及數量。第二步，開展電推進系統設計，利用各部件的參數化設計模型，選取合理的設計參數并計算，依次完成螺旋槳參數化設計、動力分配優化、電動機設計，得到相應部件的設計結果以及不同飛行工況下的功率需求。第三步，開展渦輪發電系統設計，以巡航狀態功率需求為基準，完成原動機、發電機參數化設計。第四步，開展儲能系統設計，根據飛行包線以及不同飛行工況下的功率缺口或盈余，完成電池設計。第五步對形成的總體初步方案迭代優化。基本設計流程如圖2所示。

圖2 基本設計流程

表1 一種基準布局方案以及4種對比方案

圖3 推進器布局方案示意

一種基于小型通用航空飛行器的混合動力系統方案設計

本文的背景飛行器假定為一種具備短距/垂直起降能力的小型通用航空飛行器，其構型參考了羅羅公司的eVTOL概念飛行器以及NASA根據泰克南P2006T飛機改裝的X-57驗證機。將傾轉機翼/尾翼與分布式推進相結合并應用于小型通用航空飛行器，可兼具旋翼和固定翼的特點，實現有限空間短距/垂直起降以及高效率平飛巡航，更加適合城際之間的中短程飛行。根據背景飛行器的定位，給出主要的設計目標為1.5t級小型通用航空飛機、可搭載4名乘員及行李、可完成城際間的中短程飛行、可實現垂直起飛/降落且具有不低于同類型飛機的燃油經濟性。

為滿足垂直起降及平飛巡航的動力需求，采用“大槳+小槳”的布局（類似于X-57）。大槳在地面低速狀態具有較高的力效（拉力/功率），可有效降低垂直起飛階段的槳盤功率需求；小槳在高空高速狀態具有較高的推進效率。為研究不同推進器布局（螺旋槳尺寸、數量）對動力系統設計結果的影響，此處給出了一種基準布局方案以及4種對比方案，如表1和圖3所示。

此處采用串聯式混合動力系統構架，以小型渦軸發動機作為原動機，與發電機共同組成渦輪發電系統，并與儲能系統共同驅動分布在機翼和尾翼前緣的若干電推進單元。設計方案中配備有能量綜合管理系統，負責電能的調度與分配：當渦輪發電系統的輸出功率大于整機需求時，儲能系統處于充電狀態，實現能量回收；當渦輪發電系統的輸出功率小于整機需求時，儲能系統處于放電狀態，填補功率缺口。

以飛行器性能指標及相關設定作為設計輸入和設計約束，選取合理的部件性能參數，開展混合動力系統參數化設計并得出結果。基準方案中，整機峰值功率（垂直起飛狀態）需求為546kW，巡航功率需求為104kW；渦輪發動機額定功率為199kW；動力系統理論最大功率為580kW，各部件總質量為291kg（占比19.4%）；電池最大功率為465kW，質量為194kg（占比12.9%）；燃油質量為171kg（占比11.4%）。根據不同工況動力分配優化結果，基準方案下，垂直起飛階段大槳拉力占比接近80%，說明起飛狀態處于設計點的高效率大槳可有效降低功率消耗；巡航階段大槳拉力占比為零，由小槳輸出全部拉力，說明此時低效率的大槳完全成為負擔，關閉大槳電動機成為最優的選擇。需要指出的是，關閉后的大槳處于風車狀態，會產生一定阻力，而該阻力會計入整機阻力中，將在整機升阻比中有體現，可在飛行器初步設計以及氣動性能計算時一并考慮。

圖4 螺旋槳直徑與槳盤功率的關系

圖5 螺旋槳數量與總功率的關系

影響因素分析

螺旋槳布局的影響

相比于基準方案，增加大槳的直徑可以顯著降低峰值功率，減小儲能系統質量，反之則會使功率需求大幅增加。這是由于較大尺寸的螺旋槳具有更高的力效，可有效降低整機峰值功率需求，從而減小功率缺口、降低儲能系統容量，使得動力系統、儲能系統質量減輕。在相同拉力需求的前提下，螺旋槳直徑與槳盤功率的關系如圖4所示。由圖4可知，槳盤功率隨著直徑的增加呈指數級下降，當螺旋槳直徑增大至一定范圍后，曲線變化方趨于緩和。可見對方案設計而言，槳直徑是一個較為敏感的影響參數。

相比于基準方案，改變分布式小槳的數量對于方案設計結果的影響十分有限，各方案均較為接近，無顯著差異。這是由于電推進系統的特點所致，即在電動機技術水平等前提條件不變的情況下，電推進器數量對總功率需求無明顯影響。在總拉力不變以及螺旋槳性能參數不變的前提下，螺旋槳數量與槳盤總功率的關系如圖5所示。當螺旋槳數量增加至一定范圍后，槳盤總功率需求趨于穩定。需要特別說明的是，由于螺旋槳拉力與功率并非嚴格的線性關系，故當螺旋槳數量較少時，單個槳盤的負載較大，功率需求增長較快，即圖中曲線左側部分出現明顯上揚，呈非線性變化。當螺旋槳數量增加至一定程度后（例如圖中槳數大于8個），曲線變化方趨于穩定。可見對方案設計而言，僅從動力系統需求上看，螺旋槳數量成為一個不敏感的影響參數。

儲能系統容量的影響

由以上分析可以看出，儲能系統容量對方案設計結果具有較大的、直接的影響。此處以電池質量為優化參數，取消飛行器總質量的限制，分析電池對方案設計的影響。

飛行過程中能量分配策略為巡航時以混動模式為電池充電，充滿后切換為純電模式，當電池剩余電量達到應急儲備電量時再切換為混動模式，以此交替。通過增加電池質量，巡航時間與飛行器總質量的關系如圖6所示。

由圖6可知，隨著飛行器總質量增加，巡航時間亦隨之增大，但這一趨勢隨著總質量的增大而逐漸放緩。盡管增加電池容量可以提高續航能力，但是電池在充電過程中質量是固定的，不像燃料在飛行過程中會逐步消耗，隨著電池質量占比的增大，動力系統負擔快速增加，能量消耗速率增大，最終“能量供需”趨于平衡。可見通過增加電池質量來提高航時的辦法會隨著電池質量的增加越來越困難。

圖6 巡航時間與飛行器總質量的關系

圖7 油電配比與巡航時間（上）、耗油率（下）的關系

油電配比的影響

對于推進系統的設計而言，飛行器性能指標是確定的，不能無限增加電池質量或飛行器總質量。故需要在給定的質量限制范圍內，綜合考慮燃油和電池對于推進系統性能的影響。

在不同飛行器質量設計目標下，給定設計載荷質量占比，將剩余的質量裕度按照比例分配給電池和載重燃油。設該比例為α，α=0表示將剩余的質量裕度全部分配給燃油，α=1代表將剩余的質量裕度全部分配給電池。分析結果如圖7所示。

由圖7可知，飛行器總質量增大和巡航時間增加，主要受益于推進系統能夠攜帶更多的能源執行飛行任務。而由于電驅動系統的加入，油耗也呈現下降的趨勢。但在飛行器總質量保持一定的條件下，續航時間會隨著電池質量的逐漸增加而下降。這表明隨著飛行器設計質量的增加，能源系統（無論是燃油還是電池）的設計裕度也會增加，更多的燃油會明顯增加飛行器的續航時間，而更多的電池電量會降低推進系統的油耗，提高經濟性。

結束語

渦輪混電分布式推進系統作為一種新型動力系統，構架組成與傳統的航空動力系統有著顯著差異，導致其設計流程、方法和思路均與傳統設計有所不同。在混合動力系統中，由于能量來源不是唯一的、能量流動路徑非單向等特點，必須構建以能量綜合管理為中心的設計方法，充分基于動力需求、全飛行包線要求，開展儲能系統與燃油發電系統的協調設計及全局優化。而分布式推進布局則引入了更多的參數變量，使方案設計更加多元、自由，同時也帶來了對布局方案進行優化等新問題。綜合來看，混合動力分布式系統特別適用于峰值功率與巡航功率間存在一定功率缺口的使用場景。應根據任務特點，靈活調整推進器尺寸布局、優化燃油與電池的配比，從而實現更強的續航/負載能力或更好的燃油經濟性。