三軸自由渦輪式大功率渦軸發(fā)動機的壓比分配研究

黃慶 邱江 鐘櫚

【摘? 要】本文闡述了大功率渦軸發(fā)動機方案設計中整機布局選擇三軸自由渦輪式布局的理由，并對這種布局的高、低壓壓氣機壓比分配問題進行了分析研究。完成了不同壓比分配對整機性能的影響分析，對其中的兩組壓比分配方案進行了結構可行性研究。發(fā)現(xiàn)低壓壓比較高的方案雖然具有較顯著的耗油率優(yōu)勢，但發(fā)動機結構不一定可行。壓比分配需要綜合權衡耗油率、結構可行性等諸多因素。

【關鍵詞】大功率;三軸自由渦輪式;渦軸發(fā)動機;壓比分配

Study on Compressor Pressure Ratio Distribution of Three-shaft Free-turbine High Power Turboshaft Engine

Authors：Huang Qing Qiu Jiang Zhong Lv

Presiding reviewer：

AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou? China 412002

Abstract：This paper expounds the reason why three-shaft free-turbine layout is chosen in the scheme design of high power turboshaft engine，and analyses the distribution of HP and LP compressor pressure ratio of this layout.The influence of different compressor pressure ratio distribution on the whole engine performance was analyzed，and the? structural feasibility of two feasible compressor pressure ratio distribution scheme was studied.It is found that the scheme with higher LP compressor pressure ratio has obvious advantage of fuel consumption rate，but its structure is not always feasible.Compressor pressure ratio distribution needs to comprehensive weigh many factors such as SFC，structural feasibility and so on.

Key words：high power;three-shaft free-turbine;turboshaft engine;compressor pressure ratio distribution

重型直升機具有重要而獨特的作用，是大國在國防和國民經濟建設中的戰(zhàn)略性裝備，能發(fā)揮突出的軍事效能并創(chuàng)造巨大的社會效益和經濟效益。本文針對大功率渦軸發(fā)動機方案設計過程中遇到的發(fā)動機結構布局選擇問題和由此帶來的三軸自由渦輪形式布局發(fā)動機的高、低壓壓氣機壓比分配問題進行研究分析。

分析表明壓比分配的選擇不能單純追求低耗油率，還需考慮材料、強度、技術儲備、整機結構可行性等約束條件。在綜合權衡發(fā)動機性能先進性、結構可行性后，才能最終確定合理的壓比分配。

1 發(fā)動機結構布局形式選擇

1.1國外大功率渦軸/渦槳/槳扇發(fā)動機發(fā)動機常用結構布局形式

目前世界上用于重型直升機的渦軸發(fā)動機僅有美國和烏克蘭少數幾家公司研制的幾個型號，即裝備CH-47“支奴干”的T55系列發(fā)動機、裝備CH-53的T64系列發(fā)動機、裝備V-22的T406發(fā)動機以及裝備米-26的D-136發(fā)動機等。分析現(xiàn)役和在研的大功率渦軸/渦槳/槳扇發(fā)動機的結構形式可知，功率量級超過5000kW后，現(xiàn)役大功率渦軸發(fā)動機僅有D-136發(fā)動機，結構形式為雙轉子燃氣發(fā)生器加自由渦輪后輸出的三軸自由渦輪式;現(xiàn)役大功率渦槳和槳扇發(fā)動機，如TP400-D6和D-27的燃氣發(fā)生器也采用雙轉子結構。

1.2單、雙轉子燃氣發(fā)生器布局的比較

通常，雙轉子三軸布局相比單轉子雙軸布局有以下優(yōu)點：

（1）起動扭矩更低，起動雙轉子三軸發(fā)動機的扭矩/能量約為同功率級單轉子雙軸發(fā)動機的一半;

（2）在相同的外廓尺寸下，功率增長潛力更大;

（3）高壓轉子轉動慣量低約一半以上，具有更好的加速性。

考慮目前大功率渦軸發(fā)動機的研制技術儲備，總壓比在21～25之間時，雙轉子三軸布局的發(fā)動機結構形式還具有壓氣機效率指標更容易達到、喘振裕度更高（各轉子在各自最佳轉速下運轉）的優(yōu)勢。

1.3 結構布局的確定

重型直升機所需動力的功率量級非常高，采用雙轉子燃氣發(fā)生器布局的做法與國際上超大功率發(fā)動機的布局一致。出于降低研制風險、縮短研制周期的考慮，大功率渦軸發(fā)動機結構布局選擇三軸自由渦輪式。

選定三軸構型后，高、低壓壓氣機壓比的分配非常關鍵，因為它不僅影響高、低壓壓氣機的結構形式，也影響著高、低壓渦輪的性能和結構設計。

2 壓比分配對整機性能的影響

2.1 對設計點整機性能的影響

這里定義高、低壓壓氣機壓比的比值系數R=π/π，代表不同的壓比分配。其中π為高壓壓比、π為低壓壓比。

首先采取下述方法使得不同壓比分配條件下，壓氣機、渦輪的部件技術水平一致，氣動設計難度相當。分析時保持高、低壓壓氣機多變效率及渦輪前溫度不變，同時保持進氣道、壓氣機過渡段、渦輪級間過渡段和排氣段總壓損失不變的前提下，壓氣機總壓比保持不變，采用Gasturb軟件對發(fā)動機在不同的高、低壓壓氣機壓比分配時的性能變化進行了多輪迭代計算。計算時結合渦輪部件Smith圖，并考慮冷氣參混修正等因素，匹配使用不同渦輪膨脹比對應的渦輪效率值，見圖1。

在此基礎上分析不同的壓比組合對設計點性能的影響，見圖2。圖中可見Rπ=0.5附近有較優(yōu)值，該壓比分配可獲得功率較大而耗油率較低的好處。

壓比分配對設計點的耗油率影響在3.5%以內，但是在節(jié)流很高的小狀態(tài)，對耗油率的影響則較為顯著，詳見下文分析。

2.2 對節(jié)流狀態(tài)耗油率的影響

2.2.1壓比分配對耗油率的影響機理

蘇聯(lián)尤·阿·李特維諾夫和弗奧·鮑羅維克所著《航空渦輪噴氣發(fā)動機的特性和使用性能》中 “巡航狀態(tài)燃料消耗率隨發(fā)動機結構形式的變化關系”章節(jié)中提到，“對雙轉子發(fā)動機來說，采用專門的方法，在節(jié)流程度很高的狀態(tài)使高壓、低壓壓氣機的工作協(xié)調一致，高壓級的轉速同最佳效率相應的轉速相差很小，就能使燃料消耗率最小?！?/p>

不難理解，燃油在核心機內燃燒，燃油消耗主要受高壓級影響。在小狀態(tài)節(jié)流時，高壓級的轉速同最佳效率相應的轉速相差越小，則高壓級的效率越高，燃燒效率也較高，因此耗油率越低。

2.2.2對耗油率的影響程度

分析高低壓壓比的比值R對耗油率的影響時，維持總壓比不變，高、低壓壓氣機多變效率不變。當R從0.4變到2.0時，高壓渦輪膨脹比由2.0變到2.8，低壓渦輪膨脹比由2.1變到1.5，變化范圍不大。相比壓氣機，渦輪的高效區(qū)可維持在寬得多的范圍，小范圍的膨脹比變化對效率的影響不是主要矛盾，因此本輪計算時簡化并忽略了渦輪的效率變化。

通過計算海平面、標準大氣條件下的節(jié)流特性，取3組R分析，得到R對高壓級換算轉速的影響見圖3，從圖中可見，R越?。ǖ蛪褐馗邏狠p），高壓級換算轉速變化量越小。

計算得到的R對同功率下耗油率的影響見圖4，從圖4可知在大狀態(tài)，R的影響較小。但小狀態(tài)時，明顯看出R=0.5時，耗油率最低。例如10%功率狀態(tài)下，R=0.5時的耗油率比R=2.0時低11%。也就是R越?。ǖ蛪褐馗邏狠p），高壓級轉差越小，耗油率越低，這個結果與上述機理分析相符。

從上述分析可知，當高壓壓比較小、低壓壓比較大時，耗油率可以較低。但實際發(fā)動機設計中不僅考慮性能優(yōu)異程度，還需要考慮技術風險、成本、可行性等諸多約束條件。因部件詳細設計時需要耗費大量資源，不可能對任意的壓比分配方案進行研究。在現(xiàn)有技術能力的前提下，本文對較有可行性的兩組壓比分配方案進行了結構可行性研究。

3壓比分配對結構可行性的影響

3.1對壓氣機結構設計的影響

為降低發(fā)動機研制風險，優(yōu)先選擇有技術基礎、風險較低的壓氣機方案。在此原則上確定兩組壓比分配方案分別為方案A：R≈0.45和方案B：R≈0.75。方案A主要是在某大功率渦槳（R≈0.62）基礎上改進研制，采用低壓加級的方式，低壓壓比更高。方案B則參考另一型發(fā)動機，采用低壓壓氣機相似放大，高壓壓氣機壓比增加并重新設計的方式。

兩組壓比分配方案的壓氣機氣動設計均可滿足總體指標。其中方案A的低壓壓比較高，氣動穩(wěn)定性設計更困難，需要同時采用導葉可調和放氣等防喘設計;并且零件加工困難，影響試驗進度。而方案B的低壓壓比相對較低，只需采用放氣作為防喘措施，高壓壓氣機的設計也有技術儲備，成功的可能性更高。

3.2對渦輪的影響

對方案A進行詳細方案設計中，發(fā)現(xiàn)存在如下問題：

（1）低壓渦輪效率相比總體要求偏低;

（2）低壓渦輪盤強度設計難度大;

（3）動力渦輪流道高，與燃氣渦輪整個流道不協(xié)調;

（4）動力渦輪氣動軸向力大，現(xiàn)有軸承無法滿足需求。

而方案B的渦輪設計技術難度比方案A小，技術風險較為可控，可行性更好。有如下優(yōu)勢：

（1）燃氣渦輪尺寸設計約束較少，較易實現(xiàn);

（2）高壓渦輪的載荷系數和流量系數在Smith圖反應的渦輪氣動效率與現(xiàn)有大功率發(fā)動機相當，技術風險小;

（3）燃氣渦輪流道與動力渦輪流道協(xié)調性更好，動力渦輪設計難度有所下降。

3.3對轉子動力學的影響

兩組壓比分配方案的支承方式均借鑒參考了目前在研的雙轉子三軸自由渦輪式發(fā)動機，具有較強的結構設計基礎，其轉子動力學特性與參考發(fā)動機相似，其振型為一階平動、二階擺動、三階彎曲。

其中，方案A的低壓轉子設計思路是在某大功率渦槳發(fā)動機低壓轉子基礎上，增加一級軸流壓氣機，前、中支點跨距增加約150mm，中、后支點跨距保持不變，由于原型發(fā)動機本身低壓轉子三階臨界轉速（彎曲）裕度不大，考慮到低壓壓氣機加級后勢必會帶來轉子跨距增大、壓氣機質量增加等問題，對轉子動力學特性帶來不利影響，通過計算發(fā)現(xiàn)其三階臨界裕度偏低（裕度下降約40%），不滿足臨界裕度的設計要求。

相較于方案A，由于方案B的低壓壓氣機級數更少，其前、中支點跨距比方案A的跨距短。而且方案B壓氣機盤的總質量也比方案A要輕。在同樣支點剛度組合下，方案B三階臨界裕度能夠滿足設計要求。因此，方案B有更好的轉子動力學特性，同時也能縮短發(fā)動機軸向長度。

綜合上述分析可知，雖然方案A的性能更優(yōu)，但是結構可行性卻不如方案B。

4 結論

本文闡述了大功率渦軸發(fā)動機方案中整機布局選擇三軸自由渦輪式布局的理由，并對這種布局帶來的高、低壓壓氣機壓比分配問題，從性能優(yōu)異程度和結構可行性兩方面進行了分析研究?？蔀閷砥渌p轉子三軸自由渦輪式發(fā)動機研制提供一定的技術參考。結論如下：

（1）雙轉子發(fā)動機壓比分配時，低壓壓比較大時可以獲得較低的耗油率。

（2）合理的壓比分配方案由性能優(yōu)異程度與結構可行性等因素決定。

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