基于多电设计对涡扇发动机性能影响分析

张鑫 康凯 齐伟呈

摘要：多电发动机作为多电飞机的核心部件，受到欧美国家的高度重视，本文介绍了多电发动机与传统发动机的主要差异，简述了国内外多电发动机发展情况，并从总体性能角度分析多电设计对发动机影响，以确保多电发动机有良好的适应性。

关键词：多电发动机；环控引气；喘振裕度；循环参数；稳定性

1 引言

随着航空技术的不断发展，飞机使用了越来越多消耗电能的各类机载设备，导致其对发动机电功率的需求也越来越大，动力系统也朝着多电化、全电化的趋势发展。多电发动机不仅结构发生了较明显变化，同时，对发动机性能也会产生较大影响。本文从性能角度出发，对大量电功率提取对发动机设计的影响进行了分析。

2 多电发动机与传统发动机差异

作为多电飞机的关键子系统，多电航空发动机早在20世纪90年代初就被欧美国家誉为潜在的21世纪航空发动机。从那时起，美国和欧盟国家实施了多项研究计划，开发和验证了相关的部件和技術，为研制多电飞机和多电发动机进行了必要的技术储备。

对于传统发动机，燃油泵、滑油泵以及发电机等附件通过附件机匣提取发动机功率，这种功率提取方式结构复杂。而在传统发动机基础上改进的多电发动机，采用内置式整体起动/发电机为发动机和飞机提供所需的电源，用全电气化传动附件取代机械液压式传动附件，发动机的控制系统也由集中式全权限数字电子控制系统改为分布式控制系统，发动机的燃油泵、滑油泵和作动器也改为电力驱动。

与传统航空发动机相比，多电发动机具有结构更紧凑、重量更轻、维修性更好、可靠性更高等技术优势，不仅能为多电飞机提供电力还可以作为机载高能束武器的能源。美国诺斯罗普·格鲁门、洛克希德·马丁和波音公司联合开展的飞机一体化技术规划研究表明：全新研制的多电发动机可使重量降低10%～16%，耗油率降低3%～6%，航程延长20%～30%。

3 多电发动机发展情况

20世纪90年代以来，美国和欧盟国家实施了多项多电发动机技术研究计划，如航空发动机用主动磁力轴承研究计划（AMBIT）、灵巧航空发动机用磁力轴承计划（MAGFLY）等，开发和验证多电发动机所需的主动磁力轴承、备份轴承、一体化起动/发电机、分布式控制等部件和技术。PW公司在IHPTET计划第一阶段的XTC-65核心机压气机的后轴承位置安装了磁力轴承，并进行了100h的试验。IHPTET计划的10年进展报告宣称已经研制成功了能够满足要求的高温磁力轴承系统。之后，多电发动机被列入IHPTET计划第三阶段，在XTC77/2发动机上对高温主动磁力轴承技术进行验证。同时，美国空军支持的多电发动机的SBIR计划也已经进入第二阶段，在试验机上开展了磁力轴承系统试验。

经过多年的研究，国内多电发动机关键技术已有一定基础，在大型磁浮轴承方面的研究取得较大进展，已完成试验室研究阶段，进入民用工程应用。磁浮轴承及其相关技术在航空发动机上的应用研究已完成原理试验验证，在单轴发动机上的应用研究已取得较大进展，完成了试验样机设计，突破了5 自由度磁轴承转子系统及高温磁轴承转子系统的设计技术。

4 对发动机性能影响分析

一直以来，多电发动机的国内外研究重点均集中在主动磁悬浮轴承的研发，以及内置式起动/发电机一体化设计对结构布局的影响。但是，更多电功率的输出，同样对涡扇发动机性能设计产生一定的影响。

发动机作为飞机的动力装置，除了需为飞机系统提供电源外，还需提供环控引气以及燃油泵、滑油泵、液压泵驱动力。燃油泵、滑油泵、液压泵功率提取对发动机性能的影响，与电功率提取一致，主要影响为提高发动机涡轮前温度、降低高压压气机的喘振裕度，对于双轴涡扇发动机而言，还会降低发动机的转差，进而降低了低压压气机的喘振裕度。而提供飞机的环控引气，主要来源为发动机内涵，在高压压气机级间引气或高压压气机后引气，其对发动机性能的影响，主要为提高发动机涡轮前温度、提高高压压气机及低压压气机的喘振裕度。

对于多电发动机而言，取消环控引气，增加电功率提取，最直接的影响为降低了压缩部件的喘振裕度。以民用客机典型的大涵道比涡扇发动机为例，一般轴功率提取为50kW～100kW，环控引气需求为1800kg/s～2000 kg/s，防冰引气需求为3000kg/s～3500 kg/s。在保证飞机相同的空调及防冰需求情况下，多电发动机总的电功率提取将增加到250kW～500kW。通过计算评估，起飞状态低压压气机喘振裕度降低15%～20%，高压压气机喘振裕度降低10%～20%，涡轮前温度降低5℃～15℃。从评估数据来看，多电发动机可以降低发动机涡轮前温度进而延长高温部件寿命，但降低了压缩部件的喘振裕度，对发动机稳定工作产生了一定的影响，因此，无论是新设计的多电发动机，还是对原有发动机进行改装，均需重点考虑压缩部件的喘振裕度，对循环参数进行合理调整，以避免出现喘振裕度不足的情况。

在制定发动机控制计划时，也应考虑大量的轴功率提取带来的影响，典型的影响为慢车状态转速的制定。同样的，以大涵道比涡扇发动机为例，其慢车以上状态时，推力为主要需求，推力主要来源为风扇外涵，所以一般采取风扇转速为控制目标。但在慢车状态时，推力需求越低越好，一般设定为可以稳定工作的最低转速，此时主要考虑核心机的稳定工作情况，因此，慢车状态采取高压转子转速为控制目标。慢车状态时，发动机推力、轴功率均较低，而电功率需求不变，相应的，电功率提取比例增加，对发动机转差影响变大，极大的降低了慢车状态发动机的转差。在控制高压转子转速不变时，低压转子转速将大幅提高，推力也将提高10%～20%，进而对飞机下降率产生影响，需要在保证发动机稳定工作情况下，进一步降低慢车状态工作转速。

5 结论

多电发动机作为一种新颖的发动机，在优化发动机结构、降低发动机重量、提高可靠性等方面有较大优势。在关注结构变化带来的好处时，也需要重视大量的电功率提取对发动机稳定工作产生的影响，进行性能方案设计时，应着重考虑压缩部件的稳定工作裕度以及慢车状态的推力变化情况。

参考文献

[1] 贾淑芝.基于涡扇发动机的多电技术研究初步设想.航空发动机，2009.

[2] 梁春华.欧美积极开展多电航空发动机的研究.国际航空，2009.

（作者单位：中国航发沈阳发动机研究所）