軍用渦軸發動機發展研究

張征

（中國航空工業發展研究中心，北京 100029）

軍用渦軸發動機發展研究

張征

（中國航空工業發展研究中心，北京 100029）

張征（1975），工程師，主要從事航空咨詢研究工作。

回顧了軍用渦軸發動機的發展歷程，介紹了幾種典型軍用渦軸發動機的性能特點及各國現役軍用渦軸發動機的裝備情況；分析并提出了軍用渦軸發動機的關鍵技術，并通過研究國外典型渦軸發動機技術研究計劃和新用的先進技術，預測了軍用渦軸發動機的有關技術趨勢。

軍用渦軸發動機；發展；關鍵技術；預測

0 引言

相對于活塞發動機來說，渦軸發動機功重比大、振動小、便于維修，且最大截面較小，可以大大提高直升機的氣動力性能。因此，從20世紀50年代開始，渦軸發動機逐步取代活塞發動機，成為直升機的主要動力裝置。

當今世界各國擁有的各類軍用直升機數量總計約21670架，配套的軍用渦軸發動機約37102臺。根據最新國際航空渦軸發動機市場預測分析，在各國軍用直升機項目(包括發動機更換項目)的需求刺激下，未來幾年世界軍用渦軸發動機的市場仍將繼續增長。國際預測公司預測，在2010～2019年，全球將生產渦軸發動機30000多臺，價值約170億美元。其中，軍用渦軸發動機項目的價值占80%，約108億美元。

1 軍用渦軸發動機的發展

1.1 發展歷程

從20世紀50代中期開始，渦軸發動機產品和技術不斷發展升級，至今已發展了4代。

第1代渦軸發動機是20世紀50年代研制，并于60年代開始服役，主要代表機型有阿都斯特、T53、寧巴斯等發動機。

第2代渦軸發動機是20世紀60年代研制的，主要代表機型有T63、阿赫耶C、TV2-117A和T53的改進型T53-L-703等發動機。

第3代渦軸發動機于20世紀70年代設計，于80年代投產。主要代表機型有法國透博梅卡公司研制的TM333、美國GE公司研制的T700-GE-701、俄羅斯克里莫夫設計局研制的TV3-117VM等發動機。與前2代渦軸發動機相比，這代渦軸發動機，通過改進氣動設計和材料，使轉動部件的循環數大大增加；通過采用氣冷渦輪葉片，使渦輪進口溫度達到1100～1300℃；通過簡化結構，減少零部件數量，使發動機的可靠性和維修性提高；通過采用單元體結構和狀態監控技術，可在外場實施視情維護；逐步完成從機械液壓式控制向全權數字式電子控制系統的過渡。

第4代渦軸發動機于20世紀80年代末90年代初開始研制，代表機型有英、法聯合研制的RTM322，美國的T800，德、法、英聯合研制的MTR390以及俄羅斯研制的TVD-1500等發動機。其主要特點是普遍采用全權數字式電子控制系統，并采用先進的壓氣機設計技術，增壓比可達14，耐高溫材料和單晶渦輪轉子葉片使渦輪進口溫度進一步提高，壽命延長和可靠性大大提高。

典型軍用渦軸發動機性能參數見表 1；各國現役軍用渦軸發動機的裝備情況見表2。

表1 典型軍用渦軸發動機性能參數

表2 2010年現役軍用渦軸發動機裝備情況

1.2 研究計劃

1.2.1 聯合渦輪先進燃氣發生器計劃

聯合渦輪先進燃氣發生器（JTAGG）計劃是美國IHPTET計劃的子計劃，于1987年開始實施。IHPTET計劃是為未來渦軸、渦槳、渦噴和渦扇發動機提供技術基礎，驗證耗油率（SFC）、功重比（推重比）及可靠性、維修性等得到改進的技術。JTAGG計劃的經費來源于工業部門和政府2方面，每年的總投資約1900萬美元，工業部門投資約占25%～50%，美國陸軍1990～2005年投入的總經費超過1億美元。

針對渦軸發動機，JTAGG計劃的目標是針對空氣流量為4.5～6.8 kg/s級別的燃氣發生器驗證功重比提高120%，SFC降低40%的技術。

1.2.2 小型重油發動機計劃

小型重油發動機（SHFE）計劃是VAATE計劃的1個組成部分。SHFE計劃通過利用在VAATE計劃下取得的部件成果以及其它近期取得的先進發動機技術成果，用于先進的小型渦輪發動機研制。整個SHFE計劃投資4500萬美元，其中美國政府分4個財年共投資2600萬美元。驗證項目包括設計、制造以及部件和整機試驗驗證，試驗驗證包括性能及耐久性試驗以及質量驗證。

SHFE計劃通過開發1臺522 kW的驗證機，以演示驗證可能用于多種軍用和商用飛行器的先進小型燃氣渦輪發動機技術。其目標是使SFC降低20%，功重比提高50%，生產及維護成本降低35%，產品開發成本比2000年發動機的降低10%。

1.2.3 共用發動機項目

共用發動機項目(CEP)目標是美國陸軍利用IHPTET計劃第1、2階段的成果發展用于UH-60A“黑鷹”和AH-64A“阿帕奇”改進型動力裝置。

CEP性能目標是：相對于T700發動機，SFC降低25%～30%，功重比提高60%～80%，采辦及維護成本至少降低20%，并使直升機的航程增長60%或者荷重增加70%，同時削減后勤服務和維護承擔。

CEP于2000年提出，時間為6年，前3年半為技術發展階段，后2年半為工程制造發展（EMD）階段，投資1.4億美元。然而CEP并沒有真正實施，ATEC研制的HPW3000發動機即是CEP的延續。

1.2.4 先進、經濟可承受的渦輪發動機計劃

先進、經濟可承受的渦輪發動機（AATE）計劃是美國陸軍為替代UH-60“黑鷹”和AH-64“阿帕奇”直升機現有動力裝置——T700發動機而研制的2205 kW級渦軸發動機的發展計劃。

AATE計劃于2007年開始啟動，為期52個月。美國政府為該計劃的基本項目投資預算為3475萬美元，其中2007/2008財年975萬美元，2009財年750萬美元，2010財年850萬美元，2011財年900萬美元。

AATE計劃的技術指標是：在T700發動機的基礎上，將功重比提高65%，SFC降低25%，壽命延長20%，生產成本和維護成本降低35%，研制成本降低15%。

1.2.5 美國陸軍未來可承受渦輪發動機計劃

未來可承受渦輪發動機（FATE）計劃是VAATE計劃的1個組成部分，是為替換已經服役47年之久的T55系列發動機而研制新型具有競爭力的渦軸發動機發展計劃。FATE計劃于2008年啟動，為期8年。

FATE計劃的目標是采用功率為4470～5215 kW的新型發動機作為CH-47“支奴干”的發展型或者后繼旋翼飛機的動力裝置。具體技術指標包括SFC降低35%，維護成本降低45%，功重比提高90%，同時研制成本降低20%；發動機整機設計壽命不低于6000 h，其中冷端部件壽命不低于15000循環，熱端部件壽命不低于7500循環。

2 軍用渦軸發動機關鍵技術

軍用渦軸發動機大都屬于中小型渦輪發動機，為適應不斷發展的軍用直升機的動力需求，研制中也存在一些自身特有的關鍵技術。

2.1 進氣防護系統（粒子分離器）

軍用直升機經常在起落條件惡劣的場地使用，在超低空飛行和懸停時旋翼容易吸起大量塵土、碎石。這些雜物吸入發動機輕則腐蝕壓氣機，造成性能衰減或壓氣機喘振裕度降低以至提前返修；重則打壞葉片，損壞發動機，釀成飛行事故。因此，為保證其發動機安全可靠地工作，必須采用進氣凈化裝置。軍用渦軸發動機進氣防護可分為2大類：1類是在直升機進氣道上安裝防砂濾，有過濾介質式、渦管分離式等多種形式；另1類是在發動機上裝粒子分離器，有動力離心式、整體慣性式等。2類裝置各有優缺點，但從分離效果、結構質量、發動機功率損失等諸方面綜合性能來看，整體粒子分離器相對較好。

現代先進的軍用直升機大多要求渦軸發動機自帶進氣防塵裝置即整體式進氣粒子分離器（IPS）。國外在研和新研的軍用渦軸發動機大多帶有IPS部件。第4代渦軸發動機T800即采用1個整體的、但可分開的IPS，分離效率很高，在試驗臺上用C級細砂試驗證明其分離效率高達97%。對于軍用渦軸發動機，IPS今后將成為與壓氣機、燃燒室、渦輪同等重要的部件之一。

2.2 組合壓氣機

隨著軍用渦軸發動機增壓比的不斷提高，壓氣機的結構形式也由最初的純軸流式轉變成目前大量采用的若干級軸流加1級離心的組合壓氣機，如T700發動機即采用5級軸流加上l級離心式壓氣機。這主要是因為軸流壓氣機級數的增加使得壓氣機后幾級的“尺寸效應”更加顯著，氣流損失增大，氣動性能顯著下降，而離心式壓氣機的轉子結構剛性更好、抗外物能力更強，“尺寸效應”對離心壓氣機的影響不大，因此采用離心式壓氣機取代后面的軸流壓氣機是有利的。也有一些新型渦軸發動機為了簡化結構、提高壓比，采用多級離心式壓氣機，如T800、MTR390等都采用了2級離心式壓氣機。

針對軍用渦軸發動機壓氣機結構特點，要想通過改善壓氣機提高發動機性能，就需要不斷加強對離心壓氣機技術、軸流級與離心級間優化匹配技術以及離心級與離心級間優化匹配技術的研究。

近年來，國外研究并應用了大量先進氣動設計概念，以提高小發動機的壓氣機效率和平均級壓比，其中一些設計思想具有顯著的改善性能的潛力，如彎掠激波轉子、大小葉片技術等。

2.3 回流環形燃燒室

回流環形燃燒室是現代軍用渦軸發動機普遍采用的結構。RTM322、MTR390和T800-LHT-800發動機均采用了回流環形燃燒室。RR公司認為，目前大多數渦軸發動機都采用回流環形燃燒室，這在幾何上正好與離心壓氣機相匹配，而且軸承跨度短，并能以最少的軸承機匣滿足轉子動力學要求。但這種燃燒室還應進一步改進，如研究更有效的冷卻燃燒室壁和使第1級渦輪導向葉片上的燃氣溫度峰值最小等。

隨著軍用直升機技術的發展，對動力性能的要求也在不斷提高，這就需要燃燒室的出口溫度（也即渦輪進口溫度）相應提高。目前發動機的熱燃氣溫度正在接近渦輪材料的耐溫極限點，所以保持溫度均勻的燃燒就尤為重要。這就需要采用具有大調節比系數的新型燃油噴嘴，以獲得燃燒室出口處均勻的周向和徑向溫度分布。而更高的燃燒溫度和更大的高壓熱輻射將使燃燒室火焰筒承受更大的熱載荷。同時，由于更多的氣流用于燃燒，導致用于冷卻的氣流減少，而且進口溫度的升高也降低了冷卻氣流的吸熱能力，而這是傳統火焰筒冷卻技術難以實現的，因此迫切需要研究火焰筒高效冷卻技術和更耐熱的材料。近年來，新型噴嘴和改進火焰筒的冷卻的研究已經逐漸成為提高渦軸發動機燃燒室性能的研究重點。另外，國外也正在研究多種新的燃燒室結構，如智能型燃燒室、駐渦燃燒室等。

2.4 排氣紅外抑制

發動機是軍用直升機的最大紅外輻射源，是紅外導彈的最主要跟蹤目標。紅外抑制技術就是通過降低或改變直升機發動機的紅外輻射特征，從而實現武裝直升機的低可探測性。可通過改進直升機發動機結構設計和應用紅外物理原理來衰減、吸收直升機發動機的紅外輻射能量，使紅外探測設備難以探測到直升機。例如，在尾噴口采用隔熱護擋板，以遮擋或屏蔽紅外輻射，采用異形尾噴管，改變紅外波長，使紅外探測器失諧；采用噴氣濾波，改變其輻射波長；采用非圓截面的2元噴管，從而濾除90%的紅外輻射。

美國AH-64武裝直升機上安裝有紅外散熱片、3個矩形引射器的紅外抑制裝置，采用該抑制裝置后與采用冷卻風扇冷卻發動機熱源相比，質量減少182 kg，垂直爬高速度增加76 m/min，紅外信號只有無抑制裝置的6%，而排氣熱流紅外信號為未抑制的10%。

2.5 高速轉子動力學

渦軸發動機的轉速高達40000～60000 r/min。這就要求加強高速轉子動力學分析及試驗技術研究，即針對渦軸發動機轉子工作范圍內不可避免地存在多階臨界轉速的特點，研究并選擇最佳的支承剛度及阻尼系數，采用新的減振措施，研究小剛度細長轉子特有的高速甚至全速動平衡技術。

RTM322發動機采用葉片和盤一體的壓氣機轉子、雙層壁機匣、靠近工作葉片的機匣內壁涂可磨涂層、減小軸系振幅等方法來降低轉子振幅，使其在整個工作范圍內徑向間隙變化小。

3 軍用渦軸發動機技術發展趨勢

對于軍用直升機而言，大力提高生存性和作戰效能，是其追求的最高目標。軍用渦軸發動機技術未來的發展也將圍繞這個核心目標，朝著提高功重比、改善維護性和可靠性、降低使用成本的方向發展。

新一代渦軸發動機的壓比將達到20～25，渦輪進口溫度達到1327～1627℃，功重比將提高到12，SFC降至0.2kg/kw·h，發動機的經濟可承受性提高數倍。

新材料和新工藝的采用，將使下一代渦輪軸發動機的質量更輕，工作更可靠。壓氣機按3維法設計葉片，采用變流量壓氣機、離心壓氣機變幾何擴壓器、3維黏性計算方法計算離心壓氣機內部流場等，有效地提高效率、擴大喘振邊界。燃燒室所采用先進的冷卻技術、在火焰筒上等離子噴涂陶瓷，以提高火焰筒耐高溫能力；采用先進燃油噴嘴，減少燃燒室積碳與冒煙。渦輪采用先進的材料和冷卻方案、先進精鑄/鍛造技術、主動間隙控制技術以及3維氣動計算，以設計并制造出先進的小型徑向渦輪葉片。控制系統從氣動和液壓式、模擬電子機械液壓混合式燃油調節器過渡到全權數字式電子控制系統，同時采用光電敏感元件、高溫電子設備和靈活的控制邏輯。

在新的作戰環境下，對直升機有不斷增大前飛速度的要求。為此，下一代渦軸發動機還可能采用變循環渦軸發動機或可轉換的渦軸/渦扇發動機。

4 結束語

隨著現代局部戰爭對軍用直升機需求的不斷加大,軍用渦軸發動機市場未來幾年依然呈上升趨勢。同時，為了適應現代戰爭戰場環境,滿足部隊機動靈活、快速反應的作戰要求，現代軍用直升機尤其是在沙漠和高原等一些環境惡劣地帶使用的直升機，對動力系統的性能、適用性、可靠性、維修性等也提出了更高要求。追求性能更好、可靠性更高、壽命更長、使用和維護成本更低是新型軍用渦軸發動機發展的必然趨勢。

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Development of Military Turboshaft Engine

ZHANG Zheng
（AVIC Aviation Industries Development Research Center of China,Beijing 100029,China）

The development of military turboshaft was reviewed.The performances of several typical engines and the equipment of the active service military turbo shaft engine were introduced.The key technologies of military turboshaft were analyzed and introduced. Based on the foreign typical advanced program and advanced technologies about turboshaft engine,the technology trend of military turboshaft engine was forcasted.

military turboshaft engine;development;key technology;forecast

2011-05-11