從20世紀(jì)50年代起，渦軸發(fā)動機逐步取代活塞發(fā)動機成為直升機的主要動力裝置，其技術(shù)進(jìn)步直接推動了直升機平臺的升級換代?，F(xiàn)如今，渦軸發(fā)動機盡管受到了來自其他動力形式（活塞發(fā)動機、全電推進(jìn)系統(tǒng)等）的挑戰(zhàn)，但結(jié)合新循環(huán)、新結(jié)構(gòu)和新材料等技術(shù)的應(yīng)用，渦軸發(fā)動機的技術(shù)提升和應(yīng)用發(fā)展仍有很大空間。

從20世紀(jì)50年代法國成功研制出世界上第一臺渦軸發(fā)動機阿都斯特（Artouste）開始，渦軸發(fā)動機先后經(jīng)歷了以T58-GE-10和阿都斯特 II型等發(fā)動機為典型代表的第一代、以T64-GE-6和諾姆（Gnome）等發(fā)動機為典型代表的第二代以及以RTM322、T700等發(fā)動機為典型代表的第三代。

目前，渦軸發(fā)動機已經(jīng)發(fā)展到以T800、MTR390等發(fā)動機為代表的第四代，于20世紀(jì)80年代中/末期開始研制、90年代投入使用，大量采用鈦合金、單晶合金、粉末高溫合金和復(fù)合材料、熱障涂層等新材料和新工藝，單位功率普遍達(dá)到270～300 kW/(kg/s)，可靠性、維修性和壽命得到進(jìn)一步提高，采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，同時還采用了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（包括振動監(jiān)控、健康管理等）。

MTR390發(fā)動機分別于1996年和1997年獲得軍用型號許可和歐洲民航適航認(rèn)證，配裝于歐洲“虎”式武裝直升機。該發(fā)動機采用單元體設(shè)計，由雙級離心壓氣機、帶氣動霧化噴嘴的環(huán)形回流燃燒室、單級高負(fù)荷冷卻燃?xì)鉁u輪及前輸出式雙級動力渦輪等組成，具有最大50%的功率增長潛力，于2010年完成了功率提升14% 的MTR390-E發(fā)動機的研制。

T800-LHT-800發(fā)動機于1993年定型，主要配裝阿古斯特韋斯特蘭AW159“野貓”和土耳其T129武裝直升機，其民用型CTS800-4N發(fā)動機于2004年完成適航取證。發(fā)動機采用單元體設(shè)計，由整體式粒子分離器、附件齒輪箱、燃?xì)獍l(fā)生器和動力渦輪等4個單元體組成，動力渦輪可在外場更換，發(fā)動機具備狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷/隔離和健康管理功能，采用視情維護。

渦軸發(fā)動機主要研究計劃

軍用渦軸發(fā)動機主要研究計劃

為進(jìn)一步促進(jìn)渦軸發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展，各國都不斷加大投入，努力將各種新技術(shù)應(yīng)用于渦軸發(fā)動機研制。例如，美國在“通用經(jīng)濟可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動機”（VAATE）計劃中針對小、中、大三個功率層次的渦軸發(fā)動機，分別開展了“小型重油發(fā)動機”（SHFE）計劃、“先進(jìn)經(jīng)濟可承受渦輪發(fā)動機”（AATE）計劃/“改進(jìn)渦輪發(fā)動機”（ITEP）計劃、“未來經(jīng)濟可承受渦輪發(fā)動機”（FATE）計劃，主要目標(biāo)是降低耗油率、提高功重比、降低生產(chǎn)和維護成本。不同功率量級發(fā)動機的發(fā)展目標(biāo)有所不同，其技術(shù)提升情況如表1所示。

表1 美國渦軸發(fā)動機計劃目標(biāo)

表2 HPW3000和GE3000發(fā)動機技術(shù)研究進(jìn)展

SHFE計劃的目標(biāo)是發(fā)展功率522kW的驗證機，驗證可用于多種軍民用直升機的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機技術(shù)。2008年，霍尼韋爾公司完成全尺寸發(fā)動機試驗，達(dá)到指標(biāo)要求。

AATE計劃和ITEP計劃是由GE公司和先進(jìn)渦輪發(fā)動機公司（ATEC，霍尼韋爾和普惠的合資公司）競爭研制新型2237kW功率級渦軸發(fā)動機，以替換UH-60“黑鷹”和AH-64阿帕奇直升機配裝的T700發(fā)動機，這兩項計劃驗證的新型渦軸發(fā)動機將為美國未來中型直升機用動力研制奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。其中，GE3000發(fā)動機采用了成熟的單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)及高溫陶瓷基復(fù)合材料（CMC）、增材制造和三維氣動設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)；HPW3000則采用了雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)，在目前的尺寸下具有25%的功率增長潛力。

GE公司研制的GE3000和先進(jìn)渦輪發(fā)動機公司研制的HPW3000的技術(shù)研究進(jìn)展如表2所示。

表3 賽峰直升機發(fā)動機公司的“綠色渦軸發(fā)動機”計劃目標(biāo)

FATE計劃發(fā)展功率3675～7350kW級先進(jìn)渦軸發(fā)動機，作為CH-47支奴干直升機發(fā)展型或下一代重型直升機的動力。該計劃于2009年開始，2012年年初進(jìn)入先期技術(shù)驗證階段，現(xiàn)已完成全尺寸地面樣機驗證，技術(shù)成熟度（TRL）達(dá)到6級。

除上述技術(shù)研究計劃外，2013年3月，美國還啟動了替代概念發(fā)動機(ACE)計劃，目標(biāo)是開展未來各型垂直起降旋翼機所需的發(fā)動機技術(shù)預(yù)先研究，以滿足其超高的性能指標(biāo)。ACE計劃的功率范圍覆蓋28～7457kW，功重比提高90%、耗油率降低40%、生產(chǎn)和維護成本降低50%。該計劃包括多項潛在的研究途徑，例如，變速動力渦輪技術(shù)和自適應(yīng)渦軸發(fā)動機技術(shù)等。ACE已在2014年啟動應(yīng)用研究工作，2017年進(jìn)入先期技術(shù)驗證，預(yù)計2021年完成全尺寸地面樣機驗證，TRL達(dá)到6級，為型號研制做好技術(shù)儲備。

民用渦軸發(fā)動機主要研究計劃

作為歐洲“清潔天空”計劃的“可持續(xù)和綠色發(fā)動機”項目的組成部分，自2009年開始，法國賽峰直升機發(fā)動機公司開始“綠色渦軸發(fā)動機”技術(shù)研究和驗證，通過TECH 600、TECH 800、TECH 3000等3個驗證機的技術(shù)研究，開展先進(jìn)壓氣機、新材料應(yīng)用、熱端技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)驗證，以阿赫耶（Arriel）2發(fā)動機為基準(zhǔn)，實現(xiàn)耗油率降低35%、CO2排放量降低35%、NOX排放量減少80%、噪聲降低10dB以上的目標(biāo)。TECH600、TECH800、TECH3000技術(shù)驗證機研制均已在2012年前展開?！熬G色渦軸發(fā)動機”計劃的發(fā)展目標(biāo)及其進(jìn)展情況如表3和表4所示。

“綠色渦軸發(fā)動機”計劃瞄準(zhǔn)了未來先進(jìn)直升機對動力系統(tǒng)的綜合需求和下一代渦軸發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展趨勢，綜合應(yīng)用了最新的發(fā)動機設(shè)計、材料和工藝領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，滿足了未來適航法規(guī)對民用渦軸發(fā)動機污染排放、噪聲的嚴(yán)格要求。

表4 賽峰直升機發(fā)動機公司的“綠色渦軸發(fā)動機”計劃進(jìn)展情況

渦軸發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著直升機技術(shù)的進(jìn)步，直升機平臺對動力裝置的發(fā)展提出了更高要求：軍用直升機追求更高速度，擴大任務(wù)載荷/提高航程，改善維修性，提高使用地域內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性和機動能力等；民用直升機則更關(guān)注安全性、經(jīng)濟性、操縱品質(zhì)和環(huán)境適應(yīng)性，并日益重視環(huán)保性。

目前，航空發(fā)動機公司正通過一系列專項發(fā)展計劃，應(yīng)用氣動、結(jié)構(gòu)、傳熱、燃燒、控制、材料及工藝等方面的最新研究成果，進(jìn)一步提高發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)、部件效率，降低耗油率、提高發(fā)動機壽命及可靠性、降低全生命周期使用成本。

近年來，旋翼機平臺逐步融入了各類固定翼飛機的設(shè)計理念，各種高速旋翼機構(gòu)型層出不窮，對動力系統(tǒng)的能量效率、能量形式、驅(qū)動方式等提出了新的要求。預(yù)計未來旋翼機動力技術(shù)將朝著以下四個方向發(fā)展。

一是采用新結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)一步提升部件技術(shù)水平，研制出性能更優(yōu)異的渦軸發(fā)動機。例如，內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動機采用以等容燃燒為基礎(chǔ)的發(fā)動機循環(huán)（Humphrey循環(huán)），可獲得更高的循環(huán)熱效率，具有很好的應(yīng)用前景。美國國家航空航天局（NASA）完成了以501-KB5S發(fā)動機為基準(zhǔn)發(fā)動機的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子取代核心機的技術(shù)驗證，結(jié)果表明，壓比降低，壓氣機減少2～3級，但輸出軸功率提高了17.7%、耗油率降低了10.5%。

二是探索組合動力技術(shù)，大幅提升旋翼機飛行速度，例如，傾轉(zhuǎn)旋翼機用可轉(zhuǎn)換渦軸/渦槳發(fā)動機、變轉(zhuǎn)速動力渦軸發(fā)動機等。美國陸軍與NASA合作的“先進(jìn)變轉(zhuǎn)速動力渦輪”(AVSPOT) 計劃，可將動力渦輪轉(zhuǎn)速維持在55%～105%范圍之間，使旋翼機在起飛和爬升時旋翼轉(zhuǎn)速較高，巡航時轉(zhuǎn)速較低，實現(xiàn)旋翼—發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最優(yōu)匹配，提升旋翼機推進(jìn)效率，大幅提高飛行速度，同時可避免變速傳動機構(gòu)的復(fù)雜性。

三是以傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機為基礎(chǔ)發(fā)展分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng)，拓展高速旋翼飛行器的飛行包線，提升懸停效率、巡航效率和系統(tǒng)可靠性。目前，各大飛機和發(fā)動機制造商均大力投入航空電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)，例如，法國賽峰集團開發(fā)的用于貝爾公司電動垂直起飛和著陸（eVTOL）飛行器的混合動力電推進(jìn)系統(tǒng)，預(yù)計于2019年進(jìn)行地面測試。

四是探索不依賴機械傳動的推進(jìn)形式，例如，開展槳尖噴氣等推進(jìn)方式研究。槳尖噴氣旋翼通過翼尖高速噴氣產(chǎn)生反作用力驅(qū)動旋翼，取消了齒輪傳動系統(tǒng)和反扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)，有效地降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。通過對槳尖噴氣的冷噴、暖噴和熱噴三種循環(huán)形式的長期研究表明，采用暖噴循環(huán)形式，即利用高溫燃?xì)夂偷蜏貕嚎s冷氣的混合氣體進(jìn)行驅(qū)動，相對于其他形式具有較高的熱效率。由于槳尖噴氣旋翼的綜合效率仍低于機械傳動的旋翼系統(tǒng)，該技術(shù)工程實用還有很長的路要走。

綜上所述，作為一種傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，渦軸發(fā)動機盡管受到了來自其他動力形式（活塞發(fā)動機、全電推進(jìn)系統(tǒng)等）的挑戰(zhàn)，但結(jié)合新循環(huán)、新結(jié)構(gòu)和新材料等技術(shù)的應(yīng)用，渦軸發(fā)動機的技術(shù)提升和應(yīng)用發(fā)展仍有很大空間。