高速直升機變轉速動力渦輪發展及氣動設計特點

吳小芳 劉長青 熊清勇

摘 要：本文主要介紹了高速直升機變轉速渦輪發展情況及氣動設計特點，與常規恒定轉速動力渦輪氣動設計相比，設計點轉速和級數選擇、一維設計和匹配優化、寬廣攻角適應性高負荷葉型設計、流量調節技術是變轉速動力渦輪氣動設計的關鍵。

關鍵詞：變轉速;動力渦輪;氣動設計

中圖分類號：V231 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0102-02

0概述

高速直升機等新的作戰平臺為未來作戰方式提供了新的選擇，隨之而來的是其對動力裝置技術的新需求。當前，常規渦軸/渦漿發動機動力渦輪，只能在很窄工況范圍內保證其氣動效率，而高速直升機的任務特征對渦軸發動機動力渦輪的性能和工況范圍都提出了更高的要求，需要動力渦輪長時間工作于多個差別較大的轉速工況，這與現有常規恒定轉速動力渦輪有本質區別，對動力渦輪設計提出了新的挑戰。變轉速動力渦輪具有多狀態多轉速適應性的特點，可避免變轉速傳動系統及其換擋機構的復雜性和重量增加，成為高速直升機動力發展重點。本文詳細介紹了變轉速動力渦輪國內外發展現狀及其氣動設計特點。

1 變轉速動力渦輪國內外發展現狀

1.1變轉速動力渦輪國外發展現狀

美國自20世紀90年代就開始了變轉速動力渦輪研究，目前在軍用和民用領域都已有較為系統的研究工作。在民用領域，NASA早在20世紀90年代先后在VAATE（多用途經濟可承受性渦輪發展計劃）和SRW（亞聲速旋翼機計劃）等圍繞變轉速動力渦輪設計技術開展持續的研究，并在隨后的傾轉旋翼機項目中專門部署了變轉速動力渦輪的研究計劃。在軍用方面，美國空軍和海軍陸戰隊“魚鷹”的AE1107C發動機已經采用了2級變轉速的動力渦輪，但該動力渦輪的轉速調節范圍比較小，只能實現在81%和100%兩個轉速高效工作，無法滿足更大范圍工況的需求。因此美國軍方和NASA于2012年聯合啟動了AVSPT（先進變轉速動力渦輪計劃），為高速旋翼機等飛行器發動機提供能夠提升性能、效率和經濟可承受性的動力渦輪技術，并使這些技術在2016年進入試驗階段，達到技術成熟度4級，最終實現動力渦輪可調轉速范圍達到55%～105%。NASA和美國軍方初步總結了變轉速動力渦輪氣動設計的多項關鍵技術，使美國具備發展新一代高速直升機動力裝置的關鍵能力。

1.2變轉速動力渦輪國內發展現狀

近年來，國內在高速直升機用變轉速動力渦輪設計方面也陸續開展了一些研究，中國航發動研所目前開展了變轉速動力渦輪寬攻角適應性葉型設計及性能驗證，北京航空航天大學在變轉速動力渦輪的一維通流設計、渦輪葉型前緣設計和優化等方面取得了一定成果。但總體而言，國內在變轉速動力渦輪設計研究尚處于起步階段，需要進一步深化和完善。

2變轉速動力渦輪氣動設計特點

2.1設計點轉速和級數選擇

高速直升機飛行過程中，通常需要在多個狀態工作，如最大起飛狀態和巡航狀態等，要求動力渦輪在多狀態多轉速下保持高效工作，設計點和設計轉速的合理選擇對變轉速動力渦輪設計非常重要。Suchezky[1]等針對變轉速動力渦輪，采用一維平均中徑法對不同設計轉速的影響進行了評估，發現巡航狀態轉速（54%轉速）和最大起飛狀態轉速（100%轉速）都不是最佳設計轉速，當選擇最低轉速狀態（54%轉速）為設計點時，預估設計點效率為90.2%～91.4%，對應最高轉速狀態（100%轉速）效率預計為69.3%;反之，若以最高轉速狀態（100%轉速）狀態為設計點，設計點效率可達到91.4%～92.8%，而此時對應的最低轉速狀態的效率會低于58%，而分別選擇不同轉速作為設計轉速，基于該發動機全任務工況進行的優化和評估表明，該動力渦輪的設計轉速為69%時可以獲得最低的全工況燃油消耗量。這主要是因為渦輪葉片在負攻角來流的表現一般遠好于正攻角來流，而渦輪低轉速工作時意味著葉片處于正攻角來流，而渦輪低轉速工作時葉片則對應負攻角狀態，高轉速工作時葉片則對應負攻角狀態，適當選擇接近低轉速狀態為設計點，可以使渦輪在大部分非設計點下工作處于負攻角狀態，仍可以保持良好的性能。可見，變轉速動力渦輪最優的設計轉速并不是最低或者最高的工作轉速，而需要根據發動機的典型任務工況來優化選取。

變轉速動力渦輪多工作點高效工作的要求又對動力渦輪級數選擇提出了新的挑戰。NASA研究表明，通過級數合理選擇可以實現整個轉速工作范圍內保持較低油耗。Suchezky[1]等通過對比3級和4級動力渦輪，結果表明3級渦輪與4級渦輪相比，渦輪呈現出兩種不同的趨勢。對3級渦輪油耗最低轉速對應于85%轉速，而4級渦輪油耗最低轉速對應于69%轉速。渦輪的級數減少為3級，增加每級渦輪的負荷，渦輪油耗并沒有降低，綜合考量，將69%轉速作為設計點的4級渦輪方案具有明顯優勢，在設計點和非設計點都保持較高的性能。因此除與常規恒定轉速動力渦輪類似，在級數選擇時需考慮載荷系數與發動機重量之間合理平衡外，變轉速動力渦輪還需要進行全工況油耗綜合評價。

2.2一維參數和匹配優化技術

在變轉速動力渦輪一維氣動設計參數中，流量系數、反力度、載荷系數對性能影響顯著。現有研究表明，在整機匹配環境下動力渦輪的物理轉速從54%轉速變化到100%時，其流量變化幅度一般很小，可能不超過5%。這種匹配關系決定了多恒定轉速動力渦輪的流量系數近似與轉速成反比關系，將導致不同工況流量系數差異非常明顯。一般而言，不同流量系數情況下工作的渦輪最佳幾何應具備的特征并不一致。對應小流量系數的渦輪葉型一般轉角較大，其進口速度較低，轉速變化會導致較為明顯的攻角變化;而大流量系數渦輪葉型正好相反。NASA針對某多恒定轉速寬工況動力渦輪的設計需求，分別采用不同流量系數狀態所對應的最佳渦輪葉型進行了氣動設計。結果顯示，當葉型的最佳流量系數較小時，不但可以保證設計點渦輪性能有較好的保證，即可以兼顧設計狀態和非設計狀態，是較為理想的選擇。

Welch[2-3]利用一維中徑方法結合AMDCKO損失模型，驗證通過載荷系數、流量系數、反力度的合理選取可使渦輪獲得最佳氣動效率。Hendricks[4]等還對4級變轉速動力渦輪進行了一維設計空間參數的優化，采用NASA Glenn研究中心平均中徑方法的程序OTAC，初始設計點為54%轉速，優化過程中兼顧起飛和巡航兩個狀態，優化目標使兩則的加權效率最大。結果表明一維優化設計使得速度三角形和幾何流道發生了明顯的變化，最終使得優化后無論是起飛狀態還是巡航狀態的渦輪性能都獲得了一個百分點以上的提升，也表明一維設計空間參數的選取對變轉速動力渦輪設計具有重要意義。

2.3寬廣攻角適應性高負荷葉型設計

變轉速動力渦輪氣動設計時由于工作轉速變化，導致葉片工作攻角變化范圍非常大，可能會超過60°，需要在較大攻角范圍內，葉片保持高工作效率，對固定幾何動力渦輪，這就要求渦輪葉片需要向寬廣攻角適應性葉型方向開展深入研究。同時，渦輪工作轉速的降低，渦輪載荷系數也遠高于常規恒定轉速渦輪，在低轉速狀態的載荷系數是高轉速狀態的3.5～4倍，變轉速動力渦輪不可避免的需要面臨高負荷的難題。

NASA Glenn研究中心對大攻角范圍下渦輪葉片的葉型精細化設計進行了深入研究，其結果表明，在大攻角范圍，渦輪葉片的葉型損失對葉片前緣的型線較為敏感。因此葉型前緣的幾何參數設計是寬廣攻角適應性葉型設計的重要部分。通過優化大攻角葉型前緣型線曲率，可有效降低葉型氣動損失。NASA在2013年已經實現了具有65°攻角范圍工作能力的動力渦輪葉型設計，并進行了葉柵試驗研究。根據試驗結果，該葉型能夠在-50°和15°的攻角范圍內保持較高的氣動性能。其巡航狀態下ZW系數達到1.06，而且該葉型在雷諾數很低的情況下，氣動損失的增加仍控制在很小的范圍內。

2.4流量調節及泄漏損失控制

變轉速動力渦輪需要在多個工況保持高效率工作，可以通過調節渦輪進口流量，改變速度三角形，改變各級功分配，達到多工況下渦輪高效率工作的目的。如在最大起飛狀態，開大可調導葉，可以調節反力度，使更多的焓降分配給燃氣渦輪。而在巡航狀態時，關小可調導葉，可降低動力渦輪的有效流通面積，從而減小流量，分配更多的膨脹比給動力渦輪，從而獲得較高的循環效率。

流量調節方法包括幾何調節和氣動調節，其中最常采用的方法為變幾何動力渦輪。GE公司研制的第二代變循環發動機GE21已經采用了低壓渦輪可調導葉技術。美國的IHPTE計劃將流量調節技術視作一項關鍵技術研究;VAATE計劃中擬實現高壓渦輪導向器流通面積有大范圍的變化。但對于航空發動機，變幾何動力渦輪需增加調節裝置和機構，會帶來結構復雜、重量增加、可靠性的的問題，目前在國內尚處于概念設計階段。而且變幾何結構會增大通道內輪轂和機匣的間隙，增大額外的間隙泄漏損失，間隙泄漏會部分抵消效率的提升。

3結語

綜上所述，對變轉速動力渦輪氣動設計難點在于轉速變化造成的攻角變化大，低轉速下的氣動載荷大等問題。與常規恒定轉速動力渦輪相比，設計點轉速和級數選擇、一維設計和匹配優化技術、寬廣攻角適應性高負荷葉型設計、流量調節及泄漏損失控制技術等是變轉速動力渦輪氣動設計的關鍵。

參考文獻

[1] Suchezky M， Cruzen G S.Variable-Speed Power-Turbine for the Large Civil Tilt Rotor[R].NASA/CR-2012-217424，2012.

[2] Welch G E.Assessment of Aerodynamic Challenges of a Variable Speed Power Turbine for Large Civil Tilt-Rotor Application[R].NASA/TM216758，2010.

[3] Welch G E.Computational Assessment of the Aerodynamic Performance? of a Variable-Speed Power Turbine for Large Civil Tilt Rotor Application[R].NASA/TM217124，2011.

[4] Hendricks E S， Jones S M， Gray J S.Design Optimization of a Variable-Speed Power-turbine[R].NASA 16528，2014.