渦軸改渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)總體影響因素與特點(diǎn)研究

蔡乾杰

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制途徑主要有全新設(shè)計(jì)、改進(jìn)改型、核心機(jī)派生發(fā)展三種[1][2]。其中，基于成熟的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“軸改槳”是研制渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)一種典型模式，充分利用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)和功率輸出段，可使研制工作量和風(fēng)險(xiǎn)大為減少。國(guó)外已有多型成熟“軸改槳”型號(hào)，如RTM322-06渦槳（RTM322-01渦軸改）、CT7渦槳（T700渦軸改）等；而國(guó)內(nèi)僅有一型“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)，即WJ9（WZ8A改），設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較缺乏。

本文梳理了以輸出軸功率為共同特征的渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的主要差別，結(jié)合三型典型“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)展了“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)的總體影響因素與特性分析，可為國(guó)內(nèi)“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供技術(shù)參考。

1 渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的總體技術(shù)差異

了解渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)之間的主要差別，是開(kāi)展“軸改槳”研制的技術(shù)基礎(chǔ)和必要前提。渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的總體技術(shù)差異主要是螺旋槳的引入、飛機(jī)安裝布局差異和飛機(jī)使用特性變化造成的。比如，螺旋槳的引入會(huì)造成體內(nèi)減速器、輸出軸轉(zhuǎn)速、承力系統(tǒng)、調(diào)節(jié)規(guī)律和操縱系統(tǒng)、整機(jī)重量、載荷等方面的差異；飛機(jī)安裝布局則會(huì)造成進(jìn)排氣裝置、功率輸出形式、安裝方式等方面的差異；飛機(jī)使用特性不同也使得兩類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)點(diǎn)、工作包線(xiàn)、工作狀態(tài)、喘振裕度、壽命等方面存在差異，如表1所示。

2 “軸改槳”總體影響因素分析

根據(jù)上述渦軸和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)差異，結(jié)合三型典型“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)（RTM322-01渦軸改RTM322-06渦槳、T700渦軸改CT7渦槳、WZ8A改WJ9）實(shí)例對(duì)比，從總體性能和總體結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)的總體影響因素進(jìn)行分析。

2.1總體性能

“軸改槳”總體性能影響因素主要有排氣噴口面積、燃?xì)鉁u輪流通能力、自由渦輪轉(zhuǎn)速等。為揭示各影響因素對(duì)總體性能的影響規(guī)律，本文以RTM322-06發(fā)動(dòng)機(jī)為例，反設(shè)計(jì)建立Gasturb模型，通過(guò)性能仿真計(jì)算，定量分析了總體性能參數(shù)與各影響因素的變化關(guān)系（見(jiàn)表2），主要如下：

（1）排氣噴口面積（圖1）

a.排氣噴口面積減小，可使排氣速度與進(jìn)氣速度之差（V8-V0）明顯提高；當(dāng)噴口面積減小到一定程度時(shí)，V8才大于V0，保證排氣暢通。

b.排氣噴口面積減小，功率（Pw）會(huì)下降，但有利于降低耗油率；最優(yōu)的噴口面積取決于功率裕度和耗油率裕度的要求。

c.喘振裕度（SM）、自由渦輪前溫度（Tt45）對(duì)排氣噴口面積不敏感；當(dāng)噴口面積減小時(shí)，SM略有降低，Tt45略有升高。

（2）燃?xì)鉁u輪流通能力（圖2～圖4）

a.燃?xì)鉁u輪流通能力增加，可使排氣速度與進(jìn)氣速度之差（V8-V0）提高，有利于排氣，但影響有限，單純靠調(diào)整燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力，不足以解決排氣不暢的問(wèn)題。

b.燃?xì)鉁u輪流通能力增加，功率（Pw）會(huì)升高，有利于補(bǔ)償噴管面積減小導(dǎo)致的功率下降；但不利于降低耗油率，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力不能過(guò)大。

c.增加燃?xì)鉁u輪流通能力，會(huì)使喘振裕度增加，有利于抵消排氣噴口面積減小帶來(lái)的喘振裕度下降，也有利于提升高空的喘振裕度；從這方面來(lái)說(shuō)，“軸改槳”時(shí)，增加燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力是必要的。

d.燃?xì)鉁u輪流通能力增加，會(huì)使得自由渦輪前溫度（Tt45）升高；當(dāng)燃?xì)鉁u輪流通能力增加到一定程度時(shí)，溫度增幅可能會(huì)接近Tt45溫度限制值，故燃?xì)鉁u輪導(dǎo)葉流通能力不能過(guò)大。

（3）自由渦輪轉(zhuǎn)速

自由渦輪轉(zhuǎn)速提高，會(huì)使自由渦輪工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，導(dǎo)致自由渦輪膨脹比微微下降，功率略有增加，耗油率下降，Tt45小幅下降，對(duì)整機(jī)性能的影響十分有限；雖然有助于彌補(bǔ)尾噴管面積減少造成的功率損失，但同時(shí)提高轉(zhuǎn)速也可能影響自由渦輪的壽命。

2.2總體結(jié)構(gòu)

“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)與新引入的螺旋槳直接相關(guān)，總體結(jié)構(gòu)影響因素主要有功率輸出方式、減速器構(gòu)型、螺旋槳載荷等。通過(guò)對(duì)三型典型“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)（RTM322-06、CT7、WJ9）的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比[3]，分析了各影響因素對(duì)總體結(jié)構(gòu)的影響特點(diǎn)。

（1）功率輸出方式對(duì)總體結(jié)構(gòu)的影響

功率輸出方式有前輸出和后輸出兩種，定軸式渦槳的功率輸出方式通常為前輸出，這樣便于輸出軸的結(jié)構(gòu)安排，如WJ6、TPE331發(fā)動(dòng)機(jī)；而自由渦輪式渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，功率輸出方式有前輸出（如RTM322-06、PW100），也有后輸出（如PT6A、WJ9）。不同的功率輸出方式對(duì)轉(zhuǎn)子支承布局、承傳力系統(tǒng)、進(jìn)排氣形式、潤(rùn)滑系統(tǒng)、外廓尺寸等均有較大影響；從某種程度來(lái)說(shuō)，功率輸出方式直接影響著“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布局，如表3所示。

（2）減速器構(gòu)型對(duì)總體結(jié)構(gòu)的影響

減速器構(gòu)型按輸入軸和輸出軸的相對(duì)位置可分為同軸式和偏置式減速器，其中同軸式可分為同軸前置（如RTM322-06）和同軸后置（如PT6A），偏置式可分為減速器獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)本體之外的獨(dú)立偏置式（如CT7）和減速器與附件傳動(dòng)集成

的偏置式（如TPE331）。雖然減速器構(gòu)型主要取決于功率輸出方式，但不同的減速器構(gòu)型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)影響很大，而且在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要綜合考慮減速器構(gòu)型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣形式、安裝形式、附件布局、功率分出、發(fā)動(dòng)機(jī)外廓尺寸、槳葉尺寸和螺旋槳調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等的影響，見(jiàn)表4。

（3）螺旋槳載荷對(duì)總體結(jié)構(gòu)的影響

由螺旋槳產(chǎn)生的螺旋槳載荷（拉力載荷、扭矩載荷、1P載荷和陀螺載荷等）是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)主要的外部載荷，這些載荷直接作用于槳軸，并通過(guò)各承力框架傳遞給安裝節(jié)；因此，螺旋槳載荷對(duì)“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)的槳軸、承力機(jī)匣和安裝節(jié)強(qiáng)度、軸承、安裝減振結(jié)構(gòu)等有較大影響。

3 結(jié)論

在實(shí)際“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，上述各影響因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響、盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，關(guān)系十分復(fù)雜。通常來(lái)說(shuō)，總體性能應(yīng)重點(diǎn)考慮尾噴管?chē)娍诿娣e和燃?xì)鉁u輪流通能力的影響；總體結(jié)構(gòu)則要綜合考慮飛機(jī)、螺旋槳的安裝與使用等一系列要求以及原準(zhǔn)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)情況，并結(jié)合本文中述及的一般原則，經(jīng)多方比較評(píng)估后方可確定。

雖然“軸改槳”較“全新設(shè)計(jì)”多了不少已知條件，但如何使新設(shè)計(jì)與原準(zhǔn)機(jī)的沿用部分在滿(mǎn)足其他各種附加的約束條件下融為一體是“軸改槳”發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)中最主要和最困難的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 尹澤勇等. 渦軸（渦槳）/ 渦扇（渦噴）發(fā)動(dòng)機(jī)通用核心機(jī)技術(shù)[J]. 航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2008，第23 卷第11 期.

[2] Norman F. Egbett and Theodore F. Common Core Development Approach for Allison T406/AE Family of Turboshaft，Turboprop，and Turbofan Engines [J]. AlAA 94-2829.

（作者單位：中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所）