飞机推进系统的电气化发展

作者:Patrick Noble,美国西雅图Zunum Aero推进系统主管工程师

为了提供适合短途旅行并且能够降低排放的飞机,Zunum Aero正在利用电气化打造混合电动系统。研发此类多电飞机的挑战在于,需要使用工程仿真技术实现性能目标并减少测试时间与成本。

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Zunum Aero

“在20多年的职业生涯中,我一直依赖ANSYS Mechanical产品研发航空航天领域所需的高优化度解决方案。”

electric aircraft 

美国的13,500个机场给短途空中旅行带来了便利,在短时间内驾车到就近的机场即可乘机出行。

Zunum Aero决定借助电动推进技术缩小巨大的区域交通差距。在波音HorizonX、Jet Blue Technology Ventures和华盛顿州清洁能源基金的支持下,这家公司希望研发一款和当今喷气式轴辐型飞行模式截然不同的门到门空运系统。Zunum Aero的交通枢纽中配备了能够降低排放与噪音的独立混合电动飞机,最终将覆盖到5000个美国二级机场和5000个境外机场。世界各国都在把电气化纳入其低能耗、低排放与低噪音项目中,如:美国的CLEEN项目和欧洲的“清洁天空”项目。

混合电力推进器

为了实现飞机的性能目标,关键要采用高效的空气动力学设计优化低噪音轻量型混合电力推进系统。为了给地面测试提供推进器(导管风扇原型),Zunum Aero利用ANSYS Startup Program获得的ANSYS软件套件中多个产品对组件性能进行仿真。

通过准确采集各个组件的结构、空气动力载荷和热载荷行为,Zunum Aero可以在各方面制定正确的方案⸺从大型结构问题(如:推进器尺寸)到详细的系统接口和接头行为等。在进入产品研发的硬件与测试阶段之前,仿真能够可靠地证明初步设想的可行性,提高效率并优化设计。

Zunum Aero’s Quiet Electric Propulsor

Zunum Aero的静音电动推进器可以提供针对航程优化、配备一体化电机的静音风扇。

 

结构测试与热管理

Zunum Aero静电式推进器把低压风扇、一体式容差电机和控制器相结合。为了解各个推进器组件在各种工作参数、运行条件和失效模式下如何运行,Zunum Aero采用ANSYS MechanicalANSYS FluentANSYS CFX软件开展行为仿真。

在位于华盛顿西雅图附近的Zunum Aero测试中心,设计工程师采用ANSYS Mechanical分析了推进器组件的结构完整性。此软件不但使工程团队能够进行稳态仿真、模态仿真和结构动力学参数仿真,而且还可以帮助工程师了解各个组件的完整响应以及协同运行情况。另外,工程师采用ANSYS CFD模拟了推进器内部和外部流动,以完成空气动力学压力损耗估算和设计优化。

由于热量会直接影响产品可靠性,因此电气组件的温度必须保持在规定范围内。Zunum Aero采用ANSYS Fluent实现热管理。工程师进行CFD流体流动与热传递分析,以预测温度变化与热消耗,设计冷却系统。

虽然该公司仍然处于研发的初始阶段,为实现最佳整机性能进行设计、优化和集成各种热系统,但是Zunum Aero资深首席工程师Dave Bedel表示,如果没有ANSYS仿真软件,他们远远走不到这一步。

Bedel指出:“ANSYS Mechanical的脚本编辑和参数化分析功能对于我们研发Zunum Aero静电式推进器非常重要。在20多年的职业生涯中,我一直依赖ANSYS Mechanical产品研发航空航天业所需的、高度优化的解决方案。”

“如果不采用仿真,预计飞机验证过程可能需要多一倍的时间。”

开展多物理场仿真

交付推进系统并非单学科任务。因此,Zunum Aero动力与推进部门的工程师需要开展协作,对所有可能的设计方案进行探索,从而研发一款能够满足推进需求、具有最低总成本的可交付飞机。

凭借兼容性和集成功能,ANSYS软件中实施的多物理场评估可用于加快设计优化。通过仿真多个设计方案,设计团队无需在测试方面浪费时间或资源,即在虚拟环境的概念验证层面分析更多组件。事实上,如果不采用仿真,预计飞机验证工作可能需要多一倍的时间。不仅如此,ANSYS还帮助Zunum Aero在硬件测试方面节省了数百万美元的资金成本。

Zunum Aero more electric aircraft

高效的短途飞行

Zunum的愿景是在成千上万个机场中实现更少的旅行成本,降低噪音,减少对附近居民的干扰,同时减少排放,以确保更健康的环境。在ANSYS仿真软件的帮助下,Zunum很快将实现其伟大目标,即打造一款获得认证的混合电动飞机。

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