羅宿明 張曉爽 陳 偉 華繼偉

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

1 民用渦軸發(fā)動機需求及發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)50 年代中期以后，直升機逐步得到廣泛應(yīng)用，作為其主要動力裝置的渦軸發(fā)動機，在美、英、法等西方發(fā)達(dá)國家也得到了快速發(fā)展。目前，全世界共擁有直升機近5 萬架，其中民用直升機約26120 架。半個多世紀(jì)以來，民用渦軸發(fā)動機的單位功率提高了1 ～1.7 倍，壓氣機壓比提高了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)動機及其主要參數(shù)見表1[1]，各部件結(jié)構(gòu)形式及裝機對象見表2。

表1 典型民用渦軸發(fā)動機主要參數(shù)

表2 典型民用渦軸發(fā)動機部件結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)

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

2 先進中小型民用渦軸發(fā)動機技術(shù)特點分析

結(jié)合表1 和表2 中數(shù)據(jù)，對當(dāng)前先進中小型民用渦軸發(fā)動機的總體設(shè)計和部件設(shè)計的技術(shù)特點進行分析。

2.1 總體設(shè)計

目前，先進渦軸發(fā)動機大多數(shù)發(fā)展成系列化產(chǎn)品，如CT7、RTM322、PT6 和Ardiden 系列等。系列化改進發(fā)展是現(xiàn)代先進渦軸發(fā)動機發(fā)展的重要特征。在一款優(yōu)秀渦軸發(fā)動機平臺基礎(chǔ)上，逐步實施“技術(shù)嵌入”、小步快走，逐步發(fā)掘發(fā)動機的應(yīng)用潛能，開發(fā)出系列化產(chǎn)品。與全新研制新型發(fā)動機相比，系列化發(fā)展有較低的風(fēng)險和較好的經(jīng)濟性。

在總體氣動設(shè)計方面，目前先進民用渦軸發(fā)動機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)動機性能；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)動機性能[2]。

在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，目前先進渦軸發(fā)動機幾乎都采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計，以簡化整機裝配和調(diào)整，減少外場維護時間，節(jié)省維修費用和工時；廣泛采用整體鑄造、機加件，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)動機可靠性，延長使用壽命；逐步采用多功能集成設(shè)計，將燃油、滑油系統(tǒng)油路集成在鑄造機匣內(nèi)部，減少外部零組件數(shù)量，進而使結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，以提高發(fā)動機的維護性和可靠性。

2.2 部件、系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 壓氣機

作為渦軸發(fā)動機的三大核心部件之一，壓氣機的技術(shù)水平對發(fā)動機的性能、重量、可靠性和成本等有重要的影響。中小型民用渦軸發(fā)動機壓氣機一般采用軸流、離心、軸流+離心組合壓氣機等幾種結(jié)構(gòu)形式[3]。

目前，先進民用渦軸發(fā)動機壓氣機普遍應(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)動機，但最新的發(fā)動機都采用了結(jié)構(gòu)簡單緊湊且可靠的雙級離心壓氣機，如CTS800-4、Ardiden 1H 發(fā)動機。先進雙級離心壓氣機具有部件效率高、喘振裕度大、軸向長度小、零部件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗外物撞擊能力強等特點，使其在可靠性、可維護性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

2.2.2 燃燒室

通常，中小型民用渦軸發(fā)動機燃燒室有3 種結(jié)構(gòu)形式，即以PT6C-67C、RTM322-01、CTS800-4 和Ardiden 1H 發(fā)動機為代表的回流燃燒室，以CT7-2A 發(fā)動機為代表的直流燃燒室和以Arriel1C、Makila1A1 發(fā)動機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)動機普遍采用的結(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匹配，對壓氣機出口氣流不敏感；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)動機軸系長度，有效解決高轉(zhuǎn)速渦軸發(fā)動機面臨的轉(zhuǎn)子動力學(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、結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計極其復(fù)雜，因此好的渦輪設(shè)計是氣動、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)動機為了獲得較高的渦輪效率，通常采用雙級結(jié)構(gòu)，如CT7-2A、 CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動機，但采用雙級渦輪可能會由于第一級轉(zhuǎn)子溫降低導(dǎo)致需要更多的引氣量對導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子進行冷卻，從而抵消高效率的優(yōu)勢。同時，渦輪級數(shù)的增加也會導(dǎo)致發(fā)動機軸向長度和重量的增加，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化會導(dǎo)致可靠性降低、制造成本增加。因此，采用單級或雙級結(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，是一個綜合權(quán)衡選擇的結(jié)果。

（2）采用燃?xì)鉁u輪、動力渦輪共用軸承腔設(shè)計，如Ardiden 1H、CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動機，這種設(shè)計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，縮短了動力渦輪轉(zhuǎn)子軸系長度，減少了外部管路的個數(shù)，整體上降低了發(fā)動機重量。同時，動力渦輪單元體在裝配/分解和外場維護/更換時，可實現(xiàn)簡易拆分，提高了發(fā)動機的維護性水平，降低了維護費用。

2.2.4 控制系統(tǒng)

目前，先進民用渦軸發(fā)動機一般都采用全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，如Makilal A1、RTM322-01、PT6C-67C 、CTS800-4、Ardiden 1H 等。雖然機械液壓式控制系統(tǒng)可實現(xiàn)基本的發(fā)動機控制與限制功能，但相對全權(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，無法實現(xiàn)對發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)控功能。

先進渦軸發(fā)動機的全權(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)計技術(shù)，可實現(xiàn)發(fā)動機在全包線范圍內(nèi)的控制、參數(shù)限制與保護功能，具有雙發(fā)匹配、雙發(fā)通訊、發(fā)動機故障診斷與處理、狀態(tài)監(jiān)視及健康管理功能以及與直升機電子設(shè)備通信等功能。

3 先進中小型民用渦軸發(fā)動機發(fā)展趨勢

為進一步促進渦軸發(fā)動機技術(shù)發(fā)展，世界主要航空發(fā)動機公司不斷加大投入，努力將各種新材料、新技術(shù)應(yīng)用在渦軸發(fā)動機研制中，以達(dá)到進一步降低燃油消耗、降低運行成本和減少污染排放的目的，未來中小型民用渦軸發(fā)動機發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)以下幾個方面。

（1）發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)進一步提高。選擇較高的壓比與燃燒室出口燃?xì)鉁囟?，能獲得較佳的耗油率和單位功率。未來渦軸發(fā)動機的技術(shù)趨勢將是朝著提高壓比（盡可能不改變級數(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，未來民用渦軸發(fā)動機的壓比將達(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）未來先進渦軸發(fā)動機將會在渦軸發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用使發(fā)動機工作更加可靠、安全、實用、簡單緊湊、易于維護的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如單元體設(shè)計、高度集成化設(shè)計、視情維修以及成附件小型高速化等，進一步降低維護成本，提升發(fā)動機性能，提高經(jīng)濟可承受性。

（3）采用新的部件及系統(tǒng)技術(shù)。隨著發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)進一步提高，壓氣機的發(fā)展趨勢是在不改變級數(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、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單和零件數(shù)少的特點，因而斜流加離心、雙級離心等組合形式將會更多的應(yīng)用。另外，隨著國際民航組織對航空發(fā)動機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)速動力渦輪是實現(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)。隨著未來燃燒室進出口溫度進一步提高，對材料和結(jié)構(gòu)工藝提出了更高的要求。因此，在未來民用渦軸發(fā)動機中，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，隨著未來發(fā)動機零件結(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)）將會得到更多的應(yīng)用[7]。

4 結(jié)語

（1）未來先進中小型民用渦軸發(fā)動機正在向高熱力循環(huán)參數(shù)和低污染排放方向發(fā)展。發(fā)動機的增壓比將達(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一步降低，與其向適應(yīng)的新的部件和系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)將進一步發(fā)展，同時新材料與新工藝的應(yīng)用將更加普遍。

（2）未來先進中小型民用渦軸發(fā)動機通過單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計、附件高度集成化設(shè)計以及視情維修等措施，使用和維護成本將進一步降低，經(jīng)濟可承受性得到進一步提高，產(chǎn)品市場競爭力將進一步提升。