國外槳扇技術(shù)發(fā)展概況

陳 博，賀 象

(1.中國人民解放軍空軍裝備部，北京 100843；2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所中小型航空發(fā)動機葉輪機械湖南省重點實驗室，湖南株洲 412002)

1 引言

20世紀(jì)50年代，國際上開始研究一種高速螺旋槳技術(shù)，其槳葉具有負(fù)荷高、葉片數(shù)多、后掠、變槳距的特征。因為槳葉采用了寬弦設(shè)計，氣動外形與當(dāng)時的渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片相似，因此高速螺旋槳發(fā)動機又被稱為槳扇發(fā)動機。槳扇發(fā)動機根據(jù)槳葉級數(shù)，可分為單排槳扇(僅一排槳葉)和對轉(zhuǎn)槳扇(兩排槳葉對向旋轉(zhuǎn))兩種；根據(jù)槳葉的安裝位置，可分為拉進式和推進式兩種；根據(jù)其是否帶有涵道，可分為開式轉(zhuǎn)子和涵道槳扇兩種。

槳扇發(fā)動機兼顧了渦扇發(fā)動機高速和渦槳發(fā)動機高推進效率的優(yōu)勢。其飛行馬赫數(shù)超過0.70，明顯高于常規(guī)渦槳飛行速度，達到了渦扇巡航速度，并能在保持較高飛行速度的同時擁有較高的推進效率，與常規(guī)渦槳推進效率相當(dāng)，特別是對轉(zhuǎn)槳扇的推進效率可達85.0%以上。

對轉(zhuǎn)槳扇通常采用超薄翼型設(shè)計來減小葉型損失，采用大后掠角馬刀形設(shè)計降低臨界馬赫數(shù)來減小激波損失，采用前后兩排槳葉對轉(zhuǎn)將前槳尾流轉(zhuǎn)為軸向來減小旋流損失，從而使其能在較高的飛行速度下仍能保持較高的推進效率。此外，對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機下洗滑流對機翼的增升效果比常規(guī)渦槳發(fā)動機的更強，飛機短距起飛和低空低速飛行性能優(yōu)異；反推力強勁，可顯著縮短降落滑跑距離。

鑒于對轉(zhuǎn)槳扇的優(yōu)勢，目前國際上主要的發(fā)動機生產(chǎn)商都在積極開展對轉(zhuǎn)槳扇的關(guān)鍵技術(shù)研究和技術(shù)驗證機研制，該種構(gòu)型是未來新一代航空發(fā)動機的一個重要發(fā)展方向。國內(nèi)雖已啟動了相關(guān)方面的研究，在關(guān)鍵技術(shù)研制層面開展了設(shè)計及驗證工作，但與國外的差距仍很明顯。本文介紹了國外槳扇技術(shù)的發(fā)展概況及研制趨勢，以期為我國未來槳扇發(fā)動機的研制提供參考和借鑒。

2 國外槳扇設(shè)計技術(shù)的發(fā)展及試驗驗證

國際上對槳扇設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行了長達幾十年的研究，取得了大量研究成果，基本解決了槳扇氣動設(shè)計問題，噪聲水平也得到明顯降低。

2.1 NASA/漢密爾頓

NASA在20世紀(jì)50年代開始進行高速螺旋槳技術(shù)研究[1]，并開展了風(fēng)洞和飛行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)薄的低負(fù)荷槳葉在馬赫數(shù)達0.85時仍能保持較高的效率。70年代，NASA進一步開展了SR系列單排槳扇的研制工作[1]。其設(shè)計方法[2]由漢密爾頓公司的升力線螺旋槳設(shè)計方法發(fā)展而來，分三段進行槳葉設(shè)計，如圖1所示：①槳根采用不考慮機匣影響的壓氣機準(zhǔn)三維設(shè)計方法及經(jīng)驗葉柵數(shù)據(jù)設(shè)計；②槳葉中段采用二維可壓翼型數(shù)據(jù)、帶葉柵修正的基于Gold?stein理論的螺旋槳槳葉設(shè)計方法設(shè)計；③槳尖同樣采用二維可壓翼型數(shù)據(jù)、帶葉柵修正的基于Gold?stein理論的螺旋槳槳葉設(shè)計方法設(shè)計，但對設(shè)計模型進行了修改，考慮后掠的影響，并對槳尖卸載現(xiàn)象進行了修正。同時，不同徑向位置所采用的翼型也不相同。葉根由于采用了內(nèi)流壓氣機設(shè)計方法，選擇NACA65/CA葉型；槳葉中段及槳尖由于采用了外流升力線法，選擇NACA16高速葉型。

圖1 NASA/漢密爾頓SR系列單排槳扇所采用的設(shè)計方法Fig.1 Aerodynamic design methodology for SR series propfan of NASA and Hamilton standard

利用上述方法，NASA設(shè)計了SR系列槳扇(圖2)，并研制了風(fēng)洞模型試驗件[2-3]。該試驗件由空氣馬達驅(qū)動，采用旋轉(zhuǎn)天平測量推力和扭矩，同時測量轉(zhuǎn)速、風(fēng)速等參數(shù)，進而計算出推進效率。試驗結(jié)果表明，SR系列槳扇中SR-3的綜合性能最佳，在設(shè)計巡航馬赫數(shù)0.80時推進效率達79.0%以上，在馬赫數(shù)0.70時推進效率可達81.0%左右。

圖2 SR系列槳扇槳葉Fig.2 SR series propfan blades

20世紀(jì)80年代，漢密爾頓在NASA單排槳扇設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上開展了對轉(zhuǎn)槳扇研究，設(shè)計了CRP-X1[4]和CR11[5]兩套對轉(zhuǎn)槳扇，并完成了高速風(fēng)洞試驗。結(jié)果表明，在馬赫數(shù)0.70條件下，對轉(zhuǎn)槳扇的總推進效率最高可達86.0%。

2.2 GE

20世紀(jì)80年代，GE發(fā)展了一種基于壓氣機二維反問題方法的槳扇氣動設(shè)計方法[6]。該方法對S2程序進行了修改，在周向平均徑向平衡方程中添加了一個反映螺旋槳葉尖流動特征的徑向壓力梯度項。同時，把計算域分為內(nèi)層和外層(槳尖外)，內(nèi)層采用壓氣機S2求解方法，外層采用外流Doug?las-Neumann方法，通過通流計算得到周向平均流線和流動角，進而設(shè)計槳葉葉型。GE采用該方法設(shè)計了F-A系列槳扇(圖3)，并研制了一套風(fēng)洞試驗件[7-8]開展高速風(fēng)洞試驗驗證。該試驗件與漢密爾頓的對轉(zhuǎn)槳扇試驗件類似，其兩排槳葉由兩臺空氣馬達驅(qū)動，性能由兩臺旋轉(zhuǎn)天平測量計算獲得。風(fēng)洞試驗表明，F(xiàn)-A系列槳扇中F7-A7的性能最優(yōu)，在馬赫數(shù)0.72下推進效率達82.5%。

80年代末，GE研發(fā)的F-A系列槳扇中的F31-A31[9]，在馬赫數(shù)0.73下推進效率最高可達84.5%。進入21世紀(jì)，GE重啟了對轉(zhuǎn)槳扇技術(shù)研究，推進效率進一步提高至85.0%以上，基本解決了槳扇的氣動設(shè)計問題，研究重心轉(zhuǎn)移到了噪聲問題上。目前，其最新一代對轉(zhuǎn)槳扇Gen2A+B的噪聲水平，已超過了國際民航組織規(guī)定的民機適航審定的第四階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)，且具有一定噪聲儲備。

圖3 F-A系列對轉(zhuǎn)槳扇槳葉Fig.3 F-A series contra rotating propfan blades

2.3 R-R

R-R也在20世紀(jì)80年代開展了一系列對轉(zhuǎn)槳扇關(guān)鍵技術(shù)研究工作[10]，但并未公開其氣動設(shè)計方法。R-R與ARA(英國飛機研究協(xié)會公司)合作，在高速風(fēng)洞中完成了1/5縮尺模型(Rig140)試驗驗證。Rig140試驗件采用兩臺定制的串列安裝的套軸電機作為兩排槳葉的動力(圖4)，性能由旋轉(zhuǎn)天平測量。試驗結(jié)果表明，相比直葉片，后掠槳葉在相對較高的馬赫數(shù)下具有更高的推進效率。

圖4 在ARA高速風(fēng)洞中的Rig140對轉(zhuǎn)槳扇試驗件Fig.4 Contra rotating propfan Rig140 at ARA high speed wind-tunnel

2.4 Air bus/SAFRAN

歐洲Air bus(空客)聯(lián)合SAFRAN(賽峰)、ONE?RA(法國國家宇航研究局)、DLR(德國宇航中心)等單位開展了對轉(zhuǎn)槳扇設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，采用升力線方法設(shè)計出AI-PX7對轉(zhuǎn)槳扇[11]，并完成了性能及聲學(xué)試驗。結(jié)果表明，AI-PX7對轉(zhuǎn)槳扇達到了設(shè)計指標(biāo)要求，在巡航高度10.66 km、巡航馬赫數(shù)0.75條件下其推進效率大于85.0%。

另外，Air bus在AI-PX7對轉(zhuǎn)槳扇的基礎(chǔ)上，開展了基于自動參數(shù)化造型、網(wǎng)格劃分、CFD計算和結(jié)果提取的簡單優(yōu)化設(shè)計方法研究[12]。ONERA[13]及DLR[14]針對對轉(zhuǎn)槳扇進行了一系列CFD數(shù)值模擬、CAA(計算聲學(xué))聲場模擬及風(fēng)洞試驗研究，獲得了詳細(xì)的槳扇流場結(jié)構(gòu)(圖5)，包括槳尖三維渦結(jié)構(gòu)、前后排槳葉相互干擾的流場結(jié)構(gòu)、安裝支架對槳扇的干擾流場等。

圖5 AI-PX7對轉(zhuǎn)槳扇的流場結(jié)構(gòu)Fig.5 Flow structure of AI-PX7 contra rotating propfan

3 國外槳扇發(fā)動機部件與驗證機的研制

3.1 NASA/漢密爾頓

1978年，在NASA和漢密爾頓的共同努力下，先進槳扇項目(ATP)正式立項[1]，發(fā)展適用于馬赫數(shù)0.65～0.85范圍的單排或雙排對轉(zhuǎn)槳扇技術(shù)。1980年，大尺寸先進槳扇項目(LAP)啟動[15]，基于艾利遜Modal 570發(fā)動機平臺，開展單排槳扇部件研制。參考SR系列槳扇研究成果設(shè)計了SR-7L槳葉，共8片，槳扇直徑為2.74 m，采用鋁合金葉梁和在外層包裹玻璃纖維復(fù)合材料外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。1987年，大尺寸先進槳扇發(fā)動機(PTA)配裝灣流Ⅱ完成了飛行驗證試驗，達到了設(shè)計目標(biāo)。

圖6 Allison 578-DX對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機Fig.6 Allison 578-DX contra rotating propfan engine

在NASA的支持下，P&W、艾利遜和漢密爾頓聯(lián)合，基于XT701渦軸發(fā)動機，采用單軸輸入雙軸輸出的雙自由度對轉(zhuǎn)行星齒輪減速器驅(qū)動對轉(zhuǎn)槳扇部件，研制了推進式578-DX對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機(圖6)[16]，并最終完成了相關(guān)地面和飛行試驗，達到了研制目標(biāo)。其中，槳扇槳葉采用了與PTA相同的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，前后兩排槳葉數(shù)均為6片，槳扇直徑3.54 m。槳扇部件前后槳各有一套變距機構(gòu)，使得前后兩排槳能獨立變距。變距方式為采用液壓馬達將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動，通過拉動與槳葉偏心銷相連的連桿來實現(xiàn)。

3.2 GE

NASA在與漢密爾頓開展槳扇發(fā)動機研制的同時，也與GE開展了合作，研制GE36推進式槳扇發(fā)動機演示驗證機(圖7)[17-19]，并在飛行試驗平臺上完成了飛行試驗驗證。

圖7 GE36對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機Fig.7 GE36 contra rotating propfan engine

GE36采用對轉(zhuǎn)動力渦輪直接驅(qū)動對轉(zhuǎn)槳扇的結(jié)構(gòu)形式，選擇了F-A系列最優(yōu)的F7-A7槳葉方案，前后兩排槳葉數(shù)均為8片，槳扇直徑為3.56 m。槳葉采用復(fù)合材料制造，以空心結(jié)構(gòu)的鈦合金梁作為承力骨架，由兩片預(yù)成型的纖維復(fù)合材料組成槳葉外殼，最后通過模壓加工成型。前、后槳通過串列布置的兩套油缸活塞機構(gòu)，分別帶動前、后槳連桿進行變距，可實現(xiàn)順槳、反槳、槳距鎖定等功能。

3.3 Aerosila公司

烏克蘭研制的D-27發(fā)動機是目前世界上唯一投入使用的槳扇發(fā)動機(圖8)，其配裝的對轉(zhuǎn)槳扇SV-27由俄羅斯Aerosila公司研制[20]。SV-27槳扇直徑達4.5 m，前、后排槳葉數(shù)分別為8片和6片，飛行馬赫數(shù)0.70下推進效率86.0%以上。

圖8 配裝D-27槳扇發(fā)動機的An-70Fig.8 D-27 propfan engine installed on An-70

除SV-27外，Aerosila公司還對包括NK-62、NK-63、NK-93和NK-110等槳扇發(fā)動機在內(nèi)的對轉(zhuǎn)槳扇開展了一系列技術(shù)驗證研究。其中，NK-93涵道對轉(zhuǎn)槳扇SV92(圖9)的直徑達2.9 m，前后兩排槳葉數(shù)分別為8片和10片，在11 km高空、0.75馬赫數(shù)下推進效率可達87.0%以上。

圖9 NK-93涵道對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機Fig.9 NK-93 ducted contra rotating propfan engine

3.4 SAFRAN

2017年，SAFRAN完成了推進式槳扇發(fā)動機的地面驗證試驗(圖10)。該發(fā)動機采用了Air bus設(shè)計的AI-PX7氣動方案，前后兩排槳葉數(shù)分別為11片和6片，槳扇直徑4.27 m。槳葉采用復(fù)合材料，由目前最先進的樹脂傳輸壓鑄RTM復(fù)合材料技術(shù)加工成型。由于SAFRAN旗下SNECMA曾參與GE36槳扇發(fā)動機的研制，所以該槳葉變距機構(gòu)參考了GE的設(shè)計，但具體技術(shù)細(xì)節(jié)未公開。

圖10 SAFRAN研制的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機Fig.10 SAFRAN open rotor engine

4 發(fā)展趨勢

近年來，為迎合全球航空動力市場的需求，國際上各大發(fā)動機生產(chǎn)商都拋出了未來概念發(fā)動機，并積極開展下一步關(guān)鍵技術(shù)研究，進行相關(guān)技術(shù)儲備。其中，GE在對轉(zhuǎn)槳扇方面一直具有自己獨特的發(fā)展思路和技術(shù)，擁有多種槳扇發(fā)動機構(gòu)型專利，其槳扇氣動性能和噪聲技術(shù)難題基本得到了解決，隨時可以借助GE36對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機平臺開展新一代槳扇發(fā)動機的研制。P&W雖然在槳扇上沒有大動作，但它在大涵道比渦扇發(fā)動機研制中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇和動力渦輪轉(zhuǎn)速匹配越來越困難。一方面風(fēng)扇希望降低轉(zhuǎn)速、增大涵道比、提高推進效率，另一方面低壓渦輪希望轉(zhuǎn)速稍高，兩者之間的矛盾給渦扇發(fā)動機的設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。為此，P&W另辟蹊徑研制了齒輪傳動風(fēng)扇(GTF)發(fā)動機，其低壓渦輪可以保持最佳工作轉(zhuǎn)速，且通過齒輪傳動減速后的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以明顯降低，從而提高涵道比和推進效率。但P&W也不排除隨時會將GTF技術(shù)應(yīng)用于可變槳距超大涵道比槳扇發(fā)動機研制的可能。R-R緊跟P&W和GE步伐，構(gòu)思出齒輪傳動具有螺旋槳變槳距特征的超級渦扇發(fā)動機，同時也不放棄對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，積極開展關(guān)鍵技術(shù)研究。俄羅斯CIAM近年來也開始關(guān)注對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機(開式轉(zhuǎn)子)技術(shù)發(fā)展，拋出了CIAM對轉(zhuǎn)槳扇概念發(fā)動機，并積極開展一些關(guān)鍵技術(shù)研究工作，以備將來之需。

5 結(jié)束語

目前的槳扇技術(shù)基本解決了其氣動性能和噪聲問題，在巡航馬赫數(shù)超過0.70的情況下，先進對轉(zhuǎn)槳扇的推進效率可高達85.0%以上，部分槳扇能滿足國際民航組織規(guī)定的第四階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)，具備了隨時推進槳扇發(fā)動機型號研制的技術(shù)基礎(chǔ)。槳扇發(fā)動機，尤其是對轉(zhuǎn)槳扇發(fā)動機，已成為國際上主要發(fā)動機生產(chǎn)商大力研發(fā)的先進動力之一，各大生產(chǎn)商紛紛開展多種形式的對轉(zhuǎn)槳扇關(guān)鍵技術(shù)研究，進行技術(shù)積累與儲備，并充分進行試驗驗證，積極開展部件及驗證機的研制。我國在這方面的研究處于起步階段，相關(guān)科研院所開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，但試驗驗證不夠充分。為此，應(yīng)進一步深入開展關(guān)鍵技術(shù)試驗驗證以及部件和驗證機的研制，從國外的研究發(fā)展中汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，逐步跟上世界槳扇技術(shù)發(fā)展步伐。