奮進中的AES100先進民用渦軸發(fā)動機

■ 李概奇 楊銳 王旭 劉青海

中國航發(fā)1000kW級先進民用渦軸發(fā)動機（AES100）于2016年7月立項，目標是利用8.5年的時間，研制出我國第一型完全獨立、自主創(chuàng)新的先進民用渦軸發(fā)動機，基本建立民用渦軸發(fā)動機研發(fā)體系。

作為我國第一型具有國際競爭力和完全自主知識產(chǎn)權(quán)的1000kW級先進民用渦軸發(fā)動機，AES100擁有高效率、低油耗、長壽命、高可靠性、大功率儲備及良好可發(fā)展性，能滿足5 ～6t級雙發(fā)直升機和3 ～4t級單發(fā)直升機的動力需求，市場前景廣闊，對支持國家通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和航空應(yīng)急救援體系建設(shè)，掌握通用航空動力自主發(fā)展權(quán)，提升我國航空發(fā)動機及直升機產(chǎn)業(yè)在國際航空產(chǎn)業(yè)鏈中的地位，積極參與市場競爭具有重要戰(zhàn)略意義。

技術(shù)特點

AES100嚴格按照適航規(guī)章CCAR-33部要求研制，采用了中等熱力參數(shù)、高部件效率及低成本、長壽命、高可靠性技術(shù)路線。

總體布局

AES100具備了當代先進渦軸發(fā)動機氣動和結(jié)構(gòu)布局特征，由“軸流+離心”組合壓氣機、環(huán)形回流燃燒室、雙級燃氣渦輪、雙級動力渦輪、附件傳動等部件以及全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)和健康管理系統(tǒng)組成。發(fā)動機壽命、耗油率等技術(shù)指標達到當代國際同類渦軸發(fā)動機先進技術(shù)水平；發(fā)動機配有獨立的健康管理系統(tǒng)，目標價格與國際同功率級發(fā)動機相當，運營維護成本低，全生命周期經(jīng)濟性好，適航取證后可在我國廣闊領(lǐng)域安全可靠使用。

發(fā)動機性能

AES100先進民用渦軸發(fā)動機總體布局

AES100先進民用渦軸發(fā)動機流場三維仿真示意圖

根據(jù)民機經(jīng)濟性要求高的特點，發(fā)動機須滿足從巡航到起飛狀態(tài)寬廣工作范圍內(nèi)有良好氣動性能和穩(wěn)定性的要求。為此，壓氣機采用了“駝背形”流道、寬弦葉片、“子彈頭”葉型等三維先進氣動設(shè)計，實現(xiàn)了寬轉(zhuǎn)速范圍的高部件效率和喘振裕度。燃燒室創(chuàng)新地采用了多級渦流器和高質(zhì)量小流量霧化噴嘴，獲得了高品質(zhì)的出口溫度場分布。燃氣渦輪導向器采用了彎扭葉片構(gòu)型，工作葉片采用了高效率氣膜冷卻，通過多學科耦合優(yōu)化，獲得了高效率渦輪部件。壓氣機、燃燒室、渦輪等部件高效率設(shè)計，確保了發(fā)動機寬廣工作范圍的低耗油率。

壽命和可靠性

壓氣機采用整體葉片盤，應(yīng)力低、可靠性高；采用了雙級燃氣渦輪結(jié)構(gòu)，既保證了渦輪高氣動效率，又大幅降低了渦輪葉片和輪盤負荷，提高了燃氣渦輪蠕變壽命和低周疲勞壽命；新穎的軸承共腔結(jié)構(gòu)，縮短了發(fā)動機軸向長度，簡化了發(fā)動機構(gòu)型；軸承環(huán)下供油技術(shù)改善了軸承潤滑冷卻效果，提高了軸承壽命；部分零部件采用了整環(huán)結(jié)構(gòu)，無余量整體精密鑄造成形，大幅減少零件數(shù)量；附件傳動機匣采用了管路內(nèi)置和成附件集成化方案，使外部管路減少了50%以上，提高了可靠性。

安全性

發(fā)動機動力渦輪通過葉片脫落包容性設(shè)計，避免因負載丟失導致渦輪破裂擊穿機匣，提高了發(fā)動機安全裕度；采用雙通道全權(quán)限數(shù)字式控制系統(tǒng)和多余度設(shè)計理念，具有燃氣渦輪轉(zhuǎn)速和動力渦輪轉(zhuǎn)速雙重超轉(zhuǎn)保護功能，提升了系統(tǒng)的安全性；燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)以及成附件均采用了防火設(shè)計，確保發(fā)動機在意外失火危險狀態(tài)下的安全。創(chuàng)新研發(fā)了健康管理系統(tǒng)，擁有機載發(fā)動機監(jiān)控裝置（EMU）和地面分析系統(tǒng)兩個部分，具有性能預測，壽命管理，振動診斷，潤滑系統(tǒng)磨屑檢測等功能，可有效地提高使用安全性和維修性。

研制進展

經(jīng)過6年來參研單位的共同努力，AES100項目研制已取得重要進展。

關(guān)鍵技術(shù)

突破了壓氣機和渦輪部件高效率先進氣動葉型、高品質(zhì)燃燒室溫度場控制、高收油效率軸承環(huán)下供油、低振動響應(yīng)軸承共腔等關(guān)鍵技術(shù)；創(chuàng)新開展了結(jié)冰、包容、防火、最大不平衡、吞雨、吸冰、喘振、動應(yīng)力測量等一系列適航關(guān)鍵技術(shù)研究，填補了我國渦軸發(fā)動機適航符合性驗證技術(shù)研究的諸多空白。

AES100為“彩虹”傾轉(zhuǎn)旋翼無人機提供動力（ 攝影：李欣澤 ）

性能

開展了壓氣機、燃燒室、燃氣渦輪等部件多方案性能試驗研究，完成了多臺份發(fā)動機地面臺架性能試驗和多輪次高空臺試驗，驗證了發(fā)動機寬廣疆域和嚴酷環(huán)境下的優(yōu)良性能和工作穩(wěn)定性。試驗結(jié)果表明發(fā)動機部件效率和整機耗油率等氣動性能指標均達到同功率級渦軸發(fā)動機國際先進水平。

壽命

壽命是衡量民用發(fā)動機先進性和經(jīng)濟性的重要指標。目前AES100單臺整機已完成了超過3000h首翻期壽命科研試驗，驗證了發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性和耐久性，為掌握長壽命發(fā)動機的運行規(guī)律和材料工藝穩(wěn)定性積累了寶貴經(jīng)驗。

試制

開展了高集成度進氣機匣和熱端機匣、小尺度復雜結(jié)構(gòu)精密鑄造葉片等關(guān)鍵制造工藝攻關(guān)；實施了低成本工程，通過設(shè)計和制造協(xié)同及工藝優(yōu)化，努力降低制造成本；開展了工業(yè)化鑒定等民機制造符合性工作，確保制造穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

試飛

在完成首飛前各項試驗驗證基礎(chǔ)上， AES100于2021年7月實現(xiàn)雙發(fā)配裝直升機首飛，填補了我國自主創(chuàng)新民用渦軸發(fā)動機飛行試驗的空白，標志著我國民用渦軸發(fā)動機自主研制邁出了堅實的一步。目前正在開展科研試飛工作，以進一步完善飛發(fā)匹配特性。

適航

在中國民航局和中國民用航空適航審定中心的關(guān)心支持下，完成了型號合格證（TC）申請、審定基礎(chǔ)確定，審定計劃制訂及批準等適航相關(guān)工作，目前發(fā)動機已進入適航計劃實施階段，并完成了部分適航驗證工作。在材料適航方面，按適航要求系統(tǒng)開展了渦軸發(fā)動機材料標準編制，材料過程控制和材料性能數(shù)據(jù)測試等開拓性工作，為建立我國民用渦軸發(fā)動機材料適航體系打下了堅實基礎(chǔ)。

發(fā)展前景

AES100的立項研制，將進一步開拓、發(fā)展和完善我國民用渦軸發(fā)動機研發(fā)體系和適航體系，有望未來為我國通用航空動力打造出一張中國民用航空發(fā)動機品牌。

AES100優(yōu)良的綜合性能獲得了多家用戶的青睞，簽訂了合作意向書。2022年7月，與首家先鋒用戶航天科技彩虹公司簽訂了發(fā)動機采購合同，標志著中國航發(fā)民用航空發(fā)動機市場開拓邁出了重要一步。

以AES100渦軸發(fā)動機為基礎(chǔ)衍生的渦槳、渦扇發(fā)動機，地面燃氣輪機和混合動力系統(tǒng)正在同步發(fā)展，將形成家族化、系列化融合發(fā)展的良好局面，促進我國民用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

結(jié)束語

民用航空發(fā)動機研制是極其艱難和復雜的系統(tǒng)工程，在AES100后續(xù)適航取證工作中，還會遇到不少未知的技術(shù)挑戰(zhàn)，但研制團隊將按適航要求加快設(shè)計驗證迭代，完成好發(fā)動機壽命、結(jié)構(gòu)完整性及葉片包容、進氣防冰、管路防火等整機、零部件適航驗證工作和發(fā)動機試飛工作，向著2024年適航取證目標積極邁進！