阿內托：賽峰的新一代渦軸發動機

■ 王士奇 / 中國航發研究院

經過數十年的持續研發和驗證，以阿內托發動機為代表的下一代渦軸發動機，將以其更高的功重比、更低的耗油率、更優異的環境友好性、更高的可靠性，以及更出色的經濟可承受性，取代現役的2000kW級別的發動機。

在2017年10月3日舉辦的倫敦國際直升機大會上，賽峰直升機發動機公司首次公開了面向8～15t級超中型和大型直升機市場研制的全新系列渦軸發動機——阿內托（Aneto），其輸出功率覆蓋1864～2237 kW。據稱，阿內托發動機與同等量級的發動機（如馬基拉和RTM322）相比，功率提高25%，耗油率降低15% ，是賽峰直升機發動機公司開發的功率最大的渦軸發動機。

早在2009年，賽峰集團就依托歐洲“清潔天空”（Clean Sky）計劃，瞄準下一代綠色渦軸發動機開始新技術預研工作。針對“清潔天空”計劃中的渦軸發動機技術目標，賽峰集團通過Tech 3000技術驗證機，對每項新技術單獨進行臺架試驗，對全尺寸驗證機進行地面試驗，同時對發動機系統級的集成方法進行驗證，使每項技術的成熟度（TRL）達到6級。技術驗證機的具體目標包括：為下一代綠色發動機儲備技術；開發下一代渦軸發動機的核心技術，包括降低耗油率、污染排放和噪聲水平（CO2的排放量降低15%，NOx的排放量降低60%，外部可感噪聲降低10dB），降低整體尺寸和質量，以及降低運營維修成本等。賽峰集團牽頭，與34個合作伙伴以及歐洲的10所大學和研究中心合作開發驗證項目。驗證機計劃主要針對壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和動力軸等5大部件開展臺架試驗，另外，在全尺寸驗證機上布置了400多個測點，大約運行40h（200循環）。

圖1 阿內托渦軸發動機

上述提前開展的發動機新技術預先研究為阿內托發動機的發展奠定堅實的技術基礎。阿內托發動機目前已累計運行4000h，其中包括105h的飛行時間，且飛行試驗過程中的性能滿足要求。阿內托系列的首款發動機阿內托1K型（功率為1864kW）將為萊昂納多公司的AW189K雙發直升機提供動力。

阿內托發動機的技術特點

阿內托發動機沿襲了RTM322發動機的基本結構布局，采用3級軸流+1級離心的組合壓氣機、回流式環形燃燒室、2級燃氣發生器渦輪和2級動力渦輪結構，單軸前動力輸出布局，如圖2所示。模塊化結構大大降低了阿內托發動機的研發成本和研制周期，保證了發動機極高的可靠性。壓氣機系統均采用鈦合金材料，以獲得較高的抗腐蝕和抗外物損傷（FOD）性能，并且采用寬弦葉片和進口導葉結構，能夠在3s內從慢車狀態加速到最大功率狀態；回流燃燒室采用簡單緊湊的結構設計，能夠在實現快速起動的同時減輕發動機的質量；燃氣發生器渦輪采用全新的鑄造單晶葉片材料，使發動機獲得更長的壽命和更大的功率增長裕度；動力渦輪采用保守的溫度和應力水平設計，從而保證其具有長壽命；性能先進的雙通道全權限數字式電子控制（FADEC）系統，能夠顯著降低飛行員的工作強度，使駕駛更加簡單；新設計的附件齒輪箱結構能夠顯著減少外部管路結構數量；進氣采用了設計簡單可靠的進口粒子分離器，保護發動機不受沙塵侵害；外部的機匣全部采用了氧化鋁或不銹鋼等抗腐蝕材料，以適應海洋環境。

經過Tech 3000項目的充分驗證，大量增材制造技術在阿內托發動機的多種核心部件的制造過程得以采用，包括在燃燒室使用的高溫材料噴嘴、壓氣機系統的全新進口導葉系統和擴壓導葉系統等。另外，阿內托發動機與賽峰集團新開發的混合動力系統完全兼容，該系統允許在巡航狀態下，雙發中的一臺發動機處于停車或慢車狀態，當要求提高功率時，在電機的作用下發動機可在10s內快速起動，并自動提升至最大功率。

圖2 阿內托發動機結構示意圖

正是由于采用了緊湊型設計、新材料和先進制造技術，以及多年的技術積累和驗證，阿內托發動機才具有出色的功率重量比、可靠的性能，特別是在海上運輸、搜救、消防或軍事運輸等環境惡劣的應用場景中具有更大的功率，在高溫和高空條件下具有更好的性能。

同級別的發動機對比

目前，2000 kW級別的渦軸發動機主要有6型，分別來自法國、美國和俄羅斯，這三個國家各自在2000年前后研發了其現役的發動機，分別是RTM322、CT7/T700系列和VK-2500發動機，同時又都在研制性能更加先進的下一代發動機，分別為阿內托、T901和VK-2500M發動機（其性能參數見表1）。

RTM322發動機

RTM322 發動機是由羅羅公司和透博梅卡公司（現賽峰直升機發動機公司）聯合開發的大型渦軸發動機，于1984年12月15日首次試車成功。2013年，透博梅卡公司接管了整個項目，負責產品的生產和運營支持。RTM322主要是針對AH-64阿帕奇直升機和UH-60“黑鷹”直升機的選發項目，與GE公司的T700發動機和普惠加拿大公司的PW100發動機進行競爭。RTM322系列發動機功率范圍為1566～1951kW，于1992年獲得了首個訂單，裝備44架英國皇家海軍陸戰隊的AW101直升機，并于1998年開始服役。目前有超過1100臺RTM322發動機正在服役，裝備60%的AW101直升機和80%的NH90直升機，積累了超過100萬飛行小時。

T700/ CT7發動機

GE公司的T700/CT7系列是一個渦軸/渦槳發動機家族，功率范圍為1100～2200kW。該系列發動機從1967年開始研制，1973年首次進行臺架試驗，1974年首飛，1978年投產。第一款型號為T700-GE-700，采用5級軸流+1級離心壓氣機、環形燃燒室、2級燃氣發生器渦輪和2級自由渦輪結構，最大功率1210kW，首先被用于“黑鷹”直升機和阿帕奇直升機。CT7是T700的民用版發動機編號。T700/CT7系列發動機到目前為止，已經發展出了多達35個軍民用渦軸、渦槳發動機型號，在可靠性和維修性方面有很大的突破。自1978年服役以來，經歷了戰爭、惡劣環境以及高要求的客運服務的考驗，總累積超過4000萬飛行小時。

表1 阿內托同級別渦軸發動機主要參數

T901發動機

2019年2月1日，GE公司宣布其T901發動機的設計方案擊敗了競爭對手先進渦輪發動機公司（霍尼韋爾公司和普惠公司的合資公司）T900雙軸發動機設計方案，贏得了美國陸軍改進渦輪發動機計劃（ITEP）的支持，獲得了5.174億美元的工程制造和發展階段（EMD）合同。

美國陸軍先進渦輪計劃的目的是研制和取證一型先進的渦軸發動機，替代現役配裝“黑鷹”和阿帕奇直升機的T700-701D 渦軸發動機，在未來30年或更久的時間內保持這些直升機的作戰能力。其最終發展目標為：研發一型尺寸與T700發動機相同、質量為204kg、功率為2237kW的發動機，與現役基準發動機相比，功率提高50%、耗油率降低25%、功重比提高65%、壽命延長20%以及生產和維修成本降低20%～35%。

VK-2500M發動機

VK-2500 發動機（圖3所示）是俄羅斯克里莫夫設計局在TV3-117VMA 發動機基礎上合作發展的一種自由渦輪式單轉子渦軸發動機。VK-2500發動機于2000年進行了首飛，2007年開始批生產，其巡航功率為1305 kW，極限功率為1864 kW。從2011年起，克里莫夫設計局就開始研制VK-2500M發動機，這是一款全新的渦軸發動機，而非VK-2500批生產型的改進型。VK-2500M發動機的起飛功率為1939kW，極限功率為2200kW，比VK-2500功率更高。同時，其質量減少了20%，零件數量減少了16%，耗油率也減少了7%，大修間隔增加，模塊化結構支持外場維修。據估計，VK-2500M型將在2023年隨高速軍用直升機同時取證，未來VK-2500M發動機還將用于改進的米-28N和卡-52直升機。

由于俄羅斯在90年代的經濟發展停滯，其發動機的研制不管是在時間進度上還是性能指標上都顯著落后于法國和美國的同類產品，其最新研制的VK-2500M發動機的性能參數（耗油率和干質量）只能追平美國和法國的現役發動機水平。法國阿內托發動機計劃于2019年年底適航取證，其研發進度略快于美國的T901發動機（計劃于2024年完成工程研制），但T901的輸出功率已經顯著高于阿內托發動機的輸出功率，其目標耗油率也具有顯著優勢。

圖3 VK-2500發動機

圖3 萊昂納多AW189K直升機

阿內托發動機裝機對象

AW189K直升機

2017年10月，意大利萊昂納多公司宣布正在開發新版的AW189K直升機，選用賽峰直升機發動機公司生產的兩臺1864kW的阿內托 1K渦軸發動機提供動力。截至2018年10月，AW189K原型機已經進行了90個架次，累計105h的飛行測試，正在穩步推進并計劃在2019年末獲得認證。相比GE公司的CT7發動機，每臺阿內托 1K發動機的功率高出372kW，使得AW189K直升機能夠在高熱環境下獲得更好的性能，可以更好地發揮其作為多功能超中型直升機平臺的作用，不僅適用于遠程海上運輸和救援，還可以進行貴賓運輸、消防和各種準軍事作業。

圖4 RACER驗證機

RACER驗證機

高速且經濟高效旋翼機（Rapid And Cost-Effective Rotorcraft， RACER）驗證機，是空客直升機公司在X-3高速復合直升機驗證機的技術基礎上，聯合眾多合作伙伴，在歐洲“清潔天空2”（Clean Sky 2）的計劃下，發展出的面向未來的新一代高速型復合直升機演示驗證機，其設計的巡航速度達到400km/h，比傳統直升機快50%。空客直升機公司在2017年6月的巴黎航展上首次公開了RACER驗證機，2018年2月，2206kW的阿內托 1X發動機被選為其動力裝置。相比最初選擇的RTM322發動機，阿內托 1X在相同功率下的緊湊程度提高了25%。RACER驗證機原型機計劃于2019年第四季度進行總裝，2020年首飛。

結束語

下一代的高速旋翼飛行器，如歐洲的RACER、美國的S-97、V-280驗證機、俄羅斯的軍用高速直升機項目等，對大功率、高功重比渦軸發動機的發展提出了更高的要求。除了繼續在傳統的8～15t級民用多用途直升機及軍用武裝直升機、運輸直升機等市場發揮主力作用外，2000kW級別的高性能渦軸發動機還將在高速旋翼飛行器的研發中發揮重要作用，這也是法國、美國、俄羅斯等航空發動機強國競相對其加緊研制的重要原因。