渦槳發(fā)動機典型結(jié)構(gòu)特點及發(fā)展分析

覃華斌 唐偉員 譚元球

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦槳發(fā)動機是一種通過由動力渦輪發(fā)出功率驅(qū)動螺旋槳，使螺旋槳產(chǎn)生拉力（或推力）的航空動力裝置，由于耗油率低，中低速性能好，渦槳發(fā)動機被廣泛應(yīng)用在支線客機、軍民用運輸機和通用飛機上。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，大量先進氣動/結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、新材料、新工藝等在發(fā)動機上得以應(yīng)用，發(fā)動機將向著高熱力循環(huán)參數(shù)、高可靠性、低成本方向發(fā)展，應(yīng)用范圍更加廣闊。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

渦槳發(fā)動機有“綠色動力”的美譽，自1942年英國成功研制第一臺渦槳發(fā)動機以來，渦槳發(fā)動機已有近80年的發(fā)展歷史，早期由于渦槳發(fā)動機振動噪聲大等缺點，其應(yīng)用市場受到渦噴渦扇發(fā)動機的擠壓，隨著螺旋槳設(shè)計制造技術(shù)的進步，渦槳飛機在高亞音速飛行時的推進效率大大提高，噪聲水平大幅度下降，乘坐舒適性也得以改善，渦槳發(fā)動機逐漸在軍民用運輸機上大量使用，如美國C-130“大力神”運輸機（AE2100發(fā)動機），空客軍用中型運輸機A400M（TP400-D6發(fā)動機）等，同時還廣泛用在支線客機、初/中級教練機和偵察/攻擊無人機的動力[1-2]。

隨著技術(shù)的進步，渦槳發(fā)動機不斷發(fā)展，目前已發(fā)展至第四代，發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)有了較大提高，總增壓比超過20，渦輪前溫度達1700K以上，耗油率可降至0.25 kg/（kW·h）甚至更低[3]。典型渦槳發(fā)動機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 典型渦槳發(fā)動機情況

2.典型部件結(jié)構(gòu)特點

中小型渦槳發(fā)動機流量小、轉(zhuǎn)速高，尺寸效應(yīng)明顯，部件選型與渦噴渦扇發(fā)動機有所不同，發(fā)動機壓氣機較多地采用了軸流、離心或軸流-離心組合式結(jié)構(gòu)形式，燃燒室較多地采用了回流和折流的結(jié)構(gòu)形式，渦輪一般為軸流式。

2.1 壓氣機

壓氣機可分為軸流式、斜流式、離心式三種基本結(jié)構(gòu)形式（見圖1），軸流式氣流流動方向與工作輪旋轉(zhuǎn)軸心線的方向基本一致，徑向速度非常小；斜流式是指氣流方向和旋轉(zhuǎn)軸成一傾斜角；離心式是指氣流方向沿著半徑方向或接近于半徑方向。

圖1 壓氣機示意圖

軸流式壓氣機單位迎風面積空氣流量大、效率高，缺點是單級增壓比低；離心式壓氣機單級增壓比高，穩(wěn)定工作范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、轉(zhuǎn)子剛性好、維修性好，缺點是單位迎風面積的空氣流量小、效率相對較低。斜流壓氣機兼有軸流壓氣機的小迎風面積、高效率特性及離心壓氣機的單級增壓比高、工作穩(wěn)定性好的特點。

2.2 燃燒室

燃燒室構(gòu)型受上游壓氣機出口截面和下游高壓渦輪進口截面尺寸的影響，由于最后一級壓氣機多采用離心壓氣機，使得壓氣機部件出口徑向高度高于渦輪進口，這種進、出口布置使發(fā)動機燃燒室的結(jié)構(gòu)形式更加多樣化。

通常機燃燒室有回流燃燒室、直流燃燒室、折流燃燒室三種結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖2 發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)布局類型

隨著設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，燃燒室不斷向高溫升、高容熱強度以及長壽命等方向發(fā)展，主要特點如下：

（1）從單管燃燒室、環(huán)管燃燒室，發(fā)展到目前廣泛使用的環(huán)形燃燒室，結(jié)構(gòu)越來越緊湊；

（2）使用更好的耐溫材料，如陶瓷基復(fù)合材料、隔熱涂層等，燃燒室壽命越來越高，先進渦槳燃燒室的使用壽命在10000h以上；

（3）從最初的對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻，發(fā)展到發(fā)散冷卻、Z型環(huán)冷卻、各種復(fù)合冷卻（沖擊+氣膜、沖擊+發(fā)散、沖擊+Z型環(huán)以及浮動壁等）、多層孔板。

2.3 渦輪

渦輪部件工作環(huán)境惡劣、零件數(shù)多、加工制造工藝復(fù)雜，是影響發(fā)動機性能、可靠性、強度壽命的主要部件。渦輪多采用軸流結(jié)構(gòu)，一般由燃氣渦輪和動力渦輪兩部分組成。通常燃氣渦輪葉片的均為冷卻式結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔冷卻流路復(fù)雜（見圖3）。

圖3 渦輪工作葉片示意圖

渦輪大量應(yīng)用復(fù)合傾斜葉片、復(fù)雜高效冷卻結(jié)構(gòu)、被動間隙控制、刷式封嚴等先進設(shè)計技術(shù)；同時大量應(yīng)用單晶材料、多聯(lián)冷卻導向葉片精密鑄造、導向器整體精密鑄造、深孔加工等先進材料和工藝技術(shù)。

2.4 減速器

減速器是渦槳發(fā)動機的特有部件，通過減速齒輪齒數(shù)的合理組合，匹配發(fā)動機轉(zhuǎn)子和螺旋槳/旋翼的轉(zhuǎn)速，使之在各自適合的轉(zhuǎn)速下工作。同時，減速器還可為飛機附件（如交流發(fā)電機、液壓泵等）和螺旋槳附件（如槳距控制單元等）提供必要的驅(qū)動力或安裝接口。

減速器的傳動形式多種多樣，如羅·羅公司的AE2100、GE公司的T56、歐洲的TP400-D6等發(fā)動機的減速器采用簡單+行星/星形傳動；普惠公司的PW100發(fā)動機減速器采用兩級兩路分流傳動；烏克蘭的D-27、俄羅斯的NK-12發(fā)動機減速器采用差動傳動。

按照減速器輸入/輸出布局，可分為同軸式和偏置式兩類。同軸式與偏置式各有優(yōu)缺點：

（1）同軸式結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，裝于發(fā)動機前端或后端，迎風面積小，裝于飛機頭部時，對飛機氣動性能影響較小。偏置式外廓尺寸大、重量重、迎風面積較大，不利于裝于飛機頭部，適合裝于飛機兩側(cè)機翼；

（2）同軸式外部空間有限，不利于排布飛機附件和螺旋槳附件。偏置式外部空間可為飛機附件和螺旋槳附件提供安裝空間；

（3）同軸式減速器上的螺旋槳離地間隙較小，槳葉直徑受到一定限制。采用上偏置式減速器，槳葉直徑可設(shè)計更大，能有效提供螺旋槳負載；

（4）同軸式采用多個星輪/行星輪，分流路徑更多，承載能力更大。

3.發(fā)展方向

與其他類型發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展相似，未來渦槳發(fā)動機將向高性能（高壓比、高渦輪前溫度、低油耗）、高可靠性、低全壽命期成本發(fā)展。

3.1 部件技術(shù)發(fā)展

基于傳統(tǒng)構(gòu)型發(fā)動機發(fā)動機，為獲得發(fā)動機更高的熱力循環(huán)參數(shù)，需要提高壓氣機和渦輪效率，提高壓比和渦輪前溫度，為此需要發(fā)展耐溫更高的材料（鎳/鋁金屬間化合物、陶瓷基復(fù)合材料），發(fā)展更先進的耐溫涂層及先進的冷卻方式等。

壓氣機：采用斜流加離心或雙級離心組合壓氣機，全三維黏性氣動設(shè)計，葉片盤采用重量輕、強度大、不易疲勞破壞、抗損傷能力強的非金屬復(fù)合材料，采用抗砂塵沖蝕涂層，氮化鈦涂層在T64、T700發(fā)動機上已得到大規(guī)模應(yīng)用，并將推廣應(yīng)用到新研GE38和HPW3000等多型發(fā)動機上。

燃燒室：采用先進材料、在火焰筒上等離子噴涂陶瓷，提高火焰筒耐高溫能力，美國NASA和軍方已合作研制出一種能承受1922K高溫的燃燒室火焰筒，通過金屬基體噴涂陶瓷的方式來解決耐高溫問題，比與傳統(tǒng)氣膜冷卻減少80%冷氣；采用先進燃油噴嘴，減少燃燒室積碳與冒煙。

渦輪：更高的進口溫度、更大的膨脹比、更少的級數(shù)。發(fā)展更加耐高溫的材料（鎳/鋁金屬間化合物、陶瓷基復(fù)合材料）、發(fā)展更有效的渦輪冷卻技術(shù)（蒸發(fā)冷卻）。

控制系統(tǒng)：全權(quán)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)，采用光電敏感元件、高溫電子設(shè)備和靈活的控制邏輯；具有包括對航空發(fā)動機的故障診斷、健康管理在內(nèi)的機載診斷功能，及復(fù)雜的多變量綜合控制功能（飛發(fā)一體化控制）。

3.2 新概念發(fā)動機

國外在進一步發(fā)展傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機技術(shù)的同時，正在探索發(fā)展新概念發(fā)動機，如多點/全電發(fā)動機、開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機等。

（1）全電發(fā)動機。全電發(fā)動機將全面優(yōu)化發(fā)動機結(jié)構(gòu)，從而改善性能、減輕重量、提高可靠性并降低壽命期費用。全電發(fā)動機以支承發(fā)動機轉(zhuǎn)子的非接觸式電磁軸承和發(fā)動機軸上安裝的內(nèi)裝式整體起動/發(fā)電機為核心，配以分布式電子控制系統(tǒng)，為發(fā)動機各系統(tǒng)提供電力驅(qū)動。發(fā)動機可取消傳統(tǒng)的接觸式滾動軸承、潤滑系統(tǒng)和機械（液壓、氣壓）作動系統(tǒng)，大大減輕重量和復(fù)雜性，改善可靠性和維修性，降低成本。利用磁浮軸承可減少振動，并對葉尖間隙進行主動控制。

（2）脈沖爆震發(fā)動機。利用爆震燃燒室替代傳統(tǒng)發(fā)動機燃燒室，可實現(xiàn)發(fā)動機循環(huán)從定壓向定容的轉(zhuǎn)變，循環(huán)效率顯著提升，可大幅提高發(fā)動機單位功率，降低耗油率，同時由于爆震燃燒室自增壓特性可減少壓氣機、渦輪級數(shù)，提高功重比，滿足未來高性能直升機對動力裝置的需求。

（3） 開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機。開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機也稱槳扇發(fā)動機或無涵道風扇（UDF）發(fā)動機，是介于渦扇發(fā)動機和渦槳發(fā)動機之間的一種渦輪發(fā)動機，既可看作帶先進高速螺旋槳的渦槳發(fā)動機，又可看作無外涵道的超高涵道比渦扇發(fā)動機。槳扇發(fā)動機有著渦槳發(fā)動機優(yōu)越的低速性能，而且比渦槳發(fā)動機飛得更快，同時又有堪比渦扇發(fā)動機的高速性能，比渦扇發(fā)動機省油25%～40%，是目前發(fā)動機的重要研究方向。

4.結(jié)語

隨著渦槳發(fā)動機應(yīng)用市場的復(fù)蘇，世界各國紛紛加大渦槳發(fā)動機的研發(fā)投入，在不斷提高發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)、經(jīng)濟型、可靠性的同時，積極探索新技術(shù)、新概念發(fā)動機的預(yù)先研究工作。隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，相信在不久的將來會有更多技術(shù)先進、應(yīng)用范圍廣的渦槳發(fā)動涌現(xiàn)，進一步拓展渦槳發(fā)動機的應(yīng)用領(lǐng)域。