某渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)改渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的性能分析

黃慶 鐘櫚

摘 要：渦槳飛機(jī)通常比直升機(jī)飛得更高更快，所以渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)改渦槳時(shí)飛行包線一般會(huì)拓寬。為適應(yīng)飛行包線的變化，需進(jìn)行性能調(diào)整。本文簡(jiǎn)要介紹了RTM322-01渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)改成渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中性能參數(shù)調(diào)整情況。根據(jù)RTM322-01渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的公開數(shù)據(jù)，并借鑒工程經(jīng)驗(yàn)做出簡(jiǎn)化，建立了該發(fā)動(dòng)機(jī)的Gasturb模型。在此基礎(chǔ)上，從發(fā)動(dòng)機(jī)性能角度定量分析了“軸改槳”的主要影響因素和參數(shù)變化特點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)尾噴管出口面積和燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力是“軸改槳”時(shí)最重要的影響因素，通過研究這些因素的影響程度和約束條件，可為其它“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：渦軸改渦槳 性能分析

Abstract：Turboprop aircraft generally fly higher and faster than helicopters. So the flight envelope of turboshaft engine is generally widened when it is changed into turboprop engine. In oder to adapt to the changes in flight envelope， performance adjustments are needed. This paper briefly introduces the adjustments of performance parameters in the process of transfering RTM322-01 turboshaft into RTM322-06 turboprop. According to the published data of RTM322-01 turboshaft engine and our engineering experience， a simplified Gasturb model is established. On this basis， this paper quantitatively analyses the main influencing factors and the characteristics of parameters variation in “turboshaft? to turboprop” process. It is found that the exhaust area and the HPT capacity are the most important factors affecting the “turboshaft? to turboprop” of RTM322-01. By studying the influence and restriction condition of these factors， this paper can provide reference for the development of other “turboshaft? to turboprop” engine.

Key words：turboshaft? to turboprop;performance analysis

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制途徑通常有全新設(shè)計(jì)、改進(jìn)改型、核心機(jī)派生發(fā)展[1][2]和渦軸改渦槳[3]等方式。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)與渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)相似，基于成熟的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“軸改槳”是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制的一種典型的模式，可縮短研制周期、減少研制成本和降低風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)外已有多種典型“軸改槳”案例，如T700渦軸改CT7-5/-7渦槳、PD-600渦軸改TBД-1500Б渦槳和RTM322-01渦軸改RTM322-06渦槳[4][5]等。

RTM322-01發(fā)動(dòng)機(jī)是羅.羅公司和透博梅卡公司合作研制的2000hp級(jí)自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，目的是與美國(guó)通用電氣的T700系列和普？惠加拿大公司的PW100競(jìng)爭(zhēng)。RTM322-06發(fā)動(dòng)機(jī)是在RTM322-01系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改型的一款渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，擬配裝民用ATR42飛機(jī)，取代ATR42飛機(jī)原裝的PW120發(fā)動(dòng)機(jī)。RTM322-01渦軸改RTM322-06渦槳（下文簡(jiǎn)稱“軸改槳）”最基本的原則是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，同時(shí)成本最低化。第二個(gè)原則是能夠易于替換PW120，降低飛機(jī)換發(fā)的工作量。

本文從RTM322-01渦軸和RTM322-06渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的使用差異性出發(fā)，梳理其主要性能影響因素，建立較準(zhǔn)確的Gasturb模型，對(duì)主要性能影響因素進(jìn)行定量分析，可為將來其它軸改槳發(fā)動(dòng)機(jī)研制提供一定的技術(shù)參考。

1 兩型發(fā)動(dòng)機(jī)主要差異

1.1 使用要求的差

兩型發(fā)動(dòng)機(jī)的姿態(tài)包線相同，溫度包線相同，起動(dòng)包線也相同。差異主要在飛行包線的不同，渦槳型發(fā)動(dòng)機(jī)工作包線的升限和速度邊界比渦軸型發(fā)動(dòng)機(jī)大幅擴(kuò)展，即升限從渦軸的6000m提高到9000m，最大馬赫數(shù)從渦軸的0.4擴(kuò)展到0.7，見圖1。

1.2 渦軸改渦槳的變化

RTM322-01渦軸改RTM322-06渦槳時(shí)結(jié)構(gòu)布局方面需要重新設(shè)計(jì)的有：減速器、進(jìn)氣裝置、附件傳動(dòng)裝置、以及適應(yīng)飛機(jī)需求的其它更改，如安裝接口、滑油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)（座艙引氣）等。控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律也有變化，載荷方面則增加了螺旋槳的載荷。

性能方面，做了以下調(diào)整：一、尾噴管面積減少55%;二、燃?xì)鉁u輪流通能力增加6%。下文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)分析，以得出借鑒和啟示。

2 性能模型的建立與校核

參考已知文獻(xiàn)資料[4][5]，同時(shí)借鑒渦槳九“軸改槳”研制經(jīng)驗(yàn)[6]，用Gasturb匹配出RTM322-01渦軸的計(jì)算模型。其中，利用工程經(jīng)驗(yàn)確定空氣系統(tǒng)的冷氣量和各腔室的冷氣和封嚴(yán)比例，以及過渡段損失等參數(shù)。匹配出的RTM322-01渦軸起飛狀態(tài)（設(shè)計(jì)點(diǎn)）的性能參數(shù)與文獻(xiàn)公布數(shù)據(jù)比較見表1，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[4]大部分?jǐn)?shù)據(jù)吻合，參數(shù)偏差±3%以內(nèi)，有較好的參考價(jià)值。

3 性能參數(shù)調(diào)整分析

3.1尾噴管出口面積對(duì)主要參數(shù)的影響

3.1.1排氣通暢度

這里定義系數(shù)k=（V8-V0）/V0，即排氣速度與進(jìn)氣速度之差（V8-V0）的無(wú)量綱化，當(dāng)該系數(shù)k小于0時(shí)，意味著產(chǎn)生了負(fù)推力。

RTM322-01“軸改槳”時(shí)，速度包線由0.4拓寬至0.7，圖3展示了排氣通暢度與尾噴管出口面積減小幅度的關(guān)系。根據(jù)伯努利氣動(dòng)原理，尾噴管出口面積縮小可增大排氣速度。隨著馬赫數(shù)增大，V0增加，必須減少出口面積使V8增大，才能使系數(shù)k大于0。

從圖2可知在進(jìn)氣馬赫數(shù)Ma=0.7時(shí)，噴管出口面積需減少55%以上才能保證不出現(xiàn)負(fù)推力。

3.1.2功率

同燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速條件下，減小尾噴管出口面積，將使排氣速度增加，尾氣的能量增加，而使輸出軸功率下降。圖3的計(jì)算結(jié)果與此相符。

從圖 3可知ISA，H=0，M=0條件下，尾噴管出口面積減少量不應(yīng)該超過60%，減少更多則會(huì)功率不達(dá)標(biāo)（功率指標(biāo)1491kW）。

3.1.3耗油率

該發(fā)動(dòng)機(jī)“軸改槳”時(shí)，強(qiáng)調(diào)耗油率優(yōu)勢(shì)。在上述初選的尾噴管出口面積減小幅值55%～60%范圍，尾噴管面積越小，尾氣帶走能量越多，使耗油率越高。為保證足夠小的耗油率，尾噴管出口面積不能過小，所以優(yōu)先取接近55%。

3.2燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力對(duì)主要參數(shù)的影響

3.2.1功率

同樣燃?xì)鉁u輪轉(zhuǎn)速條件下，“軸改槳”后燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力增加，空氣流量增加，做功能力增加，因此輸出功率增加。從圖5可知，可通過增加燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力來補(bǔ)償噴管減小導(dǎo)致的功率損失，燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力增加6%，功率可提高3%。

3.2.2耗油率

燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力增加，使共同工作點(diǎn)向流量增加壓比減小的方向移動(dòng)，這樣導(dǎo)致了一定程度的壓氣機(jī)和渦輪效率下降，因此將使耗油率升高。

3.2.3渦輪間溫度Tt45

燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力增加使得部件效率下降，與此同時(shí)功率卻增加，則只能靠增加燃油流量升高燃?xì)鉁囟取Ｈ細(xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力、馬赫數(shù)對(duì)Tt45的影響計(jì)算結(jié)果如圖7，符合燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力增加，將使Tt45溫度升高的規(guī)律。

圖中可見流通能力增加6%，將使Tt45溫度升高30℃左右，增加10%時(shí)溫度升高60℃左右。資料顯示，RTM322-01發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度裕度約為70℃，那么考慮壽命期性能衰退35℃，那么軸改槳時(shí)Tt45溫度升幅不應(yīng)超過35℃，說明燃?xì)鉁u輪流通能力增加6%基本已經(jīng)是極限。

4 結(jié)論

RTM322-01渦軸改渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，性能方面主要調(diào)整尾噴管面積和燃?xì)鉁u輪流通能力。這兩個(gè)主要參數(shù)調(diào)整造成的影響主要有：

1）為了適應(yīng)速度包線從M=0.4拓展到M=0.7，必須調(diào)小尾噴管面積不少于55%，以避免產(chǎn)生負(fù)推力。

2）尾噴管面積減少會(huì)使功率下降，其減少量不能超過60%，以保證起飛功率2000hp。尾噴管面積減小不利于降低耗油率，尾噴管面積應(yīng)盡可能大，因此取減少55%較合適。

3）燃?xì)鉁u輪流通能力增加卻會(huì)使得Tt45溫度升高，流通能力增加6%，將使Tt45溫度升高30℃、溫度裕度不足，因此取6%左右是合適的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

黃慶（1984.11-），男，碩士研究生，工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì).