M250發(fā)動機發(fā)展之路

■ 王士奇 / 中國航發(fā)研究院 劉子娟/中國航發(fā)動研所

（王士奇，中國航發(fā)研究院，工程師，從事航空發(fā)動機總體性能工作）

羅羅公司于2019年宣布，其基于M250型發(fā)動機發(fā)展而來的、面向下一代航空動力的混合電推進動力系統(tǒng)成功完成了地面測試，向2021年實現(xiàn)試驗飛行的目標跨出了一大步。從1961年首飛算起，M250系列發(fā)動機在歷經(jīng)60年磨礪之后，又在新一輪動力變革浪潮中擔起重任。

最初由美國艾利遜公司研發(fā)生產(chǎn)的M250系列發(fā)動機，包含了渦軸和渦槳兩種發(fā)動機，輸出功率為184～526kW，其民用渦軸型編號為M250-C，軍用渦軸型編號為T63或T703，渦槳型編號為M250-B。1994年，艾利遜公司被羅羅公司收購后，M250型發(fā)動機也被羅羅公司納入其產(chǎn)品線。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了RR300型渦軸發(fā)動機。

圖 1 M250-C20發(fā)動機剖面結(jié)構(gòu)

M250發(fā)動機的研發(fā)背景

M250發(fā)動機的需求最初是由美國陸軍于1957年在美國國家航空咨詢委員會（NACA）會議上提出的，希望獲得一型功率為184kW（250hp）的燃氣渦輪發(fā)動機。這項需求是基于美國陸軍在1956年進行的一系列研究，以及對未來飛機需求的評估后提出的。美國陸軍認為，針對這樣一種輕型直升機，采用功重比更高的燃氣輪機是非常必要的。

除了艾利遜公司之外，當時參與競爭的還蓋瑞（Garrett）公司、寇 蒂 斯-萊 特（Curtiss Wright）公司、特里達因大陸發(fā)動機（Tridane Continental Engines）公司和萊康明（Lycoming）公司。艾利遜公司于1958年3月正式提交了其設(shè)計方案，并于同年6月贏得了生產(chǎn)250臺T63軍用發(fā)動機的合同。

在進行一系列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能改善、耐久性測試以及多工況飛行測試工作后，T63-A-5發(fā)動機在1962年12月獲得到了軍方的型號批準，其民用型號250-C10也通過了美國聯(lián)邦航空局（FAA）的適航認證。T63-A-5發(fā)動機被指定為輕型偵察直升機（LOH）項目的動力裝置安裝在3款候選直升機上，即貝爾公司的YOH-4A、席勒（Hiller）公司的YOH-5A和休斯飛機（Hughes Aircraft）公司的YOH-6A。1965年5月，休斯飛機公司贏得了陸軍的合同，并于1966年開始交付OH-6直升機。1968年，美國陸軍又重新安排了LOH競賽，貝爾公司的OH-4A勝出，即后來著名的OH-58A基奧瓦直升機。這兩款軍用直升機在越南戰(zhàn)場上的大量使用，為T63系列發(fā)動機的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。隨著采用M250-C18發(fā)動機的貝爾206A直升機（民用型OH-58A）和休斯500直升機（民用型OH-6）的成功，M250C系列發(fā)動機幾乎獨占了輕型渦輪發(fā)動機市場。

隨后，艾利遜公司開始研究M250發(fā)動機的II系列，并于1970年5月通過了認證。在隨后的幾十年中，它又繼續(xù)發(fā)展出了許多衍生型號，以及具有增強和改進功能的III系列和IV系列。到20世紀80年代后期，T63 /M250已在歐美國家中占領(lǐng)了80%的輕型渦輪發(fā)動機市場份額。羅羅公司收購艾利遜公司之后，仍在不斷地對M250系列發(fā)動機進行改進。

M250發(fā)動機設(shè)計特點

M250發(fā)動機采用了獨特的回流式布局結(jié)構(gòu)：齒輪箱位于發(fā)動機的中部，壓氣機組件用螺栓安裝在齒輪箱的前面，渦輪和燃燒室組件（包括排氣罩）與其后表面相連（典型的剖面結(jié)構(gòu)如圖 1所示）。在這種布局下，氣流以傳統(tǒng)方式從前方進入集氣和壓縮系統(tǒng)，壓縮后的高壓氣體從離心壓氣機的擴壓器流出后，通過一個長擴壓管道進入發(fā)動機后部的燃燒室內(nèi)，高溫高壓的燃氣從燃燒室流出后進入高壓渦輪段，此時的氣流方向已經(jīng)改變了180°。兩級高壓渦輪（早期型號為單級）通過高壓軸與壓氣機相連接，燃氣繼續(xù)通過兩級動力渦輪產(chǎn)生軸功率。用同心軸連接動力渦輪和減速箱，減速機構(gòu)位于離心壓氣機和排氣/動力渦輪系統(tǒng)中間位置。從動力渦輪后排出的氣體折轉(zhuǎn)90°后，通過兩個V字形的排氣管道沿徑向排出發(fā)動機。

M250發(fā)動機獨特的機械布局有諸多優(yōu)勢：減速器鑄件是發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)件,固定在安裝板上；壓氣機以及渦輪/燃燒室組件均用螺栓與減速器相連，方便使用和維護；燃燒室位于發(fā)動機的后部也很容易拆卸。另外，選擇中部減速器，而未將功率傳動軸放在壓氣機前部有兩個原因：該發(fā)動機有渦槳和渦軸兩種形式，對渦槳型來說，需要將螺旋槳減速器置于壓氣機前部；而且，前部功率傳動需要動力軸與壓氣機同軸運轉(zhuǎn)，中部減速器的垂直功率提取裝置比同心軸的設(shè)計要簡單。

M250發(fā)動機的系列化發(fā)展

在保持上述布局結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，M250型發(fā)動機共發(fā)展了4個系列（不同型號的取證年份和起飛功率分布如圖 2所示）。

圖 2 M250型系列發(fā)動機圖譜

I系列是最早發(fā)展的型號，其渦軸型的功率為186～236kW。I系列渦槳發(fā)動機主要是236kW的M250-B15G型，用于賽斯納飛機和比奇飛機的活塞式發(fā)動機替換。該系列發(fā)動機采用的是“6級軸流+1級離心”的組合壓氣機結(jié)構(gòu)，在當時的技術(shù)條件下，艾利遜公司認為只有采用這種壓縮形式，才能達到所需要的6.2∶1的增壓比。

II系列發(fā)動機是在I系列M250-C18的基礎(chǔ)上改型而來的，其渦軸型的功率提高到了294～331kW，主要是為了響應(yīng)軍民用戶對增加發(fā)動機功率、提高可靠性和延長使用壽命的需求。為了提高功率，II系列發(fā)動機通過加大壓氣機直徑，使流量增加了13%；采用了更先進的材料，從而提高了渦輪前溫度。從1971年 到1995年，II系 列 的 渦 軸發(fā)動機共生產(chǎn)了15301臺，II系列的M250-B17/A11渦槳發(fā)動機生產(chǎn)了958臺。此外，艾利遜公司還以國際合作的方式研發(fā)了低成本的M225-C10渦軸/渦槳發(fā)動機并于1987年3月通過適航認證，但該項目后被取消。II系列的發(fā)動機依然采用了組合式壓氣機結(jié)構(gòu)，早期型號為“6級軸流+1級離心”，而后期型號為“4級軸流+1級離心”。

III系列即M250-C28渦軸發(fā)動機，其額定起飛功率為368kW，是艾利遜公司于1972—1973年為滿足商用直升機運營商對加大功率和更高飛行速度的要求而研制的，并于1976年5月通過適航認證。III系列主要對壓氣機進行了重新設(shè)計，由之前的組合壓氣機結(jié)構(gòu)改為了單級離心壓氣機，壓比從之前的6∶1提高到了8∶1，在簡化結(jié)構(gòu)的同時也使性能得到了大幅提升，其空氣流量也比組合壓氣機大。為滿足流量和壓氣機的壓比的增加并提高效率，渦輪的氣動性能也進行了相應(yīng)改進。

IV系列渦軸發(fā)動機是艾利遜公司為滿足輕型直升機功率增加的要求，在M250-C28發(fā)動機的基礎(chǔ)上，于20世紀70年代中期開始研制的，主要包括478kW的M250-C30/-C47系列和526kW的M250-C40系列民用發(fā)動機，以及T703-AD-700軍用型發(fā)動機（民用型為M250-C30R）。M250-C30于1978年3月通過適航認證，T703-AD-700則在1981年7月通過了軍方驗證試驗。為獲得更高的功率輸出，IV系列的單級離心壓氣機進行了重新設(shè)計，以增加發(fā)動機空氣流量。

可以看出，艾利遜公司根據(jù)輸出功率的大小將M250型發(fā)動機分成了4個系列，從I系列發(fā)動機到IV系列發(fā)動機的額定輸出功率是最初的2.8倍，主要的技術(shù)改進包括：對壓氣機進行重新設(shè)計，從軸流-離心組合壓氣機結(jié)構(gòu)改為單級離心式結(jié)構(gòu)，提高了壓比和流量；對渦輪氣動性能做了改進，使渦輪效率提高，同時壓氣機和渦輪的匹配性更好；對渦輪材料作了改進，使渦輪工作溫度提高。

RR300發(fā)動機

60年來，M250系列發(fā)動機發(fā)展了4個系列幾十種型號。為了確保在小功率渦輪發(fā)動機領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，羅羅公司在M250-C20的基礎(chǔ)上研發(fā)了起飛功率為221kW（300hp）的RR300發(fā)動機，并于2008年通過了FAA的適航認證，其在適航文件中的型號為M250-C300/A1，應(yīng)視為II系列中的最新型號。

RR300保持了與M250發(fā)動機相似的外觀和結(jié)構(gòu)，去掉了II系列中的軸流離心組合式壓氣機，代之以IV系列中的單級離心壓氣機，并通過進一步的優(yōu)化設(shè)計，使壓比達到了6.2∶1。目前，RR300的市場定位是替代輕型直升機和通用飛機所用的活塞式發(fā)動機，其主要的裝備對象是羅賓遜R66直升機和貝爾47-GT-6直升機。

目前，羅羅公司在適航文件中將M250重新歸為兩個系列，即其中II系列包含了上述M250-C18/-C20系列和RR300發(fā)動機，如圖 2中紅色型號所示；C28系列包含了III系列和IV系列的相關(guān)型號，如圖 2中的藍色型號所示。

M250與競爭發(fā)動機之間的對比分析

長期以來，M250 / T63發(fā)動機幾乎壟斷了輕型渦輪直升機動力市場（如圖2所示），直到20世紀90年代以后，萊康明公司（現(xiàn)霍尼韋爾公司）的LTS101渦軸發(fā)動機、普惠加拿大公司的PW200系列發(fā)動機和透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機發(fā)動機公司）的阿赫尤系列發(fā)動機才開始在市場上與其III和IV系列發(fā)動機正面交鋒。從結(jié)構(gòu)上來講，這3型發(fā)動機互相之間非常類似，均采用了單級離心壓氣機、回流式燃燒室、單級動力渦輪，以及同心軸功率前置輸出的結(jié)構(gòu)形式，使得發(fā)動機的整體布局更加緊湊。

通過M250-C47發(fā)動機與幾款同年代競品發(fā)動機相關(guān)技術(shù)參數(shù)的比較（見表1）可以看出，競品發(fā)動機的整體尺寸均顯著小于M250發(fā)動機，同時其功率/質(zhì)量比又有明顯提高，這得益于競品發(fā)動機設(shè)計時氣動設(shè)計技術(shù)、材料制造工藝的大幅提高。但這并不意味著M250發(fā)動機的設(shè)計就是落后的，相反，正是這樣的設(shè)計為其保留了充分的改進空間，與主流的設(shè)計指標保持一致。以動力渦輪前溫度為例，3型競品發(fā)動機的均在900℃以上，而M250型發(fā)動機的僅為779℃。這得益于M250發(fā)動機的兩級動力渦輪，相比競品發(fā)動機的單級動力渦輪，具有更強的作功能力。雖然增加了質(zhì)量和長度，但是承受的溫度更低，就能夠大幅降低動力渦輪的成本，并提高其可靠性。

M250發(fā)動機是羅羅公司目前的渦軸產(chǎn)品中，輸出功率最小的發(fā)動機，與之接近的是750 kW功率的Gem發(fā)動機，但是此發(fā)動機的設(shè)計年代過于久遠，目前正在被羅羅公司與霍尼韋爾公司合作研發(fā)的LHTEC T800渦軸發(fā)動機（1100 kW）所替代?；旌想娡七M動力系統(tǒng)被普遍認為有望最早在輕型飛機中實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，其需要的功率約在500 kW～1 MW。采用成熟可靠、性能先進、功率覆蓋范圍適合、市場占有量大且具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的M250型發(fā)動機作為其研發(fā)混合電推進動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，自然而然地成為了羅羅公司的不二選擇。

表1 同年代競品發(fā)動機參數(shù)對比

M250發(fā)動機發(fā)展啟示

M250發(fā)動機獲得如此巨大的成功并不是偶然的，總結(jié)起來有以下幾個因素。

一是低價競爭，獨占市場。當初，在面對輕型渦輪發(fā)動機這個需求巨大，但又充滿不確定性的市場時，公司的決策者就主動向軍方減少發(fā)動機研發(fā)預(yù)算，并單方面補貼研發(fā)費用，以贏得軍方訂單。在產(chǎn)品成功投放市場后，又主動壓低價格，降低利潤，使得后來者難以進入該市場，從而使M250發(fā)動機能夠長期獨霸輕型渦輪發(fā)動機市場。同時，較低的價格又極大地拓展了輕型渦輪發(fā)動機的應(yīng)用市場，并用來替代固定翼通用飛機的活塞式發(fā)動機。

二是修煉內(nèi)功，精進技術(shù)。M250發(fā)動機在設(shè)計之初就提出了較高的設(shè)計指標，以高效率和高功重比成功贏得了軍方的競爭，為實現(xiàn)這些技術(shù)指標做出了很多獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計。雖然市場不斷提出對更高功率和更高效率的需求，但隨著更先進的設(shè)計技術(shù)、制造工藝和加工材料的不斷出現(xiàn)，M250發(fā)動機雖然一直采用的是20世紀50年代的結(jié)構(gòu)布局，但是一直在響應(yīng)市場的需求，吸收和融合各項技術(shù)的發(fā)展，使得其技術(shù)指標一直處于前沿。

三是可靠高效的運行紀錄。在設(shè)計之初，M250發(fā)動機就采用了模塊化設(shè)計，并充分考慮了操作維護的便利性和運行的可靠性，之后又經(jīng)歷了越南戰(zhàn)場環(huán)境的打磨，為高性能和高可靠性的運行紀錄打下了堅實的基礎(chǔ)，并在民用市場的大規(guī)模應(yīng)用中得到了延續(xù)和進一步的驗證。