俄羅斯多電航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展綜述

王 樂，楊 華，王 鵬，高海紅

(1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；2.中物院成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心，成都 610200)

1 引言

國際上對環(huán)保和污染排放的要求不斷提高，國際民航組織計劃到2050 年，將CO2排放降低75%。采用傳統(tǒng)的航空發(fā)動機設(shè)計方法已經(jīng)無法滿足發(fā)動機高效、節(jié)能、環(huán)保和長壽命的需求，因此需要開始探索新的推進技術(shù)。多電發(fā)動機采用電動機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓機械傳動，具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性和維修性良好的特點。發(fā)動機軸上安裝的內(nèi)裝式整體起動發(fā)電機能夠產(chǎn)生幾兆瓦的功率，除為多電或全電飛機提供電力外，還可用于生成激光或微波束，作為機載高能束武器的能源[1]?；诙嚯姾娇瞻l(fā)動機的技術(shù)優(yōu)勢，世界主要軍事大國均將航空電氣化提升至國家層面，加大技術(shù)攻關(guān)和型號驗證力度。

早在20世紀(jì)90年代，世界各國就已經(jīng)開始了多電航空發(fā)動機探索，并實施了多項發(fā)展規(guī)劃。美國多電發(fā)動機計劃的典型代表為INVENT 計劃，致力于實現(xiàn)自適應(yīng)動力與熱管理系統(tǒng)、魯棒電源系統(tǒng)及高性能機電作動系統(tǒng)等三個關(guān)鍵系統(tǒng)。歐盟于1998年正式啟動了航空葉輪機主動磁性軸承(AM-BIT)計劃，隨后又于2002 年推出了功率優(yōu)化飛機(POA)計劃，于2006年推出了更開放的電氣化技術(shù)(MOET)計劃和后續(xù)的凈潔天空計劃(Clean Sky)[2-10]。經(jīng)過幾十年的探索和驗證，多電發(fā)動機研究現(xiàn)已取得巨大進展，但電動機、發(fā)電機和輔助動力裝置的功率仍無法滿足設(shè)計要求，蓄電池的容量不足和體積過大，且需要對電磁脈沖進行有效防護，因此多電發(fā)動機在航空領(lǐng)域的實際工程應(yīng)用并不廣泛。

俄羅斯也在該領(lǐng)域進行了大量探索，通過國家規(guī)劃、國家級項目支撐、企業(yè)級特色研究，推進該項技術(shù)的不斷成熟。本文通過跟蹤研究俄羅斯多電發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展情況，總結(jié)出俄羅斯在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展途徑，可為我國多電發(fā)動機技術(shù)研究提供支撐。

2 俄羅斯多電發(fā)動機技術(shù)研究概況

俄羅斯是最早從事多電飛行器基礎(chǔ)研究的國家之一。2004～2008 年，中央航空發(fā)動機研究院(CIAM)進行了大量多電航空發(fā)動機的理論和試驗研究，中央流體動力研究院(TsAGI)研究了電動液壓靜力傳動裝置的構(gòu)造原理，庫茲涅佐夫公司重點從事三轉(zhuǎn)子多電和全電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的研制，航空發(fā)動機公司開展了大量多電發(fā)動機新結(jié)構(gòu)研究工作。此外，航空設(shè)備科學(xué)研究院、錨附件設(shè)計局、航空電子設(shè)備股份公司、電傳動裝置股份公司和換熱器生產(chǎn)設(shè)計聯(lián)合體等單位，也在開展多電技術(shù)中單個系統(tǒng)和附件的研究。面對國際航空業(yè)多電技術(shù)迅猛發(fā)展的勢頭，俄羅斯從國家層面出發(fā)，制定發(fā)展規(guī)劃，引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展方向；提供項目支撐，使多電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機技術(shù)落地；各廠所結(jié)合各自的優(yōu)勢，確定優(yōu)先發(fā)展方向[11-17]。

2.1 國家統(tǒng)籌

俄羅斯高度重視多電航空發(fā)動機的發(fā)展，通過制定發(fā)展規(guī)劃，開展國家級的項目支撐來推動該項技術(shù)發(fā)展。

2.1.1 發(fā)展規(guī)劃

俄羅斯通過總結(jié)航空發(fā)動機電氣化研制和驗證經(jīng)驗，制定了電推進飛行器研制策略：基于現(xiàn)有的航空技術(shù)，先研制出多電飛機，逐步提高飛行器及其動力裝置的電氣化水平，最終實現(xiàn)全面電氣化。針對這一目標(biāo)，俄羅斯制定了2014-2022 年全電飛機研制綜合計劃，由俄羅斯工貿(mào)部批準(zhǔn)和撥款，TsAGI牽頭，TsAGI、CIAM和機械設(shè)備研究所負(fù)責(zé)工作調(diào)配，聯(lián)合航空制造集團公司(UAC)及其他多家設(shè)計局、科研院所和工廠參加。該計劃的目的是建立俄羅斯新一代國產(chǎn)全電飛機科技儲備，采用新技術(shù)和新設(shè)備實現(xiàn)新型飛機機載設(shè)備能源供給結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。項目完成后，可以直接轉(zhuǎn)入全電飛機研制階段，縮短與美國和歐盟在航空工業(yè)領(lǐng)域的差距。

在2014-2022 年全電飛機研制綜合計劃框架內(nèi)，俄羅斯將基于圖-214 及其后續(xù)改型圖-214E 開展飛行試驗。試驗發(fā)動機將以PS-90A 為基礎(chǔ)，借鑒PD-14 發(fā)動機的研制經(jīng)驗，采用最先進的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)。為保證工作的順利開展，項目部專門組建了科技委員會，商討發(fā)動機研制過程中遇到的問題。

2.1.2 國家級項目

目前，俄羅斯工貿(mào)部已與TsAGI 簽訂了國家級的研制合同——飛機-2020。按照合同要求，TsAGI應(yīng)于2020 年年底前完成具有世界先進水平飛機的研制工作。該合同的主承制單位為TsAGI，協(xié)作單位為UAC。在該項目的構(gòu)架下，TsAGI 設(shè)計了多架具有市場潛力的未來飛機技術(shù)驗證機，開展了大量的試驗和驗證工作，其中就包括實現(xiàn)飛機及其發(fā)動機的電氣化改裝。

2.2 特色研制項目

在國家的支持下，俄羅斯各大企業(yè)基于各自的技術(shù)能力和水平，開展了獨具特色的多電發(fā)動機研制。

2.2.1 土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體

土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體在飛行器全電設(shè)備國家規(guī)劃框架下開展了多電發(fā)動機研究，并成功研制出了俄羅斯首臺達到世界領(lǐng)先水平的小型多電發(fā)動機。該型發(fā)動機取消了液壓系統(tǒng)傳動裝置，擴大了燃?xì)鉁u輪發(fā)動機控制系統(tǒng)電傳動裝置的使用范圍，大幅修改了基礎(chǔ)型發(fā)動機的外形，縮小了進氣道面積，實現(xiàn)了發(fā)電機與航空發(fā)動機一體化設(shè)計，燃滑油系統(tǒng)也采用了電傳動裝置。此外，在設(shè)計的過程中，還采用了許多非傳統(tǒng)設(shè)計方法，對發(fā)動機的質(zhì)量、推力、尺寸和其他參數(shù)均提出了很高要求。經(jīng)驗證，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的電動機構(gòu)可以承受達150℃的溫度和10倍機械過載。

2.2.2 庫茲涅佐夫公司

庫茲涅佐夫公司是俄羅斯三轉(zhuǎn)子航空發(fā)動機的研制單位。該單位提出了推力為196.13 kN 的三轉(zhuǎn)子多電發(fā)動機概念。燃燒室的燃油流量、中壓和高壓壓氣機的放氣、起動發(fā)電機、壓氣機和渦輪間隙控制供氣活門及其他機構(gòu)，均通過電驅(qū)動自動控制系統(tǒng)控制。發(fā)動機中壓轉(zhuǎn)子內(nèi)置起動發(fā)動機，滑油系統(tǒng)采用電驅(qū)動增壓泵、回油泵和油氣分離器，壓氣機放氣通過電動氣壓活門控制，滑油計量泵通過帶閘流管電動機的電驅(qū)動裝置帶轉(zhuǎn)。取消了齒輪泵，代以高速離心泵，達到提高系統(tǒng)可靠性，減重的目的。通過發(fā)動機電子數(shù)字控制系統(tǒng)達到規(guī)定的燃油流量。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

CIAM早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始進行多電發(fā)動機及其系統(tǒng)的技術(shù)研究，但主要針對的是小型發(fā)動機。隨著航空工業(yè)領(lǐng)域電子技術(shù)的快速應(yīng)用，2014年CIAM提出了2020年電推進燃?xì)鉁u輪發(fā)動機技術(shù)工作規(guī)劃，認(rèn)為新型發(fā)動機的理論與試驗研究應(yīng)采取分階段實施策略。第一階段應(yīng)逐一掌握發(fā)動機關(guān)鍵附件的電氣化技術(shù)，研制出多電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，即在保留附件傳動機匣的情況下實現(xiàn)個別組件電氣化；設(shè)計出驗證機，并建立系統(tǒng)驗證發(fā)動機試車臺。第二階段再進一步取消附件機匣，研制出廣泛使用電推進技術(shù)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機。此后，CIAM在俄羅斯2002～2010 年和2015 年前民用航空技術(shù)發(fā)展規(guī)劃以及與UAC 簽訂的多電飛機研制綜合規(guī)劃框架下，結(jié)合本院的發(fā)展規(guī)劃開展了大量基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證，其中包括各類電驅(qū)動裝置和徑向磁軸承技術(shù)攻關(guān)。

(1) 比重小于0.2～0.5 kg/kW的電驅(qū)動裝置。

圖1 所示電驅(qū)動裝置由電驅(qū)動裝置設(shè)計局、鄂木斯克設(shè)計局、ERGA 公司(專門生產(chǎn)和分析永久性稀土磁鐵和專用磁鐵系統(tǒng)的公司)和CIAM 聯(lián)合研制，已經(jīng)完成了高溫、高速、轉(zhuǎn)速變化范圍為1:30(400～12 000 r/min)的試驗件驗證試驗。將該型電驅(qū)動裝置裝備于燃油系統(tǒng)后，可實現(xiàn)泵功率可調(diào)，極大降低飛行中燃油溫升，提高發(fā)動機使用的可靠性和安全性，改善其環(huán)保特性。

圖1 電驅(qū)動裝置試驗件在CIAM GU-212試車臺上的裝配狀態(tài)Fig.1 The assembly of the test piece of the electric drive device on the test bench GU-212 of CIAM

(2) 電驅(qū)動自動控制系統(tǒng)。

CIAM和鄂木斯克機器制造設(shè)計局、電傳動裝置公司組成聯(lián)合團隊為AI-25TL渦扇發(fā)動機驗證機開發(fā)了電驅(qū)動自動控制系統(tǒng)，并行了試驗驗證。該電子數(shù)控系統(tǒng)包括：帶壓氣機和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速傳感器、壓氣機后空氣壓力傳感器、燃油流量傳感器、渦輪后燃?xì)鉁囟葌鞲衅?、發(fā)動機進口空氣溫度和壓力傳感器、發(fā)動機油門桿位置傳感器、壓氣機整流器位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)控制模塊。電磁閥通過調(diào)節(jié)器離散指令模塊進行信號控制。

自動控制驗證系統(tǒng)可以控制燃燒室燃油流量、壓氣機整流葉片位置、壓氣機放氣活門和滑油泵。通過發(fā)動機電子數(shù)控實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的坐標(biāo)控制。

(3) 電驅(qū)動燃油系統(tǒng)。

在傳統(tǒng)發(fā)動機燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，采用附件機匣帶動泵旋轉(zhuǎn)工作；多電燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的燃油系統(tǒng)采用由電動機和控制模塊組成的泵電驅(qū)動裝置。CIAM 重點對燃油系統(tǒng)的無故障保障方法開展了研究。圖2 為CIAM 研制的帶可更換電傳動泵的雙油路燃油供油系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)具有故障穩(wěn)定性，由帶電傳動裝置的低壓離心泵、帶電傳動裝置的高壓齒輪泵、起動放油管路、燃油分流器、單向閥(單向閥1和單向閥2)及其他一些附件組成。電傳動裝置通過發(fā)動機電子數(shù)控控制。

圖2 具有故障穩(wěn)定性的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機燃油供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fuel supply system of a gas turbine engine with fault stability

(4) 電驅(qū)動滑油系統(tǒng)。

多電發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機的區(qū)別在于滑油系統(tǒng)是發(fā)動機控制系統(tǒng)的一部分。CIAM 設(shè)計的渦扇發(fā)動機電驅(qū)動滑油系統(tǒng)包括：4個電驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)齒輪增壓泵、離心油氣分離器、發(fā)動機冷端支點(風(fēng)扇、高壓壓氣機、附件傳動機匣齒輪傳動的軸承)混合物齒輪回油泵、發(fā)動機熱端支點(高、低壓渦輪軸承)混合物齒輪回油泵、滑油空氣總管(增加了一些放油閥，這些閥門位于滑油空氣總管和轉(zhuǎn)子相鄰支點的接點間)和回油泵進口斷油閥。其工作原理圖見圖3。

圖3 具有故障穩(wěn)定特性的滑油電傳動系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of oil-electric drive system with fault stability

(5) 徑向磁軸承。

目前燃?xì)鉁u輪發(fā)動機上采用機械軸承固定轉(zhuǎn)子，工作過程中必須潤滑。在多電發(fā)動機中采用磁懸浮軸承，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時不會產(chǎn)生摩擦，通過磁場保持軸與機匣之間的間隙。盡管目前研制出的磁軸承在質(zhì)量和外形尺寸上還不能滿足航空應(yīng)用要求，但根據(jù)各國磁軸承研制進展來看，未來帶電子控制模塊的主動磁軸承和不帶電子控制裝置的被動磁軸承均有可能用于航空發(fā)動機。在這種背景下，CIAM聯(lián)合ERGA SMPA公司共同研制了質(zhì)量為57 kg 的轉(zhuǎn)子磁懸浮軸承驗證機。驗證機包括一個主動徑向磁軸承和一個被動徑向磁軸承。主動徑向磁軸承的質(zhì)量為7 kg，可承力800 N，徑向間隙為0.5 mm，轉(zhuǎn)速低于25 000 r/min，電功率低于0.5 kW，帶控制模塊。被動徑向磁軸承質(zhì)量為2 kg，可承力1 000 N，徑向間隙小于2 mm，轉(zhuǎn)速低于25 000 r/min，不需要進行控制。

3 結(jié)束語

俄羅斯已將多電技術(shù)作為未來航空領(lǐng)域革新的方向，國家通過頂層牽引，制定發(fā)展規(guī)劃，提出項目需求。各科研院所和企業(yè)在國家項目支撐下，根據(jù)自身發(fā)展特點和研制能力，開發(fā)個性化多電發(fā)動機。其中，CIAM 表現(xiàn)最為突出。該研究院經(jīng)過數(shù)十年的積累和攻關(guān)，無論是自動控制系統(tǒng)、燃油和滑油電驅(qū)動系統(tǒng)方面，還是基礎(chǔ)技術(shù)研究方面，都處于行業(yè)領(lǐng)先。通過分析俄羅斯的多電發(fā)動機技術(shù)，可以得出以下啟示：

(1) 制定國家發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合項目要求，牽引發(fā)展方向。

多電發(fā)動機取消了目前航空發(fā)動機中廣泛采用的機械系統(tǒng)和燃油滑油系統(tǒng)，改為電驅(qū)動，研制難度非常大。這就需要由國家出面整合資源，制定發(fā)展規(guī)劃，使各組織機構(gòu)在指引下開展相應(yīng)研究工作。通過國家專項組織撥款，使各航空企業(yè)和科研院所達成合作意向，建立合作關(guān)系。之后再由國家出面，通過戰(zhàn)備采購和項目牽引來進一步推動多電發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展。

(2) 組建聯(lián)合團隊，協(xié)同開展工作。

多電發(fā)動機是革新性產(chǎn)品，研發(fā)時必須組建聯(lián)合團隊，廣泛吸收飛機、動力、電驅(qū)動、磁軸承、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域先進單位和其他一些具有雄厚科技儲備和先進技術(shù)研發(fā)能力的單位協(xié)同工作，才能保證早日突破新技術(shù)。

(3) 建立良好的科技儲備，制定研究策略。

國內(nèi)的飛機和航空發(fā)動機研究所應(yīng)做好預(yù)先研究工作，在分析國際航空發(fā)動機發(fā)展趨勢和多電發(fā)動機研究進展的基礎(chǔ)上，深入開展多電發(fā)動機及其相關(guān)領(lǐng)域各項技術(shù)研究。結(jié)合自身和國內(nèi)的實際情況，制定研究策略，為我國航空發(fā)動機電氣化技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)，提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

(4) 基于現(xiàn)有技術(shù)儲備，突出優(yōu)先發(fā)展方向。

在進行多電發(fā)動機研制時，每個單位應(yīng)利用自己的特點、已有的技術(shù)基礎(chǔ)和優(yōu)勢，著重開展某個領(lǐng)域或方向的研究工作，確定自身的優(yōu)先發(fā)展方向。這樣不僅可以縮短研制周期和風(fēng)險，還可以突出自己在行業(yè)內(nèi)的優(yōu)勢，增強產(chǎn)品競爭力。