多電航空發(fā)動機(jī)電氣化設(shè)備及應(yīng)用＊

■ 張生光 張峻峰 張學(xué)寧 / 中國航發(fā)研究院

航空動力的電氣化是未來發(fā)展的必然趨勢，多電航空發(fā)動機(jī)是當(dāng)前研究的重要方向，雖然存在熱能、電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換過程的損失，但可以大幅提高與飛行安全性相關(guān)的潛在收益。

多電航空發(fā)動機(jī)在20世紀(jì)末提出，其主要目的為降低發(fā)動機(jī)的耗油率、噪聲和維護(hù)費(fèi)用等。工作原理與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相似，同樣包含壓氣機(jī)、燃燒室以及渦輪，不同之處在于附件系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等盡可能采用電氣化結(jié)構(gòu)：采用電磁軸承替換滾動軸承，省卻附件傳動系統(tǒng)；通過高功率密度起動/發(fā)電一體化電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)起動以及后續(xù)發(fā)電，為發(fā)動機(jī)提供電能；采用電動燃油泵、作動器等實(shí)現(xiàn)電氣化改造。

電磁軸承

電磁軸承是利用非接觸電磁力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮并且可通過控制算法對電磁力進(jìn)行調(diào)節(jié)的一種支承結(jié)構(gòu)，具有無機(jī)械摩擦磨損、壽命長、可靠性高、無需潤滑、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。包括位移傳感器、控制器、功率放大器、磁極和線圈等結(jié)構(gòu)。工作原理是通過位移傳感器實(shí)時觀測轉(zhuǎn)子位置，并將位置信號傳送至控制器，由控制器根據(jù)設(shè)定的控制算法，輸出控制信號至功率放大器，功率放大器輸出控制電流傳遞給線圈，線圈與磁極產(chǎn)生磁場，從而實(shí)時改變電磁力大小，使轉(zhuǎn)子位于給定的平衡位置。電磁軸承技術(shù)是決定多電航空發(fā)動機(jī)能否取得實(shí)用的關(guān)鍵，由于其非接觸特點(diǎn)，能夠省去發(fā)動機(jī)的軸承潤滑系統(tǒng)，并簡化軸承密封系統(tǒng)，綜合來看，能夠有效減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量，降低發(fā)動機(jī)油耗。

電磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)組成[1]

電磁軸承控制

由于航空發(fā)動機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、細(xì)長軸的特點(diǎn)，工作條件多處于1階甚至2階彎曲臨界轉(zhuǎn)速之上，因此，要求電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具備過2階彎曲臨界轉(zhuǎn)速的能力，而航空發(fā)動機(jī)對振動水平和過彎曲臨界轉(zhuǎn)速行為有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，需要通過電磁軸承控制器的設(shè)計(jì)調(diào)整其支承特性，從而滿足有關(guān)振幅、工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速間的安全裕度、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求。而現(xiàn)有成熟的電磁軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)多基于剛性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和模型，建模方法與控制策略等與柔性轉(zhuǎn)子存在較大差異。比例、積分和微分（PID）或基于PID方法的控制技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)簡單，不依賴建模的精確性，具有一定的魯棒性，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的控制方法，由于實(shí)際電磁軸承系統(tǒng)的復(fù)雜性，存在噪聲干擾、臨界轉(zhuǎn)速處阻尼不足等原因，簡單的PID控制顯然無法滿足電磁軸承控制系統(tǒng)要求，因此，需要在控制器中添加濾波器以過濾傳感器中的高頻干擾信號，此外，由于電磁軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高頻位置等效阻尼不足，易激發(fā)轉(zhuǎn)子2階或3階彎曲模態(tài)，通常需要添加固定中心頻率的陷波器加以抑制，此外，由于過1階彎曲臨界轉(zhuǎn)速時振動較大，也可考慮添加相位補(bǔ)償器增加過臨界阻尼以抑制振動。

基于PID控制的電磁軸承系統(tǒng)原理圖

目前，針對電磁軸承支承的柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，由于在不同階次柔性模態(tài)下，轉(zhuǎn)子節(jié)點(diǎn)位置不同，由此產(chǎn)生的不確定性，導(dǎo)致基于PID方法的控制器魯棒性較差，難以滿足較高的控制要求，因此基于H∞控制、μ綜合控制、LQG控制、滑模控制等多種形式的控制方法也在電磁軸承控制器中得到廣泛研究，但是，各類新型控制方法多處于研究階段，在工業(yè)中尚未普遍應(yīng)用，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

高溫電磁軸承

傳統(tǒng)滾動軸承工作極限溫度為180～260℃，而高溫電磁軸承的工作溫度高達(dá)600℃，采用高溫電磁軸承代替?zhèn)鹘y(tǒng)滾動軸承，能夠顯著提高軸承工作環(huán)境溫度，節(jié)省大量冷氣，有效降低空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。高溫電磁軸承核心在于用高溫材料替換常溫材料，并考慮相應(yīng)隔熱措施，包含高溫位移傳感器、高溫磁極與線圈、高溫工作穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)。

首先，針對高溫位移傳感器技術(shù)，電磁軸承要求傳感器具有非接觸測量能力，通常以電渦流、電感傳感器為主，并且需要具有優(yōu)良的靜態(tài)特性與動態(tài)特性，例如，具有高的靈敏度、信噪比、線性度、抗干擾能力，精確的重復(fù)性以及較寬的頻帶等。在常溫條件下，以上要求能夠得到有效保證，但是針對600℃高溫環(huán)境，尚無成熟產(chǎn)品面市，需要開展定制化設(shè)計(jì)，傳感器高溫線圈材料、與檢測電路之間的定量關(guān)系等均需要開展研究。

其次，針對高溫磁極與線圈，在高溫環(huán)境下，選擇一種既有高導(dǎo)磁性能又具有良好力學(xué)和加工性能的軟磁材料是高溫磁極需要解決的首要問題，目前經(jīng)過研究與驗(yàn)證，鈷基合金（如Hiperco50或Hiperco50-HS）具有良好的高溫導(dǎo)磁性能和力學(xué)性能，適合作為高溫磁極材料。針對高溫勵磁線圈，由于磁極內(nèi)部空間限制，高溫導(dǎo)線絕緣層普遍比較薄并且脆，考慮線圈在繞制過程中絕緣層容易脫落損傷導(dǎo)致短路，因此選擇具有耐高溫耐折絕緣層的導(dǎo)線并將其封裝也是高溫電磁軸承遇到的難題。

此外，針對軸承高溫工作穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下，傳感器、導(dǎo)線、作動器等的可靠性也需要進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。并且，相對于傳統(tǒng)軸承，同等空間下電磁軸承的承載能力和抗過載能力較小，而在飛機(jī)起飛、著陸、機(jī)動飛行等狀態(tài)下，電磁軸承會受到較大的瞬時沖擊，在高溫環(huán)境下，該沖擊能否得到有效抑制，需要從主動控制上予以解決。

高溫位移傳感器結(jié)構(gòu)[2]

高溫電磁軸承

高溫電磁軸承試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)[3]

目前，高溫電磁軸承已經(jīng)達(dá)到在550℃高溫環(huán)境下以轉(zhuǎn)速30000r/min運(yùn)行，用于定子和轉(zhuǎn)子的磁極材料是鈷基合金，勵磁導(dǎo)線為銀制導(dǎo)線，雖然實(shí)現(xiàn)了在高溫高轉(zhuǎn)速環(huán)境下運(yùn)行，但由于長時間暴露于高溫環(huán)境，尚有部分研究仍需要進(jìn)一步探索，如材料在高溫下結(jié)構(gòu)變化、合金微觀遷移與蠕變等可能會導(dǎo)致材料在高溫下無法保持足夠長的壽命[1]。

電磁軸承輕量化

電磁軸承依靠電磁力使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，而受目前鐵磁材料磁通量限制，電磁力不可能隨著電流的增加無限增加，因此為保證電磁軸承最大承載力，需對其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通常其體積、質(zhì)量以及所占空間要明顯高于滾動軸承，但是由于無需潤滑、耐高溫等特性，可以省去潤滑系統(tǒng)、簡化密封系統(tǒng)，從而使得航空發(fā)動機(jī)整體質(zhì)量得到減輕。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸限制以及對高推重比的強(qiáng)烈需求，電磁軸承自身輕量化技術(shù)十分關(guān)鍵，而目前電磁軸承主要應(yīng)用于地面環(huán)境，如鼓風(fēng)機(jī)、管道壓縮機(jī)、渦輪分子泵等設(shè)備之中，對體積、質(zhì)量要求并不嚴(yán)苛，因此關(guān)于電磁軸承輕量化方面研究較少，電磁軸承輕量化技術(shù)可針對以下方面開展。

第一，電磁軸承的定子、轉(zhuǎn)子磁極均需要具備較強(qiáng)的導(dǎo)磁性能，對磁通密度、磁通曲線等具有較高要求，不同鐵磁材料對電磁軸承的性能影響較大，當(dāng)前最常用的材料為硅鋼片，可使用的最大磁通密度為1.6T左右，如果采用鈷基合金，可使用的磁通密度能夠增大至1.9T左右，但成本更高，磁通密度的提高可以有效減小電磁軸承體積，從而達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。

第二，除了磁極外，電磁軸承還包含功率放大器、傳感器、控制器等部分。其中，控制器可考慮與發(fā)動機(jī)控制器集成，從而減少空間的占用；功率放大器及電源可通過緊湊型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、優(yōu)化空間的目的。

起動/發(fā)電一體化電機(jī)

多電航空發(fā)動機(jī)另一顯著特點(diǎn)是用起動/發(fā)電一體化電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)附件傳動系統(tǒng)，對轉(zhuǎn)速、體積、質(zhì)量等有嚴(yán)格要求，隨著控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，制造工藝不斷優(yōu)化，電機(jī)的工作效率和可靠性有了很大的提高，根據(jù)實(shí)際需求可以實(shí)現(xiàn)4象限高效穩(wěn)定的運(yùn)行，電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可以很方便地切換工作狀態(tài)，即電機(jī)的電動和發(fā)電是可以根據(jù)控制指令迅速改變的。

高速電機(jī)轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以上，現(xiàn)有電機(jī)中，開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)以及少數(shù)其他類型的電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高速功能。對于多電航空發(fā)動機(jī)而言，電機(jī)需具備起動/發(fā)電一體化功能，在航空領(lǐng)域，研究及應(yīng)用較多的為永磁電機(jī)，以稀土永磁材料為代表的高性能永磁材料技術(shù)發(fā)展使得材料的永磁性能得到明顯提升，永磁電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功率密度與較高轉(zhuǎn)速，已經(jīng)得到一些初步應(yīng)用，具備較大的使用潛能[4]。

永磁電機(jī)可通過增加磁極對數(shù)、提高轉(zhuǎn)速與頻率、采用Halbach陣列等方式來提高功率密度。目前，針對高功率密度電機(jī)已經(jīng)開展了大量研究并取得豐富成果，如西門子公司研制的260kW電機(jī)，質(zhì)量為50kg，并應(yīng)用于航空推進(jìn)系統(tǒng)之中；美國“雷擊”無人機(jī)采用了分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，機(jī)翼風(fēng)扇電動機(jī)功率為100kW，鴨翼風(fēng)扇電動機(jī)功率為70kW。

永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)[5]

電動燃油泵

電動燃油泵是多電航空發(fā)動機(jī)的重要部件。目前，發(fā)動機(jī)主燃油泵以固定排量的齒輪泵為主，通過發(fā)動機(jī)附件機(jī)匣的固定傳動比的齒輪傳遞功率與轉(zhuǎn)速，由于附件機(jī)匣、燃油泵傳動比固定，因此燃油排量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，無法自行調(diào)節(jié)，由此產(chǎn)生在某些飛行條件下，燃油泵提供的燃油遠(yuǎn)大于燃油需求，因此需要大量燃油重新流回油箱。而針對多電航空發(fā)動機(jī)，首先，取消了附件機(jī)匣設(shè)計(jì)，無需從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子提取功率到附件系統(tǒng)，因此使用電動燃油泵恰好解決了這個問題，由此帶來的好處還有各燃油泵流量可調(diào)，不再受制于傳動齒輪的傳動比限制，可根據(jù)發(fā)動機(jī)的需要主動調(diào)控燃油量。

結(jié)束語

電動燃油泵結(jié)構(gòu)[6]

與常規(guī)發(fā)動機(jī)相比，采用多電技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：采用電氣化支承結(jié)構(gòu)、附件系統(tǒng)、作動機(jī)構(gòu)后，極大減少了發(fā)動機(jī)軸承、齒輪等的摩擦磨損，有效地提升了使用壽命與可靠性；相關(guān)電氣化設(shè)備的使用簡化了發(fā)動機(jī)潤滑與密封系統(tǒng)，減輕了發(fā)動機(jī)質(zhì)量。此外，電磁軸承的應(yīng)用也大幅降低航空發(fā)動機(jī)內(nèi)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。目前，針對多電航空發(fā)動機(jī)，在電磁軸承、起動/發(fā)電一體化電機(jī)、電動燃油泵等方面已經(jīng)取得了階段性成果，但是仍有較多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，尤其是工程驗(yàn)證方面缺少相關(guān)研究，相信在不久的將來，有望看到多電航空發(fā)動機(jī)得到應(yīng)用。