多電飛機資料整理

1、多電飛機資料整理（21世紀(jì)前發(fā)展歷史）多電發(fā)動機是多電飛機的核心系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，美、英等國以主動磁浮軸承技 術(shù)和整體起動/發(fā)電機技術(shù)為突破口開展了多電發(fā)動機研究，取得了很大進展。預(yù)計多電發(fā) 動機在2010 -2020年達到實用階段由于多電發(fā)動機技術(shù)可使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和性能全面優(yōu)化，因此，倍受世界許多國家的 關(guān)注。目前，美國和英國在多電發(fā)動機技術(shù)的研究方面已取得了很大進展。預(yù)計國外將在 2004年對多電發(fā)動機技術(shù)進行驗證，2010-2020年，多電發(fā)動機達到實用階段。主要優(yōu)點多電發(fā)動機除了為飛機飛行提供所需的推力，為機上所有用電系統(tǒng)提供電力外，還為發(fā) 動機上的液壓機械和氣壓系統(tǒng)驅(qū)動提供電力

2、。由于采用磁浮軸承而無需潤滑系統(tǒng)，與傳統(tǒng)發(fā) 動機相比，多電發(fā)動機不僅性能提高，而且具有維修性和可靠性好、使用和維護成本低、結(jié) 構(gòu)緊湊等許多優(yōu)勢。多電發(fā)動機將改善未來民用飛機的舒適性。電力系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的環(huán)境控制系統(tǒng)，將改 善發(fā)動機的熱力循環(huán)特性，增加客艙空氣供應(yīng)量和改善質(zhì)量，同時可減少約1%的燃料消耗； 裝在風(fēng)扇軸上的發(fā)電機可產(chǎn)生較大電力輸出，滿足飛機客艙舒適性和客艙設(shè)備的更多要求 （如電話、計算機和電視等）。從軍用角度看，多電發(fā)動機技術(shù)能大幅度提高發(fā)動機的推重比，從而增大飛機的有效載 荷。裝在發(fā)動機軸上的整體起動/發(fā)電機能夠產(chǎn)生幾兆瓦的電功率，除為多電飛機提供電力 外，還可用于生成激光或微波束

3、，作為機載高能束武器的能源。同時多電發(fā)動機技術(shù)可延 長飛機的免維修使用周期和簡化前線維修程序。此外，多電發(fā)動機可以滿足未來無人機一體 化電力系統(tǒng)要求，以使整體能力達到最優(yōu)。核心部件多電發(fā)動機在傳統(tǒng)的航空發(fā)動機基礎(chǔ)上采用了必需的核心部件這包括大功率整體起動 /發(fā)動機、主動磁浮軸承系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)以及電動燃油泵和電力作動器等。整體起動/發(fā)電機整體起動/發(fā)電機裝在風(fēng)扇軸上，它利用電機的可逆原理，在發(fā)動機穩(wěn)定工作前作為電 起動機工作，帶動發(fā)動機轉(zhuǎn)子到一定轉(zhuǎn)速后噴油點火，使發(fā)動機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，然后， 發(fā)動機反過來帶動電機，成為發(fā)電機，給飛機用電設(shè)備供電。采用整體起動/發(fā)電機可取消功率提取軸和減速

4、器，減小發(fā)動機重量和迎風(fēng)面積；所產(chǎn) 生的電功率由兩根以上的發(fā)動機軸分擔(dān)，可以重新優(yōu)化燃氣發(fā)生器，有利于控制喘振和擴大 空中點火包線，改善發(fā)動機適用性；易于獲得大的電功率。在羅-羅公司多電發(fā)動機的高、 中壓轉(zhuǎn)子中，各有一個組合的主動磁浮軸承和起動/發(fā)電機裝置。這兩個發(fā)電機可在軸間傳 遞電力，通過更好的系統(tǒng)匹配提高系統(tǒng)的總效率。主動磁浮軸承這是一種利用電磁力使軸承穩(wěn)定懸浮起來且軸心位置可以由控制系統(tǒng)控制的一種新型 軸承。它包括位移傳感器、控制器、功率放大器和電磁作動器。其工作原理是：位移傳感器 用于監(jiān)視軸的位置，并將信息傳入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)確定必要的控制信號，并將控制信號 送入功率放大器，轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

5、電磁作動器的增大電流，使旋轉(zhuǎn)軸位于軸承作動器中心。用主動磁浮軸承系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式滾動軸承、潤滑系統(tǒng)和機械作動系統(tǒng)，可大大減 少發(fā)動機的零件數(shù)從而大大減輕系統(tǒng)的重量（預(yù)計大型航空發(fā)動機可減重10% 15%）和簡 化結(jié)構(gòu)，改善可靠性和維修性，降低成本，免除普通發(fā)動機滑油帶來的著火危險；由于磁浮 軸承能承受更高的溫度（550600。0，因此可設(shè)計得離燃燒室或渦輪更近，這樣使發(fā)動機 的結(jié)構(gòu)更緊湊；采用主動磁浮軸承可以減少振動，改善發(fā)動機的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性；磁浮軸承 可進行主動振動控制和葉尖間隙控制，還可進行狀態(tài)監(jiān)視。分布式控制系統(tǒng)目前航空發(fā)動機所用集中式全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)（FADEC）的所有控制處

6、理和計算以 及輸入輸出信號的濾波與處理都通過一個FADEC裝置實現(xiàn)。多電發(fā)動機分布式控制系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)總線與系統(tǒng)中多個靈巧作動器或傳感器相連每個作動器或傳感器都具有一定的處理功 能，可執(zhí)行當(dāng)?shù)氐墓δ?。采用分布式控制系統(tǒng)可減輕發(fā)動機的重量、提高可用性、改善故障隔離特性、減少壽命 期成本、減輕駕駛員工作負(fù)荷、改進發(fā)動機控制、帶來故障檢測和維修性方面的好處。預(yù)計， 采用分布式控制系統(tǒng)的大型民用發(fā)動機的重量可減輕約50千克，維修成本可減少20% 30%。電動燃油泵它是多電發(fā)動機的重要部件。目前航空發(fā)動機的主燃油泵都是固定排量的齒輪泵，這種 燃油泵可靠性很高。但由于齒輪泵的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，因此

7、，在有些飛行狀態(tài) 下齒輪泵所提供的燃油遠高于發(fā)動機所需燃油量。為解決這個問題，需要大量燃油重新流回 燃油箱。結(jié)果是燃油溫度升高，因此需要對流回的燃油進行冷卻，以防止燃油系統(tǒng)超溫。具有智能控制器的電動燃油泵的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速無關(guān)，因此，可根據(jù)發(fā)動機的需要 調(diào)整轉(zhuǎn)速來提供發(fā)動機所需的燃油量，而無需燃油流回，這樣既減輕了系統(tǒng)的重量，也降低 了系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前，美國已在發(fā)動機上驗證了這項技術(shù)。燃油泵中的一個雙通道電子控 制器通過數(shù)據(jù)總線獲取燃油流量的需求信息，然后調(diào)節(jié)燃油閥的位置到所要求的燃油量。電力作動器傳統(tǒng)的航空發(fā)動機采用的液壓作動器始終有泄漏，因此當(dāng)發(fā)動機系統(tǒng)性能下降時，總是 難以判斷是不是

8、液壓作動器的泄漏造成的。采用電力作動器則很容易進行故障識別，因為起 動/發(fā)動機和功率電子設(shè)備都傳遞自己的信號。此外，傳統(tǒng)機械液壓作動器的拆除非常麻煩， 需有經(jīng)驗的維修人員操作，并需要地面保障設(shè)備的支持。而電力作動器的拆除非常簡單，只 需斷開電路，擰下與作動器連接的螺栓即可。備價軸承主動磁浮軸承存在的最大問題是當(dāng)電力失效時，高速旋轉(zhuǎn)的磁懸浮轉(zhuǎn)子會迅速失去懸 浮，造成災(zāi)難性后果，因此，多電發(fā)動機必須安裝輕重量的備份軸承以保證在磁浮軸承發(fā) 生故障時能支撐高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，而且能夠工作30分鐘以上。關(guān)鍵技術(shù)和難點多電發(fā)動機的部件設(shè)計要求重量輕、體積小、功率密度高、結(jié)實耐用、發(fā)動機與飛機系 統(tǒng)的高度綜合、

9、耐高溫、熱管理特性好和控制技術(shù)先進等，因此，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)和 難點。高溫主動磁浮軸承技術(shù)非接觸式高溫位置傳感器。技術(shù)難點是傳感器在0C 600C范圍內(nèi)的溫度補償技術(shù)、 小直徑（約0.1毫米）傳感器線圈的制造技術(shù)和高溫下穩(wěn)定工作技術(shù)。目前研究中的高溫位移 傳感器有電感傳感器、電容傳感器、磁通傳感器、渦流傳感器等。美國已經(jīng)試驗了能在650C 下工作的電感式位置傳感器。高溫鐵磁體材料。需發(fā)展磁浮軸承轉(zhuǎn)子和靜子疊片用的耐高溫、高飽和磁密、高強度 和低渦流損失的鐵磁材料。電磁線圈絕緣材料。多電發(fā)動機的磁性軸承要在550C的高溫下工作，因此，需要采 用耐高溫的絕緣材料作為勵磁線圈的絕緣層。目前采用的

10、陶瓷材料比較脆加工中容易破裂、 脫落，并且壽命較短，因此，需要發(fā)展壽命長、性能更好的絕緣材料。內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機技術(shù)它的技術(shù)難點除了與磁浮軸承類似的高溫鐵磁材料和絕緣材料、渦流損失控制、電磁屏 蔽和與發(fā)動機的綜合控制外，起動/發(fā)電機的設(shè)計和起動/發(fā)電機與發(fā)動機的一體化設(shè)計也是 技術(shù)難點。分布式控制技術(shù)其關(guān)鍵是分布式控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和運行模式、余度多路傳輸光纖總線、多余度數(shù)字 處理機和并行處理技術(shù)。高溫電子設(shè)備及其絕緣常規(guī)電子設(shè)備的耐溫能力為1251,多電發(fā)動機的電子設(shè)備處于高溫工作環(huán)境，因此需 要發(fā)展耐高溫的電子設(shè)備，研究中的碳化硅芯片可在300-400的高溫下長期工作，在 6501下短

11、期工作。此外，碑化鎵和鋁碑化鎵材料也是耐高溫電子設(shè)備有前途的材料。目前，電子機械的絕緣材料受最高溫度2001的限制。因此，要發(fā)展尺寸小、重量輕和 功率大的電子機械，就需要新的絕緣技術(shù)，玻璃陶瓷絕緣材料是發(fā)展方向之一。高溫電子設(shè)備的熱管理電子設(shè)備通常產(chǎn)生大量的熱，要保持部件的溫度需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，但這會增加系統(tǒng) 成本和重量。如果沒有好的熱管理系統(tǒng)，電子機械的壽命和可靠性將下降。熱管理也是提高 電力系統(tǒng)功率密度的關(guān)鍵，它可減輕總系統(tǒng)重量。因此，需要研究高溫電子設(shè)備的熱管理技 術(shù)。發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，美國和歐共體主要圍繞研究主動磁浮軸承技術(shù)和整體起動/發(fā)電機技 術(shù)開始實施多電發(fā)動機發(fā)展計劃。

12、1994年，美國艾利遜公司和Synchrony公司就聯(lián)合開發(fā)了燃氣渦輪發(fā)動機用磁浮軸 承系統(tǒng)。從1998年開始，美國空軍和NASA的格林研究中心、艾利遜先進技術(shù)開發(fā)公司、 Texas A&M公司以及弗吉尼亞大學(xué)一道進行高溫磁浮軸承的試驗，目標(biāo)是驗證537C 649C的主動磁浮軸承技術(shù)。2000年，美國將高溫磁浮軸承技術(shù)列入航空關(guān)鍵技術(shù)計劃。 美國國家級綜合高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)計劃將驗證高溫主動磁浮軸承技術(shù)作為第 三階段的任務(wù)。美國空軍的另一項計劃是在2003年在一臺噴氣發(fā)動機的高壓軸上采用磁浮 軸承，并進行地面試驗。預(yù)計2010年左右進行磁浮軸承的飛行試驗。1995年以前，美國

13、GE公司根據(jù)美國空軍的合同完成了在F110-129發(fā)動機上的內(nèi)置 式起動/發(fā)電機的初步設(shè)計，功率為375千瓦。美國TRW公司研制的變頻發(fā)電機具有高電 力輸出、不增加重量，并且具有可靠性和維修性好的優(yōu)點。目前，該公司功率為12 0千瓦 的變頻發(fā)電機已完成了 1000多小時的加速任務(wù)試驗，功率150千瓦的發(fā)電機也正在研究 中。今后，整體起動/發(fā)電機的發(fā)展方向是發(fā)電機與發(fā)動機控制的更高度綜合，使發(fā)動機的 電力管理實現(xiàn)最優(yōu)化。1998年4月，歐洲啟動了航空發(fā)動機用主動磁浮軸承(AMBIT)計劃。這項為期3年的 基礎(chǔ)性研究計劃的目的是開發(fā)主動磁浮軸承和備份軸承，同時預(yù)測它們的性能，并確定它們 在高溫和高

14、動態(tài)載荷條件下的工作極限。該計劃重點是高溫材料和魯棒控制，并開發(fā)預(yù)測性 能的分析工具，最后在試驗臺上驗證了所獲得的技術(shù)。由于AMBIT進展順利，2002年1 月，歐洲啟動7AMBIT的后繼計劃，即靈巧航空發(fā)動機用磁浮軸承計劃(MAGFLY)。該計 劃為期42個月，總投資436.767萬歐元，參與該計劃的包括航空發(fā)動機公司、軸承公司、 大學(xué)和軟件公司在內(nèi)的10家機構(gòu)。2000年11月，英國政府起動了為期四年的多電發(fā)動機和機翼系統(tǒng)(MEEAWS)計劃， 該計劃是1997年一個相似計劃的繼續(xù)，計劃的目標(biāo)是發(fā)展裝在軸上的整體起動/發(fā)電機和 主動磁浮軸承，用電力系統(tǒng)取代液壓和氣壓系統(tǒng)，以降低飛機重量與成本和提高可靠性。2002年2月，歐盟開始電力優(yōu)化飛機(POA)計劃，它是目前歐盟投資的經(jīng)濟的近期低 污染(ANTLE)計劃的繼續(xù)。ANTLE是歐洲發(fā)展多電發(fā)動機技術(shù)的重要計劃。這項計劃集中 了大量研究中的技術(shù)。目前，美國和歐洲都在研究內(nèi)置式整體起動/發(fā)電機技術(shù)。美國的研究在多