馮夢偉，羅載奇，龍慶文

航空發(fā)動機地面保障車電源系統(tǒng)設計

馮夢偉1，羅載奇1，龍慶文2

(1.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500；2.海華電子企業(yè)有限公司，廣東廣州510656)

簡述了電源系統(tǒng)的組成及供給能力，并制定了電源系統(tǒng)方案。根據(jù)航空發(fā)動機地面起動及地面保障車的用電要求，分析了系統(tǒng)的用電功率及設計要求。針對航空發(fā)動機在使用中易出現(xiàn)起動機輸出軸薄弱環(huán)節(jié)處斷裂現(xiàn)象，采用了合適的限流匹配設計技術(shù)。同時，在電源中引入超級電容設計技術(shù)，解決了蓄電池等在高原、負溫環(huán)境條件下性能下降明顯的問題，并提高了系統(tǒng)響應特性，增加了發(fā)動機瞬間所需功率。最后，通過試驗對設計進行了驗證。

航空發(fā)動機；地面保障車；發(fā)電機組；直流電源；超級電容；電源特性

1 引言

航空發(fā)動機地面保障車，是將發(fā)動機的電源供給、油料儲運和加注、地面維護等多種功能集于一體的，以航空發(fā)動機為服務對象的地面保障設備。其電源系統(tǒng)作為航空發(fā)動機的動力能源，擔負著發(fā)動機地面起動和地面通電檢查的供電任務，供電品質(zhì)直接影響發(fā)動機的起動性能和控制系統(tǒng)檢查結(jié)果；作戰(zhàn)時還會影響到戰(zhàn)爭形勢的發(fā)展，甚至戰(zhàn)爭的勝負[1]。本文針對地面保障車電氣設備的用電要求及航空發(fā)動機的起動特性，確定了航空發(fā)動機地面保障車電源系統(tǒng)功能和性能指標需求，在綜合分析的基礎上進行電源系統(tǒng)設計，并通過電源系統(tǒng)調(diào)試后與航空發(fā)動機進行匹配試驗和驗證。

2 電源系統(tǒng)組成及功能

電源系統(tǒng)由發(fā)電機組、地面起動直流電源和直流穩(wěn)壓電源三大部分組成，如圖1所示。電源系統(tǒng)的功能是向地面保障車提供交流電能，并通過地面起動直流電源向航空發(fā)動機提供地面起動電能，及經(jīng)過直流穩(wěn)壓電源向發(fā)動機控制系統(tǒng)提供電能。

圖1 航空發(fā)動機地面保障車電源系統(tǒng)框圖Fig.1 The configuration of aero-engine power supply vehicle

3 發(fā)電機組設計

3.1發(fā)電機組指標及工作原理

根據(jù)某發(fā)動機起動發(fā)電機特性和地面保障車用電總量需求，地面保障車電源系統(tǒng)發(fā)電機組的主要性能指標確定為：輸出的額定交流電壓(380±38) V(線電壓)，額定頻率(50.0±7.5)Hz，額定功率因數(shù)0.8(滯后、感性)，相序及連接采用三相四線制(U、V、W，N)，噪聲≯85 dB(距設備艙1 m處)。

發(fā)電機組工作原理如圖2所示，柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電，輸出三相交流電的額定輸出電壓/頻率為380 V/50 Hz。發(fā)電機定子繞組采用星形結(jié)構(gòu)，輸出采用三相四線制。

圖2 發(fā)電機組原理圖Fig.2 The principle of generator set

3.2選型

發(fā)電機組選型著重從發(fā)電機和動力兩方面分析，綜合選擇。與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、壽命長，體積小、質(zhì)量輕、消耗少、效率高等優(yōu)點[2]。鑒于本項目對發(fā)電機組重量、功率及可靠性等的要求，選用了額定功率為15 kW的三相交流稀土永磁發(fā)電機。考慮到燃料為航空煤油或柴油，且發(fā)電機組在4 500 m高原環(huán)境下能輸出所需功率，動力選用帶渦輪增壓裝置的柴油機[3]。

3.3結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計主要包括發(fā)電機組和配套附件的安裝、降噪及通風冷卻等相關(guān)結(jié)構(gòu)設計，如圖3所示。發(fā)電機組主要由交流發(fā)電機、柴油機、油箱、控制面板和支架組成，配套附件有蓄電池、離心風機、滅火罩、消聲器和吸聲棉等。為減小發(fā)電機組運行時噪聲和振動等對設備操作人員的影響，發(fā)電機組安裝在地面保障車駕駛室后約0.3 m處，距設備操作艙約2.5 m。另外，為保證發(fā)電機組工作環(huán)境適應性，增加了冷卻風機，對發(fā)電機組實施強迫通風冷卻。

圖3 發(fā)電機組結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure chart of generator set

由于發(fā)電機組的噪聲約為100 dB，達不到設備噪聲指標，為此需采用降噪技術(shù)，設計降噪結(jié)構(gòu)。發(fā)電機組的噪聲主要來自兩方面，一是柴油機和發(fā)電機產(chǎn)生的機械噪聲，二是柴油機排氣產(chǎn)生的摩擦噪聲。通過在發(fā)電機組排氣管末端加裝消聲器，排氣噪聲得以有效降低，同時在發(fā)電機組設備艙內(nèi)壁面增加50 mm厚的吸聲棉吸聲。在發(fā)電機組完成安裝調(diào)試后，在發(fā)電機全負載條件下運行時，其噪聲為82 dB，達到指標要求，降噪措施有效。

發(fā)電機組工作中將不斷產(chǎn)生大量熱量，當艙內(nèi)溫度高于發(fā)電機組允許的環(huán)境溫度時，其輸出功率及工作效率會明顯降低，嚴重時甚至會直接熄火。通過對發(fā)電機組連續(xù)運行對密閉安裝空間釋放的熱量分析，忽略安裝艙壁對外熱交換，進行近似冷卻風量計算；同時考慮發(fā)電機組安裝艙結(jié)構(gòu)形狀和發(fā)電機組主要發(fā)熱部位，設計冷卻通風流路。最終，冷卻通風流路設計為由設備艙門柵葉進風，在設備艙頂部和右壁面分別排風。頂部和右壁各安裝一個25 W的離心風機，通過發(fā)電機組自帶風扇將發(fā)電機組產(chǎn)生的熱量吹至兩個風機附近，然后由風機排出設備艙，從而降低設備艙內(nèi)發(fā)電機組的環(huán)境溫度，滿足了發(fā)電機組工作環(huán)境溫度要求。

4 地面起動直流電源設計

4.1直流電源指標及工作原理

根據(jù)該發(fā)動機起動特性和發(fā)電機組供電特性，確定地面起動直流電源的主要指標如下：直流電壓28.5～40.0 V，可調(diào)二段直流輸出；最大起動電流850 A±30 A；效率≮0.85；瞬態(tài)浪涌電壓應符合GJB181A-2003[4]要求；具有非升壓和升壓起動功能。

地面起動電源的工作原理為，將發(fā)電機輸出的380 V交流電經(jīng)濾波單元輸入濾波后，進入電源模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)濾波單元輸出濾波后對外提供28.5 V直流電。原理框圖如圖4所示。

圖4 直流電源工作原理框圖Fig.4 DC power layout

4.2直流電源設計

地面起動直流電源，主要由28.5 V直流起動電源、15 V直流可調(diào)升壓電源、儲能單元和燈光與數(shù)顯單元四部分電路模塊，及控制軟件、機柜、輸入/輸出電纜組成。28.5 V AC/DC電源模塊與15 V AC/ DC電源模塊工作原理類似，如圖5所示，包括主電路和控制電路兩大部分。主電路是完成電能轉(zhuǎn)換的主通道，為功率轉(zhuǎn)換電路；控制電路通過控制功率器件的開關(guān)來實現(xiàn)各種功能。

28.5 V直流電源由6個28.5 V AC/DC電源模塊并聯(lián)組成，15 V直流電源由3個15 V AC/DC電源模塊并聯(lián)組成，均通過220 V/50 Hz交流電經(jīng)有源功率因數(shù)校正、高頻逆變和整流轉(zhuǎn)換得到。考慮到發(fā)動機起動瞬間所需功率較大，在直流電源中增加了儲能單元設計，為發(fā)動機剛起動時提供短時大電流。

儲能單元由28.5 V直流儲能單元、15 V直流儲能單元及邏輯控制電路組成。儲能單元選用超級電容來儲存和泄放短時能量。與蓄電池相比，其特點為：①比功率高，相當于蓄電池的5～10倍；②充放電循環(huán)壽命長，可大電流充放電；③響應快，充電時間短；④免維護；⑤對工作環(huán)境溫度不敏感，可在-40～65℃正常工作；⑥檢測方便[5]。在起動初期需要地面起動直流電源提供大電流時，通過邏輯控制電路，儲能單元分別與28.5 V和15 V直流儲能單元輸出端并聯(lián)，向起動發(fā)電機提供短時大電流。

4.3直流電源工作過程

為滿足發(fā)動機在不同環(huán)境下起動的用電需求，地面起動直流電源具有非升壓和升壓起動兩種起動方式。

4.3.1非升壓起動工作過程

首先，在地面起動直流電源的控制面板上，設置為在非升壓起動選項上，此時電源輸出電壓為28.5 V直流電。接通電源，紅色充電指示燈亮，顯示屏顯示充電中，表明電源正處于充電狀態(tài)，還不能供電；當綠色指示燈亮時，表明充電完畢，可向起動發(fā)電機供電。當?shù)孛嫫饎又绷麟娫词盏桨l(fā)動機起動電壓調(diào)節(jié)保護箱給出的起動控制信號時，電源后端接觸器吸合，28.5 V直流儲能單元和電源模塊為發(fā)動機提供短時大電流供電。為了減輕發(fā)動機起動瞬時沖擊電流對起動發(fā)電機輸出軸上薄弱環(huán)節(jié)造成斷裂損傷[6]，電源內(nèi)部通過軟件限流的方式使電流在500 ms內(nèi)緩慢爬升，當電流值升到限制值500 A時，儲能單元才開始放電，與電源同時向發(fā)動機供電。發(fā)動機起動完畢后，電源后端接觸器斷開，電源對已放電完畢的28.5 V直流儲能單元繼續(xù)充電，為下一次發(fā)動機起動做準備。再次充滿電的時間約110 s，滿足發(fā)動機兩次起動間隔時間為120 s的要求。電流緩升曲線如圖6所示。

圖5 直流電源模塊工作原理圖Fig.5 The scheme of DC power module

圖6 電流緩升曲線示意圖Fig.6 The current curve of DC power

4.3.2升壓起動工作過程

升壓起動與非升壓起動的工作過程基本相同，唯一區(qū)別是在發(fā)動機起動10 s后，直流電源通過邏輯控制開始升壓供電，使28.5 V直流起動電源、15 V直流升壓電源、28.5 V直流儲能單元和15 V直流儲能單元同時串聯(lián)起，為系統(tǒng)提供短時大電流。

5 試驗驗證

為驗證地面保障車電源系統(tǒng)的供電能力，將地面保障車電源系統(tǒng)與航空發(fā)動機相連接，完成電源系統(tǒng)與發(fā)動機地面起動的匹配試驗驗證。發(fā)動機起動過程中，起動電流、起動電壓與起動時間的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢姡饎与娏髟?00 A內(nèi)上升速度相對較緩，其原因是地面起動直流電源內(nèi)部軟件限流，直接減小了發(fā)動機起動瞬時的沖擊電流，從而間接降低發(fā)動機起動沖擊扭矩，防止起動發(fā)電機因沖擊扭矩過大，造成斷軸或使用壽命降低[6]；起動電流曲線斜率在電流約500 A時明顯增加，表明儲能單元開始放電。檢測表明，地面起動直流電源儲能單元的充電時間約110 s，滿足設計要求。

圖7 電源特性曲線Fig.7 The characteristics of DC power

6 結(jié)束語

在闡述電源系統(tǒng)對航空直流起動發(fā)動機重要性的基礎上，依據(jù)某型航空發(fā)動機的用電功率需求，提出了電源系統(tǒng)的設計指標。通過電源系統(tǒng)發(fā)電機組和地面起動直流電源的設計，及設備安裝、減振、冷卻通風和降噪等結(jié)構(gòu)的綜合設計，實現(xiàn)了地面保障車電源系統(tǒng)試驗驗證與考核指標。通過調(diào)試驗證，驗證了地面保障車向航空發(fā)動機地面供電的重要功能，及采用超級電容儲能技術(shù)和沖擊電流限制軟件限流技術(shù)的可行性；表明了在該電源系統(tǒng)下，起動發(fā)電機輸出軸薄弱環(huán)節(jié)與發(fā)動機阻力匹配合理，滿足起動發(fā)電機輸出軸薄弱環(huán)節(jié)的抗剪切能力要求。通過地面起動匹配試驗考核，表明地面保障車電源系統(tǒng)的設計技術(shù)可行。本文可為有關(guān)電起動發(fā)動機研制保障設備和地面起動電源設計提供參考。

[1]劉金龍，許華.航空電源車啟動飛機失敗原因及對策探究[J].移動電源與車輛，2011，42(4)：44—50.

[2]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：274—277.

[3]姚俊琪.現(xiàn)代柴油發(fā)電機組技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2007：160—162.

[4]GJB 181A-2003，飛機供電特性[S].

[5]聞超，邱瑞超，趙曉紅，等.基于超級電容的不間斷電源設計[J].電源技術(shù)研究與設計，2011，35(7)：844—846.

[6]仇越，劉向群，張洪鉞.基于頻譜法的航空起動發(fā)電機故障檢測與診斷[J].北京航空航天大學學報，2004，30(5)：483—487.

Design of Aero-Engine Power Supply Vehicle

FENG Meng-wei1，LUO Zai-qi1，LONG Qing-wen2
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Haihua Electric Co.，Guangzhou 510656，China)

For the electricity requirements of engine ground start and power supply vehicle,the electric power and the design requirements of the power supply system was analyzed.The components and supply capacity of the system were also presented,and a scheme was made.To solve the problem that the weakness of starter output shaft is easy to rupture when aircraft engine is in use,appropriate current limiting matching design technology was adopted.At the same time,the super capacitor design technology was introduced into power supply to solve the problem that the performance decreased significantly when battery and thermal battery were in plateau and negative temperature condition,and improve the system response characteristic, increase instantaneous required power for the engine.Finally,the design and application of aircraft power supply vehicle were verified by experiment.

aero-engine；power supply vehicle；generator set；DC power；super capacitor；power supply characteristics

V242.2

A

1672-2620(2013)05-0046-04

2012-12-30；

2013-05-17

馮夢偉(1984-)，男，四川成都人，工程師，主要從事航空發(fā)動機電氣系統(tǒng)設計。