航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知。可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文首先回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;接着,概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,本文分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。     

混合动力系统建模及能量管理策略应用

针对混合动力系统能量管理问题，在Matlab/Simulink 平台下建立1.8 kW 质子膜燃料电池和锂电池部件级模型，基于部 件级模型建立燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型，采用有限状态机方法建立能量管理模块，制定功率需求计划进行仿真。结果表 明：质子膜燃料电池和锂电池部件模型符合实际特性，燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型工作正常，直流总线电压相对稳定，所 用拓扑结构具有保护储能部件的优点，系统实际功率分配符合能量管理策略。验证了燃料电池/ 蓄电池混合动力系统模型用于能 量管理策略的可行性。     

直接氨SOFC-GT混合动力系统性能及航空应用

建立了基于直接氨燃料的固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,开发了一种架构优化的高功率-质量比的高效发电系统,并研究了燃料利用率和系统燃料分配对系统功率分配、各子部件质量以及其?损失等性能的影响。基于所建立的模型分析了压气机压比、燃料摩尔流量、空气摩尔流量等输入参数对系统性能的影响,在最优性能条件下对系统进行功率-质量比分析。仿真结果表明该系统的净发电效率为56.85%,?效率为50.71%,净发电量为213 kW,功率-质量比为0.730 3 kW/kg,达到美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）为SOFC-GT混合动力系统应用于航空航天领域制定的标准。在此基础上,讨论了该系统在商用飞机主动力和辅助动力上的应用,表明SOFC-GT混合动力系统在航空领域具有良好的应用前景。     

基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能

建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明：设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为082时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0051 1~0058 4 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(25~33)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。     

含氧生物燃料的雾化性能测试及分析

采用离心喷嘴对含氧生物燃料及其与传统航空煤油RP-3不同比例混合燃料的雾化性能进行测试,并分析了该燃料的组分和理化性质对雾化性能的影响.同时,对含氧生物燃料体积分数在50%以下的混合燃料,发展了具有较高精度的雾化颗粒索太尔平均直径(SMD)预估模型.试验结果表明:随着含氧生物燃料比例的减少,混合燃料的雾化性能得到改善,并且随着供油压差的增大,不同比例混合燃料间的雾化性能差距缩小;供油压差高于1.0MPa后混合燃料的SMD均可达到小于40μm的水平.经分析,目前该含氧生物燃料还不能直接应用于航空发动机,需要通过燃料氢化处理或者飞行器硬件改造,才可用于长远期的未来航空.      

液化天然气作为航空燃料的发展趋势及特点分析

为研究液化天然气(LNG)作为航空燃料的可行性,对LNG的特点、发展趋势及作为航空燃料存在的问题进行了分析.采用了横向比较的方法,将LNG与新的航空替代燃料和传统航空燃料进行了比较和计算分析.结果表明:与新的航空替代燃料相比,LNG具有来源广泛、经济性好、发动机适应性强等优点.与传统航空燃料相比,LNG的储量大,可使用100年以上;可燃极限宽、污染物排放低,NOx排放仅为航空煤油的1/4;单位质量能量密度高、成本低,其燃料成本仅为航空汽油的一半,航空煤油的1/3;同时还具有可用于发动机高温部件冷却用的冷能,是一种极富潜力的航空燃料.指出在LNG作为航空燃料方面急需开展动力系统与飞机结构的匹配、燃料相态的有效转化及不同燃料在燃烧室内的反应特性等方面的研究工作.      

质子交换膜燃料电池驱动直流电机转速性能的动态仿真模型

燃料电池具有能量转化效率高、低噪声、低排放、稳定可靠等优点,被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统.燃料电池已经成为无人机、轻型飞机的主动力,并用于大型客机的辅助动力装置.本文设计了应用质子交换膜燃料电池直接驱动直流电机和螺旋桨的方案,并利用Matlab/Simulink构建了仿真模型,模拟燃料电池的动态输出特性以及电动机的转速特性.该模型可以为燃料电池飞行器的研发提供参考数据.     

双碳目标下的氨燃料航空动力研究进展及展望

为了获得氨燃料航空动力应用潜力评价,本文综述了氨燃料的绿色制取方法、氨燃料燃烧特性的研究成果以及氨航空发动机设计过程中可能存在的技术问题和相应的解决方案。综合已有研究成果,本文认为氨燃料航空发动机具有非常广阔的应用前景,采用氨氢混合燃烧在未来有望成为氨燃料航空动力系统的优选方案。     

并联混合动力齿轮传动涡扇发动机建模与性能分析

为对比探究未来大推力航空混合动力系统与传统航空发动机的优劣,本文依托某概念型齿轮传动涡扇(Geared turbofan,GTF)发动机,设计了一个并联航空油-电混合动力系统(hybrid GTF,hGTF),在Matlab /Simulink数字仿真软件中建立相匹配的电动力模型以及氮氧化物NOx排放和噪声预测等性能参数计算模型,并在稳态和飞行任务剖面下初步分析了电动力系统的引入对原基线GTF发动机的性能改变状况。稳态仿真结果表明,大推力等级的并联油-电混合动力系统中,至少需要兆瓦级的电动力系统进行匹配;当电动力系统处于电动模式时,可能会带来低压压气机喘振的隐患;当电动力系统处于再生模式时,电能源相当于经过了电能到机械能再到电能的二次效率损失,不建议采用。飞行任务剖面动态仿真结果表明,相比于传统GTF发动机,hGTF推进系统的燃油消耗率最高下降15%,总燃油消耗节省8.3%, NOx总排放量减少18.8%,各部件起飞噪声总声压级减少1.5~3.3dB。分析结果表明采用并联混合动力系统具有显著提升省油、减排效果的能力,同时也具有一定的降噪潜力。     

以柴油为燃料的燃烧室燃烧效率实验及分析

地面动力常常需要改进利用航空燃气轮机技术,为了研究燃气轮机燃烧室在低工况下使用柴油燃料的燃烧效率问题,采用燃气分析试验方法,对燃气轮机燃烧室在不同进口总温、空气流量和油气比等工况下的燃烧效率进行了研究。结果表明:油气比较低时,燃烧区温度低,燃烧不完全导致燃烧效率急剧下降,随着燃烧室油气比的增加,燃烧效率逐渐接近100%;进口空气流量以及进口总温的增加会提高空气雾化喷嘴的雾化能力以及燃烧温度,燃烧更加充分完全,燃烧效率由96%左右提高至99%以上;总结归纳得到了适用于柴油燃料的燃烧效率预估经验关系式。     

燃料电池无人机动力系统方案设计与试验

针对燃料电池为主能源的无人机（UAV）动力系统,设计了纯燃料电池动力系统、燃料电池/蓄电池（简称燃蓄）被/主动混合动力系统3种拓扑结构方案。以空冷质子交换膜燃料电池为例,搭建了燃料电池动力系统方案一体化试验平台。考虑阶梯型和阶跃型2种加载形式,试验研究了燃料电池自身的动态特性和启动特性。以阶梯型功率剖面的加载形式,试验研究了纯燃料电池动力系统放电特性;以无人机典型任务剖面作为加载形式,开展燃蓄被/主动混合动力系统对比试验研究。试验结果表明：纯燃料电池动力方案适用于低机动小型无人机,燃蓄被动混合方案可满足小型无人机大机动飞行,燃蓄主动混合方案系统可适应中大型无人机更长航时飞行。     

航空发动机氨燃料分析及流量需求计算

为了减少航空发动机由于燃烧含碳燃料产生的碳排放，针对含氨燃料作为航空发动机替代燃料的可行性问题，基于 CFM Leap 1-A发动机的性能参数，运用能量守恒转换关系及氨的化学催化分解反应，对含氨航空燃料的成分配比及航空发动机 氨燃料供应系统和流量需求进行计算。结果表明：氨氢混合物比纯氨具有更好的燃烧性能，可使燃料层流火焰速度达到一些传统碳氢 燃料的水平；氨气可以被分解出氢气并完成氨氢混合，成为一种航空发动机新型替代燃料；确定了新燃料中最优的氨氢比为3∶2； 提出了此种新燃料在航空发动机中的应用方式，并依照航空发动机的性能需求确定了使用新燃料情况下的燃料流量；氨分解所需 热量可由少部分氢气的燃烧来提供。在正确配比燃料中氨氢组分、正确分配燃料流量、并设计氨催化分解系统的前提下，能使得 发动机保持与使用传统碳氢燃料类似的燃烧性能和功率水平，并减少碳排放。     

绿色替代燃料

生物燃料是目前业界绿色燃料研究的一个主攻方向.近两年发展迅速,有多家航空公司已进行了生物燃料的飞行试验.一些航空公司预计,到2025年将有高达25%的航空燃料为生物燃料,2030年时则会增至30%,2040年将达到50%.目前,西方的飞机制造商、航空公司和发动机生产商纷纷与能源和学术界通力合作,开发将来可在民用飞机上...     

RP-3航空煤油综合替代燃料模型构建

基于直接匹配分子结构和官能基团的思路,选取正十二烷、2,5-二甲基己烷、1,3,5-三甲基苯和十氢化萘作为基础燃料,为RP-3航空煤油构建了替代燃料模型。物理替代验证表明该替代燃料模型能很好地反映RP-3航空煤油在亚临界到超临界状态下的主要物理性质。利用所构建的替代燃料简化机理验证了其化学替代性能,结果表明:该模型不仅在高温区和低温区都能与着火延迟时间的实验值良好吻合,而且也能够良好反映燃料的在低压条件下(0.1～0.01 MPa)的着火延迟现象。模拟的物性参数和着火延迟时间与实验值的良好吻合证明了该替代燃料能同时实现物理替代和化学替代,为深刻认识超燃冲压发动机中燃料再生冷却与燃烧过程耦合机理,实现航空发动机再生冷却系统和推进动力系统等多部件联合仿真奠定基础。     

“阿帕奇”直升机使用生物燃料首飞

2010年6月16日,荷兰皇家空军的一架波音AH-64D“阿帕奇”攻击直升机在Gilze-Rijen空军基地完成了一次20min的试飞,使用的是经济型生物-煤油和标准航空煤油的混合燃料。这是直升机首次采用生物燃料与煤油混合燃料试飞。7月巴黎航展上,一位波音发言人称,由RNLAF、波音、霍尼韦尔和发动机制造商通用航空组成的团队创造了一个里程碑,其关键就是研发了一种经济的航空燃料。发言人称:“我们见证了旋翼机新时代的开端。波音因阿帕奇走在前列而自豪。”在“洁净航空煤油”项目下,由霍尼韦尔子公司万国油品公司研发,从藻类中提取天然油与食用油转化成一种生物-合成煤油(Bio-SPK),然后与传统航空燃油按1∶1的比例混合。随后在一架“阿帕奇”的发动机上用这种混合燃料进行了一系列的试验。发动机和机身未做任何改进,而这种燃料达到甚至超过了“阿帕奇”JP-8燃料标准。RNLAF生物燃料测试项目将包含7次飞行,验证旋翼机使用新燃料飞行的技术可行性。在一份声明中波音北欧主席Jan Narlings说,希望这个项目能够帮助刺激航空生物燃料的市场开发,并帮助荷兰改善商用和军用航空的环境性能。被美国空军和海军早就在固定翼飞机上使用混合...     

RP-3航空煤油五组分模拟替代燃料的层流燃烧特性

为了研究一种RP-3航空煤油的五组分模拟替代燃料（包含摩尔分数为14%正癸烷、10%正十二烷、30%异十六烷、36%甲基环己烷和10%甲苯）的燃烧特性,在定容燃烧装置中对初始温度390K、400K和420K,初始压力0.1MPa和0.3MPa,当量比0.8-1.5的该五组分混合燃料进行了层流燃烧特性的试验。通过对火焰照片进行边界提取和测量,获得了火焰面发展规律、马克斯坦长度和层流燃烧速率,并将试验结果与RP-3航空煤油的层流燃烧速度进行了对比,得出结论：温度升高会促进球形火焰面的传播;压力升高或混合气过浓和过稀都不利于五组分混合燃料的火焰传播。在本文的试验工况下,温度对火焰前锋面不稳定性的影响不明显;随着当量比增加,马克斯坦长度减小,质量扩散的作用逐渐增强而使火焰面变得不稳定;压力升高使火焰前锋面的不稳定程度明显加剧,表现为初始压力较高时火焰面破碎情况严重并出现大量细胞状结构。五组分混合燃料层流燃烧速度的峰值出现在当量比1.2左右,偏离该当量比时,火焰传播速度随着偏离量逐渐减小。通过与RP-3航空煤油的试验数据进行对比,发现在试验工况下,该五组分混合燃料与RP-3航空煤油的层流燃烧速度基本吻合。     

燃料电池无人机混合电源动态平衡能量管理策略

飞机电推进的动力系统趋于混合能源形式的发展方向，不同类型的源具有不同的特性，混合能源协调工作的方式可以提高动力系统的性能。本文所研究的飞机电推进系统的能源形式为燃料电池和锂电池所做成的混合能源。针对无人机动力系统工况的特殊性，本文在基于规则的能量管理策略研究基础上，提出了一种基于燃料电池氢气消耗的动态平衡能量管理策略，使燃料电池和辅助电源的能量消耗处于相对平衡的状态，避免了其中一种电源能量先耗尽的情况，可以满足多种工况的变化，提高了混合电源的能量利用率和稳定性，保证了无人机动力系统的可靠性。通过仿真分析结果证明了可行性，最后设计了能量管理系统的硬件并进行了实验验证，通过对实验结果计算分析验证了该能量管理策略的可行性。     

基于金属铝水反应的固体氧化物燃料电池/氦氙布雷顿循环动力系统研究

为提高闭式动力装置续航,本文建立了一种基于金属铝水反应的闭式布雷顿循环与固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)联合动力装置。本文以100 kW为输出功率为设计目标进行数学模型的建立,通过布雷顿循环与SOFC循环换热特点进行迭代分析,分别以最大化铝水放热量和提高铝水反应热品质为目标搭建了两个动力系统,并确定了联合动力装置的功率分配和主要参数的设计。结果表明：以提高铝水反应热品质为目标的系统在效率和能量密度方面更具优势。SOFC输出功率占50.98kW,布雷顿循环占49.13kW,系统发电效率为40.02%。     

煤基喷气燃料代用组分神经网络混合构建方法

为了建立航空燃料的喷雾模型,用于高保真液雾燃烧数值模拟,提出了基于人工神经网络混合模型的煤基喷气燃料代用组分构建方法.基于这一构建方法,重点针对煤基喷气燃料的雾化特性,利用多组分混合燃料的理化性质数据库对神经网络进行训练,获得了混合燃料理化性质隐式预测模型,结合随机投点优化方法,构建出能够很好地模拟煤基喷气燃料目标理化性质的代用组分.结果表明:该代用组分包含了5种碳氢化合物成分,摩尔分数为11.46%正癸烷、23.29%正十二烷、49.87%正十四烷、6.66%异辛烷和8.72%甲基环己烷.通过雾化特性实验,验证了代用组分对真实燃料雾化性能的模拟效果.该代用组分构建方法可以较好地解决混合燃料模拟过程中的非线性问题,通过改变目标理化性质可构建出相应代用组分.      

适用无人机的小型燃料电池控制方法

燃料电池动力系统作为一种长航时电动无人机的动力方案,其燃料电池的控制技术是决定动力系统可靠性和高效性的关键技术。针对用于无人机的小型空冷型开放阴极的质子交换膜燃料电池,考虑面向工程应用的燃料电池整体控制过程,兼顾电堆温度控制和水管理,提出了一种前馈型模糊PID的电堆温度控制方法,同时设计了一种基于安时积分门限法的膜水含量调节策略,以实现对整个燃料电池系统的高效控制。通过搭建燃料电池温度控制与水管理试验平台,对所提出的控制技术进行了试验验证,并与现有温控和水管理方法进行了对比分析。试验结果表明：所提前馈型模糊PID方法在较长时间的燃料电池启动过程中能够较快地达到目标温度,相比于PID方法减少了7%的调节时间,与传统模糊PID方法相当;燃料电池电流持续减小时,所提前馈型模糊PID方法对超调量的抑制效果具有明显优势,其超调量仅为PID方法的34%,为传统模糊PID方法的43%;所提安时积分门限排水控制方法既能防止水淹故障,又可提高燃料经济性,在所给工况中相比现有方法节约了15%的氢气。