王 強(qiáng)，李 維

(中國(guó)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002)

1 引言

國(guó)外現(xiàn)役及在研的前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)正向著高性能、低油耗、高功重比的方向發(fā)展，現(xiàn)役第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)達(dá)到油耗0.26 kg/(h·kW)、功重比10的水平，而國(guó)內(nèi)目前自行研制的前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、功重比與其相比差距在30%左右。究其原因有：第一，前期的氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平較低；第二，由于沒(méi)有掌握小型氣冷葉片的設(shè)計(jì)技術(shù)及材料技術(shù)，無(wú)法提高渦輪前溫度；第三，采用的渦輪結(jié)構(gòu)布局帶有渦輪間過(guò)渡段、排氣框架，且渦輪部件有2個(gè)軸承腔，此種結(jié)構(gòu)布局增加了發(fā)動(dòng)機(jī)重量，且氣動(dòng)損失較大。目前，國(guó)內(nèi)在氣動(dòng)設(shè)計(jì)、材料、冷卻葉片設(shè)計(jì)技術(shù)上已取得一定進(jìn)步，有了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步提高前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的功重比、降低油耗，除采用國(guó)內(nèi)已掌握的氣動(dòng)設(shè)計(jì)、材料、冷卻葉片設(shè)計(jì)技術(shù)外，在結(jié)構(gòu)上也必須采用更輕巧、更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)布局。

本文首先介紹了國(guó)外前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)布局，并根據(jù)國(guó)內(nèi)目前前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的研制現(xiàn)狀，對(duì)影響渦輪部件改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，可為國(guó)內(nèi)研制前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提供參考。

2 國(guó)外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)布局分析

國(guó)外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的基本渦輪結(jié)構(gòu)布局為：?jiǎn)?雙)級(jí)燃?xì)鉁u輪，燃?xì)鉁u輪葉片采用冷卻設(shè)計(jì)，雙級(jí)動(dòng)力渦輪(轉(zhuǎn)子單元體結(jié)構(gòu))，取消排氣框架，燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪間采用過(guò)渡段，過(guò)渡段內(nèi)設(shè)置燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪共用的軸承腔。表1列出了國(guó)外幾種典型第3、第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)對(duì)比，圖1～圖3分別示出了MTR390、ARDIDEN 1A和РД600三種發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪結(jié)構(gòu)示意圖。這種渦輪結(jié)構(gòu)布局有如下優(yōu)點(diǎn)：

表1 國(guó)外第3、第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 1 Turbine structure comparison of turboshaft engines with front output shaft of the 3rdand the 4thgeneration for foreign countries

(1)可減少1個(gè)復(fù)雜軸承座的設(shè)計(jì)和加工，減少零件數(shù)量和重量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度。

(2)渦輪部件不再設(shè)置用于傳力的排氣框架，只需在臺(tái)架試車時(shí)設(shè)置可以與直升機(jī)共用的結(jié)構(gòu)輕巧的排氣筒；排氣框架的取消可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣段的氣動(dòng)損失、減少零件數(shù)量和重量、減少發(fā)動(dòng)機(jī)軸向長(zhǎng)度。

圖1 MTR390渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Turbine structure of MTR390

圖2 ARDIDEN 1A渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Turbine structure of ARDIDEN 1A

圖3 РД600渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Turbine structure of РД600

(3)可以降低軸承座供油、回油管路及軸承腔冷卻氣體管路的復(fù)雜程度，同時(shí)可減少外部管路的個(gè)數(shù)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量。

(4)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不打開(kāi)軸承腔就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在發(fā)動(dòng)機(jī)上的簡(jiǎn)易拆分，可以在外場(chǎng)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子的更換。

(5)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪機(jī)匣的冷卻從發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段與承力機(jī)匣間周向均勻引氣，不再使用外部管路，使得機(jī)匣冷卻更加均勻，降低熱應(yīng)力的同時(shí)減少零件個(gè)數(shù)。

由于有以上優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用了這種渦輪結(jié)構(gòu)布局，以實(shí)現(xiàn)功重比的最大化和耗油率的最小化，是目前國(guó)外前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)的主流。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

國(guó)內(nèi)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，進(jìn)行了WZ6系列、HH系列、WW、HF等發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和測(cè)繪工作，科研人員已積累了相當(dāng)豐富的研制經(jīng)驗(yàn)。但國(guó)內(nèi)目前自行研制的前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、功重比與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距在30%左右。為提高其性能，單從結(jié)構(gòu)布局而言，采用國(guó)外現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案不失為較穩(wěn)妥的辦法，即在渦輪結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用在燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪間的過(guò)渡段內(nèi)設(shè)置燃?xì)鉁u輪和動(dòng)力渦輪共用的軸承腔，取消排氣框架的結(jié)構(gòu)布局。但采用這種結(jié)構(gòu)布局需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)在傳動(dòng)軸前端或發(fā)動(dòng)機(jī)外部測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出扭矩，這是取消排氣框架的先決條件；

(2)軸承腔通風(fēng)裝置需設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣上；

(3)燃?xì)鉁u輪后軸承采用剛性設(shè)計(jì)或采用結(jié)構(gòu)尺寸小的彈性阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，以盡量減小發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪過(guò)渡段的軸向長(zhǎng)度；

(4)動(dòng)力渦輪球軸承設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)前部，以盡量減小發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段軸向長(zhǎng)度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)裝配難度，降低動(dòng)力渦輪盤(pán)輪心直徑；

(5)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子、動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸平衡技術(shù)。

(1)、(2)的實(shí)現(xiàn)可以徹底取消排氣框架這一結(jié)構(gòu)形式，(3)、(4)的實(shí)現(xiàn)能盡可能減小發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪過(guò)渡段的軸向長(zhǎng)度，(5)的實(shí)現(xiàn)可以保證在外場(chǎng)直接更換動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子單元體。

3.1 扭矩輸出測(cè)試技術(shù)

根據(jù)目前掌握的發(fā)動(dòng)機(jī)資料，無(wú)論是前功率輸出式還是后功率輸出式的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，測(cè)扭裝置的設(shè)置位置一般有3種選擇：

(1)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪處設(shè)置扭矩輸出裝置。典型發(fā)動(dòng)機(jī)為T(mén)700系列、WW發(fā)動(dòng)機(jī)。其測(cè)試原理為測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)傳動(dòng)軸與基準(zhǔn)軸之間的相位差，把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為扭矩值；這種設(shè)計(jì)必須設(shè)置排氣框架供測(cè)試裝置的安裝和測(cè)試信號(hào)的引出。

(2)在傳動(dòng)軸前端和發(fā)動(dòng)機(jī)頭部測(cè)扭。典型發(fā)動(dòng)機(jī)為ARDIDEN 1A，其測(cè)試原理為測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)前端傳動(dòng)軸與基準(zhǔn)軸之間的相位差，把機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為扭矩值；這種設(shè)計(jì)可以利用進(jìn)氣機(jī)匣的支板實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的引出。

(3)在發(fā)動(dòng)機(jī)外部測(cè)扭。典型發(fā)動(dòng)機(jī)有HH系列、MTR390和 РД600。 HH、MTR390系列采用液壓測(cè)扭，其原理是把齒輪所受軸向力的變化轉(zhuǎn)化為滑油的壓力變化，通過(guò)測(cè)量滑油的壓力變化并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出；其測(cè)試位置均在減速裝置上。

根據(jù)以上所述：若測(cè)扭裝置與T700系列、RTM322系列、WW發(fā)動(dòng)機(jī)的一樣設(shè)置在動(dòng)力渦輪處，則結(jié)構(gòu)上就不可能取消排氣框架這一裝置，對(duì)渦輪部件減重、減少渦輪部件零件個(gè)數(shù)及降低渦輪部件氣動(dòng)損失非常不利；目前國(guó)外現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)中只有T700系列和RTM322系列把測(cè)扭裝置設(shè)置在動(dòng)力渦輪處，其它型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)均調(diào)整了測(cè)扭位置，以實(shí)現(xiàn)取消排氣框架的目的。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)掌握了在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪處設(shè)置扭矩輸出裝置(WW發(fā)動(dòng)機(jī)、HF發(fā)動(dòng)機(jī))和外部測(cè)扭的技術(shù)(HH系列發(fā)動(dòng)機(jī))。為了取消排氣框架，國(guó)內(nèi)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以把測(cè)扭裝置從動(dòng)力渦輪后調(diào)整到減速傳動(dòng)部件，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的前提是在發(fā)動(dòng)機(jī)減速傳動(dòng)部件上設(shè)置用于測(cè)扭的裝置，這種裝置并不復(fù)雜，又有HH系列發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)，不存在技術(shù)上的障礙。

3.2 軸承腔通風(fēng)裝置

WW發(fā)動(dòng)機(jī)和T700系列發(fā)動(dòng)機(jī)把油、氣分離裝置設(shè)置在動(dòng)力渦輪后，通過(guò)動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)軸承腔、燃?xì)鉁u輪軸承腔和動(dòng)力渦輪軸承腔的連通。中空的動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸和各個(gè)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了大部分的油、氣分離功能，然后通過(guò)安裝在動(dòng)力渦輪軸承座上的油、氣分離器(軸承座后蓋)實(shí)現(xiàn)剩余的少量油、氣分離，分離出的滑油通過(guò)回油管進(jìn)入滑油箱，分離出的氣體通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣筒引射排出。整個(gè)設(shè)計(jì)十分巧妙，油、氣分離器在把動(dòng)力渦輪軸承腔與燃?xì)馀懦霾糠指糸_(kāi)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了油、氣分離，整個(gè)裝置重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如取消發(fā)動(dòng)機(jī)排氣框架，則把油氣分離裝置設(shè)置在動(dòng)力渦輪后，在結(jié)構(gòu)上已不可能實(shí)現(xiàn)，因此必須在其它部位設(shè)計(jì)油、氣分離裝置。目前，通用的軸承腔通風(fēng)方法主要有以下4種：

(1)自由通風(fēng)。各個(gè)油腔均與滑油箱和附件機(jī)匣連通，匯集后的油霧通過(guò)安裝在附件機(jī)匣上的離心通風(fēng)器排出。

(2)節(jié)流通風(fēng)[1]。如果滑油密封采用篦齒結(jié)構(gòu)，為了減少通過(guò)篦齒的泄漏量，用提高油腔內(nèi)壓力的辦法減小篦齒兩端的壓差，油腔內(nèi)用通風(fēng)管內(nèi)的節(jié)流嘴來(lái)確定。

(3)軸心通風(fēng)。利用中空的動(dòng)力渦輪軸，連通各個(gè)軸承腔，靠各個(gè)轉(zhuǎn)子離心力實(shí)現(xiàn)油、氣分離。

(4)僅靠回油泵通風(fēng)。加大回油泵的回油能力實(shí)現(xiàn)回油及通風(fēng)。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)而言，若采用軸承腔的自由通風(fēng)，雖然在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但必須在附件機(jī)匣處設(shè)置離心通風(fēng)器才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔通風(fēng)的要求；若采用回油泵通風(fēng)，則需加大回油泵的回油能力；而節(jié)流通風(fēng)需要精確的空氣系統(tǒng)計(jì)算和試驗(yàn)，特別是過(guò)渡態(tài)的腔壓泄壓?jiǎn)栴}，需要做的工作太多，把握不大。所以為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)取消排氣框架，燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪共用軸承腔的結(jié)構(gòu)布局，采用軸承腔的自由通風(fēng)和回油泵通風(fēng)都可以接受。

3.3 燃?xì)鉁u輪后支點(diǎn)對(duì)過(guò)渡段軸向長(zhǎng)度的影響

改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪共用軸承腔、取消排氣框架的渦輪結(jié)構(gòu)布局，過(guò)渡段的設(shè)計(jì)將會(huì)是影響渦輪氣動(dòng)損失的主要因素，如何控制過(guò)渡段的長(zhǎng)度、支板和流道型面是降低氣動(dòng)損失的關(guān)鍵。對(duì)比其它發(fā)動(dòng)機(jī)，目前發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁u輪后支點(diǎn)一般采用剛性支承或采用結(jié)構(gòu)尺寸小的彈性阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)的好處是能減小發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段長(zhǎng)度，從而降低過(guò)渡段氣動(dòng)損失和發(fā)動(dòng)機(jī)重量。若最終的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)在燃?xì)鉁u輪后支點(diǎn)采用剛性支承，則可縮短過(guò)渡段；若為彈性支承，須采用彈性阻尼環(huán)(結(jié)構(gòu)尺寸較小)結(jié)構(gòu)才能縮短過(guò)渡段長(zhǎng)度，而彈性阻尼環(huán)的自行設(shè)計(jì)、加工不成問(wèn)題。

3.4 動(dòng)力渦輪球軸承的設(shè)置

改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪共用軸承腔的方案，動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子球軸承(止推軸承)可設(shè)置在進(jìn)氣機(jī)匣處。這種設(shè)置在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)并不困難，只需更改發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣機(jī)匣和輸出軸即可。優(yōu)點(diǎn)為：

(1)可降低軸承的環(huán)境溫度，提高軸承壽命；

(2)可預(yù)防傳動(dòng)軸斷裂引起低壓轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的動(dòng)力渦輪盤(pán)破裂，進(jìn)而對(duì)直升機(jī)的安全提供保證。

3.5 動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子、動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸平衡技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子及動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸的平衡方法為：把兩者組合成平衡組件，在全轉(zhuǎn)速平衡設(shè)備上進(jìn)行聯(lián)合平衡，平衡后分解平衡組件，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且分解后再組裝到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí)轉(zhuǎn)子平衡會(huì)遭到一定程度的破壞。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子在外場(chǎng)的更換，必須解決動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子與動(dòng)力渦輪傳動(dòng)軸單件的高精度平衡問(wèn)題，目前可以考慮分兩步走：

(1)采用目前的平衡方法，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作、保證研制進(jìn)度；

(2)繼續(xù)研究平衡技術(shù)、定位技術(shù)及加工精度問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)可以在外場(chǎng)更換動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子。

4 對(duì)轉(zhuǎn)技術(shù)的引入

對(duì)轉(zhuǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪、動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)，使得動(dòng)力渦輪前導(dǎo)葉稠度減小，或取消導(dǎo)葉，這樣設(shè)計(jì)的好處是：對(duì)轉(zhuǎn)渦輪氣動(dòng)效率會(huì)更高；減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)重量；無(wú)導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)渦輪可以縮短渦輪部件的軸向長(zhǎng)度，使結(jié)構(gòu)更緊湊；大大減小或抵消單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子作用在飛機(jī)上的陀螺力矩，從而可以改善飛機(jī)的懸停和過(guò)渡飛行時(shí)的穩(wěn)定性。目前，國(guó)外已經(jīng)在 TVD-10、Arriel系列、Ardiden 系列、TM333及MTR390等渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)采用對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)的有引進(jìn)的Arriel系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，此發(fā)動(dòng)機(jī)采用1+1對(duì)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，沒(méi)有取消動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子一級(jí)導(dǎo)向葉片，與取消導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)相比，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。目前，800 kW及800 kW以上功率級(jí)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用雙級(jí)動(dòng)力渦輪，但在國(guó)內(nèi)取消導(dǎo)葉的對(duì)轉(zhuǎn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)還不是很成熟的情況下，采用1+2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計(jì)不失為一種可靠的選擇；待時(shí)機(jī)成熟時(shí)再開(kāi)展1+3/2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪在渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，進(jìn)一步降低氣動(dòng)損失、降低重量、減少零件數(shù)目。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)國(guó)外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)布局的介紹與分析，和對(duì)實(shí)現(xiàn)取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪共用軸承腔這一結(jié)構(gòu)布局的關(guān)鍵技術(shù)分析，可以認(rèn)為我國(guó)已具備取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪共用軸承腔這一渦輪結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)；同時(shí)，還可以考慮引入1+2對(duì)轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和可靠性，改善飛機(jī)懸停和過(guò)渡飛行時(shí)的穩(wěn)定性。因此，可以考慮將取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動(dòng)力渦輪共用軸承腔這一渦輪結(jié)構(gòu)布局作為國(guó)內(nèi)前輸出渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方向。

[1]林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.