基于多電設(shè)計(jì)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

張?chǎng)? 康凱 齊偉呈

摘要：多電發(fā)動(dòng)機(jī)作為多電飛機(jī)的核心部件，受到歐美國(guó)家的高度重視，本文介紹了多電發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要差異，簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外多電發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展情況，并從總體性能角度分析多電設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)影響，以確保多電發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：多電發(fā)動(dòng)機(jī)；環(huán)控引氣；喘振裕度；循環(huán)參數(shù)；穩(wěn)定性

1 引言

隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，飛機(jī)使用了越來(lái)越多消耗電能的各類機(jī)載設(shè)備，導(dǎo)致其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電功率的需求也越來(lái)越大，動(dòng)力系統(tǒng)也朝著多電化、全電化的趨勢(shì)發(fā)展。多電發(fā)動(dòng)機(jī)不僅結(jié)構(gòu)發(fā)生了較明顯變化，同時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能也會(huì)產(chǎn)生較大影響。本文從性能角度出發(fā)，對(duì)大量電功率提取對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行了分析。

2 多電發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)差異

作為多電飛機(jī)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，多電航空發(fā)動(dòng)機(jī)早在20世紀(jì)90年代初就被歐美國(guó)家譽(yù)為潛在的21世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。從那時(shí)起，美國(guó)和歐盟國(guó)家實(shí)施了多項(xiàng)研究計(jì)劃，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證了相關(guān)的部件和技術(shù)，為研制多電飛機(jī)和多電發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了必要的技術(shù)儲(chǔ)備。

對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油泵、滑油泵以及發(fā)電機(jī)等附件通過(guò)附件機(jī)匣提取發(fā)動(dòng)機(jī)功率，這種功率提取方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的多電發(fā)動(dòng)機(jī)，采用內(nèi)置式整體起動(dòng)/發(fā)電機(jī)為發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)提供所需的電源，用全電氣化傳動(dòng)附件取代機(jī)械液壓式傳動(dòng)附件，發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)也由集中式全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)改為分布式控制系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油泵、滑油泵和作動(dòng)器也改為電力驅(qū)動(dòng)。

與傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，多電發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕、維修性更好、可靠性更高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅能為多電飛機(jī)提供電力還可以作為機(jī)載高能束武器的能源。美國(guó)諾斯羅普·格魯門(mén)、洛克希德·馬丁和波音公司聯(lián)合開(kāi)展的飛機(jī)一體化技術(shù)規(guī)劃研究表明：全新研制的多電發(fā)動(dòng)機(jī)可使重量降低10%～16%，耗油率降低3%～6%，航程延長(zhǎng)20%～30%。

3 多電發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展情況

20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)和歐盟國(guó)家實(shí)施了多項(xiàng)多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究計(jì)劃，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)用主動(dòng)磁力軸承研究計(jì)劃（AMBIT）、靈巧航空發(fā)動(dòng)機(jī)用磁力軸承計(jì)劃（MAGFLY）等，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證多電發(fā)動(dòng)機(jī)所需的主動(dòng)磁力軸承、備份軸承、一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)、分布式控制等部件和技術(shù)。PW公司在IHPTET計(jì)劃第一階段的XTC-65核心機(jī)壓氣機(jī)的后軸承位置安裝了磁力軸承，并進(jìn)行了100h的試驗(yàn)。IHPTET計(jì)劃的10年進(jìn)展報(bào)告宣稱已經(jīng)研制成功了能夠滿足要求的高溫磁力軸承系統(tǒng)。之后，多電發(fā)動(dòng)機(jī)被列入IHPTET計(jì)劃第三階段，在XTC77/2發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)高溫主動(dòng)磁力軸承技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，美國(guó)空軍支持的多電發(fā)動(dòng)機(jī)的SBIR計(jì)劃也已經(jīng)進(jìn)入第二階段，在試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展了磁力軸承系統(tǒng)試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)內(nèi)多電發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)已有一定基礎(chǔ)，在大型磁浮軸承方面的研究取得較大進(jìn)展，已完成試驗(yàn)室研究階段，進(jìn)入民用工程應(yīng)用。磁浮軸承及其相關(guān)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究已完成原理試驗(yàn)驗(yàn)證，在單軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究已取得較大進(jìn)展，完成了試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)，突破了5 自由度磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)及高溫磁軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

4 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響分析

一直以來(lái)，多電發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)均集中在主動(dòng)磁懸浮軸承的研發(fā)，以及內(nèi)置式起動(dòng)/發(fā)電機(jī)一體化設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)布局的影響。但是，更多電功率的輸出，同樣對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響。

發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的動(dòng)力裝置，除了需為飛機(jī)系統(tǒng)提供電源外，還需提供環(huán)控引氣以及燃油泵、滑油泵、液壓泵驅(qū)動(dòng)力。燃油泵、滑油泵、液壓泵功率提取對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，與電功率提取一致，主要影響為提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度、降低高壓壓氣機(jī)的喘振裕度，對(duì)于雙軸渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，還會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，進(jìn)而降低了低壓壓氣機(jī)的喘振裕度。而提供飛機(jī)的環(huán)控引氣，主要來(lái)源為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涵，在高壓壓氣機(jī)級(jí)間引氣或高壓壓氣機(jī)后引氣，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，主要為提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度、提高高壓壓氣機(jī)及低壓壓氣機(jī)的喘振裕度。

對(duì)于多電發(fā)動(dòng)機(jī)而言，取消環(huán)控引氣，增加電功率提取，最直接的影響為降低了壓縮部件的喘振裕度。以民用客機(jī)典型的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，一般軸功率提取為50kW～100kW，環(huán)控引氣需求為1800kg/s～2000 kg/s，防冰引氣需求為3000kg/s～3500 kg/s。在保證飛機(jī)相同的空調(diào)及防冰需求情況下，多電發(fā)動(dòng)機(jī)總的電功率提取將增加到250kW～500kW。通過(guò)計(jì)算評(píng)估，起飛狀態(tài)低壓壓氣機(jī)喘振裕度降低15%～20%，高壓壓氣機(jī)喘振裕度降低10%～20%，渦輪前溫度降低5℃～15℃。從評(píng)估數(shù)據(jù)來(lái)看，多電發(fā)動(dòng)機(jī)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度進(jìn)而延長(zhǎng)高溫部件壽命，但降低了壓縮部件的喘振裕度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作產(chǎn)生了一定的影響，因此，無(wú)論是新設(shè)計(jì)的多電發(fā)動(dòng)機(jī)，還是對(duì)原有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，均需重點(diǎn)考慮壓縮部件的喘振裕度，對(duì)循環(huán)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，以避免出現(xiàn)喘振裕度不足的情況。

在制定發(fā)動(dòng)機(jī)控制計(jì)劃時(shí)，也應(yīng)考慮大量的軸功率提取帶來(lái)的影響，典型的影響為慢車狀態(tài)轉(zhuǎn)速的制定。同樣的，以大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其慢車以上狀態(tài)時(shí)，推力為主要需求，推力主要來(lái)源為風(fēng)扇外涵，所以一般采取風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)。但在慢車狀態(tài)時(shí)，推力需求越低越好，一般設(shè)定為可以穩(wěn)定工作的最低轉(zhuǎn)速，此時(shí)主要考慮核心機(jī)的穩(wěn)定工作情況，因此，慢車狀態(tài)采取高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)。慢車狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力、軸功率均較低，而電功率需求不變，相應(yīng)的，電功率提取比例增加，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差影響變大，極大的降低了慢車狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差。在控制高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變時(shí)，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將大幅提高，推力也將提高10%～20%，進(jìn)而對(duì)飛機(jī)下降率產(chǎn)生影響，需要在保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作情況下，進(jìn)一步降低慢車狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

多電發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種新穎的發(fā)動(dòng)機(jī)，在優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量、提高可靠性等方面有較大優(yōu)勢(shì)。在關(guān)注結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的好處時(shí)，也需要重視大量的電功率提取對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作產(chǎn)生的影響，進(jìn)行性能方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重考慮壓縮部件的穩(wěn)定工作裕度以及慢車狀態(tài)的推力變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈淑芝.基于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的多電技術(shù)研究初步設(shè)想.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009.

[2] 梁春華.歐美積極開(kāi)展多電航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究.國(guó)際航空，2009.

（作者單位：中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）