阿內(nèi)托：賽峰的新一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

■ 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(yàn)證，以阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的下一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jì)可承受性，取代現(xiàn)役的2000kW級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)。

在2017年10月3日舉辦的倫敦國際直升機(jī)大會(huì)上，賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司首次公開了面向8～15t級(jí)超中型和大型直升機(jī)市場(chǎng)研制的全新系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)——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(dòng)機(jī)與同等量級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)（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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司開發(fā)的功率最大的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

早在2009年，賽峰集團(tuán)就依托歐洲“清潔天空”（Clean Sky）計(jì)劃，瞄準(zhǔn)下一代綠色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)開始新技術(shù)預(yù)研工作。針對(duì)“清潔天空”計(jì)劃中的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)目標(biāo)，賽峰集團(tuán)通過Tech 3000技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，對(duì)每項(xiàng)新技術(shù)單獨(dú)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)全尺寸驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行地面試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)的集成方法進(jìn)行驗(yàn)證，使每項(xiàng)技術(shù)的成熟度（TRL）達(dá)到6級(jí)。技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的具體目標(biāo)包括：為下一代綠色發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)備技術(shù)；開發(fā)下一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)，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(yùn)營(yíng)維修成本等。賽峰集團(tuán)牽頭，與34個(gè)合作伙伴以及歐洲的10所大學(xué)和研究中心合作開發(fā)驗(yàn)證項(xiàng)目。驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃主要針對(duì)壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和動(dòng)力軸等5大部件開展臺(tái)架試驗(yàn)，另外，在全尺寸驗(yàn)證機(jī)上布置了400多個(gè)測(cè)點(diǎn)，大約運(yùn)行40h（200循環(huán)）。

圖1 阿內(nèi)托渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)

上述提前開展的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)預(yù)先研究為阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)目前已累計(jì)運(yùn)行4000h，其中包括105h的飛行時(shí)間，且飛行試驗(yàn)過程中的性能滿足要求。阿內(nèi)托系列的首款發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)提供動(dòng)力。

阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)沿襲了RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)布局，采用3級(jí)軸流+1級(jí)離心的組合壓氣機(jī)、回流式環(huán)形燃燒室、2級(jí)燃?xì)獍l(fā)生器渦輪和2級(jí)動(dòng)力渦輪結(jié)構(gòu)，單軸前動(dòng)力輸出布局，如圖2所示。模塊化結(jié)構(gòu)大大降低了阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)成本和研制周期，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)極高的可靠性。壓氣機(jī)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(jìn)口導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)單緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠在實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)的同時(shí)減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量；燃?xì)獍l(fā)生器渦輪采用全新的鑄造單晶葉片材料，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更長(zhǎng)的壽命和更大的功率增長(zhǎng)裕度；動(dòng)力渦輪采用保守的溫度和應(yīng)力水平設(shè)計(jì)，從而保證其具有長(zhǎng)壽命；性能先進(jìn)的雙通道全權(quán)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(qiáng)度，使駕駛更加簡(jiǎn)單；新設(shè)計(jì)的附件齒輪箱結(jié)構(gòu)能夠顯著減少外部管路結(jié)構(gòu)數(shù)量；進(jìn)氣采用了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠的進(jìn)口粒子分離器，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)不受沙塵侵害；外部的機(jī)匣全部采用了氧化鋁或不銹鋼等抗腐蝕材料，以適應(yīng)海洋環(huán)境。

經(jīng)過Tech 3000項(xiàng)目的充分驗(yàn)證，大量增材制造技術(shù)在阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)系統(tǒng)的全新進(jìn)口導(dǎo)葉系統(tǒng)和擴(kuò)壓導(dǎo)葉系統(tǒng)等。另外，阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)與賽峰集團(tuán)新開發(fā)的混合動(dòng)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)處于停車或慢車狀態(tài)，當(dāng)要求提高功率時(shí)，在電機(jī)的作用下發(fā)動(dòng)機(jī)可在10s內(nèi)快速起動(dòng)，并自動(dòng)提升至最大功率。

圖2 阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

正是由于采用了緊湊型設(shè)計(jì)、新材料和先進(jìn)制造技術(shù)，以及多年的技術(shù)積累和驗(yàn)證，阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)才具有出色的功率重量比、可靠的性能，特別是在海上運(yùn)輸、搜救、消防或軍事運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境惡劣的應(yīng)用場(chǎng)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(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

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

RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)

RTM322 發(fā)動(dòng)機(jī)是由羅羅公司和透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司）聯(lián)合開發(fā)的大型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，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(gè)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)產(chǎn)品的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)支持。RTM322主要是針對(duì)AH-64阿帕奇直升機(jī)和UH-60“黑鷹”直升機(jī)的選發(fā)項(xiàng)目，與GE公司的T700發(fā)動(dòng)機(jī)和普惠加拿大公司的PW100發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。RTM322系列發(fā)動(dòng)機(jī)功率范圍為1566～1951kW，于1992年獲得了首個(gè)訂單，裝備44架英國皇家海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的AW101直升機(jī)，并于1998年開始服役。目前有超過1100臺(tái)RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)正在服役，裝備60%的AW101直升機(jī)和80%的NH90直升機(jī)，積累了超過100萬飛行小時(shí)。

T700/ CT7發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司的T700/CT7系列是一個(gè)渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)家族，功率范圍為1100～2200kW。該系列發(fā)動(dòng)機(jī)從1967年開始研制，1973年首次進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，1974年首飛，1978年投產(chǎn)。第一款型號(hào)為T700-GE-700，采用5級(jí)軸流+1級(jí)離心壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、2級(jí)燃?xì)獍l(fā)生器渦輪和2級(jí)自由渦輪結(jié)構(gòu)，最大功率1210kW，首先被用于“黑鷹”直升機(jī)和阿帕奇直升機(jī)。CT7是T700的民用版發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)。T700/CT7系列發(fā)動(dòng)機(jī)到目前為止，已經(jīng)發(fā)展出了多達(dá)35個(gè)軍民用渦軸、渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，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(zhēng)、惡劣環(huán)境以及高要求的客運(yùn)服務(wù)的考驗(yàn)，總累積超過4000萬飛行小時(shí)。

表1 阿內(nèi)托同級(jí)別渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

T901發(fā)動(dòng)機(jī)

2019年2月1日，GE公司宣布其T901發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案擊敗了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司（霍尼韋爾公司和普惠公司的合資公司）T900雙軸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案，贏得了美國陸軍改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)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(jìn)渦輪計(jì)劃的目的是研制和取證一型先進(jìn)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，替代現(xiàn)役配裝“黑鷹”和阿帕奇直升機(jī)的T700-701D 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，在未來30年或更久的時(shí)間內(nèi)保持這些直升機(jī)的作戰(zhàn)能力。其最終發(fā)展目標(biāo)為：研發(fā)一型尺寸與T700發(fā)動(dòng)機(jī)相同、質(zhì)量為204kg、功率為2237kW的發(fā)動(dòng)機(jī)，與現(xiàn)役基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，功率提高50%、耗油率降低25%、功重比提高65%、壽命延長(zhǎng)20%以及生產(chǎn)和維修成本降低20%～35%。

VK-2500M發(fā)動(dòng)機(jī)

VK-2500 發(fā)動(dòng)機(jī)（圖3所示）是俄羅斯克里莫夫設(shè)計(jì)局在TV3-117VMA 發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上合作發(fā)展的一種自由渦輪式單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。VK-2500發(fā)動(dòng)機(jī)于2000年進(jìn)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(shè)計(jì)局就開始研制VK-2500M發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一款全新的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，而非VK-2500批生產(chǎn)型的改進(jìn)型。VK-2500M發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛功率為1939kW，極限功率為2200kW，比VK-2500功率更高。同時(shí)，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(gòu)支持外場(chǎng)維修。據(jù)估計(jì)，VK-2500M型將在2023年隨高速軍用直升機(jī)同時(shí)取證，未來VK-2500M發(fā)動(dòng)機(jī)還將用于改進(jìn)的米-28N和卡-52直升機(jī)。

由于俄羅斯在90年代的經(jīng)濟(jì)發(fā)展停滯，其發(fā)動(dòng)機(jī)的研制不管是在時(shí)間進(jìn)度上還是性能指標(biāo)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)水平。法國阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃于2019年年底適航取證，其研發(fā)進(jìn)度略快于美國的T901發(fā)動(dòng)機(jī)（計(jì)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(dòng)機(jī)的輸出功率，其目標(biāo)耗油率也具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖3 VK-2500發(fā)動(dòng)機(jī)

圖3 萊昂納多AW189K直升機(jī)

阿內(nèi)托發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)對(duì)象

AW189K直升機(jī)

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(jī)，選用賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的兩臺(tái)1864kW的阿內(nèi)托 1K渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。截至2018年10月，AW189K原型機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了90個(gè)架次，累計(jì)105h的飛行測(cè)試，正在穩(wěn)步推進(jìn)并計(jì)劃在2019年末獲得認(rèn)證。相比GE公司的CT7發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)阿內(nèi)托 1K發(fā)動(dòng)機(jī)的功率高出372kW，使得AW189K直升機(jī)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(jī)平臺(tái)的作用，不僅適用于遠(yuǎn)程海上運(yùn)輸和救援，還可以進(jìn)行貴賓運(yùn)輸、消防和各種準(zhǔn)軍事作業(yè)。

圖4 RACER驗(yàn)證機(jī)

RACER驗(yàn)證機(jī)

高速且經(jīng)濟(jì)高效旋翼機(jī)（Rapid And Cost-Effective Rotorcraft， RACER）驗(yàn)證機(jī)，是空客直升機(jī)公司在X-3高速復(fù)合直升機(jī)驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)上，聯(lián)合眾多合作伙伴，在歐洲“清潔天空2”（Clean Sky 2）的計(jì)劃下，發(fā)展出的面向未來的新一代高速型復(fù)合直升機(jī)演示驗(yàn)證機(jī)，其設(shè)計(jì)的巡航速度達(dá)到400km/h，比傳統(tǒng)直升機(jī)快50%?？湛椭鄙龣C(jī)公司在2017年6月的巴黎航展上首次公開了RACER驗(yàn)證機(jī)，2018年2月，2206kW的阿內(nèi)托 1X發(fā)動(dòng)機(jī)被選為其動(dòng)力裝置。相比最初選擇的RTM322發(fā)動(dòng)機(jī)，阿內(nèi)托 1X在相同功率下的緊湊程度提高了25%。RACER驗(yàn)證機(jī)原型機(jī)計(jì)劃于2019年第四季度進(jìn)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(yàn)證機(jī)、俄羅斯的軍用高速直升機(jī)項(xiàng)目等，對(duì)大功率、高功重比渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(jí)民用多用途直升機(jī)及軍用武裝直升機(jī)、運(yùn)輸直升機(jī)等市場(chǎng)發(fā)揮主力作用外，2000kW級(jí)別的高性能渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)強(qiáng)國競(jìng)相對(duì)其加緊研制的重要原因。