電動輪緣風扇與無軸渦輪電發(fā)動機概念研究

隨著電氣化的深入，除了進一步提升電動機各項性能外，將電動機設計融入到現(xiàn)有航空動力系統(tǒng)的設計中，通過電動機轉(zhuǎn)子部分與輪緣風扇的葉片或輪緣結合，定子部分布置于涵道短艙或機匣中，實現(xiàn)葉輪機械與電機結構的融合設計，成為動力系統(tǒng)集成優(yōu)化的潛在技術方向。電動輪緣風扇將電動機與風扇融合，具有結構緊湊、控制靈活、布置便利等優(yōu)點，可應用于航空電推進系統(tǒng)的推進單元設計，也可集成在航空發(fā)動機設計中用于實現(xiàn)變工況調(diào)節(jié)、起動/發(fā)電一體化、功率提取等功能，支撐航空發(fā)動機電氣化設計與總體性能提升?；谶@一技術路線提出的無軸渦輪電發(fā)動機概念方案，則是將電機與葉輪機械一體化，擺脫軸系設計約束，使得發(fā)動機設計匹配與能量輸出方式更為靈活，可為航空動力電氣化提供新思路。電機/風扇一體化設計的提出與發(fā)展將電機與葉片或風扇結合的技術思路并非首次提出，在艦船和航空領域均有團隊開展了相關概念研究與技術研制。在艦船推進領域，研究人員提出了將環(huán)形同步電動機與導管式推進器一體化設計的推進方案。挪威布魯伏爾（BRUNVOLL）公司與德國福伊特（VOITH）公司在2005年先后推出了推進器樣機；馬偉明院士團隊在2017年針對潛艇動力需求提出了一種無軸泵噴推進器，將螺旋槳與電動機轉(zhuǎn)子結合，在螺旋槳外邊加一個環(huán)狀導管，以屏蔽螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，并通過定子與導管改善進流條件，使流場更均勻、流速更快，從而提高推進效率。在航空推進領域，美國國家航空航天局（NASA）于2006年在基礎航空計劃中對磁懸浮涵道風扇開展研究。項目由格倫研究中心團隊承擔，提出磁懸浮涵道風扇方案，將磁懸浮技術應用于電動輪緣風扇設計，通過應用磁懸浮軸承將傳統(tǒng)機械連接變?yōu)榉墙佑|式連接，使風扇的疲勞壽命提高一倍，如圖1所示。圖1

磁懸浮涵道風扇原理示意在項目支持下，格倫研究中心團隊針對磁懸浮涵道風扇技術開展了方案設計、理論模型開發(fā)和仿真模擬分析、硬件試制和試驗。開發(fā)了理論模型來推導和預測磁懸浮涵道風扇的懸浮和推進性能，通過有限元分析成功完成了理論推導驗證。2008年該團隊完成了10cm磁懸浮涵道風扇的試制，如圖2所示，通過樣機試驗驗證了磁懸浮涵道風扇基本原理可行性，以及提出的理論分析方法。研究表明該技術有望為航空推進帶來顯著性能提升，同時也具備應用于發(fā)電機和飛輪等其他領域的技術潛力。圖2

10cm磁懸浮涵道風扇2020年，美國公司基于前期的研究，提出了將電動輪緣風扇應用于高超聲速組合動力中的發(fā)動機概念方案Hyscram，如圖3所示。方案中采用了全電化設計，風扇、壓氣機采用超導電動機驅(qū)動，渦輪則帶動超導發(fā)電機提取電能，通過磁懸浮、超導等技術應用，實現(xiàn)風扇和壓氣機解耦設計，滿足寬馬赫數(shù)工況范圍內(nèi)的流量調(diào)節(jié)，大幅提高發(fā)動機整體效率。

圖3

Hyscram概念發(fā)動機2019年，先進航空動力創(chuàng)新工作站圍繞未來航空電推進發(fā)展，布局了基于電機與葉輪機械一體化設計的推進方案概念研究，開展磁懸浮輪緣風扇原理樣機設計與驗證，提出了電功率分配輸出取代傳統(tǒng)高低壓軸機械功率傳遞的無軸渦輪電發(fā)動機概念方案。通過風扇、壓氣機、渦輪等獨立轉(zhuǎn)速調(diào)控與設計優(yōu)化，實現(xiàn)發(fā)動機寬工況調(diào)節(jié)與性能優(yōu)化，結合分布式電推進設計還可進一步支撐航空電推進系統(tǒng)綜合能力提升。在航空推進中的應用前景電機與葉輪機械的一體化設計可為航空電推進系統(tǒng)設計與性能提升帶來多方面的收益，按照應用場景與集成難度，可將其應用于以下3個方面。一是直接用于電推進風扇設計，作為分布式電推進系統(tǒng)中的推進單元使用。在傳統(tǒng)電動涵道風扇方案中，電動機的布置往往是重要的制約因素。由于電動機功重比與轉(zhuǎn)速、外廓尺寸、工作溫度等密切相關，為兼顧電動涵道風扇推進性能與質(zhì)量，給內(nèi)置式電動機設計與熱管理帶來挑戰(zhàn)。特別是當一些飛行器布局方案對推進單元尺寸約束嚴格、或者風扇功率較大時，電動涵道風扇往往采用外置電動機配合傳動系統(tǒng)的設計方式，這既帶來了系統(tǒng)質(zhì)量與復雜度的增加，也使得推進風扇在飛行器上安裝位置受到更多限制，不利于發(fā)揮電推進系統(tǒng)飛推一體化優(yōu)勢。采用電動輪緣風扇的方式，可降低電磁設計環(huán)節(jié)由于空間與散熱約束帶來的難度，避免了內(nèi)置電動機帶來的對內(nèi)流道氣動設計的影響，并使得推進風扇結構更為緊湊，便于在飛行器上安裝布置，有利于分布式電推進與飛行器氣動設計的結合。此類應用作為航空電推進系統(tǒng)中的獨立功能單元使用，可成為現(xiàn)有推進涵道風扇的替代方案，實現(xiàn)難度相對較低。二是用于對航空發(fā)動機電氣部件集成設計，將發(fā)動機一級或多級葉片與電機融合作為起動/發(fā)電一體化電機替代方案，或作為軸功率提取與軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手段。內(nèi)置式起動/發(fā)電一體化電機設計主要挑戰(zhàn)包括內(nèi)部空間緊張、冷卻不足易過熱等問題，采用輪緣風扇結構將定子外置于機匣，結構與冷卻易于實現(xiàn)，且可支持的電功率設計上限更高。通過在高低壓軸分別布置并配合能量管理控制，還可為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)功率分配與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制提供支持。雖然與電動機轉(zhuǎn)子融合導致該級風扇或壓氣機葉片氣動性能可能有所犧牲，但通過整機集成優(yōu)化可以減小負面影響。在應用中發(fā)動機現(xiàn)有軸系設計與支撐形式不會出現(xiàn)較大變化，可在不對發(fā)動機總體性能和結構帶來顛覆性改變的前提下實現(xiàn)局部電氣化改造。MTU公司在對渦噴發(fā)動機的起動/發(fā)電一體化電機優(yōu)化時曾采用葉輪機械與電機一體化的設計方案，通過發(fā)動機中高壓壓氣機與發(fā)電機的集成來實現(xiàn)減輕質(zhì)量和優(yōu)化安裝空間，并可減少發(fā)電機的拆卸和維護成本。此類應用具備一定的可用性，但作為航空發(fā)動機部件集成到發(fā)動機中涉及氣動、結構、控制等多方面的匹配設計與集成優(yōu)化，具有一定的實現(xiàn)難度。三是用于對航空發(fā)動機局部或全部的電氣化改造，用于單級風扇獨立控制以實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)等特定功能，或?qū)⑷咳~輪機械電氣化以擺脫傳統(tǒng)軸系約束。傳統(tǒng)軸系設計高效、緊湊且可靠，優(yōu)點突出，但也帶來轉(zhuǎn)速上的限制。風扇、壓氣機以及渦輪轉(zhuǎn)速設計的最佳點各不相同，同一軸上各級葉輪機械的轉(zhuǎn)速設計匹配以及調(diào)節(jié)控制受到制約。通過三轉(zhuǎn)子或齒輪傳動等方式能夠在一定程度上解決轉(zhuǎn)速制約問題，但在結構、傳動等方面設計難度明顯提升。電動輪緣風扇可作為獨立的風扇級或壓縮級集成在發(fā)動機中，通過電磁驅(qū)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)速按需靈活調(diào)節(jié)，滿足當前工況需求。電驅(qū)動不僅具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)快速、靈活、精確的優(yōu)點，還易實現(xiàn)轉(zhuǎn)向變化，可用于對轉(zhuǎn)設計。如果將全部葉輪機械電氣化，利用電功率傳輸完全取代了傳統(tǒng)的高低壓機械軸功率傳輸，風扇、壓氣機及渦輪之間不再有機械連接，發(fā)動機既可輸出推力也可以電能為主要動力輸出形式，形成無軸渦輪電發(fā)動機概念方案。該方案中每級風扇、壓氣機是獨立電驅(qū)動單元，每級渦輪是一個獨立的渦輪發(fā)電單元，這樣機械解耦后的發(fā)動機在整個飛行過程中，各級單元能迅速響應不斷變化的飛行工況和飛機動力需求，分別調(diào)整至最佳轉(zhuǎn)速。通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與匹配控制，使得各部件能達到較高的效率，進而也能提高壓比、減少壓縮系統(tǒng)級數(shù)。還可通過調(diào)節(jié)進氣流量及分配，達到調(diào)節(jié)涵道比、改變循環(huán)參數(shù)的效果。初步概念研究表明通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可實現(xiàn)部件效率顯著提升，功率輸出提升18%；結合優(yōu)化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)比同量級傳統(tǒng)發(fā)動機耗油率降低10%以上。同時由于功率輸出以電能為主，可配合分布式電推進實現(xiàn)綜合效能提升。此類應用方向面臨的技術挑戰(zhàn)更多，除對葉輪機械與電機一體化設計技術提出更高要求，還離不開對磁懸浮、高效電功轉(zhuǎn)化等相關技術提升，在航空領域應用尚有一定距離。技術挑戰(zhàn)與未來關注方向

通過一體化設計，電動輪緣風扇獲得多方面性能收益的同時，也有不少待解決的技術問題，其中既包括了航空推進電氣化過程中的一些共性問題，也有由于一體化和集成設計帶來的新難題。航空推進電氣化發(fā)展回避不了由于電能與機械能轉(zhuǎn)化帶來的效率損失問題，與之同時產(chǎn)生的還有額外的散熱和質(zhì)量問題，電動輪緣風扇作為一種將葉輪機械電氣化的技術方案也面臨類似的挑戰(zhàn)。采用常規(guī)電磁設計方案，電動輪緣風扇工作在電動或發(fā)電模式下的效率與常規(guī)電動機相當。隨著應用功率和電氣化程度提升，需要在超導等技術應用方面有所突破，否則質(zhì)量等代價將使得性能取得的收益大打折扣。葉輪機械的電氣化與軸承支撐的電氣化有著非常高的契合度，應用磁懸浮軸承的磁懸浮電動輪緣風扇理論上能夠?qū)㈦姍C與葉輪機械一體化設計的優(yōu)勢放大。但目前大尺寸的磁懸浮軸承設計技術還有待突破，在已完成的磁懸浮電動輪緣風扇樣機中，由于磁懸浮系統(tǒng)帶來的質(zhì)量代價占到了總質(zhì)量的一半，同時帶來轉(zhuǎn)速、振動、尺寸以及控制設計方面的問題，單一磁懸浮支撐形式還難以滿足需求。除常規(guī)軸承外，采用磁懸浮軸承與空氣軸承等組合式支撐方案也可能成為一種可選方案，大幅減輕整體結構質(zhì)量和縮小尺寸。輪緣風扇與電機的一體化設計本身也面臨著一些難點。目前受材料強度等制約，布置于輪緣或葉片上的電機轉(zhuǎn)子部分可承受的線速度往往低于現(xiàn)有葉尖線速度。采用開關磁阻式等電磁驅(qū)動設計帶來的轉(zhuǎn)矩脈動等問題與葉片本身氣動、結構等設計間存在一定耦合，需要結合應用需求從性能匹配、尺寸約束、結構方案、材料選取以及控制實現(xiàn)等多方面綜合考慮，完成滿足多種約束下氣動、結構及電磁設計與優(yōu)化。從系統(tǒng)集成的角度，除了電動輪緣風扇自身的輕量化與小型化，還需要解決與整機或系統(tǒng)集成中的結構集成、熱管理、電力輸配問題。作為部件的電動輪緣風扇雖然可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速自由調(diào)節(jié)，但在適配不同工況、能量分配過程中，特別是在多級、對轉(zhuǎn)等情況下，系統(tǒng)匹配與綜合優(yōu)化更為復雜。擺脫軸系的耦合付出的代價是系統(tǒng)復雜度的大幅提升，使得系統(tǒng)控制設計與可靠性設計變得更具挑戰(zhàn)。結束語

電動輪緣風扇體現(xiàn)的是一種將電機與葉輪機械融