軍用渦軸發(fā)動機發(fā)展研究

張征

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

軍用渦軸發(fā)動機發(fā)展研究

張征

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029）

張征（1975），工程師，主要從事航空咨詢研究工作。

回顧了軍用渦軸發(fā)動機的發(fā)展歷程，介紹了幾種典型軍用渦軸發(fā)動機的性能特點及各國現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動機的裝備情況；分析并提出了軍用渦軸發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)，并通過研究國外典型渦軸發(fā)動機技術(shù)研究計劃和新用的先進(jìn)技術(shù)，預(yù)測了軍用渦軸發(fā)動機的有關(guān)技術(shù)趨勢。

軍用渦軸發(fā)動機；發(fā)展；關(guān)鍵技術(shù)；預(yù)測

0 引言

相對于活塞發(fā)動機來說，渦軸發(fā)動機功重比大、振動小、便于維修，且最大截面較小，可以大大提高直升機的氣動力性能。因此，從20世紀(jì)50年代開始，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。

當(dāng)今世界各國擁有的各類軍用直升機數(shù)量總計約21670架，配套的軍用渦軸發(fā)動機約37102臺。根據(jù)最新國際航空渦軸發(fā)動機市場預(yù)測分析，在各國軍用直升機項目(包括發(fā)動機更換項目)的需求刺激下，未來幾年世界軍用渦軸發(fā)動機的市場仍將繼續(xù)增長。國際預(yù)測公司預(yù)測，在2010～2019年，全球?qū)⑸a(chǎn)渦軸發(fā)動機30000多臺，價值約170億美元。其中，軍用渦軸發(fā)動機項目的價值占80%，約108億美元。

1 軍用渦軸發(fā)動機的發(fā)展

1.1 發(fā)展歷程

從20世紀(jì)50代中期開始，渦軸發(fā)動機產(chǎn)品和技術(shù)不斷發(fā)展升級，至今已發(fā)展了4代。

第1代渦軸發(fā)動機是20世紀(jì)50年代研制，并于60年代開始服役，主要代表機型有阿都斯特、T53、寧巴斯等發(fā)動機。

第2代渦軸發(fā)動機是20世紀(jì)60年代研制的，主要代表機型有T63、阿赫耶C、TV2-117A和T53的改進(jìn)型T53-L-703等發(fā)動機。

第3代渦軸發(fā)動機于20世紀(jì)70年代設(shè)計，于80年代投產(chǎn)。主要代表機型有法國透博梅卡公司研制的TM333、美國GE公司研制的T700-GE-701、俄羅斯克里莫夫設(shè)計局研制的TV3-117VM等發(fā)動機。與前2代渦軸發(fā)動機相比，這代渦軸發(fā)動機，通過改進(jìn)氣動設(shè)計和材料，使轉(zhuǎn)動部件的循環(huán)數(shù)大大增加；通過采用氣冷渦輪葉片，使渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1100～1300℃；通過簡化結(jié)構(gòu)，減少零部件數(shù)量，使發(fā)動機的可靠性和維修性提高；通過采用單元體結(jié)構(gòu)和狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)，可在外場實施視情維護；逐步完成從機械液壓式控制向全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)的過渡。

第4代渦軸發(fā)動機于20世紀(jì)80年代末90年代初開始研制，代表機型有英、法聯(lián)合研制的RTM322，美國的T800，德、法、英聯(lián)合研制的MTR390以及俄羅斯研制的TVD-1500等發(fā)動機。其主要特點是普遍采用全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，并采用先進(jìn)的壓氣機設(shè)計技術(shù)，增壓比可達(dá)14，耐高溫材料和單晶渦輪轉(zhuǎn)子葉片使渦輪進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，壽命延長和可靠性大大提高。

典型軍用渦軸發(fā)動機性能參數(shù)見表 1；各國現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動機的裝備情況見表2。

表1 典型軍用渦軸發(fā)動機性能參數(shù)

表2 2010年現(xiàn)役軍用渦軸發(fā)動機裝備情況

1.2 研究計劃

1.2.1 聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器計劃

聯(lián)合渦輪先進(jìn)燃?xì)獍l(fā)生器（JTAGG）計劃是美國IHPTET計劃的子計劃，于1987年開始實施。IHPTET計劃是為未來渦軸、渦槳、渦噴和渦扇發(fā)動機提供技術(shù)基礎(chǔ)，驗證耗油率（SFC）、功重比（推重比）及可靠性、維修性等得到改進(jìn)的技術(shù)。JTAGG計劃的經(jīng)費來源于工業(yè)部門和政府2方面，每年的總投資約1900萬美元，工業(yè)部門投資約占25%～50%，美國陸軍1990～2005年投入的總經(jīng)費超過1億美元。

針對渦軸發(fā)動機，JTAGG計劃的目標(biāo)是針對空氣流量為4.5～6.8 kg/s級別的燃?xì)獍l(fā)生器驗證功重比提高120%，SFC降低40%的技術(shù)。

1.2.2 小型重油發(fā)動機計劃

小型重油發(fā)動機（SHFE）計劃是VAATE計劃的1個組成部分。SHFE計劃通過利用在VAATE計劃下取得的部件成果以及其它近期取得的先進(jìn)發(fā)動機技術(shù)成果，用于先進(jìn)的小型渦輪發(fā)動機研制。整個SHFE計劃投資4500萬美元，其中美國政府分4個財年共投資2600萬美元。驗證項目包括設(shè)計、制造以及部件和整機試驗驗證，試驗驗證包括性能及耐久性試驗以及質(zhì)量驗證。

SHFE計劃通過開發(fā)1臺522 kW的驗證機，以演示驗證可能用于多種軍用和商用飛行器的先進(jìn)小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機技術(shù)。其目標(biāo)是使SFC降低20%，功重比提高50%，生產(chǎn)及維護成本降低35%，產(chǎn)品開發(fā)成本比2000年發(fā)動機的降低10%。

1.2.3 共用發(fā)動機項目

共用發(fā)動機項目(CEP)目標(biāo)是美國陸軍利用IHPTET計劃第1、2階段的成果發(fā)展用于UH-60A“黑鷹”和AH-64A“阿帕奇”改進(jìn)型動力裝置。

CEP性能目標(biāo)是：相對于T700發(fā)動機，SFC降低25%～30%，功重比提高60%～80%，采辦及維護成本至少降低20%，并使直升機的航程增長60%或者荷重增加70%，同時削減后勤服務(wù)和維護承擔(dān)。

CEP于2000年提出，時間為6年，前3年半為技術(shù)發(fā)展階段，后2年半為工程制造發(fā)展（EMD）階段，投資1.4億美元。然而CEP并沒有真正實施，ATEC研制的HPW3000發(fā)動機即是CEP的延續(xù)。

1.2.4 先進(jìn)、經(jīng)濟可承受的渦輪發(fā)動機計劃

先進(jìn)、經(jīng)濟可承受的渦輪發(fā)動機（AATE）計劃是美國陸軍為替代UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機現(xiàn)有動力裝置——T700發(fā)動機而研制的2205 kW級渦軸發(fā)動機的發(fā)展計劃。

AATE計劃于2007年開始啟動，為期52個月。美國政府為該計劃的基本項目投資預(yù)算為3475萬美元，其中2007/2008財年975萬美元，2009財年750萬美元，2010財年850萬美元，2011財年900萬美元。

AATE計劃的技術(shù)指標(biāo)是：在T700發(fā)動機的基礎(chǔ)上，將功重比提高65%，SFC降低25%，壽命延長20%，生產(chǎn)成本和維護成本降低35%，研制成本降低15%。

1.2.5 美國陸軍未來可承受渦輪發(fā)動機計劃

未來可承受渦輪發(fā)動機（FATE）計劃是VAATE計劃的1個組成部分，是為替換已經(jīng)服役47年之久的T55系列發(fā)動機而研制新型具有競爭力的渦軸發(fā)動機發(fā)展計劃。FATE計劃于2008年啟動，為期8年。

FATE計劃的目標(biāo)是采用功率為4470～5215 kW的新型發(fā)動機作為CH-47“支奴干”的發(fā)展型或者后繼旋翼飛機的動力裝置。具體技術(shù)指標(biāo)包括SFC降低35%，維護成本降低45%，功重比提高90%，同時研制成本降低20%；發(fā)動機整機設(shè)計壽命不低于6000 h，其中冷端部件壽命不低于15000循環(huán)，熱端部件壽命不低于7500循環(huán)。

2 軍用渦軸發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)

軍用渦軸發(fā)動機大都屬于中小型渦輪發(fā)動機，為適應(yīng)不斷發(fā)展的軍用直升機的動力需求，研制中也存在一些自身特有的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 進(jìn)氣防護系統(tǒng)（粒子分離器）

軍用直升機經(jīng)常在起落條件惡劣的場地使用，在超低空飛行和懸停時旋翼容易吸起大量塵土、碎石。這些雜物吸入發(fā)動機輕則腐蝕壓氣機，造成性能衰減或壓氣機喘振裕度降低以至提前返修；重則打壞葉片，損壞發(fā)動機，釀成飛行事故。因此，為保證其發(fā)動機安全可靠地工作，必須采用進(jìn)氣凈化裝置。軍用渦軸發(fā)動機進(jìn)氣防護可分為2大類：1類是在直升機進(jìn)氣道上安裝防砂濾，有過濾介質(zhì)式、渦管分離式等多種形式；另1類是在發(fā)動機上裝粒子分離器，有動力離心式、整體慣性式等。2類裝置各有優(yōu)缺點，但從分離效果、結(jié)構(gòu)質(zhì)量、發(fā)動機功率損失等諸方面綜合性能來看，整體粒子分離器相對較好。

現(xiàn)代先進(jìn)的軍用直升機大多要求渦軸發(fā)動機自帶進(jìn)氣防塵裝置即整體式進(jìn)氣粒子分離器（IPS）。國外在研和新研的軍用渦軸發(fā)動機大多帶有IPS部件。第4代渦軸發(fā)動機T800即采用1個整體的、但可分開的IPS，分離效率很高，在試驗臺上用C級細(xì)砂試驗證明其分離效率高達(dá)97%。對于軍用渦軸發(fā)動機，IPS今后將成為與壓氣機、燃燒室、渦輪同等重要的部件之一。

2.2 組合壓氣機

隨著軍用渦軸發(fā)動機增壓比的不斷提高，壓氣機的結(jié)構(gòu)形式也由最初的純軸流式轉(zhuǎn)變成目前大量采用的若干級軸流加1級離心的組合壓氣機，如T700發(fā)動機即采用5級軸流加上l級離心式壓氣機。這主要是因為軸流壓氣機級數(shù)的增加使得壓氣機后幾級的“尺寸效應(yīng)”更加顯著，氣流損失增大，氣動性能顯著下降，而離心式壓氣機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剛性更好、抗外物能力更強，“尺寸效應(yīng)”對離心壓氣機的影響不大，因此采用離心式壓氣機取代后面的軸流壓氣機是有利的。也有一些新型渦軸發(fā)動機為了簡化結(jié)構(gòu)、提高壓比，采用多級離心式壓氣機，如T800、MTR390等都采用了2級離心式壓氣機。

針對軍用渦軸發(fā)動機壓氣機結(jié)構(gòu)特點，要想通過改善壓氣機提高發(fā)動機性能，就需要不斷加強對離心壓氣機技術(shù)、軸流級與離心級間優(yōu)化匹配技術(shù)以及離心級與離心級間優(yōu)化匹配技術(shù)的研究。

近年來，國外研究并應(yīng)用了大量先進(jìn)氣動設(shè)計概念，以提高小發(fā)動機的壓氣機效率和平均級壓比，其中一些設(shè)計思想具有顯著的改善性能的潛力，如彎掠激波轉(zhuǎn)子、大小葉片技術(shù)等。

2.3 回流環(huán)形燃燒室

回流環(huán)形燃燒室是現(xiàn)代軍用渦軸發(fā)動機普遍采用的結(jié)構(gòu)。RTM322、MTR390和T800-LHT-800發(fā)動機均采用了回流環(huán)形燃燒室。RR公司認(rèn)為，目前大多數(shù)渦軸發(fā)動機都采用回流環(huán)形燃燒室，這在幾何上正好與離心壓氣機相匹配，而且軸承跨度短，并能以最少的軸承機匣滿足轉(zhuǎn)子動力學(xué)要求。但這種燃燒室還應(yīng)進(jìn)一步改進(jìn)，如研究更有效的冷卻燃燒室壁和使第1級渦輪導(dǎo)向葉片上的燃?xì)鉁囟确逯底钚〉取?/p>

隨著軍用直升機技術(shù)的發(fā)展，對動力性能的要求也在不斷提高，這就需要燃燒室的出口溫度（也即渦輪進(jìn)口溫度）相應(yīng)提高。目前發(fā)動機的熱燃?xì)鉁囟日诮咏鼫u輪材料的耐溫極限點，所以保持溫度均勻的燃燒就尤為重要。這就需要采用具有大調(diào)節(jié)比系數(shù)的新型燃油噴嘴，以獲得燃燒室出口處均勻的周向和徑向溫度分布。而更高的燃燒溫度和更大的高壓熱輻射將使燃燒室火焰筒承受更大的熱載荷。同時，由于更多的氣流用于燃燒，導(dǎo)致用于冷卻的氣流減少，而且進(jìn)口溫度的升高也降低了冷卻氣流的吸熱能力，而這是傳統(tǒng)火焰筒冷卻技術(shù)難以實現(xiàn)的，因此迫切需要研究火焰筒高效冷卻技術(shù)和更耐熱的材料。近年來，新型噴嘴和改進(jìn)火焰筒的冷卻的研究已經(jīng)逐漸成為提高渦軸發(fā)動機燃燒室性能的研究重點。另外，國外也正在研究多種新的燃燒室結(jié)構(gòu)，如智能型燃燒室、駐渦燃燒室等。

2.4 排氣紅外抑制

發(fā)動機是軍用直升機的最大紅外輻射源，是紅外導(dǎo)彈的最主要跟蹤目標(biāo)。紅外抑制技術(shù)就是通過降低或改變直升機發(fā)動機的紅外輻射特征，從而實現(xiàn)武裝直升機的低可探測性?？赏ㄟ^改進(jìn)直升機發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用紅外物理原理來衰減、吸收直升機發(fā)動機的紅外輻射能量，使紅外探測設(shè)備難以探測到直升機。例如，在尾噴口采用隔熱護擋板，以遮擋或屏蔽紅外輻射，采用異形尾噴管，改變紅外波長，使紅外探測器失諧；采用噴氣濾波，改變其輻射波長；采用非圓截面的2元噴管，從而濾除90%的紅外輻射。

美國AH-64武裝直升機上安裝有紅外散熱片、3個矩形引射器的紅外抑制裝置，采用該抑制裝置后與采用冷卻風(fēng)扇冷卻發(fā)動機熱源相比，質(zhì)量減少182 kg，垂直爬高速度增加76 m/min，紅外信號只有無抑制裝置的6%，而排氣熱流紅外信號為未抑制的10%。

2.5 高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)

渦軸發(fā)動機的轉(zhuǎn)速高達(dá)40000～60000 r/min。這就要求加強高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析及試驗技術(shù)研究，即針對渦軸發(fā)動機轉(zhuǎn)子工作范圍內(nèi)不可避免地存在多階臨界轉(zhuǎn)速的特點，研究并選擇最佳的支承剛度及阻尼系數(shù)，采用新的減振措施，研究小剛度細(xì)長轉(zhuǎn)子特有的高速甚至全速動平衡技術(shù)。

RTM322發(fā)動機采用葉片和盤一體的壓氣機轉(zhuǎn)子、雙層壁機匣、靠近工作葉片的機匣內(nèi)壁涂可磨涂層、減小軸系振幅等方法來降低轉(zhuǎn)子振幅，使其在整個工作范圍內(nèi)徑向間隙變化小。

3 軍用渦軸發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢

對于軍用直升機而言，大力提高生存性和作戰(zhàn)效能，是其追求的最高目標(biāo)。軍用渦軸發(fā)動機技術(shù)未來的發(fā)展也將圍繞這個核心目標(biāo)，朝著提高功重比、改善維護性和可靠性、降低使用成本的方向發(fā)展。

新一代渦軸發(fā)動機的壓比將達(dá)到20～25，渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1327～1627℃，功重比將提高到12，SFC降至0.2kg/kw·h，發(fā)動機的經(jīng)濟可承受性提高數(shù)倍。

新材料和新工藝的采用，將使下一代渦輪軸發(fā)動機的質(zhì)量更輕，工作更可靠。壓氣機按3維法設(shè)計葉片，采用變流量壓氣機、離心壓氣機變幾何擴壓器、3維黏性計算方法計算離心壓氣機內(nèi)部流場等，有效地提高效率、擴大喘振邊界。燃燒室所采用先進(jìn)的冷卻技術(shù)、在火焰筒上等離子噴涂陶瓷，以提高火焰筒耐高溫能力；采用先進(jìn)燃油噴嘴，減少燃燒室積碳與冒煙。渦輪采用先進(jìn)的材料和冷卻方案、先進(jìn)精鑄/鍛造技術(shù)、主動間隙控制技術(shù)以及3維氣動計算，以設(shè)計并制造出先進(jìn)的小型徑向渦輪葉片。控制系統(tǒng)從氣動和液壓式、模擬電子機械液壓混合式燃油調(diào)節(jié)器過渡到全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，同時采用光電敏感元件、高溫電子設(shè)備和靈活的控制邏輯。

在新的作戰(zhàn)環(huán)境下，對直升機有不斷增大前飛速度的要求。為此，下一代渦軸發(fā)動機還可能采用變循環(huán)渦軸發(fā)動機或可轉(zhuǎn)換的渦軸/渦扇發(fā)動機。

4 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭對軍用直升機需求的不斷加大,軍用渦軸發(fā)動機市場未來幾年依然呈上升趨勢。同時，為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場環(huán)境,滿足部隊機動靈活、快速反應(yīng)的作戰(zhàn)要求，現(xiàn)代軍用直升機尤其是在沙漠和高原等一些環(huán)境惡劣地帶使用的直升機，對動力系統(tǒng)的性能、適用性、可靠性、維修性等也提出了更高要求。追求性能更好、可靠性更高、壽命更長、使用和維護成本更低是新型軍用渦軸發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。

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Development of Military Turboshaft Engine

ZHANG Zheng
（AVIC Aviation Industries Development Research Center of China,Beijing 100029,China）

The development of military turboshaft was reviewed.The performances of several typical engines and the equipment of the active service military turbo shaft engine were introduced.The key technologies of military turboshaft were analyzed and introduced. Based on the foreign typical advanced program and advanced technologies about turboshaft engine,the technology trend of military turboshaft engine was forcasted.

military turboshaft engine;development;key technology;forecast

2011-05-11