西门子：利用初步设计和仿真推动下一代推进系统白皮书（14页）.pdf

1、 INDUSTRIES SOFTWARE利用初步设计和仿真推动下一代推进系统使用 Simcenter Amesim 对完整的氢动力支线飞机进行建模内容摘要本白皮书探讨了航空航天工程师在设计可持续飞机过程中面临的挑战。本文重点关注设计初期，研究了氢动力 喷气发动机和氢燃料电池对新一代推进系统起到的推动作用及其对子系统的影响，并最终推动重塑飞机构 型。Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter 软件支持数字孪生技术，凭借此功能，航空航天 工程企业能够通过对流体、热、机械和其他受绿色航空影响的系统领域进行虚拟和物理测试来优化飞机性 能。Simcen

2、ter 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。目录序言3燃料电池飞机概念4推进系统5螺旋桨5飞行任务6空气动力学7燃料电池堆7燃料电池平衡装置9低温罐10超级电容器组11氢气燃烧概念12结语13Siemens Digital Industries Software2白皮书 利用初步设计和仿真推动下一代推进系统近年来，民航部门为了减小对气候的影响，逐年减少 所部署的资源数量。为此，各种工业和学术实体机构 也在协调努力，寻找传统煤油飞机的替代品。在为飞 机推进系统提供动力的可用燃料范围内，氢因其高比 能量和温室气体排放量低而占据有利地位。欧盟委员会的绿色协议设

3、定到 2050 年实现碳中和的 目标，不过氢并不是唯一正在研究的解决方案。可持 续航空燃料是氢气的主要竞争对手，因为它们不需要 对当前的飞机设计和机场基础设施进行重大修改即可 投入使用。然而，燃烧替代燃料会排放二氧化碳 (CO2)，与氢气相比，生产替代燃料在经济上处于劣 势。不过，氢气的主要缺点源于其在环境条件下的特 性。氢气是一种可以直接在涡轮发动机燃烧器内燃烧的能 源。与可持续航空燃料相比，其优势在于其低热值 (LHV)；更重要的是，它不排放二氧化碳。用户还可以 将其作为原料，通过燃料电池堆产生电力。不过气态氢的密度是煤油的万分之一，因此要大量的 加压容器才能储存。氢液化减小了容量需求，但

4、在相 变边界处理零下 253 摄氏度的液体需要高效的隔热系 统和热交换器。在此背景下，本文将混合推进（燃料电池和超级电容 器）的支线飞机(ATR-72)的仿真性能与直接由氢燃 烧推进的相同型号飞机的性能进行了比较。这种比较 是通过 Simcenter Amesim 软件进行的。序言表1：研究中使用的物理属性。属性JetA-1GH2LH2低热值 MJ/kg42.8122.8122.8密度 kg/m*3775-8400.084178.8比热容 kJ/kg/K1.96814.2514.05存储温度 C1515-253Siemens Digital Industries Software3白皮书 利用

5、初步设计和仿真推动下一代推进系统凭借 Simcenter Amesim 中的演示器，我们可直接使 用传统支线运输机的模型开始建模活动。该模型基于 Simcenter Amesim 中的超级组件特征，以功能分解方式表示飞机。该建模方法采用我们的虚 拟集成飞机(VIA)方法来表示各个飞机系统，包括它 们的集成和交互。燃料电池飞机概念图 1：支线运输机的 Simcenter Amesim 演示模型。图 2：燃料电池支线运输机概念的 Simcenter Amesim 模型。我们修改了原始模型以包含新功能，以支持分析由燃 料电池驱动的支线飞机。这种集成模型可以让您细化各方面的要求，例如油箱 尺寸或指定某

6、些设计，例如为飞机提供动力的螺旋桨 数量。Siemens Digital Industries Software4白皮书 利用初步设计和仿真推动下一代推进系统推进系统螺旋桨最初的 ATR-72 型号由两台 PW127 涡轮螺旋桨推动，每台涡轮螺旋桨提供 2 兆瓦的功率。由于现有的燃料 电池无法提供这样的功率，我们用 16 个线性可调螺 旋桨（每个机翼 8 个）取代了涡轮螺旋桨，每个螺旋 桨的功率为 250 千瓦。每个推进装置包含一个螺距缩小的螺旋桨、一个燃料 电池堆和一组超级电容器。这个电池堆的尺寸经设计 可在巡航中提供最大功率，因此并联的超级电容器组 提供起飞和爬升所需的额外功率。安装在 A