渦軸改渦槳發動機總體影響因素與特點研究

蔡乾杰

渦槳發動機的研制途徑主要有全新設計、改進改型、核心機派生發展三種[1][2]。其中，基于成熟的渦軸發動機進行“軸改槳”是研制渦槳發動機一種典型模式，充分利用渦軸發動機的核心機和功率輸出段，可使研制工作量和風險大為減少。國外已有多型成熟“軸改槳”型號，如RTM322-06渦槳（RTM322-01渦軸改）、CT7渦槳（T700渦軸改）等；而國內僅有一型“軸改槳”發動機，即WJ9（WZ8A改），設計經驗較缺乏。

本文梳理了以輸出軸功率為共同特征的渦軸和渦槳發動機的主要差別，結合三型典型“軸改槳”發動機，開展了“軸改槳”發動機的總體影響因素與特性分析，可為國內“軸改槳”發動機的研制提供技術參考。

1 渦軸和渦槳發動機的總體技術差異

了解渦軸和渦槳發動機之間的主要差別，是開展“軸改槳”研制的技術基礎和必要前提。渦軸和渦槳發動機的總體技術差異主要是螺旋槳的引入、飛機安裝布局差異和飛機使用特性變化造成的。比如，螺旋槳的引入會造成體內減速器、輸出軸轉速、承力系統、調節規律和操縱系統、整機重量、載荷等方面的差異；飛機安裝布局則會造成進排氣裝置、功率輸出形式、安裝方式等方面的差異；飛機使用特性不同也使得兩類發動機的設計點、工作包線、工作狀態、喘振裕度、壽命等方面存在差異，如表1所示。

2 “軸改槳”總體影響因素分析

根據上述渦軸和渦槳發動機的技術差異，結合三型典型“軸改槳”發動機（RTM322-01渦軸改RTM322-06渦槳、T700渦軸改CT7渦槳、WZ8A改WJ9）實例對比，從總體性能和總體結構兩方面對“軸改槳”發動機的總體影響因素進行分析。

2.1總體性能

“軸改槳”總體性能影響因素主要有排氣噴口面積、燃氣渦輪流通能力、自由渦輪轉速等。為揭示各影響因素對總體性能的影響規律，本文以RTM322-06發動機為例，反設計建立Gasturb模型，通過性能仿真計算，定量分析了總體性能參數與各影響因素的變化關系（見表2），主要如下：

（1）排氣噴口面積（圖1）

a.排氣噴口面積減小，可使排氣速度與進氣速度之差（V8-V0）明顯提高；當噴口面積減小到一定程度時，V8才大于V0，保證排氣暢通。

b.排氣噴口面積減小，功率（Pw）會下降，但有利于降低耗油率；最優的噴口面積取決于功率裕度和耗油率裕度的要求。

c.喘振裕度（SM）、自由渦輪前溫度（Tt45）對排氣噴口面積不敏感；當噴口面積減小時，SM略有降低，Tt45略有升高。

（2）燃氣渦輪流通能力（圖2～圖4）

a.燃氣渦輪流通能力增加，可使排氣速度與進氣速度之差（V8-V0）提高，有利于排氣，但影響有限，單純靠調整燃氣渦輪導葉流通能力，不足以解決排氣不暢的問題。

b.燃氣渦輪流通能力增加，功率（Pw）會升高，有利于補償噴管面積減小導致的功率下降；但不利于降低耗油率，出于經濟性考慮，燃氣渦輪導葉流通能力不能過大。

c.增加燃氣渦輪流通能力，會使喘振裕度增加，有利于抵消排氣噴口面積減小帶來的喘振裕度下降，也有利于提升高空的喘振裕度；從這方面來說，“軸改槳”時，增加燃氣渦輪導葉流通能力是必要的。

d.燃氣渦輪流通能力增加，會使得自由渦輪前溫度（Tt45）升高；當燃氣渦輪流通能力增加到一定程度時，溫度增幅可能會接近Tt45溫度限制值，故燃氣渦輪導葉流通能力不能過大。

（3）自由渦輪轉速

自由渦輪轉速提高，會使自由渦輪工作點偏離設計狀態，導致自由渦輪膨脹比微微下降，功率略有增加，耗油率下降，Tt45小幅下降，對整機性能的影響十分有限；雖然有助于彌補尾噴管面積減少造成的功率損失，但同時提高轉速也可能影響自由渦輪的壽命。

2.2總體結構

“軸改槳”發動機總體結構與新引入的螺旋槳直接相關，總體結構影響因素主要有功率輸出方式、減速器構型、螺旋槳載荷等。通過對三型典型“軸改槳”發動機（RTM322-06、CT7、WJ9）的總體結構進行對比[3]，分析了各影響因素對總體結構的影響特點。

（1）功率輸出方式對總體結構的影響

功率輸出方式有前輸出和后輸出兩種，定軸式渦槳的功率輸出方式通常為前輸出，這樣便于輸出軸的結構安排，如WJ6、TPE331發動機；而自由渦輪式渦槳發動機，功率輸出方式有前輸出（如RTM322-06、PW100），也有后輸出（如PT6A、WJ9）。不同的功率輸出方式對轉子支承布局、承傳力系統、進排氣形式、潤滑系統、外廓尺寸等均有較大影響；從某種程度來說，功率輸出方式直接影響著“軸改槳”發動機的總體布局，如表3所示。

（2）減速器構型對總體結構的影響

減速器構型按輸入軸和輸出軸的相對位置可分為同軸式和偏置式減速器，其中同軸式可分為同軸前置（如RTM322-06）和同軸后置（如PT6A），偏置式可分為減速器獨立于發動機本體之外的獨立偏置式（如CT7）和減速器與附件傳動集成

的偏置式（如TPE331）。雖然減速器構型主要取決于功率輸出方式，但不同的減速器構型對發動機的總體結構影響很大，而且在設計時往往需要綜合考慮減速器構型對發動機進排氣形式、安裝形式、附件布局、功率分出、發動機外廓尺寸、槳葉尺寸和螺旋槳調節機構等的影響，見表4。

（3）螺旋槳載荷對總體結構的影響

由螺旋槳產生的螺旋槳載荷（拉力載荷、扭矩載荷、1P載荷和陀螺載荷等）是渦槳發動機主要的外部載荷，這些載荷直接作用于槳軸，并通過各承力框架傳遞給安裝節；因此，螺旋槳載荷對“軸改槳”發動機的槳軸、承力機匣和安裝節強度、軸承、安裝減振結構等有較大影響。

3 結論

在實際“軸改槳”發動機設計時，上述各影響因素之間相互關聯、相互影響、盤根錯節，關系十分復雜。通常來說，總體性能應重點考慮尾噴管噴口面積和燃氣渦輪流通能力的影響；總體結構則要綜合考慮飛機、螺旋槳的安裝與使用等一系列要求以及原準機本身的結構情況，并結合本文中述及的一般原則，經多方比較評估后方可確定。

雖然“軸改槳”較“全新設計”多了不少已知條件，但如何使新設計與原準機的沿用部分在滿足其他各種附加的約束條件下融為一體是“軸改槳”發動機總體設計中最主要和最困難的工作。

參考文獻

[1] 尹澤勇等. 渦軸（渦槳）/ 渦扇（渦噴）發動機通用核心機技術[J]. 航空動力學報，2008，第23 卷第11 期.

[2] Norman F. Egbett and Theodore F. Common Core Development Approach for Allison T406/AE Family of Turboshaft，Turboprop，and Turbofan Engines [J]. AlAA 94-2829.

（作者單位：中國航發湖南動力機械研究所）