先進通用核心機派生發展的理念、方法及實踐

尹澤勇，李概奇，石建成，銀越千

1.中國航發中國航空發動機研究院，北京 101304

2.中國航發湖南動力機械研究所，株洲 412002

燃氣渦輪式發動機有航空渦軸、渦槳、渦噴、渦扇及地面燃機等多種類型［1］，是公認的技術水平高、研制周期長、研發及使用經費高昂的復雜熱力機械產品；其核心機包括高壓壓氣機、燃燒室及高壓渦輪，為燃氣渦輪式發動機中的高壓、高溫、高轉速系統，是發動機研制過程中最關鍵、最困難的部分。它的技術水平的高低基本決定了整臺發動機氣動熱力性能和壽命可靠性的優劣。核心機研發與發動機研制一樣，具有難度大、周期長、風險高、投資多等特點。

燃氣渦輪式發動機發展初期，工業界采用針對單一種類發動機需求研制其核心機的方式，隨著對燃氣渦輪式發動機需求的增長，這種方式既不經濟、也不科學。后來采用的由已有發動機的核心機開展例如“軸/槳/扇”等互改的研制方式，雖研制周期有所縮短，研制及使用成本也有所降低，但這樣派生發展出的發動機綜合性能往往不能令人滿意。

20 世紀后期開始，人們愈加重視核心機的作用，關注其派生發展及系列發展工作［2-9］。這里的派生發展是指發展不同類型的發動機，系列發展指發展不同推力/功率的同一類型發動機，本文主要關注前者。工程實踐表明，利用已有核心機或其改進的更先進核心機派生發展各類發動機，各型派生發動機研制周期除少數在10 年以上，多數縮短為5～8年，性能也有一定提高。例如，以T56-A-427 渦槳發動機的核心機為基礎，采用當時已驗證的先進技術改進形成了T406 核心機［2］（14 級軸流，壓比為14，環形直流燃燒室，2 級軸流渦輪，流量為16 kg/s）；據此發展的渦軸發動機T406-AD-400（功率為4 586 kW）研制時間為5年，發展的渦槳發動機AE2100（功率為3 426 kW）研制時間為4 年半，發展的渦扇發動機AE3007（推力為3 060 daN，1 daN=10 N）研制時間為6年。國外典型核心機派生發展情況見表1。

表1 國外典型核心機派生發展情況Table 1 Development of typical versatile core engine derivative in foreign countries

21 世紀初，美國在通用經濟可承受先進渦輪發動機（The Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE）計劃中，明確提出先于型號研制分別安排中小流量的渦軸/渦扇/渦噴/燃氣輪機及大流量的渦噴/小涵道比渦扇/大涵道比渦扇/燃氣輪機這2 種先進通用核心機（Versatile Core Engine）研究工作［10-11］，其應用對象見表2和表3；中國也在某技術驗證計劃中提出并安排了一種15 kg/s 級中等流量的渦扇/渦噴/渦軸/渦槳先進通用核心機研究工作［12-13］。其后，陸續有人開展了通用核心機總體、部件及轉子結構等相關技術研究［14-16］。2010 年以來，在文獻［12-13］的工作基礎上，結合某科技專項工作及多型動力市場預判，本文全面開展了一種4 kg/s 級中小流量渦軸/渦槳/渦扇/燃機先進通用核心機及相關先進發動機研發工作。

表2 小、中流量通用核心機應用平臺Table 2 Application platform of low and medium flow versatile core engine

表3 大流量通用核心機應用平臺Table 3 Application platform of high flow versatile core engine

1 先進通用核心機派生發展理念及方法

1.1 理念

通過團隊近20 年的認識及實踐，先進通用核心機理念可以簡述如下：

1）核心機的研發不受某一種類具體發動機要求的嚴格制約，而是以某核心機的流量、壓比、渦輪前溫度等參數相近的幾種不同類型發動機為背景。

2）基于市場及需求預判，采用最先進的設計方法、材料制造工藝、試驗測試等手段，在選定的一定流量等級范圍，主動、超前研發具有盡可能寬廣工作范圍、高性能、長壽命等特征的先進、可通用核心機。

3）針對不同用戶需求，匹配相關部件、系統，在一定推力/功率范圍內，派生發展出不同類型、不同用途的航空發動機及地面燃機。

4）以這種方式研發先進核心機并派生發展不同類型發動機，是為了極大降低先進產品研制風險、縮短研制周期、節約研制經費，降低銷售價格及使用維護費用，達到技術經濟雙成功的目標。

1.2 方法

1）按要發展發動機的推力/功率范圍選定合適的通用核心機流量等級。應根據市場或用戶需要的幾種相近發動機推力/功率等級，根據流量與功率/推力關系選定合適的核心機流量等級。

2）按要發展發動機的不同氣動熱力要求與強度壽命要求，綜合折中選定通用核心機熱力循環參數及轉子件葉片掃掠面積（AN2）值等關鍵特征值。按不同發動機不同的氣動熱力性能與強度壽命要求，綜合優化折中，選擇確定通用核心機熱力循環參數及AN2值等關鍵特征值，以使派生發展的多種發動機均有較好的氣動熱力和結構強度能力。選取通用核心機設計點時，有按強度壽命優先、按氣動性能優先和按氣動性能要求與強度壽命要求折中等多種方式［13］。必須指出，近年來快速發展的航空發動機多學科多目標設計優化方法［16-19］，是開展這種工作十分有效的手段。

3）選擇適合派生發展的通用核心機部件構型。應基于先進通用核心機的流量級、壓比和渦輪前燃氣溫度等熱力循環參數及其派生發展發動機后續可能的適當系列發展要求，選擇合適的部件構型，如軸流、離心還是軸流+離心壓氣機，單級還是多級渦輪，直流、斜流還是回流燃燒室等。

4）通用核心機應使各部件具有盡可能寬廣的高效與穩定工作范圍。通用核心機應用于不同類型的發動機時，共同工作線會有變化，有的還較大。為兼顧各類發動機之間以及同一發動機的設計點與非設計點性能，要求通用核心機部件具備較強的適應性，即盡可能寬的高效與穩定工作范圍。

5）派生發展時通用性應優于先進性。派生發展的各類發動機應努力堅持采用通用核心機，同時還應注意其他部分的通用性，包括所用材料及制造方法等。

6）要充分利用通用性減少派生發展整機的試驗驗證工作量。除通用核心機的試驗驗證工作可基本不需重復進行之外，某些整機試驗驗證工作也可適當減少，尤其是在派生發展渦軸、渦槳及地面燃機時。

2 一種先進通用核心機研發

2.1 通用性定位

根據通用航空市場前景預測報告［20］，判斷通用航空發動機未來十年市場需求，800～1 500 kW 級渦軸、渦槳發動機及2 000 kgf 級以下渦扇發動機和500～1 500 kW 級燃機的市場需求量大，綜合市場需求量超過3 000 臺、直接價值28 億美元，詳見表4。因此選定上述功率/推力等級發動機作為派生發展對象，但要注意，前2 種市場份額大的動力的“技術權重”也應更大。這樣確定的各類型發動機的通用核心機流量為4.0 kg/s級。

表4 各型發動機市場預測Table 4 Market forecast of various types of engines

2.2 先進性保證

2.2.1 技術路線

對于中小型航空發動機，美國通用電氣（GE）公司采用高熱力循環參數+中等部件效率的技術路線，對材料、工藝要求高，性能先進但成本也高；法國賽峰集團直升機發動機公司、加拿大普惠公司等其他公司一般采用中等熱力循環參數+高效率部件技術路線，有利于控制成本。綜合考慮國內工業基礎、技術水平及之前“玉龍”發動機按中等熱力循環參數技術路線成功自主研發實踐等因素，選擇中等熱力循環參數+高效率部件的技術路線，即壓比13～16，渦輪前燃氣溫度（T4）為1 400～1 600 K，參見圖1。

圖1 發動機熱力循環參數Fig.1 Engine thermal cycle parameters

2.2.2 設計點

在本流量級通用核心機發展的渦扇發動機市場需求小于渦軸/渦槳/車用燃機的這一前提下，考慮到渦軸發動機工作線最靠近喘振邊界，選擇渦軸發動機設計點及工作線作為通用核心機設計點及工作線，同時要求壓氣機在轉速0.9～1.0 之間、不同工作線位置時保持高效率，燃燒室可在高度15 km 范圍內穩定燃燒，以此兼顧不同類型發動機在不同高度、不同工作狀態的性能需求。

2.2.3 部件構型

4.0 kg/s 級流量、壓比13～16 的壓氣機可選擇軸流+離心或雙級離心構型，考慮到國內軸流+離心組合式壓氣機基礎好且利于今后系列發展，另外國際上也無雙級離心壓氣機派生渦扇發動機實踐先例，于是選擇軸流+離心組合構型。

研究表明折流燃燒室適用于流量6 kg/s 以下、溫升900 K 以下的發動機；回流燃燒室適用于流量3～20 kg/s、溫升600～1 000 K 的發動機，直流燃燒室適用于更大流量、更大壓比和更高溫升的發動機。考慮到本核心機采用中等熱力循環參數，出口溫升不超過1 000 K，應采用折流或回流燃燒室；再考慮到國內回流燃燒室基礎好，且折流燃燒室采用的甩油盤霧化噴嘴高空適應性差，不利于派生渦扇發動機，故燃燒室采用環形回流構型。

此外，單級燃氣渦輪膨脹比>4.0時，絕熱效率急劇下降；雙級燃氣渦輪可適用于更寬廣功率范圍工作，絕熱效率高、壽命長，具有較大發展潛力；考慮到未來派生發展出各類發動機的相對先進性及后續系列發展，燃氣渦輪選擇雙級構型。

2.2.4 部件性能

采用三維自由曲面設計、進口導葉可調等措施，以保證派生發展的渦軸、渦槳和渦扇發動機在全轉速范圍內的喘振裕度分別不小于15%、20%和25%，且轉速0.9～1.0 之間的絕熱效率不小于0.80。燃燒室采用雙油路+多級渦流器、全覆蓋發散冷卻等措施，以保證派生發展的各類型發動機的地面點火高度不小于5 000 m、空中點火高度不小于7 500 m、燃燒效率不小于0.995、周向溫度分布系數不大于0.20。渦輪采用彎扭葉形、氣膜+對流冷卻、被動間隙控制等措施，以保證派生發展的各類型發動機在轉速0.9～1.0 之間具有較高的絕熱效率，單級燃氣渦輪的不小于0.86、雙級燃氣渦輪的不小于0.89。它們的先進性如圖2 所示。

圖2 發動機主要部件性能Fig.2 Performance of main engine components

2.2.5 結構強度

為綜合考慮強度和氣動性能，努力滿足派生發展出的各類型發動機長壽命要求，要求核心機設計點的轉速和換算轉速在一定范圍內變化、部件強度設計時保留較大的發展儲備。除采用多學科優化等措施，優化關重件結構設計，提高強度，延長壽命外，采用的雙級渦輪構型也可降低渦輪級負荷，提高其壽命。

2.3 先進通用核心機研發工作

基于前述先進通用核心機派生發展理念及方法，成功研發了圖3 所示一型先進的通用核心機；設計、制造了3 級軸流+1 級離心組合壓氣機、環形回流燃燒室、雙級燃氣渦輪、附件傳動部件，配有數控、滑油、空氣、電氣等系統。各部件、系統均完成了性能、強度、壽命、振動相關試驗。

圖3 一種先進通用核心機示意圖Fig.3 Schematic diagram of an advanced versatile core engine

2.4 先進通用核心機技術水平

設計數據及試驗驗證表明，各部件滿足先進通用核心機總體要求，先進通用核心機氣動熱力及強度壽命指標與文獻［21］中先進發動機的核心機相當，相關數據見表5。

表5 一種先進通用核心機參數Table 5 Parameters of an advanced versatile core engine

3 幾種派生發展發動機研制工作

基于4.0 kg/s 流量級先進通用核心機，派生發展了滿足市場需求的功率/推力等級相近但又有差異的渦軸、渦槳、渦扇航空發動機和車用航改燃機，如圖4所示。

圖4 一種先進通用核心機的派生發展Fig.4 Derivative of an advanced versatile core engine

3.1 派生渦軸發動機

派生發展的渦軸發動機可為直升機提供動力，它直接沿用先進通用核心機的進氣組件、壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪和附件傳動部件，新研動力渦輪，控制、滑油、空氣等系統適應性改進，如圖4 所示。需要重點關注核心機與動力渦輪匹配、渦軸發動機控制等設計問題。

此派生發展的渦軸發動機是中國首型具有完全自主知識產權的1 000 kW 級民用渦軸發動機，已完成了整機性能和主要壽命科研試驗，并裝機試飛，正在開展適航取證試驗，可滿足5～6 t級雙發直升機和3～4 t級單發直升機對動力的需求。試驗結果表明，同文獻及散見資料對比，該渦軸發動機綜合性能與在役先進民用渦軸發動機技術水平相當，詳見表6［21］。

表6 派生發展渦軸發動機先進性能Table 6 Advanced performance of derived turboshaft engine

3.2 派生渦槳發動機

派生發展的渦槳發動機為固定翼螺旋槳飛機提供動力，它直接沿用核心機的壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪，新設計減速器、進排氣裝置、控制系統，附件傳動和滑油系統改進設計，借用派生發展渦軸發動機的動力渦輪，如圖4 所示。需要重點關注核心機與動力渦輪匹配、大功率密度減速器、滑油系統改進等設計問題。

此派生發展出的渦槳發動機可滿足3～10 t級無人貨運機和多用途渦槳飛機需求。文獻［21］表明，它的綜合性能達到在役同功率等級渦槳發動機先進水平，其中耗油率比占據同量級主要市場地位的PT6A-65B 發動機降低5%左右，市場競爭力強，詳見表7。

表7 派生發展渦槳發動機先進性能Table 7 Advanced performance of derived turboprop engine

3.3 派生渦扇發動機

派生發展出的渦扇發動機為噴氣式固定翼飛機提供動力，它直接沿用核心機的壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪，新研風扇、外涵道、低壓渦輪、附件傳動以及控制系統，滑油、空氣等系統改進設計，參見圖4。需要重點關注涵道比選擇、核心機與低壓轉子的高低壓匹配、控制規律改進等設計問題。

該派生發展出的渦扇發動機可滿足雙發6 t級公務機和中高空無人機需求。初步試驗結果表明，同文獻及散見資料對比，該渦扇發動機綜合性能與在役同推力等級先進發動機相當，尤其耗油率與其他先進發動機相比更低，詳見表8［21］。但是由于海平面起飛狀態核心機工作狀態稍低、流量稍小，推力稍低，起飛推重比與先進水平相比有差距。但若市場競爭需要，一個已有的較大流量可互換壓氣機即可解決此問題。

表8 派生發展渦扇發動機先進性能Table 8 Advanced performance of derived turbofan engine

3.4 派生車用燃機

派生發展出的燃氣輪機為車輛提供動力，它直接沿用核心機的壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪，新研動力渦輪、減速器、進氣除塵裝置，附件傳動裝置以及控制、滑油、空氣等系統適應性改進，如圖4 所示。需要重點關注高分離效率除塵裝置設計、核心機與動力渦輪匹配、轉靜子間隙改進、剎車起動改進等設計問題。

此派生發展的900 kW 級車用燃氣輪機的試驗結果表明，該車用地面燃機綜合性能與在用同功率級先進車用燃機的相當，詳見表9［22-23］。

表9 派生發展車用燃機先進性能Table 9 Advanced performance of derived vehicle gas turbine

4 先進通用核心機派生發展的優勢

4.1 縮短研制周期

本先進通用核心機派生發展實踐表明，通過4 年研發成功之后，以該先進通用核心機并行派生發展渦軸、渦槳、渦扇發動機和航改車用燃機，只分別需要5 年或3 年即可完成產品研發。若以要求全新研制航空發動機周期為9 年左右、地面燃機周期為6 年左右作為基準，各派生發動機研制周期分別縮短了為45%或50%。這比之前派生發展各類發動機研制周期大致的5～8 年也要短，如圖5 所示。

圖5 通用核心機派生發展與全新研制的周期對比Fig.5 Cycle-time comparison between derivative of versatile core engine and newly developed engine

4.2 減少研制費用

本先進通用核心機派生發展實踐表明，相比分別單獨研制上述4 類發動機，通過先進通用核心機派生發展渦軸、渦槳、渦扇航空發動機和車用燃機，發動機總臺份數可減少35%，整機試驗時數可減少58%，研制總費用可降低48%，如圖6 所示。總研制費用的減少，可盡早實現產品盈虧平衡。

圖6 通用核心機派生發展減少研制費用示意圖Fig.6 Schematic diagram of cost reduction of versatile core engine derivative development

4.3 提高質量可靠性

本先進通用核心機派生發展實踐表明，由通用核心機派生發展出4 型發動機時，核心機改動量很小，零部件繼承性好；上述4 型發動機的用戶需求差異雖然較大，但對于由本先進通用核心機派生發展的發動機，其非核心機零部件占整機比例大多不高，先進通用核心機工作量及價值占上述4 型發動機的總工作量及價值比例較高，詳見表10。4 型發動機零部件通用性高，可以大幅提高設計、制造及使用中產品的質量及可靠性。

表10 派生發展發動機零部件繼承性Table 10 Inheritance of engine parts derivative

4.4 降低研發、鑒定/取證及使用風險

本先進通用核心機經過自身及在各派生發展發動機上大量的性能和可靠性、耐久性考核，表明具有較寬的轉速和溫度裕度，魯棒性好。它派生發展渦軸、渦槳、渦扇航空發動機和車用航改燃機時，核心機只需少量適應性調整，無需重復驗證。實踐證明，4 型發動機的轉速達標試驗和地面性能試驗都實現了“一次成功”，比過去單一產品研制時反復調試-改進大為進步，降低了研制風險。此外，先進通用核心機設計體系、規范、方法以及材料制造工藝的通用，大大降低了各產品研制難度和風險，有利于定型/取證和使用維護。

4.5 儲備一定快速提升能力

本先進通用核心機及其派生發展的發動機整機還可通過縮放、適當改變相關部件等措施，在一定范圍內調整進口空氣流量及熱力循環參數，快速系列發展，研制出更大或更小流量級的先進通用核心機及相應推力/功率發動機，滿足更廣闊市場需求。此外，由于先進通用核心機及其派生發展發動機均具備當前的先進技術水平，可以更容易地將最新的技術成果嵌入核心機及其派生發動機的系列發展或改進改型中，即今后可在一定程度上快速提升相關發動機技術水平。

4.6 提高市場競爭力

本先進通用核心機派生發展的4 型軸/槳/扇/燃發動機的使用性能均處于先進水平，具備了與同類發動機開展市場競爭的能力。雖然派生發展出的某一類發動機由于兼顧通用性，不能絕對地在每一項技術指標上都具備絕對優勢，但要指出，國內國際市場都不存在這樣一種“全優”發動機。如果再考慮到這4 種通用性極強的先進發動機在研發周期、研制費用、質量可靠性、研制風險等方面的優勢，尤其是通用性帶來的售價及維護費用等經濟性方面的巨大優勢，它們在國內國際市場上都具有很強的競爭力。

5 結束語

經近20 年的實踐，先進通用核心機派生發展的理念及方法日趨成熟，并已在幾種航空發動機及地面燃機派生發展中成功應用。主動、超前地研發先進、通用的核心機，可在相應推力/功率范圍內派生發展出不同類型及用途的先進發動機，并極大降低產品研制風險、縮短研制周期、節約研制經費、降低售價及使用維護費用，從而達到技術、經濟雙成功的目標。

先進通用核心機派生發展應當是一條快速、經濟地發展各類先進航空發動機及航改燃機，并據此發展系列產品的科學發展之路，也是與世界先進航空發動機產品開展市場競爭的求勝之路。

致謝

除本文作者外，高潔、梅慶、李榮華、李維、羅安陽、陳劍、王旭、蔡建兵、曾源江、楊銳、龔海平、金中平、李國飛、馬東陽、吳謀彬、向有志、張平平、申余兵、蘇修文、李敏及其他相關同志也參與了本文工作，在此一并表示感謝。