用于运输机的HE涡轮电力分布式推进方法

用于运输机的HE涡轮电力分布式推动方式主要的用处是降低燃料燃烧，减低排放和降低噪声。我们主要考虑的是混和翼身客机的配置，带有嵌入式、分布式涡轮电力推动器，如图所示的N3-X配置。

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对于这些配置，有两个主要的贡献来降低燃料燃烧：更高的推动效率（来自多个吊扇的更大的总电扇面积）和降低边界层的阻力。从那些贡献中的每一个都可以预期降低10%的燃料燃烧。 #

本文主要关注电力分配所带来的燃料燃烧的用处。并且电力分配将使客机配置成为可能，如N3-X，在降低地面上的客机噪声方面虽然是无与伦比的。但是，涡轮发电方式要求在涡轮底盘和推动吊扇之间的客机推动传动系统中插入一些新的部件。 #

这种部件包括发电机、传输线和马达，可能还有高温冷却器和逆变器。为了在可接受的效率下实现飞行重量，大多数组件必须在特别低的气温下运行。

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尽管电力传输在客机设计中提供了几乎前所未有的灵活性，但必须评估降低新部件的一些处罚。那些包括更大的复杂性和可能的可靠性问题，以及降低的部件所带来的重量和低效率。

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这两方面的降低都须要额外的燃料燃烧，这就乘以了预期的效益，所以电力系统既不能太重也不能太低效。

发电机、电动机和输电缆线路预计都将是超导的，以实现高功率密度和高效率。最显著的问题是新组件的重量。聚合的组件虽然对制热系统的功率进行适当的估算，效率也会很高。在个别情况下，总体效率可能接近行星蜗杆箱的效率。

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本文讨论了电气系统中每位部件在重量和效率方面的技术状况。要讨论的部件是马达和发电机（主要在额定功率和轴速方面有所不同），使其保持高温的高温冷却器，分配电力的超导传输线，以及容许吊扇马达独立于发电机轴速而改变速率的电力转换器（逆变器）。 #

涡轮电力驱动系统组件剖析

对于所研究的事例系统，电动机（7700马力）和发电机（53000马力）的大额定功率有利于绕线定子同步机。只有在机器完全超导的情况下才会获得所需的高功率密度，这意味着定子和转子的导体都必须是超导的。 #

这样的机器在图中被示意性地描述下来。定子线圈携带直流电，并形成一个时间稳定的磁场，从定子的旋转参考框架来看，该磁场在空间中近似正弦波变化。在转子参考框架内，该磁场在时间和空间上都近似正弦波变化，并在电枢定子中感应出电流和电压。

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来自转子定子的功率被分配给马达，以驱动推动吊扇。从发电机的转子定子到马达的转子定子，电力通过高温冷却的部件，在高温和温度之间没有任何过渡。 #

转子是用普通导体（一般是铜）绕制的，在温度下运行。为了达到飞行所需的功率密度和效率，马达和发电机中的转子必须是超导的，以达到高电压密度、紧凑和低耗损。 #

转子导体曝露在频度为几百赫兹的交变电压和场（交流）中。为此，我们须要一个低交流耗损的那些定子的超导体；降低转子交流耗损是一个关键的技术开发问题。 #

这种损失可以通过使用小半径的超导细丝嵌入内阻性金属碳化物来降低，如图所示。用于电力应用的较新的超导体之一是YBCO（氧化钇钡铜）。不幸的是，不仅初步研究，这些超导体主要以薄而宽的带子方式生产，其交流耗损高得令人望而兴叹，没有适宜目前应用的补救举措。

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BSCCO（铋锶钙铜氧化物）早已以多丝方式生产，但没有低交流耗损所需的一些关键方面（丝的粒度和高内阻率碳化物）。YBCO和BSCCO在20K到60K的气温下都拥有有用的载流能力。图中的MgB2，是最接近于适宜我们须要的方式的超导体，虽然可以进一步开发。

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不幸的是，它的临界湿度（其超导的最高气温）只有39K，但是它必须在30K以下运行能够承载有用的电压密度。这降低了所需高温冷却器的重量。 #

为了考虑结构要求和各类部件（如轴承和真空容器），对电磁重量进行了60%的任意降低，这已被更详尽的重量计算所替代。新的重量计算超过了原先60%的容许值。

转子的交流耗损模型被扩充到包括涡流和钨丝耦合耗损，不仅曾经包括的磁滞耗损，仍有一些遗漏须要纠正。例如热泄露被忽视了，没有为定子定子的激励器留出重量。每台发电机的风阻损失相当小，约为1马力，但它要求步入高温冷却器的额外功率为15至20马力，每台发电机的高温冷却器重量降低75至100磅。 #

请注意，发电机轴怠速的选择是为了配合涡轮底盘中动力涡轮的最佳怠速，在基线研究中选择为。这个速率高到足以使动力涡轮机的重量大大高于动力涡轮机驱动一个特别大的电扇时的数值。 #

为此，电力驱动提供了与行星蜗杆箱相同的优势，具有类似的效率，这一点将在下边听到。优化过程的一个意外结果是，定子提供的最佳磁场硬度B很低，一般在0.5和1.2特斯拉之间。这其实是由转子的超导复合线和外部背铁屏蔽中的交流耗损逼迫的。

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高温冷却器是一种能形成极低气温的冰柜。我们要求的气温在20K和65K之间。许多类型的高温冷却器可以冷却小型超导电机和发电机，包括斯特林、布雷顿、吉福德-麦克马洪和脉冲管。

高温冷却器中最庞大的部件常常是压缩机及其驱动马达和电力电子设备。因而，对于须要特别轻的应拿来说，涡轮压缩机可能是首选，这有一个附送的益处，即可靠性。

高温冷却器的优点应当是其重量乘以其输入功率。另一个是冷却器所达到的卡诺效率的分数。现有的最轻的冷却器每输入马力重约30磅，对于涡轮电力推动应拿来说太重了。 #

现有高温冷却器的效率的简略上限是卡诺效率的30%左右。除非有液态氢作为冷却剂，否则重型、高效的高温冷却器以及马达和发电机的极低交流耗损是涡轮电力推动的关键要求。我们对高温冷却器的重量设定了一个积极的目标（5磅/输入-马力）。

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一项研究显示，形成了一个涡轮布雷顿高温冷却器的初步设计，如图所示，该设计满足了这一目标，其效率为卡诺效率的30%。这一令人鼓舞的设计必须通过制造和测试一台真正的机器来验证。

这是一个重要的发觉，由于人们普遍觉得高温冷却器是超导涡轮电力推动的一个主要障碍。而压缩机，连同马达和电力电子装置，在大多数高温冷却器的重量中占主导地位，民航级涡轮压缩机将大大降低这一重量。

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在布雷顿冷却器中须要的换热成为一个更重要的部件，必须被设计成具有特别高的效率和低重量。

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我们还没有选择应当使用多少个高温冷却器。其实，排除了所有组件的单一集中式冷却器，由于不容许出现单点故障。可能每位发电机将有一个或多个专用高温冷却器。其实推动器阵列中的相邻马达可能共享冷却器。

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但我们目前的重量和效率模型没有规格依赖性来指导我们选择冷却器应当怎样集中或分散。未来对安全、冗余、重量、效率和成本的考虑将不得不决定这个问题。冷却机器和变频器的一个有吸引力的方式是因此目的携带足够的液态氢，并在冷却部件后在底盘中燃烧。 #

这样就须要更少的喷气燃料。对预计的液态氢油箱重量的简略剖析表明，用乙炔取代喷气燃料将是大致上，混和翼体的重量是中性的，它有足够的未借助空间来存储二氧化碳。

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有了液态氢冷却，就不须要高温冷却器，降低了重量，并可能容许在机器中降低交流损失而降低效率损失，由于“废热”使燃料升温。对于相同的储存能量，液态氢的重量约为三分之一，但容积约为喷气燃料的三倍。 #

超导输电缆线路在这方面的应用还没有得到详尽的研究。许多用于公用电网的地面传输线的研究和示范项目早已完成或正在进行。交流或直流传输都是可能的。

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为了计算，我们使用了每条宽度的重量9.2公斤/米用于70兆瓦的线缆，耗损一般在线缆宽度的5W/m左右，线缆一般在液氮气温下工作，即77K。 #

在未来的详尽研究中，超导电缆的重量为1000磅，被添加到电气系统的总重量中。不仅功率流的方向外，马达和发电机之间没有显著的区别。超导电机的处理方法与发电机完全相同。

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假定它们是由高温冷却的变频器驱动的，这样吊扇的轴速就可以独立于发电机而变化。通常来说，对于客机，N3-X须要14个马达，每位7700马力。 #

驱动推动吊扇的马达也许可以直接从发电机的交流传输线上运行。这就须要适当地选择每台机器的极数，以形成发电机和电动机之间的理想轴速比。在同步电动机的直接交流驱动下，电动机和发电机总是被锁定在相同的速率比上，其实在启动模式下除外。

在飞行过程中，假如马达出现足够的瞬时过载，还会使其丧失同步性。在负载下重新启动可能是不可能的。使用变频器来驱动马达将规避这些不稳定性，并容许马达和电扇以任何所需的轴速运行，与发电机轴速无关。这些速率的独立性会带来各类可操作性和操作优势。 #

传统的固态开关电源转换器是相对高效和轻便的。它们由功率晶体管和合适的驱动电路和混频器组成。它们在地面应用方面早已发展得挺好。

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但是，要达到涡轮电力推动系统所需的效率和重量，还须要进一步改进。一个典型的开关逆变器的效率可能是95%，这对涡轮电力应拿来说太低了。 #

5%的功率损失会抵消很大一部份预期的省油效益，而且须要为N3-X排除大概4MW的热量。效率可以通过广泛的功率晶体管并联来提升，但代价是更高的重量。 #

迄今为止，所晓得的最高功率密度是在一个除母线输入电容外没有混频的逆变器中，大概10马力/磅。近来用于牵引马达的变频器的典型目标是5马力/磅。

研究早已表明，在高温下运行的逆变器可以实现更高的功率密度和更高的效率。这是由于晶体管的正向内阻增加了一个数目级以上，由于更高的开关速和更低的阻值互连，在个别情况下，由于改进了从器件到冷却介质的热传递。 #

更高的开关速率降低了混频所需的电容器的质量，并降低了开关耗损。因为这种优势，在基线研究中为高温变频器设定了效率为99.8%的20马力/磅的目标。包括高温冷却器的重量和功率要求，得出的目标是10马力/磅，变频器加高温冷却器的效率为98.8%。

目前电力系统的期望值与基线系统的比较

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基线N3-X系统的恐怕重量和效率在表1列举了这种数值，以及目前最先进的数值和为本报告更新的数值。更新的数值反映了包括结构器件、轴承、杜瓦、扭矩传输器件和线圈成形器的近似模型。 #

更新的数值还包括转子超导体复合材料中的三种交流耗损机制（超导体磁滞耗损、正常涡流耗损和耦合耗损）。新的部件和损失降低了重量，增加了传动系统的效率。另一方面，近来的SBIR变频器研究，恐怕变频器可以实现比研究假定更低的重量和更高的效率。

我们考虑了两种可能的未来超导体选择：（1）一种假定的类似BSCCO的多丝复合材料，在内阻矩阵中具有特别细的丝；（2）一种进化的MgB2多丝复合材料。对于“BSCCO”系统，与基线研究相比，其净变化是重量的相对较小变化和效率的小幅增强。对于MgB2系统，因为较低的工作气温须要较重的冰柜，因而重量和效率方面的损失较大。 #

预期的燃料燃烧效益和优化方式 #

涡轮电力推动系统的驱动系统的每一个部件就会在重量和效率之间进行权衡。降低客机的燃料消耗是设计中最重要的目标之一，必须评估燃料消耗对降低的重量和推动传动系统的功率损失的敏感性。

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对这种损失的完整评估以及与预期利润的比较，须要对底盘、机体和任务进行彻底的研究，这远远超出了本文的范围。但是，如今提出了一些简略的恐怕飞机部件修理，表明有很大的净效益。首先考虑因为降低的重量而降低的燃料消耗。

假定，作为一个反例，涡轮增压系统在像N3-X这样的客机上降低了20000磅，巡航时的平均客机重量为磅。客机的重量将降低约4.1%。

假定，为了对燃油消耗的影响做一个0阶恐怕，燃油消耗的分数变化与客机平均重量的分数变化成反比。这么，在对降低的燃料负荷进行迭代之前，在任何客机规格调整之前，降低的重量将须要4.1%的燃料燃烧。

接出来考虑来自发电机、电机、变频器和传输线的低效率的驱动系统功率损失，以及驱动高温冷却器所需的功率。这种损失预计将消耗涡轮轴底盘形成的功率的1.5%左右。

假定在迭代和调整大小之前，这种损失须要降低1.5%的燃料燃烧，作为一个0阶恐怕。请注意，降低的重量带来的燃料消耗惩罚比传动系统的损失要大。在迭代和调整规格之前，这种惩罚加上去相当于降低了5.6%的燃料消耗。 #

从更高的推动效率（从更高的旁通率）、从边界层摄入以及从其他较小的益处所带来的燃料燃烧的综合减轻必须大大超过6%，以使涡轮发电方式可行。 #

推动效率的用处是通过使用代码，并假定电扇压力比（FPR）从1.6增长到1.3，由于多吊扇的总面积可能大好多。为1.6和1.3的FPR估算出的推动效率表明，在较低的FPR下，所需的燃料燃烧降低了大概8%。 #

边界层吸收的用处是用参考文献的结果来恐怕的。28.该研究恐怕边界层摄入的用处是降低26%的阻力。这个恐怕是针对客机湿润面积100%的空气摄取，而对于N3-X来说，摄取的空气流过总湿润面积的33%左右。

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为此，在迭代和调整大小之前，我们恐怕N3-X的阻力从BLI降低了8%以上，燃料燃烧从BLI降低了0阶8%。为此，在迭代和调整规格之前，低FPR（8%）和BLI（8%）所带来的燃料燃烧降低量合计为16%。

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为此，在迭代和调整大小之前，涡轮发电系统的净利润是燃料燃烧降低约10%。因为对重量的敏感性小于对效率的敏感性，发电机及其冷却器被优化为最小的综合重量，马达及其冷却器和变频器及其冷却器也是这么。 #

在未来的剖析中，一个更全面的、基于整个客机的方式将是首选。容许同时变化以优化重量的参数是工作体温、极对数、平均定子直径、定子电压负载和机器长径比。 #

低温超导体的重量和效率剖析 #

假定的高湿度在此剖析中使用了具有BSCCO临界电压密度的超导体。虽然BSCCO目前未能在具有足够内阻率的碳化物中生产出足够细的细丝，但还是使用了BSCCO的临界电压密度作为磁场和湿度的函数。

YBCO没有被考虑用于机器的转子飞机部件修理，由于还不清楚YBCO能够以低交流耗损的方式生产。它可能用于定子，但为了便捷，目前的估算是基于定子和转子的相同材料。

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表2中总结了主要部件（发电机、电机、逆变器和冷却器）的重量和效率。这种效率数字考虑到了巡航时50%功率水平的高温逆变器的效率提升。但马达和发电机的交流耗损只在起飞时进行评估。这是由于没有选择在巡航时应怎样增加功率。

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它可以通过降低定子形成的磁场，降低转子电压，或通过组合来实现。所引用的重量和耗损值是基于到2025年至2030年可能出现的一些技术改进。被觉得最容易遭到技术发展影响的两个参数是超导钨丝规格和单位输入功率的高温冷却器重量。

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比如，马达和发电机的结构元素被假设为具有钢的密度。应当考虑更典型的客机材料，如钛和铝。到2025年至2030年，虽然有可能出现先进方式的碳（碳纤维、碳纳米管等），以降低机器的非电磁重量。

表2中的数字可以拿来恐怕降低的部件所带来的燃料消耗惩罚。

包括假设的1000磅的超导传输线的重量，21700磅的电气系统的重量使磅的客机的重量降低了4.5%。为此，降低的重量所带来的燃料消耗的0阶恐怕是4.5%。电气系统损失的功率约为1.5%，这造成0阶恐怕的1.5%的燃料消耗降低。 #

这种损失合计为6%。效益的0阶恐怕是燃料燃烧降低16%，在迭代和调整规格之前，燃料燃烧净降低10%。使用液态氢而不是高温冷却器将使电力系统的质量降低约四分之一，其效率提升到99%以上。 #

二硼化镁MgB?的重量和效率剖析

二硼化镁是一种相对较新的超导体，它早已以复合导体的方式被生产下来，在各类金属的碳化物中嵌入了相对较细的超导丝。进一步的技术改进虽然是十分有可能的，而且须要降低超导电机和发电机转子中的各类交流耗损。 #

不幸的是，MgB2，其临界气温为39K，必须在30K以下运行能够获得合理的电压承载能力。冷却器输入功率与从负载中提取的功率之比是一个卡诺系数，（Tsink-Tload）/Tload，减去机械效率（假设为0.3），其中Tsink被视为300K。

对于Tload=50K的BSCCO，这个百分比是16.7。对于25K的MgB2，该百分比为37。用于MgB2的高温冷却器将假如损失相等的话，MgB的重量必须是两倍以上。但是，MgB2可能会被生产下来，因而使损失高于BSCCO。但是，MgB2的示例系统比BSCCO的重量多出5000磅。

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表3总结了MgB2系统的重量和效率。超导体钨丝的规格、捻距和线径与BSCCO的情况相同。与表2的比较表明，除了是高温冷却器，还有马达和发电机，都比BSCCO情况下要重。发生此类情况是由于发电机及其冷却器被优化为最小的综合重量。 #

发电机显得更重，以降低损失，进而降低冷却器的重量，使综合重量达到最低。现今考虑对MgB2情况下降低的重量和损失的燃料燃烧惩罚的恐怕，估算结果是与“BSCCO”案例的方式相同。 #

电力系统降低的重量比例为（25700+1000)/=0.055.因而，该重量降低的燃料燃烧成本的0阶恐怕是5.5%。动力系统中2.0%的功率损失同样使燃料消耗降低2.0%，总的降低率为7.5%。 #

对于MgB2，假如最小燃料燃烧是惟一的目标，这么涡轮电力推动的益处必须提供小于7.5%的燃料燃烧降低。对于从边界层摄入和较低的吊扇压力比中恐怕出的16%的总效益，在迭代和调整大小之前，有8.5%的净燃料燃烧节约。对于MgB2，进一步增加交流耗损的可能性很大。 #

插在涡轮底盘和推动吊扇之间的相当数目的部件导致了对可靠性的关注。每位部件都有一定的故障机率。另一方面，多个吊扇的存在降低了单个吊扇或吊扇-马达故障的后果。另外，发电机和电动机交叉耦合的能力也降低了一个底盘或发电机损失的后果。 #

在温度下运行的马达和发电机是最可靠的机器之一。在高温下运行大大降低了马达故障的一个主要来源，即随着时间的推移，热激活过程导致的绝缘退化。这些过程的速率随着气温的下降而呈指数级增长。 #

高温系统和超导机器将有其自身的故障模式，非常是因为部件的重复差热膨胀和收缩导致的疲劳。水甚至空气在特别冷的部件上的凝结必须被考虑到，但是一般通过适当的设计来防止。