巢　青，傅　鑫，程衛(wèi)國(guó)，黃國(guó)平

（1.中航工業(yè)機(jī)電系統(tǒng)有限公司，北京100000；2.南京航空航天大學(xué)，南京210016；3.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京211106）

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)與APU發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵部件研究進(jìn)展

巢青1，傅鑫2，程衛(wèi)國(guó)3，黃國(guó)平2

（1.中航工業(yè)機(jī)電系統(tǒng)有限公司，北京100000；2.南京航空航天大學(xué)，南京210016；3.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京211106）

回顧了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置（APU）的發(fā)展歷史及近年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要介紹了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和APU分別在民用發(fā)電領(lǐng)域及飛機(jī)系統(tǒng)中的重要地位。對(duì)APU和微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)主要部件（壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪）的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討分析，并介紹了該主要部件的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)?？蔀槿藗兞私釧PU和微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展提供參考。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)；APU；壓氣機(jī)；燃燒室；渦輪；微尺度；發(fā)電技術(shù)

1　微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)作為小型動(dòng)力裝置，其工作原理是：大氣中的空氣被吸入到壓氣機(jī)中壓縮到某一壓力（一般不低于0.3MPa），壓縮后的空氣被送入燃燒室，與噴入的燃料（油或天然氣）在一定壓力下混合燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓囟韧ǔ８哂?00℃），高溫燃?xì)獗凰腿肴細(xì)廨啓C(jī)的透平膨脹做功，最后廢氣被排入大氣?；谶@個(gè)原理，飛機(jī)的輔助動(dòng)力裝置（APU）其實(shí)也是一臺(tái)微型燃?xì)廨啓C(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)用于地面發(fā)電時(shí)，通常稱(chēng)為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。圖1所示為微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，圖2所示為B787的APU。

圖1　R微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)Fig.1 Micro gas turbinesgenerator

圖2　R B787 APUFig.2 Auxiliary power unitofB787

1.1微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展

航空航天技術(shù)的提高，及汽車(chē)行業(yè)對(duì)渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了燃?xì)廨啓C(jī)微型化的發(fā)展，并使得該技術(shù)日趨成熟。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)一般是指功率為幾十千瓦到幾百千瓦的燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)，誕生于20世紀(jì)20年代，但當(dāng)時(shí)由于技術(shù)不成熟和效率低等原因，并沒(méi)有得到有效發(fā)展和利用。也正因如此，該功率段范圍內(nèi)的發(fā)電機(jī)動(dòng)力，一直以來(lái)都由各類(lèi)活塞式內(nèi)燃機(jī)提供。然而在最近20年，全球范圍內(nèi)的能源需求和能源結(jié)構(gòu)有了顯著變化。正是基于這種變化，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)得到迅速發(fā)展，并已逐步成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的主要裝置，這也是未來(lái)新型發(fā)電方式的研究方向之一。近年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)其進(jìn)行了大量研究。美國(guó)在2003年?yáng)|部大停電之后，提出了用1 000億美元來(lái)研究微型渦輪發(fā)電機(jī)技術(shù)的計(jì)劃，來(lái)改善應(yīng)急發(fā)電系統(tǒng)。

1.2 APU的現(xiàn)狀及發(fā)展

APU的本質(zhì)是小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，具有供電、起動(dòng)的功能，早先的APU還提供部分推力。飛機(jī)在地面起飛前，由APU供電來(lái)起動(dòng)主發(fā)動(dòng)機(jī)，從而不需依靠地面電、氣源車(chē)來(lái)為飛機(jī)起飛提供動(dòng)力。在地面時(shí)APU提供電力和壓縮空氣，保證客艙和駕駛艙內(nèi)的照明及空調(diào)。在飛機(jī)起飛時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率全部用于地面加速和爬升，改善起飛性能。降落后，仍由APU供應(yīng)電力照明和空調(diào)，使主發(fā)動(dòng)機(jī)提早關(guān)閉，從而節(jié)省燃油，降低機(jī)場(chǎng)噪聲。APU的核心部分是一個(gè)小型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，大部分為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，也有一部分由渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而成；一般裝在機(jī)身最后段的尾錐之內(nèi)，在機(jī)身上方垂尾附近加工有進(jìn)氣口，排氣直接由尾錐后端的排氣口排出。發(fā)動(dòng)機(jī)前端除正常壓氣級(jí)外，還裝有一個(gè)工作壓氣級(jí)，向機(jī)身前部空調(diào)組件輸送高溫壓縮空氣，在保證機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)工作的同時(shí)還帶動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)，向飛機(jī)電網(wǎng)送出115 V的三相電。APU有自己?jiǎn)为?dú)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由單獨(dú)的電池供電，有獨(dú)立的附加齒輪箱、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和防火裝置，其燃油來(lái)自飛機(jī)總?cè)加拖到y(tǒng)。傳統(tǒng)APU通常采用單級(jí)離心壓氣機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片角度調(diào)節(jié)引氣量，發(fā)電機(jī)和液壓設(shè)備都是通過(guò)齒輪箱與APU相連。隨著飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是多電/全電飛機(jī)概念的提出，傳統(tǒng)APU也向著多電APU的方向發(fā)展。多電APU采用電力驅(qū)動(dòng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)APU的部分氣動(dòng)、液壓和機(jī)械部件，形成了無(wú)引氣系統(tǒng)和變頻發(fā)電機(jī)技術(shù)。目前，無(wú)引氣系統(tǒng)和變頻定子發(fā)電機(jī)（VFSG）已在B787飛機(jī)中發(fā)揮了巨大作用。B787的APU裝在飛機(jī)尾部椎體內(nèi)，氣動(dòng)傳遞完全被取消。圖3為B767飛機(jī)中無(wú)引氣APU可簡(jiǎn)化的外部組件示意圖［1］。

圖3　R無(wú)引氣APU可簡(jiǎn)化的外部組件示意圖Fig.3 Simplified externalcomponentofAPU withoutbleeding

2　 APU與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)壓氣機(jī)

目前，APU與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的壓氣機(jī)都采用單級(jí)離心式（或斜流式）設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子葉輪都帶分流小葉片，壓比3～5，都在材料和強(qiáng)度等允許條件下向更高切線速度、更大壓比方向發(fā)展。圖4為APS2000的壓氣機(jī)。

圖4　R APS2000壓氣機(jī)Fig.4 APS2000 compressor

微型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)力求總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便，因此與現(xiàn)今主流大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用軸流壓氣機(jī)不同，APU與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)廣泛采用了離心壓氣機(jī)。離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)壓比較大，流量較小時(shí)也較易設(shè)計(jì)。如PW 801/PW 980、Rubis、APS500等型號(hào)微型燃?xì)廨啓C(jī)，壓氣機(jī)部分都只采用了一級(jí)離心壓氣機(jī)。

除了主流的一級(jí)離心壓氣機(jī)外，還有一些微型壓氣機(jī)為斜流壓氣機(jī)。斜流壓氣機(jī)兼有離心壓氣機(jī)壓比高、工作范圍廣，和軸流壓氣機(jī)流量大、效率高、迎風(fēng)面積小的特點(diǎn)。圖5所示的TJ-50壓氣機(jī)，為減小迎風(fēng)面積，轉(zhuǎn)子采用了斜流式整體輪盤(pán)設(shè)計(jì)，8片大葉片加8片分流小葉片，輪緣直徑約88mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的切線速度約600 m/s，采用鈦合金鍛造毛坯加數(shù)控加工制造［2］。

圖5　R Sundstrand公司的TJ-50的壓氣機(jī)Fig.5 TJ-50 compressor of Sundstrand Company

3　 APU與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)燃燒室

燃燒室作為APU的唯一熱源，其性能直接影響主發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力，特別是緊急情況下快速起動(dòng)達(dá)到起飛要求的能力。目前，燃燒室設(shè)計(jì)的主要限制是溫度分布，特別是幾何尺寸越小的燃燒室，其熱管理越難實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)和研制燃燒室時(shí)，應(yīng)進(jìn)行新型耐高溫材料、可加強(qiáng)的冷卻方法、優(yōu)化的燃燒室出口溫度場(chǎng)分布等方面研究。

耐高溫材料研究一直是各界關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在國(guó)內(nèi)材料性能難以滿(mǎn)足工程需要的背景下。燃燒室是除渦輪外的主要耐高溫部件，工作時(shí)其最高溫度可達(dá)1 700～2 000 K，同時(shí)燃燒室的工作環(huán)境決定了其需要較長(zhǎng)時(shí)間的耐高溫穩(wěn)定性，因而對(duì)材料的要求極高。但目前絕大部分耐高溫材料，都存在工程難以應(yīng)用的尷尬局面。鉬合金材料熔點(diǎn)為2 600℃，符合耐高溫要求，但是其在較低溫度（450℃）下容易氧化，不能與不銹鋼及鈦合金噴管焊接，特別是在點(diǎn)火時(shí)的較低溫度下其延展性很差。鈮合金可與鈦合金焊接，在低溫下表現(xiàn)出極好的延展特性，且熔點(diǎn)也很高，但同樣存在低溫（＜600℃）下氧化速率很高的缺陷，不過(guò)可采用在其表面涂氧化涂層的方法來(lái)解決。氧化防護(hù)涂層含有硅、鉻、鈦成份，如熔融的R-512A涂層，能解決1 550～1 600℃下的氧化防護(hù)。試驗(yàn)表明，鈮的壽命超過(guò)了30 h，目前可部分滿(mǎn)足APU燃燒室高溫條件下的使用。碳化硅陶瓷基類(lèi)復(fù)合材料是較為理想的材料，目前已越來(lái)越引起人們的重視，其性能也得到較為廣泛的研究。

在無(wú)法解決燃燒室材料問(wèn)題的前提下，采用適當(dāng)?shù)睦鋮s技術(shù)是較為有效的辦法。具有發(fā)散冷卻功能的曲面結(jié)構(gòu)、新型半發(fā)散結(jié)構(gòu)、發(fā)散冷卻多斜孔層板結(jié)構(gòu)、新型迷宮復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)以及其他新型結(jié)構(gòu)的席壁造型，均已被證明在一定條件下可提高燃燒室的冷卻效率，使流場(chǎng)分布均勻，溫度梯度小，同時(shí)可大大降低火焰筒的熱負(fù)荷，延長(zhǎng)使用壽命。

燃燒室出口溫度分布直接影響渦輪部件壽命及發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性，是燃燒室的一個(gè)重要性能指標(biāo)。因此，對(duì)燃燒室進(jìn)行設(shè)計(jì)與研制時(shí)，除了研究新型的耐高溫材料和加強(qiáng)冷卻外，改善燃燒室出口溫度場(chǎng)品質(zhì)，降低溫度場(chǎng)中熱點(diǎn)溫度也非常重要。

燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)的工程，因此在APU燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮使用新型耐高溫材料，布局合理且高效的冷卻方式，同時(shí)努力優(yōu)化燃燒室溫度分布，以期得到更為優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。

4　 APU與微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)渦輪

微型動(dòng)力裝置出功形式和輸出功率大小千差萬(wàn)別，但其渦輪部件工作原理一致，都是將高溫高壓氣體的能量轉(zhuǎn)化為軸功率，這里統(tǒng)稱(chēng)為微型渦輪。

微型渦輪作為微型動(dòng)力裝置的出功元件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，具有以下特點(diǎn)：特征尺寸為厘米級(jí)以下；高焓降，高轉(zhuǎn)速，大都采用非冷卻的金屬材料；功率密度高；渦輪前進(jìn)口溫度在1 200 K左右，采用陶瓷材料可提升至1 300 K以上。微型渦輪從特征尺寸上大致可分為三類(lèi)：第一類(lèi)是以MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）等先進(jìn)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的超微渦輪，特征尺寸為毫米級(jí)，以麻省理工學(xué)院燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)室的MTE（微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)）為典型代表（圖6），輸出功率在百瓦以下；第二類(lèi)是以傳統(tǒng)機(jī)械加工融合一些微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的微型渦輪，直徑為10mm左右，輸出功率在百瓦量級(jí)，典型代表是美國(guó)斯坦福大學(xué)快速成型實(shí)驗(yàn)室與亞利桑那州M-DOTAerospace公司合作研制的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（圖7）；第三類(lèi)特征尺寸為厘米級(jí)，輸出功率為幾百至幾萬(wàn)瓦量級(jí)。目前市場(chǎng)上主流APU、微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品所使用的渦輪大多屬于第三類(lèi)。

圖6　R麻省理工學(xué)院MTE渦輪Fig.6 MTE turbine ofMassachusetts Institute of Technology

圖7　R斯坦福大學(xué)MTE轉(zhuǎn)子組件Fig.7 MTE rotor componentsof Stanford University

國(guó)外微型動(dòng)力裝置發(fā)展較早，當(dāng)時(shí)的微型渦輪效率較低。但隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)微型渦輪氣動(dòng)熱力學(xué)設(shè)計(jì)研究的不斷深入，在微型渦輪流動(dòng)特征、損失、關(guān)鍵參數(shù)選取等方面進(jìn)行了大量研究，微型渦輪效率有了大幅提高。Gaydamamka等［3］利用CFD技術(shù)研究的單級(jí)微型渦輪的氣動(dòng)性能，其落壓比為3.0，總對(duì)總效率為0.789。Sieros等［4］設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種微型混流式渦輪，流量約為0.5 kg/s，總對(duì)總等熵效率接近0.90。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，APU已經(jīng)發(fā)展到與應(yīng)急動(dòng)力裝置（EPU）組合的階段［5］。相對(duì)于輸出壓縮空氣的APU，與EPU結(jié)合的APU通常需要在負(fù)載壓氣機(jī)的同時(shí)，還要負(fù)載電機(jī)發(fā)電，其輸出功率要求更大。目前，世界軍民用APU市場(chǎng)主要由美國(guó)霍尼韋爾和漢勝兩家公司占有，典型APU有霍尼韋爾公司的GTCP131系列和漢勝公司的APS系列。

目前，先進(jìn)技術(shù)水平APU渦輪部件的技術(shù)特點(diǎn)為：一般不采用復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)，而是使用高溫涂層材料；以整體葉盤(pán)設(shè)計(jì)、定向結(jié)晶和粉末冶金等先進(jìn)工藝，獲取更高葉片強(qiáng)度；渦輪前溫度達(dá)1 300 K；部件壽命達(dá)30 000個(gè)循環(huán)。

5　結(jié)束語(yǔ)

世界上已有的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)中，以0～100 kW級(jí)別的機(jī)組應(yīng)用較多，其廣泛應(yīng)用于航空航天、能源電力、軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各領(lǐng)域，具體包括應(yīng)用于飛行器上提供備用電源、為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供電力、為中小型企業(yè)提供電力、作為車(chē)輛能源、在電網(wǎng)電力供應(yīng)不足時(shí)提供電力等。相對(duì)于常用的發(fā)電機(jī)，微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)具有能量密度高、可靠性高、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)和發(fā)電效率高的優(yōu)勢(shì)。并且作為常規(guī)能源，裝機(jī)容量較?。ǎ? 000 kW）的熱力發(fā)電技術(shù)在我國(guó)具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。而APU對(duì)于民機(jī)和軍機(jī)的發(fā)展至關(guān)重要?，F(xiàn)代化的大、中型客機(jī)上，APU是保證發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)后再起動(dòng)的主要裝備，直接影響飛行安全。APU又是保證飛機(jī)停在地面時(shí)，客艙舒適的必要條件，這會(huì)影響旅客對(duì)乘機(jī)機(jī)型的選擇。因此APU成為飛機(jī)上一個(gè)重要的不可或缺的系統(tǒng)。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和APU在本質(zhì)上都屬于微型燃?xì)廨啓C(jī)，其關(guān)鍵部件的技術(shù)研究并不獨(dú)立。因此有必要加強(qiáng)兩者關(guān)鍵部件的共同研究，使微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和APU技術(shù)都能得到進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)發(fā)電技術(shù)與航空航天技術(shù)進(jìn)步。

［1］唐力.多電技術(shù)趨勢(shì)下APU的發(fā)展［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2009，（3）：13—17.

［2］黃國(guó)平，梁德旺，何志強(qiáng).大型飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置與微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，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］李東杰.輔助動(dòng)力裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2012，（6）：7—10.

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

CHAOQing，F(xiàn)UXin，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，江西萬(wàn)載人，高級(jí)工程師，主要從事飛機(jī)機(jī)載輔助動(dòng)力、環(huán)控、液壓、燃油、電源等系統(tǒng)研制的技術(shù)管理工作。

V235.1

A

1672-2620（2015）02-0053-04

2014-06-09；修回日期：2015-03-09