通航飞机油电混合动力系统设计与性能仿真研究

作     者：张彦昌 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：闫锋;冒昌伟

授予年度：2024年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：混合动力 电机 发动机 选型 性能仿真 实验验证 

摘      要：“双碳战略背景下,为了实现节能环保、提高燃油经济性和推动可持续发展等多方面目标,从传统燃油飞机到纯电飞机的跨越过程中,混合动力起到了承前启后的角色,油电混合动力飞机采用发动机和电动机两种动力装置组合作为飞机的动力装置,这种类型的动力装置结合了传统发动机高功率密度和电动机的低排放、高效率的特点,使得混合动力飞机能够在各种飞行工况下实现较低的燃油消耗和较高的性能表现。 本文聚焦于通航飞机混合动力系统的设计与性能仿真研究。论文首先阐述了研究的背景和意义,同时分析了国内外混合动力技术的发展现状。其次,论文分析了混合动力系统的结构类型,重点阐述了并联式油电混合动力系统的结构和工作原理。基于对并联式油电混合动力飞机动力需求的分析,确定了以“DA40机型为装机对象,重新设计了一套并联式油电混合动力系统代替原来的动力系统,并通过工程计算对新型动力装置部件进行参数确定与匹配,包括发电机、发动机、螺旋桨、驱动电机和蓄电池的选型,结合模糊控制策略和电机辅助控制策略,考虑到飞机飞行工况的单一性制定了人工标定的电机辅助控制策略。 然后,对混合动力飞机进行性能仿真模拟分析,包含滑跑、爬升、平飞等多种工况,并使用MATLAB的Simulink功能模块进行仿真。结果显示,相同重量的动力装置,在海平面起飞,天气良好无风且环境温度均为15℃的条件下,混合动力飞机比原机型滑跑距离缩短18.7%;爬升到3000米任务高度,混合动力飞机比原机型爬升时间节约51.4%;滑跑起飞并爬升到高度1000米,混合动力飞机相比原机型可以节约67.8%的油量。仿真表明,混合动力飞机各项性能均优于原机型,且随着起飞机场海拔的升高,混合动力飞机优势更加明显。最后,对原机型动力部件和装机的混合动力部件进行了缩比实验,包括实验设备的组成和滑跑阶段、爬升阶段以及平飞阶段的两种动力装置的螺旋桨功率进行实验,结果与仿真结果一致。 本文研究为通航飞机油电混合动力系统的设计和性能仿真提供了理论基础和实践指导,对未来混合动力技术在通航领域的广泛应用和发展具有一定参考意义。