方兴未艾的军用涡扇发动机全电化发展

方兴未艾的军用涡扇发动机全电化发展

1.        概述
    所谓全电化是指以支承发动机转子的主动磁性轴承和发动机主轴上安装的内装式起动／发电机为核心，配以同全权限数字式发动机控制系统（FADEC）相联的分布式电子控制系统，为发动机和飞机各个系统提供电能一种发动机结构类型。
    全电化发动机的原理（见图1）是在发动机主轴上安装有集起动／发电功能于一体的电机，在发动机稳定工作之前电机作为起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火；当发动机进入稳定工作状态后，发动机转子带动电机工作，使之由起动机转变为发电机，向发动机和飞机的用电设备供电。
    全电化发动机由于采用了无需润滑的主动磁性轴承，并且以电力为主要能源，因此完全可以取消滑油系统、液压系统、气压和机械系统。全电化发动机的所有次级功率均可以采用电形式进行分配，如：机电作动器代替液压作动器，电力泵代替齿轮箱驱动的滑油泵和燃油泵，电动压气机代替气压空调压气机等。因此，军用涡扇发动机采用全电化后，与常规发动机相比，有以下几个方面的优点：
1)        发动机结构得以简化，零部件数量减少，重量减轻。
2)        用于采用电力，没有机械损耗，因此发动机的效率也得到提高，燃料节约，成本降低。
3)        发动机的可靠性进一步增强，易于保障、实现自检测和冗余度。
2.        关键技术
2.1        大容量内装式起动／发电机
    起动／发电机直接安装于发动机主轴上，其产生的电功率由两根或两根以上的发动机主轴分担。目前在研制中用于发动机全电化的起动／发电机是开关磁阻电机（SRM），其结构简单，可靠性高，能够承受很高的工作转速和环境温度；同时由于转子中无激励磁源，当电机绕组故障，不会使故障面扩大，既提高了可靠性又易于实现启动／发电双功能。单机容量是内装式起动／发电机的一个重要性能指标，美国在研发中的电机单机容量为500千瓦，未来内装式起动／发电机的单机容量将达到几兆瓦甚至几十兆瓦。
2.2        主动磁性轴承
     主动磁性轴承是一种在磁场中悬浮支承转轴的反馈机构。因为主动磁性轴承利用磁悬浮原理，因此没有接触磨损，也无需润滑和冷却，从而减轻10％的发动机重量。主动磁性轴承能够在很高的转速下工作，并能适应很高的环境温度（811K或更高），同时具有振动控制能力。它可以通过改变轴的轴向或径向位置来控制叶尖间隙以及适应机动飞行下的转子偏移。另外可以进一步为主动磁性轴承增加对轴的周向控制，使其具有主动控制转子转速的功能，提高发动机控制喘振的能力。目前美欧各国都把主动磁性轴承作为研制全电化发动机的一个重要的起点。主动磁性轴承的研究重点有两个：一是材料，包括：高温超导材料和在811K（或更高）温度下保持高磁通量密度的磁性材料，能够方便涂在磁性线圈绕组上的坚固绝缘材料等；另一个是技术方面，包括：如何取消电力失效时的机械备份，减小系统的重量和体积，冗余度控制，瞬态载荷能力等。
2.3        分布式控制系统
    分布式控制系统是指由一种分布在发动机的各个部位的兼有传感和作动功能的智能装置组成的网络系统，它通过一条冗余度高速数据总线与全权限数字式控制系统（FADEC）相联接。每个智能装置有自己的处理元件，在接收到来自FADEC的指令信号后可进行自主处理，并执行对该装置所在发动机部位工作状态的控制命令，因此发动机上电气控制系统的引线数、接头数和重量可大幅度减少。
与常规发动机控制系统相比，分布式控制系统拥有以下优点：
1)        降低了发动机控制系统的复杂性和重量。
2)        通过采用通用模块和标准接口缩短了研制周期和降低成本（60％）。
3)        通过对每个智能装置进行自检和诊断，降低了维修成本。
4)        采用新的元件级技术对中央处理计算机进行升级和改进时，改动很小甚至无需改动，灵活性大。
5)        FADEC可与发动机异处安装，进一步降低重量，改善了可靠性，提高了控制系统的综合性能。
2.4        机电作动器
    在全电化发动机上用机电作动器（EMA）完全取代液压、气压和机械作动器。它由作动器模块（AM）和电子控制电源（ECU）两个主要部分组成。作动器模块的作用是把电能转换为机械能；电子控制电源作为分布式控制系统的一部分，其作用是根据所接收到的控制信号来控制作动器模块。
3.        发展前景
    随着军用战斗机的发展，对军用航空发动机性能要求也在不断地大幅度提高，比如：美国已提出2030年以前投入使用的军用发动机要达到如下水平：推重比25～30，T4温度2200～2250K，总增压比80～100。因此，实现全电化将是大幅度提高军用航空发动机性能的必然选择。另外，在发动机全电化的基础上，飞机的全电化也将成为未来军用飞机发展的一个必然趋势。全电化发动机所提供的大量电能还使激光武器、粒子束武器和电磁脉冲武器等高耗能武器系统在大中型战斗机上的装备成为可能。
    美国和欧洲在上世纪90年代开始研究多电／全电化发动机，其研究工作的重点是围绕主动磁性轴承开展的。美国将在综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划的第三阶段中验证主动磁性轴承，并将在一台验证机上进行试验。美国空军计划在2003年在一台发动机的高压轴上安装主动磁性轴承并进行地面试验。欧洲在1998年也启动了用于航空发动机的磁性轴承研究计划。预计到2020年左右，全电化发动机完全可以实现技术成熟，进入实用阶段。
    我国对发动机全电化的研究基本上与国外同时起步，但目前仍然停留在理论的探索阶段，未能走出实验室。除了主动磁性轴承外，很多方面还是一片空白。国家应该进一步加大发动机全电化方面的研究。由于全电化航空发动机上的很多技术在民用上也有很高的商业价值，因此在国家资金投入不足的情况下完全可以借助民间企业的科研力量，在主动磁性轴承和分布式控制系统的研制上实现突破。
    在航空发动机加速发展的今天，亦步亦趋的仿制模式发展是注定要落后的，而跨越式的发展才是我国研制高性能军用发动机的出路所在。方兴未艾的军用涡扇发动机全电化发展

1.        概述
    所谓全电化是指以支承发动机转子的主动磁性轴承和发动机主轴上安装的内装式起动／发电机为核心，配以同全权限数字式发动机控制系统（FADEC）相联的分布式电子控制系统，为发动机和飞机各个系统提供电能一种发动机结构类型。
    全电化发动机的原理（见图1）是在发动机主轴上安装有集起动／发电功能于一体的电机，在发动机稳定工作之前电机作为起动机工作，带动发动机转子到一定转速后喷油点火；当发动机进入稳定工作状态后，发动机转子带动电机工作，使之由起动机转变为发电机，向发动机和飞机的用电设备供电。
    全电化发动机由于采用了无需润滑的主动磁性轴承，并且以电力为主要能源，因此完全可以取消滑油系统、液压系统、气压和机械系统。全电化发动机的所有次级功率均可以采用电形式进行分配，如：机电作动器代替液压作动器，电力泵代替齿轮箱驱动的滑油泵和燃油泵，电动压气机代替气压空调压气机等。因此，军用涡扇发动机采用全电化后，与常规发动机相比，有以下几个方面的优点：
1)        发动机结构得以简化，零部件数量减少，重量减轻。
2)        用于采用电力，没有机械损耗，因此发动机的效率也得到提高，燃料节约，成本降低。
3)        发动机的可靠性进一步增强，易于保障、实现自检测和冗余度。
2.        关键技术
2.1        大容量内装式起动／发电机
    起动／发电机直接安装于发动机主轴上，其产生的电功率由两根或两根以上的发动机主轴分担。目前在研制中用于发动机全电化的起动／发电机是开关磁阻电机（SRM），其结构简单，可靠性高，能够承受很高的工作转速和环境温度；同时由于转子中无激励磁源，当电机绕组故障，不会使故障面扩大，既提高了可靠性又易于实现启动／发电双功能。单机容量是内装式起动／发电机的一个重要性能指标，美国在研发中的电机单机容量为500千瓦，未来内装式起动／发电机的单机容量将达到几兆瓦甚至几十兆瓦。
2.2        主动磁性轴承
     主动磁性轴承是一种在磁场中悬浮支承转轴的反馈机构。因为主动磁性轴承利用磁悬浮原理，因此没有接触磨损，也无需润滑和冷却，从而减轻10％的发动机重量。主动磁性轴承能够在很高的转速下工作，并能适应很高的环境温度（811K或更高），同时具有振动控制能力。它可以通过改变轴的轴向或径向位置来控制叶尖间隙以及适应机动飞行下的转子偏移。另外可以进一步为主动磁性轴承增加对轴的周向控制，使其具有主动控制转子转速的功能，提高发动机控制喘振的能力。目前美欧各国都把主动磁性轴承作为研制全电化发动机的一个重要的起点。主动磁性轴承的研究重点有两个：一是材料，包括：高温超导材料和在811K（或更高）温度下保持高磁通量密度的磁性材料，能够方便涂在磁性线圈绕组上的坚固绝缘材料等；另一个是技术方面，包括：如何取消电力失效时的机械备份，减小系统的重量和体积，冗余度控制，瞬态载荷能力等。
2.3        分布式控制系统
    分布式控制系统是指由一种分布在发动机的各个部位的兼有传感和作动功能的智能装置组成的网络系统，它通过一条冗余度高速数据总线与全权限数字式控制系统（FADEC）相联接。每个智能装置有自己的处理元件，在接收到来自FADEC的指令信号后可进行自主处理，并执行对该装置所在发动机部位工作状态的控制命令，因此发动机上电气控制系统的引线数、接头数和重量可大幅度减少。
与常规发动机控制系统相比，分布式控制系统拥有以下优点：
1)        降低了发动机控制系统的复杂性和重量。
2)        通过采用通用模块和标准接口缩短了研制周期和降低成本（60％）。
3)        通过对每个智能装置进行自检和诊断，降低了维修成本。
4)        采用新的元件级技术对中央处理计算机进行升级和改进时，改动很小甚至无需改动，灵活性大。
5)        FADEC可与发动机异处安装，进一步降低重量，改善了可靠性，提高了控制系统的综合性能。
2.4        机电作动器
    在全电化发动机上用机电作动器（EMA）完全取代液压、气压和机械作动器。它由作动器模块（AM）和电子控制电源（ECU）两个主要部分组成。作动器模块的作用是把电能转换为机械能；电子控制电源作为分布式控制系统的一部分，其作用是根据所接收到的控制信号来控制作动器模块。
3.        发展前景
    随着军用战斗机的发展，对军用航空发动机性能要求也在不断地大幅度提高，比如：美国已提出2030年以前投入使用的军用发动机要达到如下水平：推重比25～30，T4温度2200～2250K，总增压比80～100。因此，实现全电化将是大幅度提高军用航空发动机性能的必然选择。另外，在发动机全电化的基础上，飞机的全电化也将成为未来军用飞机发展的一个必然趋势。全电化发动机所提供的大量电能还使激光武器、粒子束武器和电磁脉冲武器等高耗能武器系统在大中型战斗机上的装备成为可能。
    美国和欧洲在上世纪90年代开始研究多电／全电化发动机，其研究工作的重点是围绕主动磁性轴承开展的。美国将在综合高性能涡轮发动机技术（IHPTET）计划的第三阶段中验证主动磁性轴承，并将在一台验证机上进行试验。美国空军计划在2003年在一台发动机的高压轴上安装主动磁性轴承并进行地面试验。欧洲在1998年也启动了用于航空发动机的磁性轴承研究计划。预计到2020年左右，全电化发动机完全可以实现技术成熟，进入实用阶段。
    我国对发动机全电化的研究基本上与国外同时起步，但目前仍然停留在理论的探索阶段，未能走出实验室。除了主动磁性轴承外，很多方面还是一片空白。国家应该进一步加大发动机全电化方面的研究。由于全电化航空发动机上的很多技术在民用上也有很高的商业价值，因此在国家资金投入不足的情况下完全可以借助民间企业的科研力量，在主动磁性轴承和分布式控制系统的研制上实现突破。
    在航空发动机加速发展的今天，亦步亦趋的仿制模式发展是注定要落后的，而跨越式的发展才是我国研制高性能军用发动机的出路所在。