俄罗斯多电航空发动机技术发展综述

王 乐，杨 华，王 鹏，高海红

(1.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500；2.中物院成都科学技术发展中心，成都 610200)

1 引言

国际上对环保和污染排放的要求不断提高，国际民航组织计划到2050 年，将CO2排放降低75%。采用传统的航空发动机设计方法已经无法满足发动机高效、节能、环保和长寿命的需求，因此需要开始探索新的推进技术。多电发动机采用电动机来代替传统的液压机械传动，具有质量轻、结构简单、可靠性和维修性良好的特点。发动机轴上安装的内装式整体起动发电机能够产生几兆瓦的功率，除为多电或全电飞机提供电力外，还可用于生成激光或微波束，作为机载高能束武器的能源[1]。基于多电航空发动机的技术优势，世界主要军事大国均将航空电气化提升至国家层面，加大技术攻关和型号验证力度。

早在20世纪90年代，世界各国就已经开始了多电航空发动机探索，并实施了多项发展规划。美国多电发动机计划的典型代表为INVENT 计划，致力于实现自适应动力与热管理系统、鲁棒电源系统及高性能机电作动系统等三个关键系统。欧盟于1998年正式启动了航空叶轮机主动磁性轴承(AM-BIT)计划，随后又于2002 年推出了功率优化飞机(POA)计划，于2006年推出了更开放的电气化技术(MOET)计划和后续的净洁天空计划(Clean Sky)[2-10]。经过几十年的探索和验证，多电发动机研究现已取得巨大进展，但电动机、发电机和辅助动力装置的功率仍无法满足设计要求，蓄电池的容量不足和体积过大，且需要对电磁脉冲进行有效防护，因此多电发动机在航空领域的实际工程应用并不广泛。

俄罗斯也在该领域进行了大量探索，通过国家规划、国家级项目支撑、企业级特色研究，推进该项技术的不断成熟。本文通过跟踪研究俄罗斯多电发动机技术的发展情况，总结出俄罗斯在该领域的技术发展途径，可为我国多电发动机技术研究提供支撑。

2 俄罗斯多电发动机技术研究概况

俄罗斯是最早从事多电飞行器基础研究的国家之一。2004～2008 年，中央航空发动机研究院(CIAM)进行了大量多电航空发动机的理论和试验研究，中央流体动力研究院(TsAGI)研究了电动液压静力传动装置的构造原理，库兹涅佐夫公司重点从事三转子多电和全电燃气涡轮发动机的研制，航空发动机公司开展了大量多电发动机新结构研究工作。此外，航空设备科学研究院、锚附件设计局、航空电子设备股份公司、电传动装置股份公司和换热器生产设计联合体等单位，也在开展多电技术中单个系统和附件的研究。面对国际航空业多电技术迅猛发展的势头，俄罗斯从国家层面出发，制定发展规划，引领行业的发展方向；提供项目支撑，使多电燃气涡轮发动机技术落地；各厂所结合各自的优势，确定优先发展方向[11-17]。

2.1 国家统筹

俄罗斯高度重视多电航空发动机的发展，通过制定发展规划，开展国家级的项目支撑来推动该项技术发展。

2.1.1 发展规划

俄罗斯通过总结航空发动机电气化研制和验证经验，制定了电推进飞行器研制策略：基于现有的航空技术，先研制出多电飞机，逐步提高飞行器及其动力装置的电气化水平，最终实现全面电气化。针对这一目标，俄罗斯制定了2014-2022 年全电飞机研制综合计划，由俄罗斯工贸部批准和拨款，TsAGI牵头，TsAGI、CIAM和机械设备研究所负责工作调配，联合航空制造集团公司(UAC)及其他多家设计局、科研院所和工厂参加。该计划的目的是建立俄罗斯新一代国产全电飞机科技储备，采用新技术和新设备实现新型飞机机载设备能源供给结构转型。项目完成后，可以直接转入全电飞机研制阶段，缩短与美国和欧盟在航空工业领域的差距。

在2014-2022 年全电飞机研制综合计划框架内，俄罗斯将基于图-214 及其后续改型图-214E 开展飞行试验。试验发动机将以PS-90A 为基础，借鉴PD-14 发动机的研制经验，采用最先进的设计和生产技术。为保证工作的顺利开展，项目部专门组建了科技委员会，商讨发动机研制过程中遇到的问题。

2.1.2 国家级项目

目前，俄罗斯工贸部已与TsAGI 签订了国家级的研制合同——飞机-2020。按照合同要求，TsAGI应于2020 年年底前完成具有世界先进水平飞机的研制工作。该合同的主承制单位为TsAGI，协作单位为UAC。在该项目的构架下，TsAGI 设计了多架具有市场潜力的未来飞机技术验证机，开展了大量的试验和验证工作，其中就包括实现飞机及其发动机的电气化改装。

2.2 特色研制项目

在国家的支持下，俄罗斯各大企业基于各自的技术能力和水平，开展了独具特色的多电发动机研制。

2.2.1 土星科研生产联合体

土星科研生产联合体在飞行器全电设备国家规划框架下开展了多电发动机研究，并成功研制出了俄罗斯首台达到世界领先水平的小型多电发动机。该型发动机取消了液压系统传动装置，扩大了燃气涡轮发动机控制系统电传动装置的使用范围，大幅修改了基础型发动机的外形，缩小了进气道面积，实现了发电机与航空发动机一体化设计，燃滑油系统也采用了电传动装置。此外，在设计的过程中，还采用了许多非传统设计方法，对发动机的质量、推力、尺寸和其他参数均提出了很高要求。经验证，该燃气涡轮发动机的电动机构可以承受达150℃的温度和10倍机械过载。

2.2.2 库兹涅佐夫公司

库兹涅佐夫公司是俄罗斯三转子航空发动机的研制单位。该单位提出了推力为196.13 kN 的三转子多电发动机概念。燃烧室的燃油流量、中压和高压压气机的放气、起动发电机、压气机和涡轮间隙控制供气活门及其他机构，均通过电驱动自动控制系统控制。发动机中压转子内置起动发动机，滑油系统采用电驱动增压泵、回油泵和油气分离器，压气机放气通过电动气压活门控制，滑油计量泵通过带闸流管电动机的电驱动装置带转。取消了齿轮泵，代以高速离心泵，达到提高系统可靠性，减重的目的。通过发动机电子数字控制系统达到规定的燃油流量。

2.3 关键技术攻关

CIAM早在20世纪80年代就已经开始进行多电发动机及其系统的技术研究，但主要针对的是小型发动机。随着航空工业领域电子技术的快速应用，2014年CIAM提出了2020年电推进燃气涡轮发动机技术工作规划，认为新型发动机的理论与试验研究应采取分阶段实施策略。第一阶段应逐一掌握发动机关键附件的电气化技术，研制出多电燃气涡轮发动机，即在保留附件传动机匣的情况下实现个别组件电气化；设计出验证机，并建立系统验证发动机试车台。第二阶段再进一步取消附件机匣，研制出广泛使用电推进技术的燃气涡轮发动机。此后，CIAM在俄罗斯2002～2010 年和2015 年前民用航空技术发展规划以及与UAC 签订的多电飞机研制综合规划框架下，结合本院的发展规划开展了大量基础研究和关键技术试验验证，其中包括各类电驱动装置和径向磁轴承技术攻关。

(1) 比重小于0.2～0.5 kg/kW的电驱动装置。

图1 所示电驱动装置由电驱动装置设计局、鄂木斯克设计局、ERGA 公司(专门生产和分析永久性稀土磁铁和专用磁铁系统的公司)和CIAM 联合研制，已经完成了高温、高速、转速变化范围为1:30(400～12 000 r/min)的试验件验证试验。将该型电驱动装置装备于燃油系统后，可实现泵功率可调，极大降低飞行中燃油温升，提高发动机使用的可靠性和安全性，改善其环保特性。

图1 电驱动装置试验件在CIAM GU-212试车台上的装配状态Fig.1 The assembly of the test piece of the electric drive device on the test bench GU-212 of CIAM

(2) 电驱动自动控制系统。

CIAM和鄂木斯克机器制造设计局、电传动装置公司组成联合团队为AI-25TL涡扇发动机验证机开发了电驱动自动控制系统，并行了试验验证。该电子数控系统包括：带压气机和风扇转速传感器、压气机后空气压力传感器、燃油流量传感器、涡轮后燃气温度传感器、发动机进口空气温度和压力传感器、发动机油门杆位置传感器、压气机整流器位置传感器和执行机构控制模块。电磁阀通过调节器离散指令模块进行信号控制。

自动控制验证系统可以控制燃烧室燃油流量、压气机整流叶片位置、压气机放气活门和滑油泵。通过发动机电子数控实现电气系统的坐标控制。

(3) 电驱动燃油系统。

在传统发动机燃油系统结构中，采用附件机匣带动泵旋转工作；多电燃气涡轮发动机的燃油系统采用由电动机和控制模块组成的泵电驱动装置。CIAM 重点对燃油系统的无故障保障方法开展了研究。图2 为CIAM 研制的带可更换电传动泵的双油路燃油供油系统方案，该系统具有故障稳定性，由带电传动装置的低压离心泵、带电传动装置的高压齿轮泵、起动放油管路、燃油分流器、单向阀(单向阀1和单向阀2)及其他一些附件组成。电传动装置通过发动机电子数控控制。

图2 具有故障稳定性的燃气涡轮发动机燃油供油系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the fuel supply system of a gas turbine engine with fault stability

(4) 电驱动滑油系统。

多电发动机与传统发动机的区别在于滑油系统是发动机控制系统的一部分。CIAM 设计的涡扇发动机电驱动滑油系统包括：4个电驱动装置、旋转齿轮增压泵、离心油气分离器、发动机冷端支点(风扇、高压压气机、附件传动机匣齿轮传动的轴承)混合物齿轮回油泵、发动机热端支点(高、低压涡轮轴承)混合物齿轮回油泵、滑油空气总管(增加了一些放油阀，这些阀门位于滑油空气总管和转子相邻支点的接点间)和回油泵进口断油阀。其工作原理图见图3。

图3 具有故障稳定特性的滑油电传动系统原理图Fig.3 Schematic diagram of oil-electric drive system with fault stability

(5) 径向磁轴承。

目前燃气涡轮发动机上采用机械轴承固定转子，工作过程中必须润滑。在多电发动机中采用磁悬浮轴承，转子旋转时不会产生摩擦，通过磁场保持轴与机匣之间的间隙。尽管目前研制出的磁轴承在质量和外形尺寸上还不能满足航空应用要求，但根据各国磁轴承研制进展来看，未来带电子控制模块的主动磁轴承和不带电子控制装置的被动磁轴承均有可能用于航空发动机。在这种背景下，CIAM联合ERGA SMPA公司共同研制了质量为57 kg 的转子磁悬浮轴承验证机。验证机包括一个主动径向磁轴承和一个被动径向磁轴承。主动径向磁轴承的质量为7 kg，可承力800 N，径向间隙为0.5 mm，转速低于25 000 r/min，电功率低于0.5 kW，带控制模块。被动径向磁轴承质量为2 kg，可承力1 000 N，径向间隙小于2 mm，转速低于25 000 r/min，不需要进行控制。

3 结束语

俄罗斯已将多电技术作为未来航空领域革新的方向，国家通过顶层牵引，制定发展规划，提出项目需求。各科研院所和企业在国家项目支撑下，根据自身发展特点和研制能力，开发个性化多电发动机。其中，CIAM 表现最为突出。该研究院经过数十年的积累和攻关，无论是自动控制系统、燃油和滑油电驱动系统方面，还是基础技术研究方面，都处于行业领先。通过分析俄罗斯的多电发动机技术，可以得出以下启示：

(1) 制定国家发展规划，结合项目要求，牵引发展方向。

多电发动机取消了目前航空发动机中广泛采用的机械系统和燃油滑油系统，改为电驱动，研制难度非常大。这就需要由国家出面整合资源，制定发展规划，使各组织机构在指引下开展相应研究工作。通过国家专项组织拨款，使各航空企业和科研院所达成合作意向，建立合作关系。之后再由国家出面，通过战备采购和项目牵引来进一步推动多电发动机技术的发展。

(2) 组建联合团队，协同开展工作。

多电发动机是革新性产品，研发时必须组建联合团队，广泛吸收飞机、动力、电驱动、磁轴承、控制系统等领域先进单位和其他一些具有雄厚科技储备和先进技术研发能力的单位协同工作，才能保证早日突破新技术。

(3) 建立良好的科技储备，制定研究策略。

国内的飞机和航空发动机研究所应做好预先研究工作，在分析国际航空发动机发展趋势和多电发动机研究进展的基础上，深入开展多电发动机及其相关领域各项技术研究。结合自身和国内的实际情况，制定研究策略，为我国航空发动机电气化技术研究和产品研发，提供基础技术支撑。

(4) 基于现有技术储备，突出优先发展方向。

在进行多电发动机研制时，每个单位应利用自己的特点、已有的技术基础和优势，着重开展某个领域或方向的研究工作，确定自身的优先发展方向。这样不仅可以缩短研制周期和风险，还可以突出自己在行业内的优势，增强产品竞争力。