俄羅斯多電航空發動機技術發展綜述

王 樂，楊 華，王 鵬，高海紅

(1.中國航發四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.中物院成都科學技術發展中心，成都 610200)

1 引言

國際上對環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%。采用傳統的航空發動機設計方法已經無法滿足發動機高效、節能、環保和長壽命的需求，因此需要開始探索新的推進技術。多電發動機采用電動機來代替傳統的液壓機械傳動，具有質量輕、結構簡單、可靠性和維修性良好的特點。發動機軸上安裝的內裝式整體起動發電機能夠產生幾兆瓦的功率，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]。基于多電航空發動機的技術優勢，世界主要軍事大國均將航空電氣化提升至國家層面，加大技術攻關和型號驗證力度。

早在20世紀90年代，世界各國就已經開始了多電航空發動機探索，并實施了多項發展規劃。美國多電發動機計劃的典型代表為INVENT 計劃，致力于實現自適應動力與熱管理系統、魯棒電源系統及高性能機電作動系統等三個關鍵系統。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 年推出了功率優化飛機(POA)計劃，于2006年推出了更開放的電氣化技術(MOET)計劃和后續的凈潔天空計劃(Clean Sky)[2-10]。經過幾十年的探索和驗證，多電發動機研究現已取得巨大進展，但電動機、發電機和輔助動力裝置的功率仍無法滿足設計要求，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，因此多電發動機在航空領域的實際工程應用并不廣泛。

俄羅斯也在該領域進行了大量探索，通過國家規劃、國家級項目支撐、企業級特色研究，推進該項技術的不斷成熟。本文通過跟蹤研究俄羅斯多電發動機技術的發展情況，總結出俄羅斯在該領域的技術發展途徑，可為我國多電發動機技術研究提供支撐。

2 俄羅斯多電發動機技術研究概況

俄羅斯是最早從事多電飛行器基礎研究的國家之一。2004～2008 年，中央航空發動機研究院(CIAM)進行了大量多電航空發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造原理，庫茲涅佐夫公司重點從事三轉子多電和全電燃氣渦輪發動機的研制，航空發動機公司開展了大量多電發動機新結構研究工作。此外，航空設備科學研究院、錨附件設計局、航空電子設備股份公司、電傳動裝置股份公司和換熱器生產設計聯合體等單位，也在開展多電技術中單個系統和附件的研究。面對國際航空業多電技術迅猛發展的勢頭，俄羅斯從國家層面出發，制定發展規劃，引領行業的發展方向；提供項目支撐，使多電燃氣渦輪發動機技術落地；各廠所結合各自的優勢，確定優先發展方向[11-17]。

2.1 國家統籌

俄羅斯高度重視多電航空發動機的發展，通過制定發展規劃，開展國家級的項目支撐來推動該項技術發展。

2.1.1 發展規劃

俄羅斯通過總結航空發動機電氣化研制和驗證經驗，制定了電推進飛行器研制策略：基于現有的航空技術，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，最終實現全面電氣化。針對這一目標，俄羅斯制定了2014-2022 年全電飛機研制綜合計劃，由俄羅斯工貿部批準和撥款，TsAGI牽頭，TsAGI、CIAM和機械設備研究所負責工作調配，聯合航空制造集團公司(UAC)及其他多家設計局、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全電飛機科技儲備，采用新技術和新設備實現新型飛機機載設備能源供給結構轉型。項目完成后，可以直接轉入全電飛機研制階段，縮短與美國和歐盟在航空工業領域的差距。

在2014-2022 年全電飛機研制綜合計劃框架內，俄羅斯將基于圖-214 及其后續改型圖-214E 開展飛行試驗。試驗發動機將以PS-90A 為基礎，借鑒PD-14 發動機的研制經驗，采用最先進的設計和生產技術。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，協作單位為UAC。在該項目的構架下，TsAGI 設計了多架具有市場潛力的未來飛機技術驗證機，開展了大量的試驗和驗證工作，其中就包括實現飛機及其發動機的電氣化改裝。

2.2 特色研制項目

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

2.2.1 土星科研生產聯合體

土星科研生產聯合體在飛行器全電設備國家規劃框架下開展了多電發動機研究，并成功研制出了俄羅斯首臺達到世界領先水平的小型多電發動機。該型發動機取消了液壓系統傳動裝置，擴大了燃氣渦輪發動機控制系統電傳動裝置的使用范圍，大幅修改了基礎型發動機的外形，縮小了進氣道面積，實現了發電機與航空發動機一體化設計，燃滑油系統也采用了電傳動裝置。此外，在設計的過程中，還采用了許多非傳統設計方法，對發動機的質量、推力、尺寸和其他參數均提出了很高要求。經驗證，該燃氣渦輪發動機的電動機構可以承受達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子航空發動機的研制單位。該單位提出了推力為196.13 kN 的三轉子多電發動機概念。燃燒室的燃油流量、中壓和高壓壓氣機的放氣、起動發電機、壓氣機和渦輪間隙控制供氣活門及其他機構，均通過電驅動自動控制系統控制。發動機中壓轉子內置起動發動機，滑油系統采用電驅動增壓泵、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動裝置帶轉。取消了齒輪泵，代以高速離心泵，達到提高系統可靠性，減重的目的。通過發動機電子數字控制系統達到規定的燃油流量。

2.3 關鍵技術攻關

CIAM早在20世紀80年代就已經開始進行多電發動機及其系統的技術研究，但主要針對的是小型發動機。隨著航空工業領域電子技術的快速應用，2014年CIAM提出了2020年電推進燃氣渦輪發動機技術工作規劃，認為新型發動機的理論與試驗研究應采取分階段實施策略。第一階段應逐一掌握發動機關鍵附件的電氣化技術，研制出多電燃氣渦輪發動機，即在保留附件傳動機匣的情況下實現個別組件電氣化；設計出驗證機，并建立系統驗證發動機試車臺。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的燃氣渦輪發動機。此后，CIAM在俄羅斯2002～2010 年和2015 年前民用航空技術發展規劃以及與UAC 簽訂的多電飛機研制綜合規劃框架下，結合本院的發展規劃開展了大量基礎研究和關鍵技術試驗驗證，其中包括各類電驅動裝置和徑向磁軸承技術攻關。

(1) 比重小于0.2～0.5 kg/kW的電驅動裝置。

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

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

(2) 電驅動自動控制系統。

CIAM和鄂木斯克機器制造設計局、電傳動裝置公司組成聯合團隊為AI-25TL渦扇發動機驗證機開發了電驅動自動控制系統，并行了試驗驗證。該電子數控系統包括：帶壓氣機和風扇轉速傳感器、壓氣機后空氣壓力傳感器、燃油流量傳感器、渦輪后燃氣溫度傳感器、發動機進口空氣溫度和壓力傳感器、發動機油門桿位置傳感器、壓氣機整流器位置傳感器和執行機構控制模塊。電磁閥通過調節器離散指令模塊進行信號控制。

自動控制驗證系統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。通過發動機電子數控實現電氣系統的坐標控制。

(3) 電驅動燃油系統。

在傳統發動機燃油系統結構中，采用附件機匣帶動泵旋轉工作；多電燃氣渦輪發動機的燃油系統采用由電動機和控制模塊組成的泵電驅動裝置。CIAM 重點對燃油系統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方案，該系統具有故障穩定性，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。電傳動裝置通過發動機電子數控控制。

圖2 具有故障穩定性的燃氣渦輪發動機燃油供油系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the fuel supply system of a gas turbine engine with fault stability

(4) 電驅動滑油系統。

多電發動機與傳統發動機的區別在于滑油系統是發動機控制系統的一部分。CIAM 設計的渦扇發動機電驅動滑油系統包括：4個電驅動裝置、旋轉齒輪增壓泵、離心油氣分離器、發動機冷端支點(風扇、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 具有故障穩定特性的滑油電傳動系統原理圖Fig.3 Schematic diagram of oil-electric drive system with fault stability

(5) 徑向磁軸承。

目前燃氣渦輪發動機上采用機械軸承固定轉子，工作過程中必須潤滑。在多電發動機中采用磁懸浮軸承，轉子旋轉時不會產生摩擦，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量和外形尺寸上還不能滿足航空應用要求，但根據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動機。在這種背景下，CIAM聯合ERGA SMPA公司共同研制了質量為57 kg 的轉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量為7 kg，可承力800 N，徑向間隙為0.5 mm，轉速低于25 000 r/min，電功率低于0.5 kW，帶控制模塊。被動徑向磁軸承質量為2 kg，可承力1 000 N，徑向間隙小于2 mm，轉速低于25 000 r/min，不需要進行控制。

3 結束語

俄羅斯已將多電技術作為未來航空領域革新的方向，國家通過頂層牽引，制定發展規劃，提出項目需求。各科研院所和企業在國家項目支撐下，根據自身發展特點和研制能力，開發個性化多電發動機。其中，CIAM 表現最為突出。該研究院經過數十年的積累和攻關，無論是自動控制系統、燃油和滑油電驅動系統方面，還是基礎技術研究方面，都處于行業領先。通過分析俄羅斯的多電發動機技術，可以得出以下啟示：

(1) 制定國家發展規劃，結合項目要求，牽引發展方向。

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

(2) 組建聯合團隊，協同開展工作。

多電發動機是革新性產品，研發時必須組建聯合團隊，廣泛吸收飛機、動力、電驅動、磁軸承、控制系統等領域先進單位和其他一些具有雄厚科技儲備和先進技術研發能力的單位協同工作，才能保證早日突破新技術。

(3) 建立良好的科技儲備，制定研究策略。

國內的飛機和航空發動機研究所應做好預先研究工作，在分析國際航空發動機發展趨勢和多電發動機研究進展的基礎上，深入開展多電發動機及其相關領域各項技術研究。結合自身和國內的實際情況，制定研究策略，為我國航空發動機電氣化技術研究和產品研發，提供基礎技術支撐。

(4) 基于現有技術儲備，突出優先發展方向。

在進行多電發動機研制時，每個單位應利用自己的特點、已有的技術基礎和優勢，著重開展某個領域或方向的研究工作，確定自身的優先發展方向。這樣不僅可以縮短研制周期和風險，還可以突出自己在行業內的優勢，增強產品競爭力。