中小型民用渦軸發(fā)動機技術發(fā)展初步研究

羅宿明 張曉爽 陳 偉 華繼偉

（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

1 民用渦軸發(fā)動機需求及發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀50 年代中期以后，直升機逐步得到廣泛應用，作為其主要動力裝置的渦軸發(fā)動機，在美、英、法等西方發(fā)達國家也得到了快速發(fā)展。目前，全世界共擁有直升機近5 萬架，其中民用直升機約26120 架。半個多世紀以來，民用渦軸發(fā)動機的單位功率提高了1 ～1.7 倍，壓氣機壓比提高了2 ～2.5 倍，耗油率下降了20%～30%。各年代典型中小型民用渦軸發(fā)動機及其主要參數(shù)見表1[1]，各部件結構形式及裝機對象見表2。

表1 典型民用渦軸發(fā)動機主要參數(shù)

表2 典型民用渦軸發(fā)動機部件結構形式和控制系統(tǒng)

當前，占據(jù)市場重要地位并能體現(xiàn)最新技術進步的民用渦軸發(fā)動機產品基本集中在800 ～1400kW 中小功率范圍內，典型代表有美國的CT7-2A 和CTS800-4、法國的Makila1 A1 和Ardiden 1H、加拿大的PT6C-67C 以及英國羅羅公司和法國透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機發(fā)動機公司）合作的RTM322-01 發(fā)動機。

2 先進中小型民用渦軸發(fā)動機技術特點分析

結合表1 和表2 中數(shù)據(jù)，對當前先進中小型民用渦軸發(fā)動機的總體設計和部件設計的技術特點進行分析。

2.1 總體設計

目前，先進渦軸發(fā)動機大多數(shù)發(fā)展成系列化產品，如CT7、RTM322、PT6 和Ardiden 系列等。系列化改進發(fā)展是現(xiàn)代先進渦軸發(fā)動機發(fā)展的重要特征。在一款優(yōu)秀渦軸發(fā)動機平臺基礎上，逐步實施“技術嵌入”、小步快走，逐步發(fā)掘發(fā)動機的應用潛能，開發(fā)出系列化產品。與全新研制新型發(fā)動機相比，系列化發(fā)展有較低的風險和較好的經(jīng)濟性。

在總體氣動設計方面，目前先進民用渦軸發(fā)動機采用了中等熱力循環(huán)參數(shù)和高熱力循環(huán)參數(shù)兩種設計思路。第1 種是以Makilal A1、RTM322-01、CTS800-4 等為典型代表，采用中等熱力循環(huán)參數(shù)（壓比為10 ～15，燃燒室出口燃氣溫度為1300 ～1500K），通過高效率部件獲得預期的發(fā)動機性能；第2 種是以CT7-2A 為典型代表，通過高熱力循環(huán)參數(shù)（壓比為16 ～17，燃燒室出口燃氣溫度為1500 ～1600K）獲得預期的發(fā)動機性能[2]。

在總體結構設計方面，目前先進渦軸發(fā)動機幾乎都采用單元體結構設計，以簡化整機裝配和調整，減少外場維護時間，節(jié)省維修費用和工時；廣泛采用整體鑄造、機加件，如一體式鑄造自由渦輪導向器、整體葉盤等，以降低制造成本，提高發(fā)動機可靠性，延長使用壽命；逐步采用多功能集成設計，將燃油、滑油系統(tǒng)油路集成在鑄造機匣內部，減少外部零組件數(shù)量，進而使結構更加簡單緊湊，以提高發(fā)動機的維護性和可靠性。

2.2 部件、系統(tǒng)設計

2.2.1 壓氣機

作為渦軸發(fā)動機的三大核心部件之一，壓氣機的技術水平對發(fā)動機的性能、重量、可靠性和成本等有重要的影響。中小型民用渦軸發(fā)動機壓氣機一般采用軸流、離心、軸流+離心組合壓氣機等幾種結構形式[3]。

目前，先進民用渦軸發(fā)動機壓氣機普遍應用軸流加離心組合的結構形式，如CT7-2A、RTM322-01、Makilal A1 和PT6C-67C 發(fā)動機，但最新的發(fā)動機都采用了結構簡單緊湊且可靠的雙級離心壓氣機，如CTS800-4、Ardiden 1H 發(fā)動機。先進雙級離心壓氣機具有部件效率高、喘振裕度大、軸向長度小、零部件數(shù)量少、結構簡單緊湊、抗外物撞擊能力強等特點，使其在可靠性、可維護性等方面具有明顯的優(yōu)勢。

2.2.2 燃燒室

通常，中小型民用渦軸發(fā)動機燃燒室有3 種結構形式，即以PT6C-67C、RTM322-01、CTS800-4 和Ardiden 1H 發(fā)動機為代表的回流燃燒室，以CT7-2A 發(fā)動機為代表的直流燃燒室和以Arriel1C、Makila1A1 發(fā)動機為代表的折流燃燒室。

回流燃燒室是目前中小型民用渦軸發(fā)動機普遍采用的結構形式。一方面，回流燃燒室可以更好地與上游離心壓氣機匹配，對壓氣機出口氣流不敏感；另一方面，采用回流燃燒室結構布局可以有效縮短發(fā)動機軸系長度，有效解決高轉速渦軸發(fā)動機面臨的轉子動力學難題。

2.2.3 渦輪

渦輪部件工作在高溫、高壓、高轉速環(huán)境下，其氣動、結構和冷卻系統(tǒng)設計極其復雜，因此好的渦輪設計是氣動、結構、冷卻和材料等多方面綜合均衡的結果。

（1）高壓比的發(fā)動機為了獲得較高的渦輪效率，通常采用雙級結構，如CT7-2A、 CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動機，但采用雙級渦輪可能會由于第一級轉子溫降低導致需要更多的引氣量對導葉和轉子進行冷卻，從而抵消高效率的優(yōu)勢。同時，渦輪級數(shù)的增加也會導致發(fā)動機軸向長度和重量的增加，結構的復雜化會導致可靠性降低、制造成本增加。因此，采用單級或雙級結構是需要綜合考慮渦輪性能、結構/壽命及成本等多方面因素，是一個綜合權衡選擇的結果。

（2）采用燃氣渦輪、動力渦輪共用軸承腔設計，如Ardiden 1H、CTS800-4 和RTM322-01 發(fā)動機，這種設計為取消排氣框架提供了先決條件，減小了排氣損失，降低了滑油系統(tǒng)及封嚴/冷卻系統(tǒng)的復雜程度，縮短了動力渦輪轉子軸系長度，減少了外部管路的個數(shù)，整體上降低了發(fā)動機重量。同時，動力渦輪單元體在裝配/分解和外場維護/更換時，可實現(xiàn)簡易拆分，提高了發(fā)動機的維護性水平，降低了維護費用。

2.2.4 控制系統(tǒng)

目前，先進民用渦軸發(fā)動機一般都采用全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)，如Makilal A1、RTM322-01、PT6C-67C 、CTS800-4、Ardiden 1H 等。雖然機械液壓式控制系統(tǒng)可實現(xiàn)基本的發(fā)動機控制與限制功能，但相對全權限數(shù)字式電子控制來說，控制系統(tǒng)的結構比較復雜、體積和重量都偏大且控制精度偏低，無法實現(xiàn)對發(fā)動機狀態(tài)的監(jiān)控功能。

先進渦軸發(fā)動機的全權限數(shù)字電子控制系統(tǒng)一般采用雙通道硬件結構、軟件雙余度設計技術，可實現(xiàn)發(fā)動機在全包線范圍內的控制、參數(shù)限制與保護功能，具有雙發(fā)匹配、雙發(fā)通訊、發(fā)動機故障診斷與處理、狀態(tài)監(jiān)視及健康管理功能以及與直升機電子設備通信等功能。

3 先進中小型民用渦軸發(fā)動機發(fā)展趨勢

為進一步促進渦軸發(fā)動機技術發(fā)展，世界主要航空發(fā)動機公司不斷加大投入，努力將各種新材料、新技術應用在渦軸發(fā)動機研制中，以達到進一步降低燃油消耗、降低運行成本和減少污染排放的目的，未來中小型民用渦軸發(fā)動機發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)以下幾個方面。

（1）發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)進一步提高。選擇較高的壓比與燃燒室出口燃氣溫度，能獲得較佳的耗油率和單位功率。未來渦軸發(fā)動機的技術趨勢將是朝著提高壓比（盡可能不改變級數(shù)和改善效率的前提下）和燃燒室出口燃氣溫度的方向發(fā)展。據(jù)此推測，未來民用渦軸發(fā)動機的壓比將達到20 ～25，燃燒室出口燃氣溫度將達到1600 ～1800K，耗油率預計將下降到0.24kg/(kW?h)以下，單位功率將提升到360kW/(kg/s)以上。

（2）未來先進渦軸發(fā)動機將會在渦軸發(fā)動機總體結構的基礎上，采用使發(fā)動機工作更加可靠、安全、實用、簡單緊湊、易于維護的結構設計，如單元體設計、高度集成化設計、視情維修以及成附件小型高速化等，進一步降低維護成本，提升發(fā)動機性能，提高經(jīng)濟可承受性。

（3）采用新的部件及系統(tǒng)技術。隨著發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)進一步提高，壓氣機的發(fā)展趨勢是在不改變級數(shù)并盡可能提高效率水平的基礎上增加壓比，保持輕重量、長壽命、結構簡單和零件數(shù)少的特點，因而斜流加離心、雙級離心等組合形式將會更多的應用。另外，隨著國際民航組織對航空發(fā)動機污染排放要求日益嚴格，低污染燃燒室技術也是今后主要發(fā)展方向之一[4]。

未來直升機要求螺旋槳有大范圍的變速能力，以達到效率更高、耗油率更低和航程更遠的目的，使用變轉速動力渦輪是實現(xiàn)螺旋槳轉速大范圍改變的途徑之一[5]。

（4）采用新材料及新工藝技術。隨著未來燃燒室進出口溫度進一步提高，對材料和結構工藝提出了更高的要求。因此，在未來民用渦軸發(fā)動機中，燃燒室、渦輪導向葉片和工作葉片、渦輪盤等熱端零部件將更多采用陶瓷和陶瓷基復合材料、金屬基復合材料等先進高溫材料[6]。由于陶瓷基復合材料能承受更高的工作溫度，冷卻氣流更少，燃燒更充分，排放氣體中的CO 和NOx的量更少，尾氣更潔凈。同時，隨著未來發(fā)動機零件結構更加復雜，給傳統(tǒng)制造工藝帶來很大的挑戰(zhàn)，金屬零件的增材制造技術（俗稱3D 打印技術）將會得到更多的應用[7]。

4 結語

（1）未來先進中小型民用渦軸發(fā)動機正在向高熱力循環(huán)參數(shù)和低污染排放方向發(fā)展。發(fā)動機的增壓比將達到20 ～25，燃燒室出口燃氣溫度將達到1600 ～1800K，耗油率將達到0.24kg/(kW?h)以下，單位功率將達到360kW/kg/s 以上，氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氫等污染排放進一步降低，與其向適應的新的部件和系統(tǒng)設計技術將進一步發(fā)展，同時新材料與新工藝的應用將更加普遍。

（2）未來先進中小型民用渦軸發(fā)動機通過單元體結構設計、附件高度集成化設計以及視情維修等措施，使用和維護成本將進一步降低，經(jīng)濟可承受性得到進一步提高，產品市場競爭力將進一步提升。