綜合電力系統(tǒng)對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響研究

0 引言

未來飛機(jī)向著多電化發(fā)展，機(jī)上越來越多的用電設(shè)備包括強(qiáng)激光武器、動(dòng)能武器、高功率微波武器、電磁脈沖武器等新概念武器都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提出了更高的電功率提取需求。

為了適應(yīng)未來飛機(jī)對(duì)電功率的需求越來越多，和發(fā)動(dòng)機(jī)電氣化的發(fā)展，綜合電力系統(tǒng)在小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)上逐漸成為繼空氣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)外的又一個(gè)重要的系統(tǒng)。另外電力系統(tǒng)中電動(dòng)燃油泵、電作動(dòng)筒可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)附件管路，同時(shí)也支撐未來發(fā)展分布式控制系統(tǒng)。

1 綜合電力系統(tǒng)概述

“電力系統(tǒng)”本質(zhì)上是在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)一定程度的電功率直接提取，并用于發(fā)動(dòng)機(jī)附件或飛機(jī)附件。這與“多電技術(shù)”的核心理念基本相同：采用電力作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)上的次級(jí)功率系統(tǒng)原動(dòng)力，即使用電力系統(tǒng)取代部分原有的由液壓、氣壓等機(jī)械能驅(qū)動(dòng)次級(jí)功率系統(tǒng)。在多電發(fā)動(dòng)機(jī)中，主要次級(jí)功率均以電的形式分配、傳遞和控制，本質(zhì)是一種次級(jí)功率傳輸架構(gòu)。

考慮到多電發(fā)動(dòng)機(jī)概念中磁浮軸承的技術(shù)成熟度，在小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電力系統(tǒng)中，暫不采用該項(xiàng)技術(shù)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電力系統(tǒng)組成包括：電起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)（或整體起動(dòng)發(fā)電機(jī)）、儲(chǔ)電和輸電設(shè)備、電動(dòng)附件（電動(dòng)燃油泵和電作動(dòng)筒）。

電起動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段工作，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率；發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中直接向外輸出電能，是發(fā)動(dòng)機(jī)電力系統(tǒng)輸出電能的源頭，整體起動(dòng)發(fā)電機(jī)是集“起動(dòng)機(jī)”和“發(fā)電機(jī)”功能于一體能同時(shí)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)功能和發(fā)電功能。起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)布置方式包括內(nèi)置和外置，這與發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式以及功率要求相關(guān)。儲(chǔ)電和輸電設(shè)備是電力系統(tǒng)存儲(chǔ)電能、調(diào)配電能、輸送電能的設(shè)備。電動(dòng)附件主要包括電動(dòng)燃油泵、電作動(dòng)筒。電動(dòng)燃油泵：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，通過電子控制器直接調(diào)整燃油泵的轉(zhuǎn)速和燃油閥的位置以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際需求的燃油量，而無需或最大程度的減少回油，同時(shí)簡化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的潤滑系統(tǒng)，也降低了燃油控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。電作動(dòng)筒：結(jié)合數(shù)字電子和控制系統(tǒng)容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)，電力作動(dòng)器的工作狀態(tài)、性能衰減都能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，在故障出現(xiàn)時(shí)能進(jìn)行有效地識(shí)別和隔離，從而進(jìn)一步提高了可靠性。由于電作動(dòng)筒使用的功率源為電力，使得其對(duì)安裝位置的要求更靈活，更易于使用和維護(hù)。

2 電起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)對(duì)整機(jī)影響分析

2.1 電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能分析

以某型發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)為例，分別采用某空氣渦輪起動(dòng)機(jī)和電功率起動(dòng)機(jī)對(duì)兩種起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，從兩種起動(dòng)機(jī)的扭矩特性可以看出，仿真過程中所選的電起動(dòng)機(jī)扭矩在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)要低于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，中間轉(zhuǎn)速段扭矩基本相同，高轉(zhuǎn)速狀態(tài)電起動(dòng)機(jī)扭矩更大。根據(jù)這樣的扭矩特性，在原空氣渦輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)供油規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整供油量和供油時(shí)間，考慮排氣溫度和裕度的約束，確定電起動(dòng)機(jī)供油規(guī)律，因此采用電起動(dòng)機(jī)前段供油更多，后段供油偏少，這與扭矩特性是相匹配的。

按照選定的供油規(guī)律進(jìn)行起動(dòng)仿真，由于電起動(dòng)機(jī)前段扭矩比較低，需要更多的供油，排氣溫度也更高；脫開前電起動(dòng)機(jī)扭矩低偏高，供油較少，因此排氣溫度低。在起動(dòng)時(shí)間方面，兩種起動(dòng)機(jī)在相同的約束條件下，選用的電起動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間較空氣渦輪起動(dòng)機(jī)慢5秒，主要是因?yàn)樵诿撻_前電動(dòng)機(jī)輸入的總功率要低于空氣渦輪起動(dòng)機(jī)，另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)有限空間內(nèi)要能匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)功率密度有限。（圖1-圖4）

2.2 發(fā)電機(jī)功率提取性能分析

通過對(duì)高低壓功率提取的分析，對(duì)于未來需要大功率提取的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，若需要短時(shí)的大功率提取，在低壓軸提取功率更加有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作，而高壓軸功率提取則適合發(fā)動(dòng)機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定的低功率輸出。（圖5-圖9）

2018年8月10日，順豐與來自美國的供應(yīng)鏈巨頭，也是麥當(dāng)勞的全球物流供應(yīng)商之一的夏暉公司在深圳聯(lián)合召開發(fā)布會(huì)，正式宣布在中國成立合資公司——新夏暉。新夏暉由順豐控股，將經(jīng)營夏暉在中國已有的部分業(yè)務(wù)——中國大陸、香港和澳門的供應(yīng)鏈及物流業(yè)務(wù)（包括國內(nèi)貨運(yùn)管理）。合資公司將充分發(fā)揮雙方在冷鏈物流領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合中國市場(chǎng)的多元化需求不斷開拓創(chuàng)新，全力為客戶提供一體化的綜合物流解決方案，并為中國冷鏈物流的發(fā)展提速持續(xù)賦能。

水力旋流器入口設(shè)為速度入口，連續(xù)相介質(zhì)為水，流速為3 m/s，設(shè)定顆粒入口處的射流源為面源，顆粒入口速度與液相入口速度相同，離散相密度為2 600 kg/m3，且顆粒粒徑分布服從Rosin-Rammler分布[11]；溢流及底流出口均為壓力出口，壓力設(shè)置為0，設(shè)置溢流口為逃逸，底流口為捕集；壓力-速度耦合方式為SIMPLE，壓力離散格式為PRESTO。其他控制方程的離散格式均采用QUICK格式。設(shè)置重力加速度為9.81 m/s2。

通過穩(wěn)態(tài)仿真，分別從高壓軸和低壓軸提取功率后，地面狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能變化較小，實(shí)際上變化較大的是高壓壓氣機(jī)的工作點(diǎn)，從低壓提取功率后，高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)仍然沿著工作線移動(dòng)，不影響高壓壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性，而從高壓提取功率后，工作線向喘振邊界移動(dòng)，會(huì)降低高壓壓氣機(jī)工作穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)閷?duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，決定風(fēng)扇工作點(diǎn)的主要是低壓渦輪后內(nèi)外涵摻混在噴管中排出的過程，受到排氣面積影響；高壓壓氣機(jī)的工作點(diǎn)則完全取決于共同工作方程，功率提取后，需要高壓渦輪輸出更多的功，對(duì)應(yīng)更高的渦輪前溫度，在渦輪喉部就形成了阻塞，高壓壓氣機(jī)工作點(diǎn)升高。

比如，教師在為學(xué)生講授《正弦定理和余弦定理》相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的時(shí)候，教師可使用針對(duì)性較強(qiáng)的例題形式，讓學(xué)生意識(shí)到知識(shí)理解與應(yīng)用過程中產(chǎn)生的難題，讓學(xué)生用小組合作學(xué)習(xí)的方式找出有效的方式來解決問題.討論的形式會(huì)讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短，使學(xué)生在討論的過程中強(qiáng)化思維邏輯，提升學(xué)生積極探究問題的能力，深化對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)的認(rèn)知與理解.

采用發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)電功率的輸出與傳統(tǒng)采用機(jī)械系統(tǒng)輸出功率從發(fā)動(dòng)機(jī)性能角度基本相同，輸出方式的改變主要影響是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，另外發(fā)電機(jī)的布置較機(jī)械系統(tǒng)更加靈活，在不完全取消機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以考慮將發(fā)電機(jī)布置在低壓軸上，這種方式能夠適應(yīng)當(dāng)前發(fā)電機(jī)功率密度較低的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)分別輸出機(jī)械功和電能。本節(jié)分析在高低壓軸分別進(jìn)行提取功率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

3 電動(dòng)燃油泵對(duì)整機(jī)影響分析

自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)作為未來小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)重要的發(fā)展方向之一，其包含大量的可調(diào)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)的改變，因此需要更多的作動(dòng)筒來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，傳統(tǒng)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上可調(diào)機(jī)構(gòu)主要包括風(fēng)扇、高壓壓氣機(jī)的導(dǎo)葉、噴管等，而自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)則增加了可調(diào)的核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、前后涵道引射器、模式選擇機(jī)構(gòu)等，隨著可調(diào)機(jī)構(gòu)的增加電作動(dòng)筒的優(yōu)勢(shì)就凸現(xiàn)出來，其不再需要配套的供油管路，布置更加靈活，通過布設(shè)電纜的方式可以有效的簡化外部設(shè)計(jì)，減輕總重量。

多用點(diǎn)式密碼在3*3式和八邊形中應(yīng)用最好。由于取這些圖形的中心一點(diǎn)研究時(shí)有對(duì)稱性，所以本文不過多研究其他情況。討論情況數(shù)時(shí)可將所有情況去掉中心一點(diǎn)，再依據(jù)是否必須在某兩點(diǎn)加入一中心點(diǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)在一種情況的每兩點(diǎn)之間分別討論。

4 電作動(dòng)筒適應(yīng)性分析

采用電動(dòng)燃油泵的優(yōu)勢(shì)在于，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與泵轉(zhuǎn)速解耦控制，電動(dòng)燃油泵可以按需供油，可以一定程度減少節(jié)流狀態(tài)的因?yàn)闊峄赜蛶淼墓β蕮p失，以某一發(fā)動(dòng)機(jī)為例，在亞音速巡航狀態(tài)時(shí)主燃油泵采用電動(dòng)燃油泵比傳統(tǒng)方案主燃油泵提取的發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低超過50%，占亞音速巡航狀態(tài)總功率提取的10%-30%，通過對(duì)亞音速巡航狀態(tài)進(jìn)行仿真，當(dāng)功率提取降低后亞音速巡航的耗油率也會(huì)降低約0.2%-0.5%，這僅僅是性能方面的收益，如果考慮電動(dòng)燃油泵及能量傳遞設(shè)備的重量減輕，采用電動(dòng)燃油泵的收益將進(jìn)一步放大。（圖10）

自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律更加復(fù)雜，特別是其針對(duì)不同飛行狀態(tài)需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式，因此其對(duì)控制精度和相應(yīng)速度都有更高的要求，而電作動(dòng)筒能夠更好的契合這些需求，另外電作動(dòng)筒的同步性也更好，有利于提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的控制能力。

5 應(yīng)用前景和技術(shù)挑戰(zhàn)

綜合電力系統(tǒng)是未來小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向之一，其能夠適應(yīng)未來飛機(jī)對(duì)電功率的需求，通過對(duì)組成電力系統(tǒng)的電起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)燃油泵、電作動(dòng)筒等部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響進(jìn)行定量和定性分析：①通過設(shè)計(jì)適用于電起動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)基本相同的起動(dòng)性能；②靈活的發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在低壓軸功率提取，且在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作方面更有優(yōu)勢(shì)，可以滿足飛機(jī)短時(shí)大用電需求；③電動(dòng)燃油泵可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流狀態(tài)的熱回油造成的功率損失；④電作動(dòng)筒的高同步性和快速響應(yīng)能力，與可調(diào)結(jié)構(gòu)更多的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)更加契合。從上述幾點(diǎn)可以看出綜合電力系統(tǒng)在小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上有良好的應(yīng)用前景。

綜合電力系統(tǒng)對(duì)小涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)性能有諸多方面的提升，但實(shí)際應(yīng)用方面也面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率密度仍然不高，小型化難度大；電動(dòng)附件通過布設(shè)的電纜進(jìn)行能量傳輸需要進(jìn)一步提高其工作的可靠性；綜合電力系統(tǒng)的電能的存儲(chǔ)、調(diào)配、輸送等方面對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說是一個(gè)新專業(yè)，而且面臨著與飛機(jī)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，是電力系統(tǒng)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

盡管綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用尚面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，但是飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣化是未來的重要發(fā)展趨勢(shì)，需要根據(jù)起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率密度的提升，確定發(fā)動(dòng)機(jī)綜合電力系統(tǒng)的不同發(fā)展階段，當(dāng)功率密度提升到與當(dāng)前機(jī)械系統(tǒng)相當(dāng)時(shí)，可取代當(dāng)前機(jī)械系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)動(dòng)力全部為電能，滿足飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣化需求。

[1]朱新宇，彭衛(wèi)東．多電飛機(jī)及其技術(shù)應(yīng)用[J]．中國民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，18（6）：8－11.

[2]孫立業(yè)，郝羿飛，趙奉同.多電發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用前景研究[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，34（2）：1-5.

[3]吳志琨，李軍，時(shí)瑞軍.多電航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)況及關(guān)鍵技術(shù)[J].航空工程進(jìn)展，2012，3（4）：463-467.

[4]梁春華．歐美積極開展多電發(fā)動(dòng)機(jī)研究[J]．國際航空，2009（5）：61-63.

[5]Adam McLoughlin.Engine power plant electrical systems[R].MOET Project Consortium,2009.

[6]Catherine Buchheit.More electric propulsion system[R].MOET Project Consortium,2009.