分布式推进系统、飞行器以及推进方法与流程

本发明涉及航空领域，尤其涉及一种飞行器及其分布式推进系统以及推进方法。

背景技术：

民用航空对于经济性的要求越来越高.为了获得更好的燃油效率以及降低发动机的排放，目前民用发动机涡扇发动机涵道比不断增大,已经接近10。不断增大的涵道比和风扇直径，导致了发动机结构设计和部件匹配难度不断增大。

分布式推进系统，突破了传统的发动机结构限制，可以与飞机实现更好的匹配。与传统的动力推进相比，分布式混合电推进系统改善了原有飞机气动结构、大幅提高等效涵道比、降低油耗及减少噪声和排放。

分布式混合电推进系统，例如通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的多个电机/风扇提供电力，并由电机驱动风扇提供绝大多数或全部推力(燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力)的一种新型推进系统概念，其最大的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗量和各种排放。美、欧政府均将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民机动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预研。

公开号cn104670503a的中国专利申请文件公开了一种分布式推进系统，推进系统包括多个电动推进器和发电机装置，发电机装置包括驱动一台或多台电力发电机的内燃机，每台电力发电机电联接至一个或多个电动推进器，使得每台内燃机为多个电动推进器提供动力。电动推进器位于所述机翼的前缘和所述高升力装置的前面，使得在使用中所述推进器所产生的气流流过所述机翼和高升力装置。

公开号为cn104229144a的中国专利申请文件公开了一种带有电力推进装置的飞行器，电力推进装置、电能发生器以及储电和供电装置，其中所述电力推进装置被安置在所述机身的每一侧上，所述电能发生器与所述储电和供电装置被大致沿机身的纵向对称轴线安置。由电能发生器产生电能，然后通过供电装置将电能分配到位于机身两侧的推进装置中以驱动其产生推力。为了解决电能发生器输出功率与推进器需求功率不匹配的问题，该系统中还配备了储能装置和混合动力系统。

公开号为cn104973234a的中国专利申请文件公开了一种采用分布式电动涵道风扇襟翼增升系统的飞行器。其内涵为采用动力源驱动位于机翼上的多个涵道风扇以及位于机身后部的升力风扇系统。

另外，电推进技术成为民用航空的另一个重要研究方向。据公开报道,空客公司e-fan项目在一架小型飞机上安装了2部风扇作为动力源，由安装在机翼上的电池驱动2台30kw的电动机。另据报道，西门子、空客和罗罗联合开展efanx项目，计划研发全新的油电混合动力系统，在机身内集成发电机，然后通过电分配系统传输给电动机，机翼上搭载兆瓦级的电动机提供推力。

公开号为cn107035530a的中国专利申请文件公开了一种混合动力系统，其包括核心涡轮发动机；风扇，其机械地联接于所述核心涡轮发动机；电动马达，其机械地连接于所述核心涡轮发动机和所述风扇中的至少一者；和燃料电池，其用于对所述电动马达提供电能，所述燃料电池作为副产品生成水，所述燃气涡轮发动机在所述燃气涡轮发动机的操作期间将由所述燃料电池生成的水引导至所述核心涡轮发动机，以提高所述燃气涡轮发动机的效率。

目前而言，综合以上的分布式推进系统、电推进和燃料电池应用三方面的现有技术，发明人发现：

现有技术中，有采用如图1所示的分布式推进系统，用燃气轮机1以及发电机10，为蓄电池11供电，蓄电池11驱动多个分布式的推进单元3以达到分布式推进的目的，其燃气轮机1仍旧会有较大的氮氧化物以及噪声排放，且其发电效率仍收到热机循环的限制；或采用如图2所示的分布式推进系统，以蓄电池11为唯一能量来源以驱动分布式的推进单元3，但蓄电池11的能量密度较低，若要满足飞行器的续航里程要求，其重量过重。

因此，本领域需要一种利用电能驱动以减少排放，且结构设计较为简单的分布式推进系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种分布式推进系统。

本发明的一个目的是提供一种分布式推进方法。

本发明的一个目的是提供一种飞行器。

根据本发明一个方面的一种分布式推进系统，包括：多个电动推进单元；多个燃料电池模块；所述多个电动推进单元分别由所述多个燃料电池模块产生的电能驱动，以推进飞行器。

在所述分布式推进系统的实施例中，所述燃料电池模块包括氢质子交换膜燃料电池。

在所述分布式推进系统的实施例中，所述燃料电池模块包括重整制氢装置，用于将燃料转化为供给氢质子交换膜燃料电池的氢气。

在所述分布式推进系统的实施例中，所述燃料电池模块包括分解水制氢装置，用于将水转化为供给氢质子交换膜燃料电池的氢气。

在所述分布式推进系统的实施例中，所述燃料电池模块包括直接醇类燃料电池。

根据本发明另一个方面的一种飞行器，包括以上任意一项所述的分布式推进系统。

在所述飞行器的实施例中，所述分布式推进系统的多个电动推进单元以及多个燃料电池模块沿所述飞行器的机翼的延伸方向布置。

根据本发明又一个方面的一种飞行器的分布式推进方法，包括：

直接或间接利用燃料进行电化学反应产生的电能，分别对应驱动分布式推进系统的多个电动推进单元，以推动飞行器。

在所述推进方法的实施例中，所述间接利用燃料进行电化学反应的步骤包括：采用氢质子交换膜燃料电池，利用燃料重整制氢产生的氢气的电化学反应产生电能。

在所述推进方法的实施例中，所述直接利用燃料进行电化学反应的步骤包括：采用直接燃料电池，直接利用燃料的电化学反应产生电能或利用分解水制得的氢气的电化学反应产生电能。

本发明的进步效果至少包括下列之一：

1.与图1所示的应用涡轮发动机的混合动力分布式推进系统相比，降低了氮氧化物的排放、减小了运行噪音，更好环保性；

2.与图2所示的蓄电池分布式电推进系统相比，飞机重量随运行时间减少，可以降低运行中功率需求，改善了经济性；

3.充分利用了分布式推进特点，降低了独立电池模组的功率负荷，降低系统设计难度；

4.电源模组与推进模组的均为分布式设计，便于系统在飞机上的安装布置；

5.电池工作产生的热能和水进行回收利用，提高飞机整机运行经济性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是现有技术的涡轮发动机和蓄电池的混合动力分布式推进系统的示意图。

图2现有技术的蓄电池分布式推进系系统的示意图。

图3燃料电池分布式供电的分布推进系统的实施例的示意图。

图4包括有图3的分布是系统的飞行器的实施例的示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一些实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

如图4所示，飞行器100包括包括机身110以及机翼111，机身110从飞机100的前端101朝后端102纵向地延伸。机翼111从机身110的纵向其向其外侧对称地延伸，图4仅图示出对称的一侧的机翼111。

继续参考图4，分布式推进系统包括沿着机翼111的延伸方向布置的多个电动推进单元3以及多个燃料电池模块4，电动推进单元的具体形式可以是图4所示的螺旋桨式，也可以是风扇式等其它常见的推进单元结构。电动推进单元3以及燃料电池模块4的具体数量不以图3、图4中公开的数量为限，但由于燃料电池的功率密度较低，燃料电池模块4的数量一般需要大于电动推进单元3的数量，以保证每个电动推进单元3可以拥有足够功率。在飞行器100上，采用多个燃料电池模块4产生电能驱动多个电动推进单元的分布式系统，其有益效果在于，对于传统的燃气轮机而言，其减少了氮氧化物以及噪声排放，燃料电池的效率不受卡诺循环的限制，效率高；燃料电池功率密度低，能量密度高的特点，更适合于驱动分布式推进系统中对于功率要求较低的多个独立的电动推进单元长续航；相对于传统的蓄电池动力系统而言，采用燃料电池模块，随着飞行的进行，其重量随着燃料物质的消耗而明显减轻，经济性好。

参考图3以及图4，在一些实施例中，燃料电池模块4可以包括燃料电池41、空气系统43、燃料储存系统5。在一些实施例中，燃料电池模块4的燃料电池41可以氢质子交换模燃料电池，燃料电池模块4对应还包括氢气系统41，产生氢气与空气系统43输送的空气在电催化剂的作用下进行电化学反应产生电能。氢质子交换模燃料电池相对于其它种类燃料电池的优点在于功率密度较大，且系统简单。进一步地，如图3所示，其氢气来源可以是从燃料储存系统5中的储存的燃料经过氢气系统42中发生重整反应得到，即此时氢气系统42应包括重整反应器，燃料的种类可以是甲醇、乙醇以及汽油等等。如此设计的有益效果在于，不仅随着飞行的进行，其质量减轻，符合现有的飞行器的飞行特性，降低了分布式推进系统飞行器的设计难度以及操作难度，同时也可以利用现有的飞行器中的燃料储存系统5以及相关的燃油管路，进一步降低了分布式推进系统飞行器的设计难度。除此之外，分布式推进系统还可以包括电池组水/热管理系统6、电力输送和分配系统；燃料电池的电能经电力输送和分配系统传输至分布式推进单元产生推力。正常工作模式下，电池模组功率平均分配，供电到电力输送和分配系统，各独立推进单元从汇流条取电。若有出现电池模组失效，功率负载重新调配，继续保证每个推进单元的能源需求；电池组的水/热管理系统6是为保证燃料电池正常工作，并将电池工作产生的热和废水进行回收，提供飞机的其他系统使用。

此外，在一些实施例中，除了采用利用燃料储存系统5除了储存燃料之外，还可以储存水，此时氢气系统42对应发生的是分解水反应，即此时氢气系统应包括分解水反应器，例如光解水反应器。光解水反应相对于重整制氢而言，不仅保留了随飞行过程重量减轻的优点，而且其原料为水，从制氢到燃料电池发电的过程实现全过程的零排放，同时，电解水制氢得到的氢气更为纯净，不会产生使得催化剂中毒的一氧化碳。

在一些实施例中，燃料电池模块4的燃料电池41可以是直接醇类电池，如此即省去了氢气系统42，以对系统进一步简化。但直接醇类电池的缺点是功率密度相对于氢质子交换模电池而言较低，且需要较多的催化剂，成本高。

从上述介绍可知，飞行器100采用分布式推进系统的分布式推进方法包括以下步骤：直接或间接利用燃料进行电化学反应产生的电能，分别对应驱动分布式推进系统的电动推进单元3，以推动飞行器100飞行。

所述间接利用燃料进行电化学反应的步骤可以是，采用氢质子交换膜燃料电池，利用燃料重整制氢产生的氢气的电化学反应产生电能。

所述直接利用燃料进行电化学反应的步骤还可以是，采用直接燃料电池，直接利用燃料的电化学反应产生电能或利用分解水制得的氢气的电化学反应产生电能。

综上，采用上述实施例的飞行器及其分布式推进系统、推进方法的有益效果至少包括：

1.与图1所示的应用涡轮发动机的混合动力分布式推进系统相比，降低了氮氧化物的排放、减小了运行噪音，更好环保性；

2.与图2所示的蓄电池分布式电推进系统相比，飞机重量随运行时间减少，可以降低运行中功率需求，改善了经济性；

3.充分利用了分布式推进特点，降低了独立电池模组的功率负荷，降低系统设计难度；

4.电源模块与动力模块的均为分布式设计，便于系统在飞机上的安装布置；

5.电池工作产生的热能和水进行回收利用，提高飞机整机运行经济性。

本发明虽然以上述实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。