微型燃气轮机发电机与APU发展现状及关键部件研究进展

巢　青，傅　鑫，程卫国，黄国平

（1.中航工业机电系统有限公司，北京100000；2.南京航空航天大学，南京210016；3.中航工业金城南京机电液压工程研究中心，南京211106）

微型燃气轮机发电机与APU发展现状及关键部件研究进展

巢青1，傅鑫2，程卫国3，黄国平2

（1.中航工业机电系统有限公司，北京100000；2.南京航空航天大学，南京210016；3.中航工业金城南京机电液压工程研究中心，南京211106）

回顾了微型燃气轮机发电机和飞机辅助动力装置（APU）的发展历史及近年来的发展趋势，简要介绍了微型燃气轮机发电机和APU分别在民用发电领域及飞机系统中的重要地位。对APU和微型燃气轮机发电机主要部件（压气机、燃烧室和涡轮）的关键技术进行了探讨分析，并介绍了该主要部件的国内外研究现状及未来发展趋势。可为人们了解APU和微型燃气轮机发电机现状及关键技术发展提供参考。

微型燃气轮机发电机；APU；压气机；燃烧室；涡轮；微尺度；发电技术

1　微型燃气轮机

微型燃气轮机作为小型动力装置，其工作原理是：大气中的空气被吸入到压气机中压缩到某一压力（一般不低于0.3MPa），压缩后的空气被送入燃烧室，与喷入的燃料（油或天然气）在一定压力下混合燃烧，产生高温燃气（温度通常高于600℃），高温燃气被送入燃气轮机的透平膨胀做功，最后废气被排入大气。基于这个原理，飞机的辅助动力装置（APU）其实也是一台微型燃气轮机。微型燃气轮机用于地面发电时，通常称为微型燃气轮机发电机。图1所示为微型燃气轮机发电机，图2所示为B787的APU。

图1　R微型燃气轮机发电机Fig.1 Micro gas turbinesgenerator

图2　R B787 APUFig.2 Auxiliary power unitofB787

1.1微型燃气轮机发电机的现状及发展

航空航天技术的提高，及汽车行业对涡轮增压技术的应用，推动了燃气轮机微型化的发展，并使得该技术日趋成熟。微型燃气轮机发电机一般是指功率为几十千瓦到几百千瓦的燃气涡轮发电机，诞生于20世纪20年代，但当时由于技术不成熟和效率低等原因，并没有得到有效发展和利用。也正因如此，该功率段范围内的发电机动力，一直以来都由各类活塞式内燃机提供。然而在最近20年，全球范围内的能源需求和能源结构有了显著变化。正是基于这种变化，微型燃气轮机发电机得到迅速发展，并已逐步成为分布式发电系统的主要装置，这也是未来新型发电方式的研究方向之一。近年来，欧美等发达国家都对其进行了大量研究。美国在2003年东部大停电之后，提出了用1 000亿美元来研究微型涡轮发电机技术的计划，来改善应急发电系统。

1.2 APU的现状及发展

APU的本质是小型燃气涡轮发动机，具有供电、起动的功能，早先的APU还提供部分推力。飞机在地面起飞前，由APU供电来起动主发动机，从而不需依靠地面电、气源车来为飞机起飞提供动力。在地面时APU提供电力和压缩空气，保证客舱和驾驶舱内的照明及空调。在飞机起飞时使发动机功率全部用于地面加速和爬升，改善起飞性能。降落后，仍由APU供应电力照明和空调，使主发动机提早关闭，从而节省燃油，降低机场噪声。APU的核心部分是一个小型涡轮发动机，大部分为专门设计，也有一部分由涡桨发动机改装而成；一般装在机身最后段的尾锥之内，在机身上方垂尾附近加工有进气口，排气直接由尾锥后端的排气口排出。发动机前端除正常压气级外，还装有一个工作压气级，向机身前部空调组件输送高温压缩空气，在保证机舱空调系统工作的同时还带动一个发电机，向飞机电网送出115 V的三相电。APU有自己单独的起动电动机，由单独的电池供电，有独立的附加齿轮箱、润滑系统、冷却系统和防火装置，其燃油来自飞机总燃油系统。传统APU通常采用单级离心压气机，通过调节导向叶片角度调节引气量，发电机和液压设备都是通过齿轮箱与APU相连。随着飞机技术的发展，特别是多电/全电飞机概念的提出，传统APU也向着多电APU的方向发展。多电APU采用电力驱动代替传统APU的部分气动、液压和机械部件，形成了无引气系统和变频发电机技术。目前，无引气系统和变频定子发电机（VFSG）已在B787飞机中发挥了巨大作用。B787的APU装在飞机尾部椎体内，气动传递完全被取消。图3为B767飞机中无引气APU可简化的外部组件示意图［1］。

图3　R无引气APU可简化的外部组件示意图Fig.3 Simplified externalcomponentofAPU withoutbleeding

2　 APU与微型燃气轮机发电机压气机

目前，APU与微型燃气轮机发电机的压气机都采用单级离心式（或斜流式）设计，转子叶轮都带分流小叶片，压比3～5，都在材料和强度等允许条件下向更高切线速度、更大压比方向发展。图4为APS2000的压气机。

图4　R APS2000压气机Fig.4 APS2000 compressor

微型燃气轮机设计力求总体结构简单、质量轻便，因此与现今主流大型涡轮发动机采用轴流压气机不同，APU与微型燃气轮机发电机广泛采用了离心压气机。离心压气机结构简单，单级压比较大，流量较小时也较易设计。如PW 801/PW 980、Rubis、APS500等型号微型燃气轮机，压气机部分都只采用了一级离心压气机。

除了主流的一级离心压气机外，还有一些微型压气机为斜流压气机。斜流压气机兼有离心压气机压比高、工作范围广，和轴流压气机流量大、效率高、迎风面积小的特点。图5所示的TJ-50压气机，为减小迎风面积，转子采用了斜流式整体轮盘设计，8片大叶片加8片分流小叶片，轮缘直径约88mm，设计转速下的切线速度约600 m/s，采用钛合金锻造毛坯加数控加工制造［2］。

图5　R Sundstrand公司的TJ-50的压气机Fig.5 TJ-50 compressor of Sundstrand Company

3　 APU与微型燃气轮机发电机燃烧室

燃烧室作为APU的唯一热源，其性能直接影响主发动机的起动能力，特别是紧急情况下快速起动达到起飞要求的能力。目前，燃烧室设计的主要限制是温度分布，特别是几何尺寸越小的燃烧室，其热管理越难实现。因此，设计和研制燃烧室时，应进行新型耐高温材料、可加强的冷却方法、优化的燃烧室出口温度场分布等方面研究。

耐高温材料研究一直是各界关注的焦点，尤其是在国内材料性能难以满足工程需要的背景下。燃烧室是除涡轮外的主要耐高温部件，工作时其最高温度可达1 700～2 000 K，同时燃烧室的工作环境决定了其需要较长时间的耐高温稳定性，因而对材料的要求极高。但目前绝大部分耐高温材料，都存在工程难以应用的尴尬局面。钼合金材料熔点为2 600℃，符合耐高温要求，但是其在较低温度（450℃）下容易氧化，不能与不锈钢及钛合金喷管焊接，特别是在点火时的较低温度下其延展性很差。铌合金可与钛合金焊接，在低温下表现出极好的延展特性，且熔点也很高，但同样存在低温（＜600℃）下氧化速率很高的缺陷，不过可采用在其表面涂氧化涂层的方法来解决。氧化防护涂层含有硅、铬、钛成份，如熔融的R-512A涂层，能解决1 550～1 600℃下的氧化防护。试验表明，铌的寿命超过了30 h，目前可部分满足APU燃烧室高温条件下的使用。碳化硅陶瓷基类复合材料是较为理想的材料，目前已越来越引起人们的重视，其性能也得到较为广泛的研究。

在无法解决燃烧室材料问题的前提下，采用适当的冷却技术是较为有效的办法。具有发散冷却功能的曲面结构、新型半发散结构、发散冷却多斜孔层板结构、新型迷宫复合冷却结构以及其他新型结构的席壁造型，均已被证明在一定条件下可提高燃烧室的冷却效率，使流场分布均匀，温度梯度小，同时可大大降低火焰筒的热负荷，延长使用寿命。

燃烧室出口温度分布直接影响涡轮部件寿命及发动机工作可靠性，是燃烧室的一个重要性能指标。因此，对燃烧室进行设计与研制时，除了研究新型的耐高温材料和加强冷却外，改善燃烧室出口温度场品质，降低温度场中热点温度也非常重要。

燃烧室的设计和优化是一个系统的工程，因此在APU燃烧室设计时应综合考虑使用新型耐高温材料，布局合理且高效的冷却方式，同时努力优化燃烧室温度分布，以期得到更为优秀的设计方案。

4　 APU与微型燃气轮机发电机涡轮

微型动力装置出功形式和输出功率大小千差万别，但其涡轮部件工作原理一致，都是将高温高压气体的能量转化为轴功率，这里统称为微型涡轮。

微型涡轮作为微型动力装置的出功元件，是整个系统的核心部件，具有以下特点：特征尺寸为厘米级以下；高焓降，高转速，大都采用非冷却的金属材料；功率密度高；涡轮前进口温度在1 200 K左右，采用陶瓷材料可提升至1 300 K以上。微型涡轮从特征尺寸上大致可分为三类：第一类是以MEMS（微机电系统）等先进加工技术为基础的超微涡轮，特征尺寸为毫米级，以麻省理工学院燃气涡轮实验室的MTE（微型涡轮发动机）为典型代表（图6），输出功率在百瓦以下；第二类是以传统机械加工融合一些微细加工技术为基础的微型涡轮，直径为10mm左右，输出功率在百瓦量级，典型代表是美国斯坦福大学快速成型实验室与亚利桑那州M-DOTAerospace公司合作研制的微型涡轮发动机（图7）；第三类特征尺寸为厘米级，输出功率为几百至几万瓦量级。目前市场上主流APU、微型燃气轮机产品所使用的涡轮大多属于第三类。

图6　R麻省理工学院MTE涡轮Fig.6 MTE turbine ofMassachusetts Institute of Technology

图7　R斯坦福大学MTE转子组件Fig.7 MTE rotor componentsof Stanford University

国外微型动力装置发展较早，当时的微型涡轮效率较低。但随着设计技术的进步，人们对微型涡轮气动热力学设计研究的不断深入，在微型涡轮流动特征、损失、关键参数选取等方面进行了大量研究，微型涡轮效率有了大幅提高。Gaydamamka等［3］利用CFD技术研究的单级微型涡轮的气动性能，其落压比为3.0，总对总效率为0.789。Sieros等［4］设计并实验验证了一种微型混流式涡轮，流量约为0.5 kg/s，总对总等熵效率接近0.90。

经过几十年的发展，APU已经发展到与应急动力装置（EPU）组合的阶段［5］。相对于输出压缩空气的APU，与EPU结合的APU通常需要在负载压气机的同时，还要负载电机发电，其输出功率要求更大。目前，世界军民用APU市场主要由美国霍尼韦尔和汉胜两家公司占有，典型APU有霍尼韦尔公司的GTCP131系列和汉胜公司的APS系列。

目前，先进技术水平APU涡轮部件的技术特点为：一般不采用复杂的冷却结构，而是使用高温涂层材料；以整体叶盘设计、定向结晶和粉末冶金等先进工艺，获取更高叶片强度；涡轮前温度达1 300 K；部件寿命达30 000个循环。

5　结束语

世界上已有的微型燃气轮机发电机中，以0～100 kW级别的机组应用较多，其广泛应用于航空航天、能源电力、军事和国民经济相关的各领域，具体包括应用于飞行器上提供备用电源、为偏远地区提供电力、为中小型企业提供电力、作为车辆能源、在电网电力供应不足时提供电力等。相对于常用的发电机，微型燃气轮机发电机具有能量密度高、可靠性高、维护成本低、使用寿命长和发电效率高的优势。并且作为常规能源，装机容量较小（＜1 000 kW）的热力发电技术在我国具有相当广阔的应用前景。而APU对于民机和军机的发展至关重要。现代化的大、中型客机上，APU是保证发动机空中停车后再起动的主要装备，直接影响飞行安全。APU又是保证飞机停在地面时，客舱舒适的必要条件，这会影响旅客对乘机机型的选择。因此APU成为飞机上一个重要的不可或缺的系统。微型燃气轮机发电机和APU在本质上都属于微型燃气轮机，其关键部件的技术研究并不独立。因此有必要加强两者关键部件的共同研究，使微型燃气轮机发电机和APU技术都能得到进一步发展，推动我国发电技术与航空航天技术进步。

［1］唐力.多电技术趋势下APU的发展［J］.民用飞机设计与研究，2009，（3）：13—17.

［2］黄国平，梁德旺，何志强.大型飞机辅助动力装置与微型涡轮发动机技术特点对比［J］.航空动力学报，2008，23（2）：383—388.

［3］Gaydamaka IV，Efimov A V，Ivanov M J，etal.Some aerodynamic performances of small size comp ressor and turbine stages［C］//.Proceedings of the International Gas Turbine Congress.2003.

［4］Sieros G，Kefalakis M，Papailiou K D.Improving turbine performance by use of CFD［R］.ASME GT2004-53737，2004.

［5］李东杰.辅助动力装置的应用现状和发展趋势［J］.航空科学技术，2012，（6）：7—10.

An overview of developm ent and key technology of m icro gas tu rbine generator and APU

CHAOQing，FUXin，CHENGWei-guo，HUANGGuo-ping
（1.AVICElectromechanical System Co.Ltd.，Beijing 100000，China；2.Nanjing University of Aeronauticsand Astronautics，Nanjing 210016，China；3.Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems，AVIC Jincheng，Nanjing 211106，China）

The developing history and trend ofm icro gas turbine generator and auxiliary power unit（APU）are described.The importance ofmicro gas turbine generator and APU seperately in the civil power and the aircraft system are briefly introduced.Themain components（compressor，combustor and turbine）of APU andmicro gas turbine generator are discussed，and the key technologiesare analyzed.The developing trend ofmain components at home and abroad is presented.It isgood reference to the research of APU and micro gas turbine generator.

micro gas turbine generator；APU；compressor；combustor；turbine；micro-scale；power generation technology

巢青（1965-），女，江西万载人，高级工程师，主要从事飞机机载辅助动力、环控、液压、燃油、电源等系统研制的技术管理工作。

V235.1

A

1672-2620（2015）02-0053-04

2014-06-09；修回日期：2015-03-09