題:
電動發動機能否提供與目前飛機上的噴氣發動機相同的性能?
lexeter
2016-04-14 15:26:47 UTC
view on stackexchange narkive permalink

我已經查看了該SE網站上有關此主題的各種問題,但我並未真正找到滿意的答案。 此處一些有關電動機與汽油發動機的扭矩和功率的評論很有幫助。其他信息也可以在此處找到。

我要問的基本問題是,假設電池技術將從現在的市售技術中大大進步。只需假設為電動機提供足夠的動力就不成問題,並且電池的重量等於燃料。

是否有可能製造出一種電動飛機發動機,以使目前的商用飛機具有與當今噴氣發動機相同的功能?

假設問題僅與引擎有關(並且我們享有無限的電池性能)-我唯一能想到的就是電動引擎無法進行加力/再熱。但是,我相信很少有“商用”飛機能夠提供此功能。
感謝您的評論。是的,我只詢問引擎(和飛機)功能。我想知道是否有任何固有的特性使電動機不適合用作飛機發動機?
一個問題是名字:渦輪風扇/渦輪螺旋槳發動機依靠“渦輪”機械,即燃料燃燒,用來驅動軸的排氣,反過來又使更多的空氣進入燃燒室,從而產生更高的壓力,從而增加了可用功率。整個概念不適用於電動發動機,因為沒有排氣可以使用,並且壓力與發動機的效率無關。除非我忽略了一種將非渦輪增壓器驅動到高於常規螺旋槳速度的方法,否則您可能暫時會看到“普通”螺旋槳和有限的速度。
如果您使用的是電動機,那麼它不是渦輪風扇,而是管道風扇。現代噴氣機的渦輪發動機核心周圍環繞著大型旁路風扇。電動機將取代渦輪的整個核心,因此您將獲得一個管道風扇。
@DevSolar我想假設風管風扇的速度限制不會像渦輪螺旋槳飛機那樣。我在想類似高旁路渦輪風扇的東西,但有一個電芯。我不是專家,但看起來和我相似。
您的電池重量會立即燃燒嗎?即使您將發動機/燃油系統的每個特性配對,我的實際客機每小時也要減輕幾噸的重量
我認為您不能簡單地將電波技術拋棄。鋰離子電池提供約250 Wh / l和350 Wh / Kg。大多數石油餾出物(從汽油到噴氣燃料)約為9000 Wh / l和13,500 Wh / Kg。而且有充分的理由(例如其原子量和高半反應潛力)為什麼我們不太可能比鋰做得更好。
這裡的根本問題是熱力學定律。假設您的電池可以為噴氣式飛機提供動力,那麼為電池充電而不是直接使用噴氣式飛機燃料將花費更多的燃料。這就是當今電動汽車的問題。
不,@user3344003,並不是電動汽車的問題。您忘記了,電動汽車將儲存的瓦特小時轉換為內燃機的效率要高出五倍。因此,即使您的充電/放電往返效率僅為50%(實際上更好,約為80%或更高),電動汽車仍將消耗更少的電能。但是在飛機上,電池質量是一個更糟糕的問題,因為您一直在不斷地消耗能量以使其保持在空中。保持電動汽車(及其電池)在地面上滾動的負擔不大。
您仍然必鬚髮電並將電傳輸到汽車。比較用天然氣和電力為房屋供暖的成本。
你的意思是這樣的嗎? http://www.scientificamerican.com/article/impossible-electric-airplane-takes-flight/
“假設為電動機提供足夠的動力不是問題”,請停止關注電池及其相關的重量。假設電力來自即將被發明的超高效輕型核反應堆。
十一 答案:
Peter Kämpf
2016-04-14 17:26:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

還沒有。

要查看中程飛機,讓發動機基於 CFM56 IAE V2500。這些發動機產生100至150 kN的靜態推力。在巡航中,由於巡航高度密度低並且以0.8馬赫的速度運動,它們的推力大大降低。讓我們使用25 kN的值-足夠使它們中的兩個可以輕鬆地將 A320機身從高空推入稀薄的空氣中。

推力的大小是力乘以速度。在 35.000 ft中以0.8馬赫的速度飛行時的速度為240 m / s,因此一台發動機產生的功率為6.0 MW。現在,讓我們看看要連續生產6兆瓦的電動機有多大和重。從鏈接的Wikipedia頁面上可以看到,結果無處不在。大型工業電機的功率不到1 kW / kg,因此我們的電機重量將超過6噸。用於電動飛機的較小型電動機的推力為10 kW / kg,即 GE90渦輪風扇的功率重量比,但按比例放大時會損失其中的一部分。請記住,即使效率達到98%,電動機也會產生120 kW的熱量-需要將其清除,在稀薄的空氣中運行也不容易。

使用當前技術,電動機可以達到2到3 kW / kg-這意味著驅動我們假設的發動機的電動機的重量為2至3噸。此外,風扇和噴氣發動機的整流罩(我們將不需要高壓部件和所有渦輪機),但是風扇重量增加了一倍,因為我們需要補償缺少的高能核心流量。這可能佔CFM56 / V2500的50%,所以我們需要再增加1.2噸。

電動機的重量是其更換零件的兩倍。在獲得當前噴氣發動機的優勢之前,還有一些工作要做,但是它具有一定的潛力,因為它不會將提供給它的能量的一半傾倒在船外熱,快速移動的嘈雜氣流中。 p>


編輯:

由於這麼多人對我感到興奮,而忽略了電推進的能量密度方面,儘管這個問題確實明確希望將其排除在外,但以下是 >兩點要考慮。能量密度只是蓄電問題的一半。

  1. 噴氣燃料的能量密度約為43 MJ / kg,而鋰聚合物電池甚至達不到一個MJ / kg。但是這種比較是線性思維-實際上,電流將由高效的渦輪發電機組合產生,或者由燃料電池產生,其燃燒氫的效率是傳統噴氣發動機的兩倍。由於氫氣每公斤可裝填142 MJ,效率是傳統飛機的每噸煤油的兩倍,因此電動客機只需要162 kg氫氣。是的,我知道,即使那樣它的體積仍然會是一個問題。
  2. 如果使用任何形式的電池,那麼空電池重達滿電量這一事實是電池棺材中的最後一個問題。動力的飛行。當您的平均遠程噴氣機降落為其起飛重量的60%時,由電池驅動的噴氣機將需要將這些笨重的電池一直滑到最終目的地。為了具有競爭力,這些假想的電池需要具有兩倍的煤油能量密度。
  3. ol>
您提到的引擎是經久耐用的,並且可以承受劇烈的誤操作。沒有人要求他們輕裝上陣:)因此,確實還有一條路要改善重量/功率比:)
該分析未考慮電動飛機的電源重量與噴氣飛機的燃料重量之間的關係。
@RussellBorogove:請閱讀問題。並了解它。
@GabrielVince: Prius發動機的功率為1.37 kW / kg。它是為減輕重量而製造的-它是汽車發動機,而不是固定式工業發動機。我假設2-3 kW / kg,眾所周知,重量是飛機的重中之重,但是使用當前的技術,您將再也沒有比這更好的了。畢竟,該馬達需要像飛機上的其他任何部件一樣經過認證。一級方程式賽車的情況會有所不同,但是我們仍然在這裡研究民用航空。
謝謝您的回答-正是我想要的。我沒想到的一個方面是消散電動機產生的熱量的問題,這非常有趣。
-1
-1
@lexeter我認為這不是一個大問題。我進行了計算,如果您的引擎只有1m²的外部表面積可用,那麼散熱量(以W /m²為單位)將已經小於您的平均CPU散熱量。儘管這對於汽車應用來說是個問題,因為大量的冷空氣需要大而醜陋的勺子,但是對於基本上將是大型台式風扇的東西來說,這無疑是一個問題。
@sanchises嘗試在滿負荷運行的高端CPU上覆蓋一平方米,並查看空氣冷卻的工作狀況。 :)
@reirab我專門說過“平均” CPU(45W /269mm²)。其次,嘗試以900km / h -50°C的氣流冷卻該平方米-與CPU冷卻器(甚至是高端)有很大的不同。
@sanchises啊,我錯過了平均水平。儘管如此,我還是敢打賭,即使有這種氣流,您也會遇到麻煩,尤其是在飛機飛行的大氣壓下(海平面值的1/3到1/4)。
@sanchises感謝您運行數字!我毫不懷疑您的計算超能力,但您是否考慮過海拔降低的空氣密度?儘管我認為稀薄的空氣很難散熱,但也很冷,這反過來應該有所幫助。但是,不知道兩者中哪個影響更大。由於它取決於許多因素,因此可能不容易回答。
@lexeter請隨意懷疑我的計算能力;-)而且,我沒有計算實際的發動機溫度,只是一個數量級。如果您真的很感興趣,那麼我擁有的這本超過950頁的書(熱傳遞的基礎,F.Incropera等人)是一個不錯的開始。
渦輪風扇發動機設法從核心散發出大量的熱量。並不是所有的東西都花光了。我不知道它是否等效
氫燃料電池的能量密度很小。可用一百次,但由於其他原因未使用。
“請記住,即使效率達到98%,電動機也會產生120 kW的熱量-必須將其清除,而在稀薄的空氣中運行並不容易。然而,噴氣發動機設法在相同的氣氛中帶走更多的熱量。也許您可以在電風扇上安裝某種電風扇以進行冷卻....有趣的是,有98%的電風扇處於卡諾效率的極限範圍內(假設空氣不是液氮,並且發動機在此條件下運轉)。鎢的熔化溫度)。
*“電動機必須連續生產6兆瓦。” *您是否建議噴氣發動機在整個飛行過程中以100%的油門速度運行?如果電動機被設計成可以間歇地(即,在起飛期間)處理高於其額定功率的功率。商業上可能沒有很好的例子,但是像噴氣發動機一樣,飛機電動機必鬚根據應用進行定制,並且您可能正在尋找比最大功率更接近巡航功率的電動機。
直到今天還不知道英語中也存在“ schlepp”:*)
彼得,在這個問題上很好的評價。是的,主要問題在於電機的重量以及當前電池技術的能量密度。一種想法可能是使用化學燃料為燃料電池提供動力,並利用來自電池和電動機的多餘熱量來增加從管道風扇進入噴嘴的空氣焓,從而產生額外的反作用力。這只是一個概念,我還沒有做完計算後再計算一下電動機,燃料電池,熱交換器等的總重量是否會比現有噴氣發動機輕。
@CarloFelicione:我同意,燃料電池可能是一種選擇。在過去的20年中,它們的重量下降了很多,但它們需要再縮小一個數量級,才能領先於所有其他選擇。
-1
氫氣每公斤不填充142 MJ。這就需要一些永遠不會存在的神奇容器。氫需要極重的壓力箱和/或具有笨重/重絕緣的極重的冷凍系統,和/或低壓複合物箱,它們會壟斷飛機的體積,並具有滯留和結冰的問題。 ...儘管有許多嘗試,但仍有一個原因是氫能飛機仍然存在:稀有,價格過高且表現不佳。
-1
-1
-1
@PeterKämpf,該齊柏林飛艇上有很多用於“氫動力”飛行器的汽油箱。維基百科仍然表示,僅使用氫氣就可以運行100個小時(但引用了沒有這樣說的來源)。 ...即使這是真的,您也會注意到,根據該問題,系統性能僅比噴氣動力飛機低* skosh *。
任何基於燃料的發電都會破壞電動機的作用。您也可以輕鬆地將氫供入ICE或噴氣發動機(或禁止上天的火箭發動機)中。
@Aron:不一定。如果您將燃料電池加電動機的效率與燃氣輪機的效率進行比較,則燃料電池必將勝出。
-1
-1
_使用當前技術,電動機可能達到2到3 kW / kg _螺旋槳電動飛機上的現有電動機在Siemens Extra 330LE上達到5kW / Kg。高溫超導電動機的功率約為〜8kW / kg,很快就有可能達到其兩倍的良好前景。
@kert:謝謝您的信息!我一年前以目前的知識回答了這個問題,並考慮到發動機功率“是可比驅動系統的五倍”([來源](http://www.siemens.com/press/en/feature/2015/ Corporate / 2015-03-electromotor.php?content [] = Corp))答案幾乎是有先見之明的。只有較小的發動機才能實現更出色的功率/重量比。一旦擴展到班機規模,仍然不可能達到8或10。
實際上,NASA的設計功率為12兆瓦時為41kW / Kg。高溫超導體。參見https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20150023038.pdf
@kert:既然您沒有真正閱讀鏈接到的內容:這是使用一些英勇假設的預測。請注意,我說的是最新技術。扭曲的MgB $ _2 $根本還沒有出現,儘管對美國宇航局一廂情願。問題是關於當前的飛機,而不是美國宇航局的宣傳增加資金的想法。
不,我沒有讀過這篇,還有其他材料。該研究團隊與AFRL合作之前曾生產過HTS功率為8kW / Kg的工作電動機,該電動機在其他許多研究中也得到了引用。將成就加倍是在近期內完成的,並且對> 40kW / Kg進行了建模,沒有任何基本限制。
gusto2
2016-04-14 16:19:22 UTC
view on stackexchange narkive permalink

引擎很棒。電動發動機可以快速,強大且有效。我看到兩個問題:

首先-商用飛機消耗的大量能源。單引擎輸出200kN,您需要在飛機上安裝小型動力裝置。即使電池是100%有效的並且可以存儲足夠的能量,您也需要燃燒大量的燃料才能對其進行充電(您將需要大量替代能源來匹配所提供的能量)。 >第二-都是關於能量密度的。噴氣燃料的功率為34 MJ / l,電池的功率最高為120 Wh / kg = 0.36MJ / kg(根據此站點)。因此,您需要多於100倍的空間來存儲相同量的能量。

只需搜索“電動飛機”,您將獲得列表,這些列表主要是小型,超輕或自行式滑翔機,而滑翔機卻沒有不需要攜帶很多能量。

您已經將@GabrielVince,釘在了頭上,這完全與能量密度有關。目前開發中最好的電池技術大約是鋰離子電池的5至7倍,但是與碳氫燃料相比仍然微不足道。即使是炸藥,密度也不匹配-C4僅6.3 MJ / kg!
謝謝您的回答。如我的問題所述,我知道電池技術問題。我想知道是否有任何固有特性使電動機不適合用作飛機發動機。您的答案的第一段表明情況並非如此,我們可以製造與渦輪風扇具有相同功能的電動機-唯一(公認的巨大問題)是為這些電動機提供足夠的能量。
電動機不必從電池中獲取所有能量。一個人可以在船上裝一個小型核電站(如果它裂變也許不是一個好主意,但是如果有人認為在某個時候可能有小型核電站……)。在您對這件事不以為然之前,請記住人們對核動力船/潛艇也是如此。
@abligh當前的核動力船由軍隊擁有和運營。他們具有適當處理裂變材料的知識,也許更重要的是,有防禦裂變材料的武器。就聚變而言,目前沒有能產生小規模或其他形式淨能量輸出的聚變反應堆。至少從1940年代開始,融合力量就已經“離開了十年或兩年”。
@reirab我同意。但是OP並沒有將他的問題局限於民用飛機。 OP還假設電池技術取得了巨大的進步,因此同時承擔融合技術的取得併非沒有道理。我認為,關於引擎重量的爭論比關於動力源的爭論更為相關。可以說,以渦輪機為基礎的系統,核動力飛機要比上電和上電更有效率。
“一個人可以在船上安裝一個小型核電站”-如果您擁有一個核電站,則可以直接利用其中的熱量:https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear-powered_aircraft
-1
-1
@Aron不,我不是說*我*可以使它工作。但是,科學家提出的建議是,在他們60年前未能做到的未來20年中做些什麼,這似乎是合理的。
@abligh不,實際上不是。問題空間很簡單。核反應堆具有放射性。人類與放射線不混在一起。屏蔽很重(科學事實,它們必須具有較大的橫截面)。重型飛機不飛[需要引用]。不要讓我開始中子輻射和聚變。
而且-別忘了飛機失事-每年幾次:)您不想在您的花園中發生墜毀且故障的核電站
當您建造可能出現巨大火球的核反應堆時,@abligh還會使人變得緊張(請參閱切爾諾貝利,福島和風鱗)。
reirab
2016-04-14 20:05:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

與用於航空推進的燃料燃燒相比,電池始終具有一個重要的缺點:重量保持恆定。客機(尤其是用於長途飛行的客機)在飛行過程中會燃燒掉很大一部分起飛質量。但是,電池會不斷保持其初始質量。這是一個有很多原因的問題:

  1. 最明顯的原因是,該飛行需要更多的能量。即使您獲得的電池具有與噴氣燃料相同的能量密度,並且也很穩定(我們目前還很遙遠),飛機在整個飛行過程中仍需要攜帶全部電池。因此,隨著飛行的進行,即使電池具有與燃料相同的能量密度,電池供電的飛行每英里所消耗的能量也要比燃料驅動的飛行多得多。這也意味著在相同的範圍內,甚至需要更多的電池質量,因為電池需要額外的能量。

  2. 另一個大問題是最大著陸重量。許多客機的設計並不能僅僅因為不需要而以最大起飛重量著陸。這就是為什麼有時需要將燃油傾倒或燃燒掉的原因之一,飛機起飛後遇到問題才可以再次著陸。但是,有了電池,著陸時您仍然會承受起飛重量,這意味著您將需要更堅固的起落架和輪胎,這意味著還要更多的重量和設計/製造成本。這也意味著您將更快著陸(由於額外的重量),因此您將需要更多的跑道長度才能著陸,並且需要能夠吸收更多能量的製動器。飛機的動能等於其質量乘以速度平方的一半,因此,著陸重量和速度增加時,著陸期間制動器必須吸收的能量急劇增加。

  3. 一個不太重要但仍然很重要的問題是對跑道表面的更多懲罰。由於飛機現在降落在其MTOW附近,因此跑道表面將比現在更快地受損,並且需要更頻繁地重鋪表面和/或設計用於更大的載荷。這也可能意味著,在這些跑道得到加強之前,該飛機將無法使用原本相當於燃料的飛機所能使用的那麼多跑道。

  4. ol>

    當然,您可以在電池耗盡時開始拋棄電池,但這(顯然)也有很多問題:

    1. 為了耗盡一些電池您將無法比其他任何人更快地汲取所有電池的電量,這意味著每個電池的耗電量更高(因此,每個活動電池每單位時間產生的熱量更多,等等)。

    2. 您需要設計飛機以便能夠安全地拋棄細胞。這樣做是可行的,但將需要大量的額外設計成本和額外的重量。

    3. 當您開始到處扔掉巨大的電池時,環保主義者不會太高興。業主也不會。現有的電池化學物質已經具有很強的腐蝕性,而具有Jet-A能量密度的電池化學物質可能會變得更具腐蝕性,不穩定,並且無論其掉落在哪裡,都不利。

    4. ol >
謝謝。我知道1和2,但不知道3。我不知道重新鋪裝或加強跑道設計的成本是多少。但是,我認為,如果我們的文明開始使用電動客機,那麼發展更堅固跑道的動機就足夠大了,以至於有人會提出解決該特定問題的方案(例如,廉價的新型超強瀝青配方)。
@lexeter我們現在可以構建更強大的跑道,這更昂貴,而且不會一overnight而就。在進行投資之前,機場必須有大量需求,尤其是在機場關閉跑道重新鋪面而導致施工期間出現嚴重交通頭痛的機場的情況下。
燃料電池呢? :)
@sanchises問題是專門詢問電池。另外,為什麼要使用帶有燃料電池的電風扇,而不是直接在發動機中直接燃燒燃料?後者幾乎肯定是更有效率的,更不用說設計和維護的複雜性了。
-1
@Mark Hmm ...雖然Wiki總是含鹽食用,但[考慮到40-60%是典型的](https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell),然後才考慮轉換電的損失推進。而且,就像我前面提到的,這並不是真正相關的,因為問題是關於電池,而不是燃料電池。
alan bradbury
2016-08-29 01:51:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

The biggest advantage of 'going' electric is that electric fans are way more efficient than a jet turbofan. A jet turbofan creates 75-85% of its thrust from the fan and 25-15% from the 'core' exhaust stream. The principle is that slower the accelerated air is, the more efficiently you generate thrust, as moving a small volume of air very fast means you lose energy in the kinetic energy of the accelerated air mass. So, bigger (or more) fans, accelerating a larger volume of air at a slower speed is much more efficient. Jet engines already do this by connecting a large fan at the front to the compressor shaft behind it, and this is a high bypass jet engine.

Even so, modern turbofans achieve under 2 Newtons of thrust per kW of energy. This is because the engine itself has low thermodynamic efficiency coupled with the fan being sub-optimised by various constraints that do not apply to an electric fan design. For example, the fans diameter is limited by ground clearance and by the RPM of the compressor drive shaft. It still rotates much too quickly and the tip velocity is capable of going supersonic. This makes for drastic drag loses and noise issues. Consequently the bypass ratio is far too low for really high efficiency, which can only really be resolved by having multiple fans. having additional contra-rotating open blades electric fans for example around the rear of the fusilage can ingest slow air from the body of the aircraft which is more efficient, and they can be placed at multiple points along the wing and tail sections.

Electric fans can, due to the approx 4 times less thermodynamic energy loses and slower tip speed, optimal RPM and slower air exit velocity potentially exceed 20N per kW, and probably get to 35N per kW.At high speeds though I don't know what performance they would achieve but it is safe to say it is going to be a LOT better than a turbofan. Consequently a battery can potentially be competitive at around 500Wh/kg, including power electronics and wiring.

Motor weights depend on power required, since as pointed out its harder to cool a large core. However you wouldn't want to try to replace the fan on a current jet engine but have multiple lower power fans, which means that the power density in kW/kg is going to be higher than in the cases listed above, superconductors not withstanding. Smaller fans also can rotate faster, suiting these kind of motors.

As pointed out above, the REAL issue is not the battery energy density but the battery POWER density - to have not only sufficient power at take-off but also to recharge within a turn around of 20-50 minutes. Since electric aircraft would first be competitive only against short to medium haul flights, a lot of which are internal and have fast turn around times, a power density of around 1kW per kg is needed, and that exceeds the current capability of high energy density batteries by a large margin.

Theoretically, if we can gain greater thrust efficiency (say 60 Newtons per kW) then we could use a lot less energy, therefore we would only need to cycle a portion of the battery capacity and could get away with, say 500W per kg charge/discharge power). In practice the power density stated is a maximum value but occurs at lower energy efficiency and tends to shorten battery life, so the battery would need to probably have a stated power density 50% more to operate efficiently this way.

110 Newtons of thrust per kW of power has been demonstrated with electrostatic ion thrusters (the type used in 'lifters' which you can see on youtube) but this have low thrust density so you have to factor in weight. Increasing the voltage will help with that.

The issue of the plane not becoming lighter as you fly is to some extent important, but the cost saving in fuel and the potential to have many fans utilised for example to assist in airflow around the wing can increase lift at low speed and thereby compensate for increased mass through out the flight envelope. The likely embodiment of contra-rotating propellers each with electrically operated variable pitch blades that can optimise both tip velocity and angle to the conditions along with accelerating a much larger volume of air more slowly will greatly increase the overall efficiency. Electric propulsion in contra-rotating fans is much easier mechanically than one hooked to a diesel or jet turbine, and can suit the high velocity of commercial aircraft (see https://en.wikipedia.org/wiki/Propfan) which shows that contra-rotating ductless fans can offer efficiency advantages. Noise issues are a function of having to link these propellers to individual jet engines which again means high tip velocity as a product of the limitations on diameter and high RPM of the engine. When electrically powered, more fans can be used at much slower tip velocity, this slashes the noise produced.

The weight of the extra fans is partially offset by the gains from taking away the cowling both in weight and drag.

Because of the recharge issue, the likely embodiment will be advanced, higher efficiency engines that recharge the batteries once in cruise and descent, and top-up the energy required during climb. These could use superconducting generators and with an adequate battery reserve risk of catastrophic generator failures should be mitigated.

您可以通過緩慢地飛行來獲得“電風扇”效率的提高。然後取消導流罩,您將得到常規的螺旋槳。這一切都說得通。
大多數電池能夠在不到1小時的時間內充滿電。 30分鐘之內。充分的熱管理不會給10分鐘至80%的電量帶來問題。我不認為這種情況會隨著能量密度的增加而改變,所以我也不明白為什麼功率密度會成為問題。但是,是的,正如彼得所說,我會對您以0.85馬赫的速度每千瓦的推力感興趣。
Max
2016-10-01 17:00:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

所有評論都非常真實有效。我只想補充一點,西門子已經為一台260kW飛機發動機製造並進行了飛行測試,其功率/重量比為5kW / kg,專門針對單引擎ICE型飛機,並認為該設計具有可擴展性,因此可以製造100個座位的區域系列混合動力飛機。即將成為現實。這裡需要注意的重要一點是,混合動力汽車解決了電池能量密度問題以及起飛與著陸重量之間的關係,並且電動機大大提高了傳統ICE(內燃機)的安全性。

嗨,歡迎來到Aviation.SE。感謝您的第一個好的答复。添加對此答案的引用將使其變得更好。
這是西門子網站上有關上述飛機發動機及其在Extra 330LE特技飛機中的使用的鏈接。http://www.siemens.com/press/en/feature/2015/corporate/2015-03-electromotor.php? content [] =公司
Therac
2019-05-25 12:51:55 UTC
view on stackexchange narkive permalink

(儘管這個問題早已得到解答,但我感到有很多可以補充的地方,因為它不斷被問到,而且技術並非完全是靜態的。)

讓我們首先看看功率/重量比率。特斯拉汽車電機的最高數量是8.5 kW / kg。電動飛機專用的Emrax 268的輸出功率約為11.6 kW / kg。

相比之下,Trent XWB在7,550 kg的包裝中以300m / s的流量提供430 kN的推力,相當於64.5 MW的功率-功率/重量比為8.5 kW / kg。但是,這不是蘋果對橘子的比例:這個比例適用於整個包裝,發動機和風扇,並測量有用的輸出,例如汽車的車輪功率。

簡而言之,渦輪發動機仍比電動機輕,但差異並不明顯。全電動發電廠無法堆疊的地方是范圍。我已經回答了另一個問題-是否有混合動力飛機?。簡短的說法是,電動飛機的最大可能射程為專用於電池的重量的每一%為10 nmi。如果堅持使用已知飛機的燃油成分,這會將電動飛機的射程限制為300-450 nmi。

但是在航空應用中,這已經足夠了。現代航空消耗的最重要的不可再生資源-1960年代塞斯納斯和派珀斯的石油供應,沒有這些資源,沒人能負擔成為飛行員-不會永遠持續下去。如果當局允許,量產的特斯拉發電廠可以為教練機和通用航空飛機提供動力,而價格僅是經認證的汽油發動機的擁有成本的一小部分。

Adam Davis
2016-04-15 21:10:09 UTC
view on stackexchange narkive permalink

是的。問題基本上可以歸結為:

忽略功率輸入,電動發動機能否在該噴氣發動機的尺寸和重量範圍內為該噴氣發動機提供等效的輸出?

所以:

噴氣發動機的功率重量比是否比電動發動機大?

https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to- weight_ratio#Electric_motors.2FEmotive_generators

用於波音777的GE90-115B Brayton渦扇噴氣發動機的功率重量比為10.0 kW / kg。

電動用於航空的電動機EMRAX268的功率明顯較低,但達到10.0 5kW / kg。

有些人會擔心電動機是否可以按比例放大,但是在電動汽車行業中可以看到汽車隨時可用,而電動機的大小和體積相對於那些可以在加速度和最高速度方面競爭的車輛,其所需的組件(冷卻,控制)要比汽油發動機小,輕。

更能說明問題的是,電動機及其組件是不僅重量更輕,體積更小,而且價格也更便宜。

電動航空的唯一限制因素是動力源,作為向前邁出的一步,每個主要的製造商都已經在設計混合動力飛機。儘管它們具有噴氣發動機的強大功能,但其燃油效率(以及排放效率)仍未達到應有的水平。為電動發動機提供動力的噴氣燃料發電機可能在十年之內上市。

如果電動發動機無法保持其自身的尺寸,重量和功率,這些混合動力飛機將是不可能的。相對於噴氣發動機。

Jason Hubbard
2016-08-27 13:10:14 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Roughly, potentially, but there are some key differences in the comparison of a jet engine and the theoretical 'electric jet engine', that are very different from the comparison of a car engine to a motor-driven EV.

Most notably, as previously mentioned, is the turbo-fan is mechanically driven by the combustion heat-driven expansion of the air compressed by it's compressor. At cruising speeds (where the jet engine is optimized), this is a much more fuel efficient arrangement than the cruising speed operation of an automobile combustion engine.

Basically, there are two places where the released heat is converted to mechanical energy-- first, much of the heat-release of combustion is captured by the turbine that drives the compressor. Second, the exhaust nozzle also converts heat not captured by the turbine into kinetic energy by accelerating the mass-flow through the engine, converting a pressure delta generated by heat expansion into a velocity delta through nozzle geometry. By comparison, the combustion engine converts the exhaust gas heat expansion into mechanical energy by driving a linear piston, and gains no mechanical energy by exhaust. Generally, turbines are more efficient than pistons at mechanical energy conversion. There's also a tertiary efficiency-- namely that combustion at high pressures more efficiently converts heat to pressure as the gaseous density is higher, so more of the chemical energy of the fuel is converted to kinetic energy in a jet engine than a combustion engine, simply by virtue of the higher pressure of the combustion reaction in the jet engine. The 'downside' for the jet engine is that to make the whole arrangement work fuel efficiently you have to be operating at a significant fraction of Mach, much faster than ground transport can manage safely. Hence, combustion engines rule the earth and jet engines rule the sky in the current paradigm.

So, even assuming unlimited power supply, you would still have to have to have a very efficient motor on an energy cost-efficiency basis. To boot, you would have to have an engine that operated at similar cruise velocities. Even leaving aside infinite power generation, we can still consider that more time in the air is a longer time-frame along which the aircraft must be energy self-sufficient, generally equating to more mass in battery and/or power generation. More mass lowers the mechanical efficiency on an aircraft operation basis, because it is more energy you have to spend to accelerate and decelerate the extra mass.

So in an electric motor driven equivalent, you probably still have something resembling a turbo-fan. Except that your motor is primarily driving your compressor fan, and the turbine is there mostly to recapture some of the energy of compression (which also generates heat) into energy to drive certain engine functions like coolant and lubrication circulation, possibly some power regeneration. So probably a smaller turbine, but this puts you up against the inconvenient fact that compressing air is not very energy efficient as a means of generating thrust. If it were, we'd be running aircraft off compressed air.

What this generically gets at is that the electrification of air travel is likely not to resemble current jet-era technology. It's within the bounds of known technology to apply efficiency of electric motors to the problem of air transport, but the resulting architecture is likely to be very different, much as the fundamental architecture of a full EV is different than a gas automobile. This will likely in addition mean some fundamentally different infrastructure.

E.g. much of the energy of a flight is taken up in the initial acceleration, so it's possible that an Aerial EV would take off from a runway that more resembles that of an aircraft carrier than a flat road, with an assisted launch. Similarly, recapturing the energy on landing could again utilize a system more similar to those seen on aircraft carriers, only dedicated to regenerative capture rather than rapid deceleration.

More directly, though, the fundamental problem is generating thrust at near-Mach speeds. The efficiency of electrical motors at turning electrical power into rotational mechanical power is somewhat mitigated by subsonic and supersonic fluid mechanics, because an aircraft has to generate thrust by accelerating an airflow, or 'pushing' against air in some way or another. At these speeds, propellers basically start to lose their efficiency, and propulsion methods above these speeds therefore rely on the expansion of gasses with the transfer of heat into the gas. So to compete in these speed areas, an energy efficient means of transferring heat to (compressed) airflow has to be devised, which is very different than simply applying known electric motor technology.

“除了您的電動機主要驅動壓縮機的風扇”,這已經發生了,渦輪在那裡只是用來提取壓縮機和風扇所需的能量。
“一次飛行的大部分能量都是在初始加速度中吸收的”-僅適用於非常短距離的低空飛行。對於任何現實情況,您的假設都是錯誤的,並且屬於彈道學領域。
@ Fedrico我的意思是,雖然汽油燃料噴射發動機由渦輪驅動,將燃料燃燒釋放的熱量轉換成旋轉能以驅動壓縮機,但電動機驅動的亞音速/超人性的“發動機”將採用電動馬達作為壓縮機的風扇,因為壓縮機將是機械力最有效的位置,以施加由電動馬達驅動的旋轉能量。在這種佈置中,利用渦輪重新捕獲一些能量仍然是能量有效的,但是渦輪不驅動發動機,而電動機不驅動發動機。
@Peterkampf,空中客車公司的E-Fan已經在其主輪上應用了電動機,以在起飛期間加速,使飛機的速度達到60 KPH左右。地面發射輔助將達到類似的效果,但會減輕飛行器的重量-電子風扇上的發射輔助馬達在整個飛行過程中都是自重的。借助地面發射輔助,您可以節省更多的能源,並擴大空中電動汽車的航程。特別是如果輔助發射為起飛速度提供100%的能量。海軍使用輔助發射進行短距離起飛,沒有理由不能將其用於提高能源效率。
@JasonHubbard:飛機的燃油比例為20%,效率為25%(將化學能轉換為功),其飛行所用的能量佔0.0346%,以加速升至150 kts的起飛速度。在類似的電動飛機上,通過使用彈射器發射,您將能夠節省0.0346%的假定電池容量,或者您可以將其射程擴大類似的比例。例如,您將獲得更高的效率。在途中選擇有利的風,或在輕型結構上花費彈射器費用。
kuda
2016-08-28 19:26:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Well the thing we need to start consideration is that jet engines are capable of providing a very high amount of thrust, yet they function on a simple principle of a gas turbine. Somehow it is possible to make an electric engine for propulsion but it will be complex and very heavy and lower powered. The only way an electric engine would work is to replace the jet engine core with some electric motor sort of, that can rotate the fan disk, creating thrust; however, considering how much torque is required to spin it in order to generate reasonable thrust is a nightmare, also the motor needs heavy batteries.

Keegan
2016-09-02 18:31:51 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Yes, they could. As you said, assuming the power SUPPLY issue has been solved. At it's heart, a jet engine heats air, harnesses the expansion to drive a compressor and in most turbofans drive the "propeller". While presently all jet engines use burning fuel to produce that heat, the underlying principle of the system shouldn't care where the heat comes from. If you could dump enough energy through electric heaters in the combustion section of an otherwise standard engine, I think you could in theory operate the exact same engine off of electricity.

For a modern turbofan, that'd be about 35MW of power you'd have to dump into air heaters in the "combustion" section. This would be a pretty big engineering challenge, but I don't think it's out of the realm of possibility in theory. One option might be using plasma sparks, like an arc welder. Again, electrode lifespan would be an issue, but not necessarily impossible. Credit for this idea comes from this page:http://contest.techbriefs.com/2013/entries/aerospace-and-defense/3129

Carlo Felicione
2016-08-05 12:50:29 UTC
view on stackexchange narkive permalink
除了電池和電機技術外,在商用飛機上使用電動發動機還有一個主要問題,那就是充電時間。商用飛機只有在載有付費旅客和空中飛行時才能賺錢;當他們在地面上時,這是非常昂貴的。常規化學燃料不僅具有很大的能量密度,而且非常容易補充供應。為客機加油需要幾分鐘的時間-在某些情況下,例如A-380或747可能要花費半小時。電池目前需要數小時才能充電,因此這將對旅客或貨運航班的延誤產生巨大影響

就我個人而言,我不認為電動商用飛機可以替代目前的噴氣發動機。也許最乾淨的航空旅行形式是使用碳中性生物柴油燃料驅動的當前高效噴氣發動機。

問題是關於引擎,而不是電池或燃料。無論如何,由於良好的熱管理,大多數鋰電池都接受超過1C的充電電流而不會造成重大損壞。這意味著大約30分鐘即可充電80%。只需看看電動汽車(特斯拉,樹葉等)或具有快速充電功能的智能手機即可。
另一種解決方案是更換電池(的一部分),這可以在數分鐘內輕鬆完成。但是,正如所指出的那樣,問題是關於假設電源不是問題的發動機。
然後,您必須找出將上述電池組安裝在飛機上的位置。如果它們是機翼結構的一部分,將很困難。乘客和貨物已經佔用了機身空間。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
Loading...