基于多電設計對渦扇發動機性能影響分析

張鑫 康凱 齊偉呈

摘要：多電發動機作為多電飛機的核心部件，受到歐美國家的高度重視，本文介紹了多電發動機與傳統發動機的主要差異，簡述了國內外多電發動機發展情況，并從總體性能角度分析多電設計對發動機影響，以確保多電發動機有良好的適應性。

關鍵詞：多電發動機；環控引氣；喘振裕度；循環參數；穩定性

1 引言

隨著航空技術的不斷發展，飛機使用了越來越多消耗電能的各類機載設備，導致其對發動機電功率的需求也越來越大，動力系統也朝著多電化、全電化的趨勢發展。多電發動機不僅結構發生了較明顯變化，同時，對發動機性能也會產生較大影響。本文從性能角度出發，對大量電功率提取對發動機設計的影響進行了分析。

2 多電發動機與傳統發動機差異

作為多電飛機的關鍵子系統，多電航空發動機早在20世紀90年代初就被歐美國家譽為潛在的21世紀航空發動機。從那時起，美國和歐盟國家實施了多項研究計劃，開發和驗證了相關的部件和技術，為研制多電飛機和多電發動機進行了必要的技術儲備。

對于傳統發動機，燃油泵、滑油泵以及發電機等附件通過附件機匣提取發動機功率，這種功率提取方式結構復雜。而在傳統發動機基礎上改進的多電發動機，采用內置式整體起動/發電機為發動機和飛機提供所需的電源，用全電氣化傳動附件取代機械液壓式傳動附件，發動機的控制系統也由集中式全權限數字電子控制系統改為分布式控制系統，發動機的燃油泵、滑油泵和作動器也改為電力驅動。

與傳統航空發動機相比，多電發動機具有結構更緊湊、重量更輕、維修性更好、可靠性更高等技術優勢，不僅能為多電飛機提供電力還可以作為機載高能束武器的能源。美國諾斯羅普·格魯門、洛克希德·馬丁和波音公司聯合開展的飛機一體化技術規劃研究表明：全新研制的多電發動機可使重量降低10%～16%，耗油率降低3%～6%，航程延長20%～30%。

3 多電發動機發展情況

20世紀90年代以來，美國和歐盟國家實施了多項多電發動機技術研究計劃，如航空發動機用主動磁力軸承研究計劃（AMBIT）、靈巧航空發動機用磁力軸承計劃（MAGFLY）等，開發和驗證多電發動機所需的主動磁力軸承、備份軸承、一體化起動/發電機、分布式控制等部件和技術。PW公司在IHPTET計劃第一階段的XTC-65核心機壓氣機的后軸承位置安裝了磁力軸承，并進行了100h的試驗。IHPTET計劃的10年進展報告宣稱已經研制成功了能夠滿足要求的高溫磁力軸承系統。之后，多電發動機被列入IHPTET計劃第三階段，在XTC77/2發動機上對高溫主動磁力軸承技術進行驗證。同時，美國空軍支持的多電發動機的SBIR計劃也已經進入第二階段，在試驗機上開展了磁力軸承系統試驗。

經過多年的研究，國內多電發動機關鍵技術已有一定基礎，在大型磁浮軸承方面的研究取得較大進展，已完成試驗室研究階段，進入民用工程應用。磁浮軸承及其相關技術在航空發動機上的應用研究已完成原理試驗驗證，在單軸發動機上的應用研究已取得較大進展，完成了試驗樣機設計，突破了5 自由度磁軸承轉子系統及高溫磁軸承轉子系統的設計技術。

4 對發動機性能影響分析

一直以來，多電發動機的國內外研究重點均集中在主動磁懸浮軸承的研發，以及內置式起動/發電機一體化設計對結構布局的影響。但是，更多電功率的輸出，同樣對渦扇發動機性能設計產生一定的影響。

發動機作為飛機的動力裝置，除了需為飛機系統提供電源外，還需提供環控引氣以及燃油泵、滑油泵、液壓泵驅動力。燃油泵、滑油泵、液壓泵功率提取對發動機性能的影響，與電功率提取一致，主要影響為提高發動機渦輪前溫度、降低高壓壓氣機的喘振裕度，對于雙軸渦扇發動機而言，還會降低發動機的轉差，進而降低了低壓壓氣機的喘振裕度。而提供飛機的環控引氣，主要來源為發動機內涵，在高壓壓氣機級間引氣或高壓壓氣機后引氣，其對發動機性能的影響，主要為提高發動機渦輪前溫度、提高高壓壓氣機及低壓壓氣機的喘振裕度。

對于多電發動機而言，取消環控引氣，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。以民用客機典型的大涵道比渦扇發動機為例，一般軸功率提取為50kW～100kW，環控引氣需求為1800kg/s～2000 kg/s，防冰引氣需求為3000kg/s～3500 kg/s。在保證飛機相同的空調及防冰需求情況下，多電發動機總的電功率提取將增加到250kW～500kW。通過計算評估，起飛狀態低壓壓氣機喘振裕度降低15%～20%，高壓壓氣機喘振裕度降低10%～20%，渦輪前溫度降低5℃～15℃。從評估數據來看，多電發動機可以降低發動機渦輪前溫度進而延長高溫部件壽命，但降低了壓縮部件的喘振裕度，對發動機穩定工作產生了一定的影響，因此，無論是新設計的多電發動機，還是對原有發動機進行改裝，均需重點考慮壓縮部件的喘振裕度，對循環參數進行合理調整，以避免出現喘振裕度不足的情況。

在制定發動機控制計劃時，也應考慮大量的軸功率提取帶來的影響，典型的影響為慢車狀態轉速的制定。同樣的，以大涵道比渦扇發動機為例，其慢車以上狀態時，推力為主要需求，推力主要來源為風扇外涵，所以一般采取風扇轉速為控制目標。但在慢車狀態時，推力需求越低越好，一般設定為可以穩定工作的最低轉速，此時主要考慮核心機的穩定工作情況，因此，慢車狀態采取高壓轉子轉速為控制目標。慢車狀態時，發動機推力、軸功率均較低，而電功率需求不變，相應的，電功率提取比例增加，對發動機轉差影響變大，極大的降低了慢車狀態發動機的轉差。在控制高壓轉子轉速不變時，低壓轉子轉速將大幅提高，推力也將提高10%～20%，進而對飛機下降率產生影響，需要在保證發動機穩定工作情況下，進一步降低慢車狀態工作轉速。

5 結論

多電發動機作為一種新穎的發動機，在優化發動機結構、降低發動機重量、提高可靠性等方面有較大優勢。在關注結構變化帶來的好處時，也需要重視大量的電功率提取對發動機穩定工作產生的影響，進行性能方案設計時，應著重考慮壓縮部件的穩定工作裕度以及慢車狀態的推力變化情況。

參考文獻

[1] 賈淑芝.基于渦扇發動機的多電技術研究初步設想.航空發動機，2009.

[2] 梁春華.歐美積極開展多電航空發動機的研究.國際航空，2009.

（作者單位：中國航發沈陽發動機研究所）