多電發(fā)動機(jī)核心部件技術(shù)發(fā)展綜述

多電發(fā)動機(jī)核心部件技術(shù)發(fā)展綜述

0多電化、全電化全電發(fā)動機(jī)的概念隨著現(xiàn)代能源和電子技術(shù)的快速發(fā)展，新的多電化和全電化動力系統(tǒng)概念對現(xiàn)代動力系統(tǒng)的性質(zhì)發(fā)生了深刻的變化。目前,在陸地和海洋,全電車輛和艦船已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段,并將很快大規(guī)模使用,其優(yōu)良的綜合性能已經(jīng)得到了證實(shí);同時,隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展,要求航空發(fā)動機(jī)具備很高的性能指標(biāo)、良好的操作性和維修性,且飛機(jī)使用了大量消耗電能的各類機(jī)載設(shè)備,導(dǎo)致其對發(fā)動機(jī)電功率的需求也越來越大,而動力系統(tǒng)多電化、全電化的概念為解決上述問題提供了途徑,并將引領(lǐng)整個航空工業(yè)進(jìn)入一個全新的技術(shù)水平。作為多電飛機(jī)的核心技術(shù),多電航空發(fā)動機(jī)部分采用電力作為航空發(fā)動機(jī)和飛機(jī)上的次級功率系統(tǒng)原動力,即使用電力驅(qū)動系統(tǒng)部分代替原有的由液壓、氣壓、電和機(jī)械能驅(qū)動的混合次級功率系統(tǒng)。在多電發(fā)動機(jī)中,主要的次級功率均用電的形式分配、傳遞和控制。例如,使用電力作動器來取代液壓作動器和氣動作動器等執(zhí)行部件;用電動泵取代機(jī)械傳動的滑油泵和燃油泵。多電發(fā)動機(jī)的使用可以大大降低系統(tǒng)重量和成本,提高發(fā)動機(jī)的維護(hù)性和可靠性。作為全電飛機(jī)發(fā)展過程中的重要階段,由電力系統(tǒng)取代部分次級功率系統(tǒng)形成的多電飛機(jī)和多電航空發(fā)動機(jī)系統(tǒng),將為最終實(shí)現(xiàn)全電飛行器奠定技術(shù)基礎(chǔ)。本文從國內(nèi)外多電發(fā)動機(jī)研究現(xiàn)狀出發(fā),對其技術(shù)特點(diǎn)及各部件的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地介紹和討論,并對國內(nèi)多電發(fā)動機(jī)研制中存在的問題提出了建議。1多電發(fā)動機(jī)在國內(nèi)外的研究1.1多電航空發(fā)動機(jī)研究計劃美國和歐共體在20世紀(jì)90年代先后以整體起動/發(fā)電機(jī)技術(shù)和主動磁浮軸承技術(shù)為突破口,展開了多電發(fā)動機(jī)的技術(shù)研究,并實(shí)施了電發(fā)動機(jī)的專項(xiàng)和綜合性研究計劃,開發(fā)和驗(yàn)證了主動磁浮軸承、整體式起動/發(fā)電機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、電動燃油泵、電動滑油泵和電力作動裝置等主要系統(tǒng)部件,為研制多電發(fā)動機(jī)進(jìn)行了必要的技術(shù)籌備。20世紀(jì)80年代,美國主要在多電飛機(jī)(MEA)計劃和高性能渦輪發(fā)動機(jī)綜合技術(shù)(IHPTET)計劃下組織進(jìn)行了以主動磁力軸承替換先進(jìn)軍用發(fā)動機(jī)主軸承滾動軸承的研究,并將其列為1997~2003年的第三階段任務(wù)。NASA劉易斯研究中心和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室也有一項(xiàng)專門的多電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)計劃。2000年,美國SatCon公司研制了軍用燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高轉(zhuǎn)速(50000r/min)、高溫(600℃)磁懸浮軸承。由英國、德國、法國、奧地利和瑞士組成的歐洲聯(lián)合團(tuán)隊(duì),于1998~2000年期間實(shí)施了航空發(fā)動機(jī)用高溫主動磁力軸承(AMBIT)研究計劃,專門開發(fā)和驗(yàn)證以磁力軸承支撐的多電航空發(fā)動機(jī),其目的就是要率先研制出性能優(yōu)良的新一代航空發(fā)動機(jī),搶占21世紀(jì)的航空發(fā)動機(jī)市場。2002~2005年,歐盟實(shí)施了電力優(yōu)化飛機(jī)(POA)技術(shù)驗(yàn)證計劃,在該計劃的多電航空發(fā)動機(jī)研究項(xiàng)目中,歐盟以配裝A330飛機(jī)的瑞達(dá)500發(fā)動機(jī)為平臺,進(jìn)一步開發(fā)和驗(yàn)證了電氣裝置、整體起動/發(fā)電機(jī)和主動磁力軸承,POA計劃中起發(fā)電機(jī)的靜子和轉(zhuǎn)子外形圖如圖1所示?？湛凸就ㄟ^A380的研制,實(shí)施了“多電推進(jìn)系統(tǒng)”(E-PPS)計劃,以傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ),首次將電氣反推力系統(tǒng)應(yīng)用到民用飛機(jī)中,大量的飛行數(shù)據(jù)表明,相對于傳統(tǒng)機(jī)械液壓系統(tǒng),采用多電技術(shù)的發(fā)動機(jī)其性能、重量和可靠性都得到了較大改善。1.2內(nèi)外試驗(yàn)研究我國在多電發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究上也取得了一定的成果,如磁浮軸承及其相關(guān)技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)上的研究已完成原理試驗(yàn)驗(yàn)證,并在單軸發(fā)動機(jī)上完成了試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計及其臺架試驗(yàn);內(nèi)置式起動/發(fā)電機(jī)完成了原理樣機(jī)試驗(yàn)室研究,并取得較好的效果。但需要指出的是,關(guān)于多電發(fā)動機(jī)的研究成果較為零散,沒有形成嚴(yán)密、有效的技術(shù)體系,大部分研究還處于摸索階段,技術(shù)成熟度低。大量驗(yàn)證表明,多電發(fā)動機(jī)技術(shù)相對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī),結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕、維修性和適應(yīng)性更好、可靠性更高。2傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)和多電發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)對比航空發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的推進(jìn)裝置,同時還需為飛機(jī)系統(tǒng)提供電源、環(huán)控引氣以及液壓裝置驅(qū)動力。對于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī),燃油泵、滑油泵以及發(fā)電機(jī)等附件通過附件機(jī)匣提取發(fā)動機(jī)功率,這種功率提取方式導(dǎo)致發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。而在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)的多電發(fā)動機(jī),采用內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī)為發(fā)動機(jī)和飛機(jī)提供所需的電源,用全電氣化傳動附件取代機(jī)械液壓式傳動附件,發(fā)動機(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)動機(jī)的燃油泵、滑油泵和作動器也改為電力驅(qū)動。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)和多電發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)上的改動,帶來了以下優(yōu)點(diǎn):(1)取消了液壓系統(tǒng),提高了發(fā)動機(jī)的可靠性、安全性,降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,減少了發(fā)動機(jī)的重量及安裝和使用費(fèi)用;(2)使用安裝在發(fā)動機(jī)軸上的內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī),能夠獲得更高的功率,取消了功率提取軸、減速器和附件機(jī)匣,減少了發(fā)動機(jī)的迎風(fēng)面積,降低了發(fā)動機(jī)的起動功率,特別是低溫條件下起動;(3)使用主動磁浮軸承系統(tǒng),無需潤滑和密封,減少了冷卻系統(tǒng),取消了潤滑和密封結(jié)構(gòu),從而減輕了發(fā)動機(jī)的重量;(4)使用電氣驅(qū)動代替發(fā)動機(jī)引氣系統(tǒng),降低引氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度;(5)采用主動控制,減小葉尖間隙,提高了部件與發(fā)動機(jī)的效率;(6)因磁浮軸承能耐受更高溫度,可根據(jù)需要,布置在接近燃燒室或渦輪的部位,使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊;(7)降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高了可靠性,降低了壽命期成本;(8)通過各類智能裝置進(jìn)行自檢和診斷,從而降低了發(fā)動機(jī)的維修成本。通過多電發(fā)動機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,表明該技術(shù)能有效地使發(fā)動機(jī)的成本降低15%,而NASA認(rèn)為能降低燃油費(fèi)用5%;采用電氣驅(qū)動使得電氣元件減少35%,電纜減少40%,附件重量減少40%,并節(jié)省安裝時間60%,可靠性提高20%,維護(hù)費(fèi)降低5%?？偟膩碚f,采用電力系統(tǒng)取代復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),可大大增強(qiáng)系統(tǒng)的功能性并降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度,減輕發(fā)動機(jī)重量,節(jié)約成本,提高發(fā)動機(jī)性能,優(yōu)化發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu),以及獲得更高的可靠性和維修性。3內(nèi)置式整體動因多電發(fā)動機(jī)在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上應(yīng)用新技術(shù),并對其進(jìn)行了局部結(jié)構(gòu)改動,改動部件主要包括內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī)、主動磁浮軸承、電動燃油泵和電力作動器等。各部件及其關(guān)鍵技術(shù)介紹如下:3.1主要組成部件3.1.1內(nèi)置式整體動能/發(fā)電機(jī)目前,美國和歐洲都在研究內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī),其為集起動機(jī)和發(fā)電機(jī)功能于一體的電機(jī)。在發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作前作為電起動機(jī)工作,將發(fā)動機(jī)帶轉(zhuǎn)到一定轉(zhuǎn)速,在發(fā)動機(jī)供油點(diǎn)火燃燒并進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后,發(fā)動機(jī)反過來帶動電機(jī),使其成為發(fā)電機(jī),向飛機(jī)和發(fā)動機(jī)用電設(shè)備供電。由于內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī)直接安裝于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子軸上,取消了附件機(jī)械傳動部分,使得發(fā)動機(jī)的重量大大減輕,迎風(fēng)面積減小,同時也易于獲得更大的電功率。該新技術(shù)的應(yīng)用大大減輕了機(jī)載設(shè)備的重量,能滿足現(xiàn)代飛機(jī)對功率電源的需求,因而是發(fā)動機(jī)附件的一個重要發(fā)展趨勢。內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機(jī)不僅需解決高溫鐵磁材料、渦流損失控制、電磁屏蔽、高可靠性和強(qiáng)容錯能力且易于實(shí)現(xiàn)多余度的不中斷供電以及與發(fā)動機(jī)的綜合控制等問題,同時還需具備對負(fù)載控制、狀態(tài)檢測、故障隔離及系統(tǒng)重構(gòu)等能力。3.1.2非接觸式軸承磁浮軸承為航空發(fā)動機(jī)獲得雙倍推力的關(guān)鍵機(jī)電系統(tǒng)部件,其利用電磁力,通過控制系統(tǒng)使得旋轉(zhuǎn)軸的中心位置位于軸承作動器中心。由于主動磁浮軸承采用非接觸式軸承,取消了滑油潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和密封系統(tǒng),簡化了機(jī)械和空氣動力設(shè)計,降低了軸承系統(tǒng)的復(fù)雜性,減輕了發(fā)動機(jī)的重量。由于軸與軸承間的摩擦力和磨損較小,使得發(fā)動機(jī)的尺寸減小,驅(qū)動力、維護(hù)成本較低,可靠性得到了改善。主動磁浮軸承的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)包括:能適應(yīng)高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作的位移傳感器;能在高溫環(huán)境下保證線圈不會出現(xiàn)短路的絕緣材料;消除發(fā)動機(jī)和飛機(jī)上大量使用的電子設(shè)備帶來的電磁干擾等。3.1.3燃油系統(tǒng)優(yōu)化目前航空發(fā)動機(jī)主燃油泵由發(fā)動機(jī)附件傳動齒輪箱驅(qū)動,其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān),為保證根據(jù)發(fā)動機(jī)需求提供準(zhǔn)確的燃油流量,需將燃油泵多余的燃油重新流回至燃油箱,導(dǎo)致了功率的損耗及油溫的升高,同時也增加了燃油冷卻裝置。當(dāng)采用電動燃油泵時,可根據(jù)發(fā)動機(jī)的需要,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)動機(jī)實(shí)際需求的燃油量,而無需或最大程度的減少燃油流回,這樣既省掉了傳動結(jié)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,同時,還提高了發(fā)動機(jī)的可靠性。小型輕質(zhì)化的變流量電動燃油泵和高精度可控步進(jìn)電機(jī)的研制為其技術(shù)難點(diǎn)。3.1.4故障原因分析電力作動器是全電發(fā)動機(jī)的重要部件之一。傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)所采用的作動器需要獨(dú)立液壓源,可靠性差、易污染、重量大、維護(hù)性差、且通常都有泄漏的問題,當(dāng)作動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,難以判斷作動器的故障原因。采用電力作動器時,結(jié)合數(shù)字電子和控制系統(tǒng)容錯設(shè)計技術(shù),電力作動器的工作狀態(tài)、性能衰減都能夠?qū)崟r監(jiān)測,在故障出現(xiàn)時能進(jìn)行有效地識別和隔離,從而進(jìn)一步提高了可靠性。由于電力作動器使用的功率源為電力源,使得其對安裝位置的要求更靈活,更易于使用和維護(hù)。目前,用于飛行控制、環(huán)境控制、剎車、燃油和發(fā)動機(jī)起動系統(tǒng)的電力作動系統(tǒng)已得到驗(yàn)證。對多電發(fā)動機(jī)而言,電力作動技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有:(1)符合發(fā)動機(jī)控制動靜態(tài)要求的電動機(jī)設(shè)計技術(shù);(2)具有容錯性能的機(jī)電和電動靜液作動系統(tǒng)設(shè)計技術(shù);(3)具有故障診斷和隔離功能的智能電力作動器設(shè)計技術(shù)。3.2分布式控制系統(tǒng)目前航空發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)是一種集中式全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)(FADEC),為了進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)的性能,滿足日益復(fù)雜的控制需求,減小發(fā)動機(jī)附件系統(tǒng)的重量并提高可靠性,改善發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)故障的隔離特性,分布式控制技術(shù)受到了國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)控制界的重視。而多電發(fā)動機(jī)概念的出現(xiàn)為分布式控制技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用提供了便利,兩種技術(shù)的結(jié)合將最大程度的發(fā)揮各自優(yōu)勢。美國在IHPTET計劃的第三階段將驗(yàn)證一種模型基分布式的發(fā)動機(jī)主動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。目前,分布式控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有:分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式;余度多路傳輸光纖總線;多余度數(shù)字處理機(jī)及并行處理技術(shù);耐高溫的靈巧傳感器和作動器;發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷技術(shù)。4優(yōu)勢分析:具有局限性多電發(fā)動機(jī)作為一種新穎的發(fā)動機(jī),在提高發(fā)動機(jī)性能、優(yōu)化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)