■ 王士奇 / 中國航發(fā)研究院

經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)研發(fā)和驗證，以阿內(nèi)托發(fā)動機為代表的下一代渦軸發(fā)動機，將以其更高的功重比、更低的耗油率、更優(yōu)異的環(huán)境友好性、更高的可靠性，以及更出色的經(jīng)濟可承受性，取代現(xiàn)役的2000kW級別的發(fā)動機。

在2017年10月3日舉辦的倫敦國際直升機大會上，賽峰直升機發(fā)動機公司首次公開了面向8～15t級超中型和大型直升機市場研制的全新系列渦軸發(fā)動機——阿內(nèi)托（Aneto），其輸出功率覆蓋1864～2237 kW。據(jù)稱，阿內(nèi)托發(fā)動機與同等量級的發(fā)動機（如馬基拉和RTM322）相比，功率提高25%，耗油率降低15% ，是賽峰直升機發(fā)動機公司開發(fā)的功率最大的渦軸發(fā)動機。

早在2009年，賽峰集團就依托歐洲“清潔天空”（Clean Sky）計劃，瞄準下一代綠色渦軸發(fā)動機開始新技術預研工作。針對“清潔天空”計劃中的渦軸發(fā)動機技術目標，賽峰集團通過Tech 3000技術驗證機，對每項新技術單獨進行臺架試驗，對全尺寸驗證機進行地面試驗，同時對發(fā)動機系統(tǒng)級的集成方法進行驗證，使每項技術的成熟度（TRL）達到6級。技術驗證機的具體目標包括：為下一代綠色發(fā)動機儲備技術；開發(fā)下一代渦軸發(fā)動機的核心技術，包括降低耗油率、污染排放和噪聲水平（CO2的排放量降低15%，NOx的排放量降低60%，外部可感噪聲降低10dB），降低整體尺寸和質(zhì)量，以及降低運營維修成本等。賽峰集團牽頭，與34個合作伙伴以及歐洲的10所大學和研究中心合作開發(fā)驗證項目。驗證機計劃主要針對壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和動力軸等5大部件開展臺架試驗，另外，在全尺寸驗證機上布置了400多個測點，大約運行40h（200循環(huán)）。

圖1 阿內(nèi)托渦軸發(fā)動機

上述提前開展的發(fā)動機新技術預先研究為阿內(nèi)托發(fā)動機的發(fā)展奠定堅實的技術基礎。阿內(nèi)托發(fā)動機目前已累計運行4000h，其中包括105h的飛行時間，且飛行試驗過程中的性能滿足要求。阿內(nèi)托系列的首款發(fā)動機阿內(nèi)托1K型（功率為1864kW）將為萊昂納多公司的AW189K雙發(fā)直升機提供動力。

阿內(nèi)托發(fā)動機的技術特點

阿內(nèi)托發(fā)動機沿襲了RTM322發(fā)動機的基本結(jié)構布局，采用3級軸流+1級離心的組合壓氣機、回流式環(huán)形燃燒室、2級燃氣發(fā)生器渦輪和2級動力渦輪結(jié)構，單軸前動力輸出布局，如圖2所示。模塊化結(jié)構大大降低了阿內(nèi)托發(fā)動機的研發(fā)成本和研制周期，保證了發(fā)動機極高的可靠性。壓氣機系統(tǒng)均采用鈦合金材料，以獲得較高的抗腐蝕和抗外物損傷（FOD）性能，并且采用寬弦葉片和進口導葉結(jié)構，能夠在3s內(nèi)從慢車狀態(tài)加速到最大功率狀態(tài)；回流燃燒室采用簡單緊湊的結(jié)構設計，能夠在實現(xiàn)快速起動的同時減輕發(fā)動機的質(zhì)量；燃氣發(fā)生器渦輪采用全新的鑄造單晶葉片材料，使發(fā)動機獲得更長的壽命和更大的功率增長裕度；動力渦輪采用保守的溫度和應力水平設計，從而保證其具有長壽命；性能先進的雙通道全權限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，能夠顯著降低飛行員的工作強度，使駕駛更加簡單；新設計的附件齒輪箱結(jié)構能夠顯著減少外部管路結(jié)構數(shù)量；進氣采用了設計簡單可靠的進口粒子分離器，保護發(fā)動機不受沙塵侵害；外部的機匣全部采用了氧化鋁或不銹鋼等抗腐蝕材料，以適應海洋環(huán)境。

經(jīng)過Tech 3000項目的充分驗證，大量增材制造技術在阿內(nèi)托發(fā)動機的多種核心部件的制造過程得以采用，包括在燃燒室使用的高溫材料噴嘴、壓氣機系統(tǒng)的全新進口導葉系統(tǒng)和擴壓導葉系統(tǒng)等。另外，阿內(nèi)托發(fā)動機與賽峰集團新開發(fā)的混合動力系統(tǒng)完全兼容，該系統(tǒng)允許在巡航狀態(tài)下，雙發(fā)中的一臺發(fā)動機處于停車或慢車狀態(tài)，當要求提高功率時，在電機的作用下發(fā)動機可在10s內(nèi)快速起動，并自動提升至最大功率。

圖2 阿內(nèi)托發(fā)動機結(jié)構示意圖

正是由于采用了緊湊型設計、新材料和先進制造技術，以及多年的技術積累和驗證，阿內(nèi)托發(fā)動機才具有出色的功率重量比、可靠的性能，特別是在海上運輸、搜救、消防或軍事運輸?shù)拳h(huán)境惡劣的應用場景中具有更大的功率，在高溫和高空條件下具有更好的性能。

同級別的發(fā)動機對比

目前，2000 kW級別的渦軸發(fā)動機主要有6型，分別來自法國、美國和俄羅斯，這三個國家各自在2000年前后研發(fā)了其現(xiàn)役的發(fā)動機，分別是RTM322、CT7/T700系列和VK-2500發(fā)動機，同時又都在研制性能更加先進的下一代發(fā)動機，分別為阿內(nèi)托、T901和VK-2500M發(fā)動機（其性能參數(shù)見表1）。

RTM322發(fā)動機

RTM322 發(fā)動機是由羅羅公司和透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機發(fā)動機公司）聯(lián)合開發(fā)的大型渦軸發(fā)動機，于1984年12月15日首次試車成功。2013年，透博梅卡公司接管了整個項目，負責產(chǎn)品的生產(chǎn)和運營支持。RTM322主要是針對AH-64阿帕奇直升機和UH-60“黑鷹”直升機的選發(fā)項目，與GE公司的T700發(fā)動機和普惠加拿大公司的PW100發(fā)動機進行競爭。RTM322系列發(fā)動機功率范圍為1566～1951kW，于1992年獲得了首個訂單，裝備44架英國皇家海軍陸戰(zhàn)隊的AW101直升機，并于1998年開始服役。目前有超過1100臺RTM322發(fā)動機正在服役，裝備60%的AW101直升機和80%的NH90直升機，積累了超過100萬飛行小時。

T700/ CT7發(fā)動機

GE公司的T700/CT7系列是一個渦軸/渦槳發(fā)動機家族，功率范圍為1100～2200kW。該系列發(fā)動機從1967年開始研制，1973年首次進行臺架試驗，1974年首飛，1978年投產(chǎn)。第一款型號為T700-GE-700，采用5級軸流+1級離心壓氣機、環(huán)形燃燒室、2級燃氣發(fā)生器渦輪和2級自由渦輪結(jié)構，最大功率1210kW，首先被用于“黑鷹”直升機和阿帕奇直升機。CT7是T700的民用版發(fā)動機編號。T700/CT7系列發(fā)動機到目前為止，已經(jīng)發(fā)展出了多達35個軍民用渦軸、渦槳發(fā)動機型號，在可靠性和維修性方面有很大的突破。自1978年服役以來，經(jīng)歷了戰(zhàn)爭、惡劣環(huán)境以及高要求的客運服務的考驗，總累積超過4000萬飛行小時。

表1 阿內(nèi)托同級別渦軸發(fā)動機主要參數(shù)

T901發(fā)動機

2019年2月1日，GE公司宣布其T901發(fā)動機的設計方案擊敗了競爭對手先進渦輪發(fā)動機公司（霍尼韋爾公司和普惠公司的合資公司）T900雙軸發(fā)動機設計方案，贏得了美國陸軍改進渦輪發(fā)動機計劃（ITEP）的支持，獲得了5.174億美元的工程制造和發(fā)展階段（EMD）合同。

美國陸軍先進渦輪計劃的目的是研制和取證一型先進的渦軸發(fā)動機，替代現(xiàn)役配裝“黑鷹”和阿帕奇直升機的T700-701D 渦軸發(fā)動機，在未來30年或更久的時間內(nèi)保持這些直升機的作戰(zhàn)能力。其最終發(fā)展目標為：研發(fā)一型尺寸與T700發(fā)動機相同、質(zhì)量為204kg、功率為2237kW的發(fā)動機，與現(xiàn)役基準發(fā)動機相比，功率提高50%、耗油率降低25%、功重比提高65%、壽命延長20%以及生產(chǎn)和維修成本降低20%～35%。

VK-2500M發(fā)動機

VK-2500 發(fā)動機（圖3所示）是俄羅斯克里莫夫設計局在TV3-117VMA 發(fā)動機基礎上合作發(fā)展的一種自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動機。VK-2500發(fā)動機于2000年進行了首飛，2007年開始批生產(chǎn)，其巡航功率為1305 kW，極限功率為1864 kW。從2011年起，克里莫夫設計局就開始研制VK-2500M發(fā)動機，這是一款全新的渦軸發(fā)動機，而非VK-2500批生產(chǎn)型的改進型。VK-2500M發(fā)動機的起飛功率為1939kW，極限功率為2200kW，比VK-2500功率更高。同時，其質(zhì)量減少了20%，零件數(shù)量減少了16%，耗油率也減少了7%，大修間隔增加，模塊化結(jié)構支持外場維修。據(jù)估計，VK-2500M型將在2023年隨高速軍用直升機同時取證，未來VK-2500M發(fā)動機還將用于改進的米-28N和卡-52直升機。

由于俄羅斯在90年代的經(jīng)濟發(fā)展停滯，其發(fā)動機的研制不管是在時間進度上還是性能指標上都顯著落后于法國和美國的同類產(chǎn)品，其最新研制的VK-2500M發(fā)動機的性能參數(shù)（耗油率和干質(zhì)量）只能追平美國和法國的現(xiàn)役發(fā)動機水平。法國阿內(nèi)托發(fā)動機計劃于2019年年底適航取證，其研發(fā)進度略快于美國的T901發(fā)動機（計劃于2024年完成工程研制），但T901的輸出功率已經(jīng)顯著高于阿內(nèi)托發(fā)動機的輸出功率，其目標耗油率也具有顯著優(yōu)勢。

圖3 VK-2500發(fā)動機

圖3 萊昂納多AW189K直升機

阿內(nèi)托發(fā)動機裝機對象

AW189K直升機

2017年10月，意大利萊昂納多公司宣布正在開發(fā)新版的AW189K直升機，選用賽峰直升機發(fā)動機公司生產(chǎn)的兩臺1864kW的阿內(nèi)托 1K渦軸發(fā)動機提供動力。截至2018年10月，AW189K原型機已經(jīng)進行了90個架次，累計105h的飛行測試，正在穩(wěn)步推進并計劃在2019年末獲得認證。相比GE公司的CT7發(fā)動機，每臺阿內(nèi)托 1K發(fā)動機的功率高出372kW，使得AW189K直升機能夠在高熱環(huán)境下獲得更好的性能，可以更好地發(fā)揮其作為多功能超中型直升機平臺的作用，不僅適用于遠程海上運輸和救援，還可以進行貴賓運輸、消防和各種準軍事作業(yè)。

圖4 RACER驗證機

RACER驗證機

高速且經(jīng)濟高效旋翼機（Rapid And Cost-Effective Rotorcraft， RACER）驗證機，是空客直升機公司在X-3高速復合直升機驗證機的技術基礎上，聯(lián)合眾多合作伙伴，在歐洲“清潔天空2”（Clean Sky 2）的計劃下，發(fā)展出的面向未來的新一代高速型復合直升機演示驗證機，其設計的巡航速度達到400km/h，比傳統(tǒng)直升機快50%?？湛椭鄙龣C公司在2017年6月的巴黎航展上首次公開了RACER驗證機，2018年2月，2206kW的阿內(nèi)托 1X發(fā)動機被選為其動力裝置。相比最初選擇的RTM322發(fā)動機，阿內(nèi)托 1X在相同功率下的緊湊程度提高了25%。RACER驗證機原型機計劃于2019年第四季度進行總裝，2020年首飛。

結(jié)束語

下一代的高速旋翼飛行器，如歐洲的RACER、美國的S-97、V-280驗證機、俄羅斯的軍用高速直升機項目等，對大功率、高功重比渦軸發(fā)動機的發(fā)展提出了更高的要求。除了繼續(xù)在傳統(tǒng)的8～15t級民用多用途直升機及軍用武裝直升機、運輸直升機等市場發(fā)揮主力作用外，2000kW級別的高性能渦軸發(fā)動機還將在高速旋翼飛行器的研發(fā)中發(fā)揮重要作用，這也是法國、美國、俄羅斯等航空發(fā)動機強國競相對其加緊研制的重要原因。