中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展初步研究

羅宿明 張曉爽 陳 偉 華繼偉

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

1 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)需求及發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)50 年代中期以后，直升機(jī)逐步得到廣泛應(yīng)用，作為其主要?jiǎng)恿ρb置的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，在美、英、法等西方發(fā)達(dá)國(guó)家也得到了快速發(fā)展。目前，全世界共擁有直升機(jī)近5 萬架，其中民用直升機(jī)約26120 架。半個(gè)多世紀(jì)以來，民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的單位功率提高了1 ～1.7 倍，壓氣機(jī)壓比提高了2 ～2.5 倍，耗油率下降了20%～30%。各年代典型中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)及其主要參數(shù)見表1[1]，各部件結(jié)構(gòu)形式及裝機(jī)對(duì)象見表2。

表1 典型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

表2 典型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)

當(dāng)前，占據(jù)市場(chǎng)重要地位并能體現(xiàn)最新技術(shù)進(jìn)步的民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品基本集中在800 ～1400kW 中小功率范圍內(nèi)，典型代表有美國(guó)的CT7-2A 和CTS800-4、法國(guó)的Makila1 A1 和Ardiden 1H、加拿大的PT6C-67C 以及英國(guó)羅羅公司和法國(guó)透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司）合作的RTM322-01 發(fā)動(dòng)機(jī)。

2 先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)分析

結(jié)合表1 和表2 中數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)和部件設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 總體設(shè)計(jì)

目前，先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)發(fā)展成系列化產(chǎn)品，如CT7、RTM322、PT6 和Ardiden 系列等。系列化改進(jìn)發(fā)展是現(xiàn)代先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要特征。在一款優(yōu)秀渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)基礎(chǔ)上，逐步實(shí)施“技術(shù)嵌入”、小步快走，逐步發(fā)掘發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用潛能，開發(fā)出系列化產(chǎn)品。與全新研制新型發(fā)動(dòng)機(jī)相比，系列化發(fā)展有較低的風(fēng)險(xiǎn)和較好的經(jīng)濟(jì)性。

在總體氣動(dòng)設(shè)計(jì)方面，目前先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)采用了中等熱力循環(huán)參數(shù)和高熱力循環(huán)參數(shù)兩種設(shè)計(jì)思路。第1 種是以Makilal A1、RTM322-01、CTS800-4 等為典型代表，采用中等熱力循環(huán)參數(shù)（壓比為10 ～15，燃燒室出口燃?xì)鉁囟葹?300 ～1500K），通過高效率部件獲得預(yù)期的發(fā)動(dòng)機(jī)性能；第2 種是以CT7-2A 為典型代表，通過高熱力循環(huán)參數(shù)（壓比為16 ～17，燃燒室出口燃?xì)鉁囟葹?500 ～1600K）獲得預(yù)期的發(fā)動(dòng)機(jī)性能[2]。

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎都采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化整機(jī)裝配和調(diào)整，減少外場(chǎng)維護(hù)時(shí)間，節(jié)省維修費(fèi)用和工時(shí)；廣泛采用整體鑄造、機(jī)加件，如一體式鑄造自由渦輪導(dǎo)向器、整體葉盤等，以降低制造成本，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，延長(zhǎng)使用壽命；逐步采用多功能集成設(shè)計(jì)，將燃油、滑油系統(tǒng)油路集成在鑄造機(jī)匣內(nèi)部，減少外部零組件數(shù)量，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)性和可靠性。

2.2 部件、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 壓氣機(jī)

作為渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的三大核心部件之一，壓氣機(jī)的技術(shù)水平對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、重量、可靠性和成本等有重要的影響。中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)一般采用軸流、離心、軸流+離心組合壓氣機(jī)等幾種結(jié)構(gòu)形式[3]。

目前，先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)普遍應(yīng)用軸流加離心組合的結(jié)構(gòu)形式，如CT7-2A、RTM322-01、Makilal A1 和PT6C-67C 發(fā)動(dòng)機(jī)，但最新的發(fā)動(dòng)機(jī)都采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且可靠的雙級(jí)離心壓氣機(jī)，如CTS800-4、Ardiden 1H 發(fā)動(dòng)機(jī)。先進(jìn)雙級(jí)離心壓氣機(jī)具有部件效率高、喘振裕度大、軸向長(zhǎng)度小、零部件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗外物撞擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，使其在可靠性、可維護(hù)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 燃燒室

通常，中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室有3 種結(jié)構(gòu)形式，即以PT6C-67C、RTM322-01、CTS800-4 和Ardiden 1H 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的回流燃燒室，以CT7-2A 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的直流燃燒室和以Arriel1C、Makila1A1 發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的折流燃燒室。

回流燃燒室是目前中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用的結(jié)構(gòu)形式。一方面，回流燃燒室可以更好地與上游離心壓氣機(jī)匹配，對(duì)壓氣機(jī)出口氣流不敏感；另一方面，采用回流燃燒室結(jié)構(gòu)布局可以有效縮短發(fā)動(dòng)機(jī)軸系長(zhǎng)度，有效解決高轉(zhuǎn)速渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)難題。

2.2.3 渦輪

渦輪部件工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下，其氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)極其復(fù)雜，因此好的渦輪設(shè)計(jì)是氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、冷卻和材料等多方面綜合均衡的結(jié)果。

（1）高壓比的發(fā)動(dòng)機(jī)為了獲得較高的渦輪效率，通常采用雙級(jí)結(jié)構(gòu)，如CT7-2A、 CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動(dòng)機(jī)，但采用雙級(jí)渦輪可能會(huì)由于第一級(jí)轉(zhuǎn)子溫降低導(dǎo)致需要更多的引氣量對(duì)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，從而抵消高效率的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，渦輪級(jí)數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度和重量的增加，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化會(huì)導(dǎo)致可靠性降低、制造成本增加。因此，采用單級(jí)或雙級(jí)結(jié)構(gòu)是需要綜合考慮渦輪性能、結(jié)構(gòu)/壽命及成本等多方面因素，是一個(gè)綜合權(quán)衡選擇的結(jié)果。

（2）采用燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪共用軸承腔設(shè)計(jì)，如Ardiden 1H、CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動(dòng)機(jī)，這種設(shè)計(jì)為取消排氣框架提供了先決條件，減小了排氣損失，降低了滑油系統(tǒng)及封嚴(yán)/冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜程度，縮短了動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子軸系長(zhǎng)度，減少了外部管路的個(gè)數(shù)，整體上降低了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。同時(shí)，動(dòng)力渦輪單元體在裝配/分解和外場(chǎng)維護(hù)/更換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易拆分，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)性水平，降低了維護(hù)費(fèi)用。

2.2.4 控制系統(tǒng)

目前，先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般都采用全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，如Makilal A1、RTM322-01、PT6C-67C 、CTS800-4、Ardiden 1H 等。雖然機(jī)械液壓式控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基本的發(fā)動(dòng)機(jī)控制與限制功能，但相對(duì)全權(quán)限數(shù)字式電子控制來說，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積和重量都偏大且控制精度偏低，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控功能。

先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)一般采用雙通道硬件結(jié)構(gòu)、軟件雙余度設(shè)計(jì)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在全包線范圍內(nèi)的控制、參數(shù)限制與保護(hù)功能，具有雙發(fā)匹配、雙發(fā)通訊、發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷與處理、狀態(tài)監(jiān)視及健康管理功能以及與直升機(jī)電子設(shè)備通信等功能。

3 先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

為進(jìn)一步促進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展，世界主要航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司不斷加大投入，努力將各種新材料、新技術(shù)應(yīng)用在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，以達(dá)到進(jìn)一步降低燃油消耗、降低運(yùn)行成本和減少污染排放的目的，未來中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)進(jìn)一步提高。選擇較高的壓比與燃燒室出口燃?xì)鉁囟龋塬@得較佳的耗油率和單位功率。未來渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)趨勢(shì)將是朝著提高壓比（盡可能不改變級(jí)數(shù)和改善效率的前提下）和燃燒室出口燃?xì)鉁囟鹊姆较虬l(fā)展。據(jù)此推測(cè)，未來民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比將達(dá)到20 ～25，燃燒室出口燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到1600 ～1800K，耗油率預(yù)計(jì)將下降到0.24kg/(kW?h)以下，單位功率將提升到360kW/(kg/s)以上。

（2）未來先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用使發(fā)動(dòng)機(jī)工作更加可靠、安全、實(shí)用、簡(jiǎn)單緊湊、易于維護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如單元體設(shè)計(jì)、高度集成化設(shè)計(jì)、視情維修以及成附件小型高速化等，進(jìn)一步降低維護(hù)成本，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，提高經(jīng)濟(jì)可承受性。

（3）采用新的部件及系統(tǒng)技術(shù)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)進(jìn)一步提高，壓氣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是在不改變級(jí)數(shù)并盡可能提高效率水平的基礎(chǔ)上增加壓比，保持輕重量、長(zhǎng)壽命、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和零件數(shù)少的特點(diǎn)，因而斜流加離心、雙級(jí)離心等組合形式將會(huì)更多的應(yīng)用。另外，隨著國(guó)際民航組織對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放要求日益嚴(yán)格，低污染燃燒室技術(shù)也是今后主要發(fā)展方向之一[4]。

未來直升機(jī)要求螺旋槳有大范圍的變速能力，以達(dá)到效率更高、耗油率更低和航程更遠(yuǎn)的目的，使用變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪是實(shí)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速大范圍改變的途徑之一[5]。

（4）采用新材料及新工藝技術(shù)。隨著未來燃燒室進(jìn)出口溫度進(jìn)一步提高，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)工藝提出了更高的要求。因此，在未來民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室、渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片、渦輪盤等熱端零部件將更多采用陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等先進(jìn)高溫材料[6]。由于陶瓷基復(fù)合材料能承受更高的工作溫度，冷卻氣流更少，燃燒更充分，排放氣體中的CO 和NOx的量更少，尾氣更潔凈。同時(shí)，隨著未來發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，給傳統(tǒng)制造工藝帶來很大的挑戰(zhàn)，金屬零件的增材制造技術(shù)（俗稱3D 打印技術(shù)）將會(huì)得到更多的應(yīng)用[7]。

4 結(jié)語

（1）未來先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)正在向高熱力循環(huán)參數(shù)和低污染排放方向發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比將達(dá)到20 ～25，燃燒室出口燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到1600 ～1800K，耗油率將達(dá)到0.24kg/(kW?h)以下，單位功率將達(dá)到360kW/kg/s 以上，氮氧化物、一氧化碳、未燃碳?xì)涞任廴九欧胚M(jìn)一步降低，與其向適應(yīng)的新的部件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)新材料與新工藝的應(yīng)用將更加普遍。

（2）未來先進(jìn)中小型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)通過單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、附件高度集成化設(shè)計(jì)以及視情維修等措施，使用和維護(hù)成本將進(jìn)一步降低，經(jīng)濟(jì)可承受性得到進(jìn)一步提高，產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步提升。