M250發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展之路

■ 王士奇 / 中國(guó)航發(fā)研究院 劉子娟/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

（王士奇，中國(guó)航發(fā)研究院，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能工作）

羅羅公司于2019年宣布，其基于M250型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而來的、面向下一代航空動(dòng)力的混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)成功完成了地面測(cè)試，向2021年實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)飛行的目標(biāo)跨出了一大步。從1961年首飛算起，M250系列發(fā)動(dòng)機(jī)在歷經(jīng)60年磨礪之后，又在新一輪動(dòng)力變革浪潮中擔(dān)起重任。

最初由美國(guó)艾利遜公司研發(fā)生產(chǎn)的M250系列發(fā)動(dòng)機(jī)，包含了渦軸和渦槳兩種發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率為184～526kW，其民用渦軸型編號(hào)為M250-C，軍用渦軸型編號(hào)為T63或T703，渦槳型編號(hào)為M250-B。1994年，艾利遜公司被羅羅公司收購后，M250型發(fā)動(dòng)機(jī)也被羅羅公司納入其產(chǎn)品線。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了RR300型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖 1 M250-C20發(fā)動(dòng)機(jī)剖面結(jié)構(gòu)

M250發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)背景

M250發(fā)動(dòng)機(jī)的需求最初是由美國(guó)陸軍于1957年在美國(guó)國(guó)家航空咨詢委員會(huì)（NACA）會(huì)議上提出的，希望獲得一型功率為184kW（250hp）的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。這項(xiàng)需求是基于美國(guó)陸軍在1956年進(jìn)行的一系列研究，以及對(duì)未來飛機(jī)需求的評(píng)估后提出的。美國(guó)陸軍認(rèn)為，針對(duì)這樣一種輕型直升機(jī)，采用功重比更高的燃?xì)廨啓C(jī)是非常必要的。

除了艾利遜公司之外，當(dāng)時(shí)參與競(jìng)爭(zhēng)的還蓋瑞（Garrett）公司、寇 蒂 斯-萊 特（Curtiss Wright）公司、特里達(dá)因大陸發(fā)動(dòng)機(jī)（Tridane Continental Engines）公司和萊康明（Lycoming）公司。艾利遜公司于1958年3月正式提交了其設(shè)計(jì)方案，并于同年6月贏得了生產(chǎn)250臺(tái)T63軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的合同。

在進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能改善、耐久性測(cè)試以及多工況飛行測(cè)試工作后，T63-A-5發(fā)動(dòng)機(jī)在1962年12月獲得到了軍方的型號(hào)批準(zhǔn)，其民用型號(hào)250-C10也通過了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）的適航認(rèn)證。T63-A-5發(fā)動(dòng)機(jī)被指定為輕型偵察直升機(jī)（LOH）項(xiàng)目的動(dòng)力裝置安裝在3款候選直升機(jī)上，即貝爾公司的YOH-4A、席勒（Hiller）公司的YOH-5A和休斯飛機(jī)（Hughes Aircraft）公司的YOH-6A。1965年5月，休斯飛機(jī)公司贏得了陸軍的合同，并于1966年開始交付OH-6直升機(jī)。1968年，美國(guó)陸軍又重新安排了LOH競(jìng)賽，貝爾公司的OH-4A勝出，即后來著名的OH-58A基奧瓦直升機(jī)。這兩款軍用直升機(jī)在越南戰(zhàn)場(chǎng)上的大量使用，為T63系列發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著采用M250-C18發(fā)動(dòng)機(jī)的貝爾206A直升機(jī)（民用型OH-58A）和休斯500直升機(jī)（民用型OH-6）的成功，M250C系列發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎獨(dú)占了輕型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。

隨后，艾利遜公司開始研究M250發(fā)動(dòng)機(jī)的II系列，并于1970年5月通過了認(rèn)證。在隨后的幾十年中，它又繼續(xù)發(fā)展出了許多衍生型號(hào)，以及具有增強(qiáng)和改進(jìn)功能的III系列和IV系列。到20世紀(jì)80年代后期，T63 /M250已在歐美國(guó)家中占領(lǐng)了80%的輕型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)份額。羅羅公司收購艾利遜公司之后，仍在不斷地對(duì)M250系列發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

M250發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

M250發(fā)動(dòng)機(jī)采用了獨(dú)特的回流式布局結(jié)構(gòu)：齒輪箱位于發(fā)動(dòng)機(jī)的中部，壓氣機(jī)組件用螺栓安裝在齒輪箱的前面，渦輪和燃燒室組件（包括排氣罩）與其后表面相連（典型的剖面結(jié)構(gòu)如圖 1所示）。在這種布局下，氣流以傳統(tǒng)方式從前方進(jìn)入集氣和壓縮系統(tǒng)，壓縮后的高壓氣體從離心壓氣機(jī)的擴(kuò)壓器流出后，通過一個(gè)長(zhǎng)擴(kuò)壓管道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后部的燃燒室內(nèi)，高溫高壓的燃?xì)鈴娜紵伊鞒龊筮M(jìn)入高壓渦輪段，此時(shí)的氣流方向已經(jīng)改變了180°。兩級(jí)高壓渦輪（早期型號(hào)為單級(jí)）通過高壓軸與壓氣機(jī)相連接，燃?xì)饫^續(xù)通過兩級(jí)動(dòng)力渦輪產(chǎn)生軸功率。用同心軸連接動(dòng)力渦輪和減速箱，減速機(jī)構(gòu)位于離心壓氣機(jī)和排氣/動(dòng)力渦輪系統(tǒng)中間位置。從動(dòng)力渦輪后排出的氣體折轉(zhuǎn)90°后，通過兩個(gè)V字形的排氣管道沿徑向排出發(fā)動(dòng)機(jī)。

M250發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)特的機(jī)械布局有諸多優(yōu)勢(shì)：減速器鑄件是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件,固定在安裝板上；壓氣機(jī)以及渦輪/燃燒室組件均用螺栓與減速器相連，方便使用和維護(hù)；燃燒室位于發(fā)動(dòng)機(jī)的后部也很容易拆卸。另外，選擇中部減速器，而未將功率傳動(dòng)軸放在壓氣機(jī)前部有兩個(gè)原因：該發(fā)動(dòng)機(jī)有渦槳和渦軸兩種形式，對(duì)渦槳型來說，需要將螺旋槳減速器置于壓氣機(jī)前部；而且，前部功率傳動(dòng)需要?jiǎng)恿S與壓氣機(jī)同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，中部減速器的垂直功率提取裝置比同心軸的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單。

M250發(fā)動(dòng)機(jī)的系列化發(fā)展

在保持上述布局結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，M250型發(fā)動(dòng)機(jī)共發(fā)展了4個(gè)系列（不同型號(hào)的取證年份和起飛功率分布如圖 2所示）。

圖 2 M250型系列發(fā)動(dòng)機(jī)圖譜

I系列是最早發(fā)展的型號(hào)，其渦軸型的功率為186～236kW。I系列渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)主要是236kW的M250-B15G型，用于賽斯納飛機(jī)和比奇飛機(jī)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)替換。該系列發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是“6級(jí)軸流+1級(jí)離心”的組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下，艾利遜公司認(rèn)為只有采用這種壓縮形式，才能達(dá)到所需要的6.2∶1的增壓比。

II系列發(fā)動(dòng)機(jī)是在I系列M250-C18的基礎(chǔ)上改型而來的，其渦軸型的功率提高到了294～331kW，主要是為了響應(yīng)軍民用戶對(duì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命的需求。為了提高功率，II系列發(fā)動(dòng)機(jī)通過加大壓氣機(jī)直徑，使流量增加了13%；采用了更先進(jìn)的材料，從而提高了渦輪前溫度。從1971年 到1995年，II系 列 的 渦 軸發(fā)動(dòng)機(jī)共生產(chǎn)了15301臺(tái)，II系列的M250-B17/A11渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)了958臺(tái)。此外，艾利遜公司還以國(guó)際合作的方式研發(fā)了低成本的M225-C10渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)并于1987年3月通過適航認(rèn)證，但該項(xiàng)目后被取消。II系列的發(fā)動(dòng)機(jī)依然采用了組合式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)，早期型號(hào)為“6級(jí)軸流+1級(jí)離心”，而后期型號(hào)為“4級(jí)軸流+1級(jí)離心”。

III系列即M250-C28渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定起飛功率為368kW，是艾利遜公司于1972—1973年為滿足商用直升機(jī)運(yùn)營(yíng)商對(duì)加大功率和更高飛行速度的要求而研制的，并于1976年5月通過適航認(rèn)證。III系列主要對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，由之前的組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)改為了單級(jí)離心壓氣機(jī)，壓比從之前的6∶1提高到了8∶1，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)也使性能得到了大幅提升，其空氣流量也比組合壓氣機(jī)大。為滿足流量和壓氣機(jī)的壓比的增加并提高效率，渦輪的氣動(dòng)性能也進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。

IV系列渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)是艾利遜公司為滿足輕型直升機(jī)功率增加的要求，在M250-C28發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)70年代中期開始研制的，主要包括478kW的M250-C30/-C47系列和526kW的M250-C40系列民用發(fā)動(dòng)機(jī)，以及T703-AD-700軍用型發(fā)動(dòng)機(jī)（民用型為M250-C30R）。M250-C30于1978年3月通過適航認(rèn)證，T703-AD-700則在1981年7月通過了軍方驗(yàn)證試驗(yàn)。為獲得更高的功率輸出，IV系列的單級(jí)離心壓氣機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)空氣流量。

可以看出，艾利遜公司根據(jù)輸出功率的大小將M250型發(fā)動(dòng)機(jī)分成了4個(gè)系列，從I系列發(fā)動(dòng)機(jī)到IV系列發(fā)動(dòng)機(jī)的額定輸出功率是最初的2.8倍，主要的技術(shù)改進(jìn)包括：對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從軸流-離心組合壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)改為單級(jí)離心式結(jié)構(gòu)，提高了壓比和流量；對(duì)渦輪氣動(dòng)性能做了改進(jìn)，使渦輪效率提高，同時(shí)壓氣機(jī)和渦輪的匹配性更好；對(duì)渦輪材料作了改進(jìn)，使渦輪工作溫度提高。

RR300發(fā)動(dòng)機(jī)

60年來，M250系列發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展了4個(gè)系列幾十種型號(hào)。為了確保在小功率渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，羅羅公司在M250-C20的基礎(chǔ)上研發(fā)了起飛功率為221kW（300hp）的RR300發(fā)動(dòng)機(jī)，并于2008年通過了FAA的適航認(rèn)證，其在適航文件中的型號(hào)為M250-C300/A1，應(yīng)視為II系列中的最新型號(hào)。

RR300保持了與M250發(fā)動(dòng)機(jī)相似的外觀和結(jié)構(gòu)，去掉了II系列中的軸流離心組合式壓氣機(jī)，代之以IV系列中的單級(jí)離心壓氣機(jī)，并通過進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使壓比達(dá)到了6.2∶1。目前，RR300的市場(chǎng)定位是替代輕型直升機(jī)和通用飛機(jī)所用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要的裝備對(duì)象是羅賓遜R66直升機(jī)和貝爾47-GT-6直升機(jī)。

目前，羅羅公司在適航文件中將M250重新歸為兩個(gè)系列，即其中II系列包含了上述M250-C18/-C20系列和RR300發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖 2中紅色型號(hào)所示；C28系列包含了III系列和IV系列的相關(guān)型號(hào)，如圖 2中的藍(lán)色型號(hào)所示。

M250與競(jìng)爭(zhēng)發(fā)動(dòng)機(jī)之間的對(duì)比分析

長(zhǎng)期以來，M250 / T63發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎壟斷了輕型渦輪直升機(jī)動(dòng)力市場(chǎng)（如圖2所示），直到20世紀(jì)90年代以后，萊康明公司（現(xiàn)霍尼韋爾公司）的LTS101渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)、普惠加拿大公司的PW200系列發(fā)動(dòng)機(jī)和透博梅卡公司（現(xiàn)賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司）的阿赫尤系列發(fā)動(dòng)機(jī)才開始在市場(chǎng)上與其III和IV系列發(fā)動(dòng)機(jī)正面交鋒。從結(jié)構(gòu)上來講，這3型發(fā)動(dòng)機(jī)互相之間非常類似，均采用了單級(jí)離心壓氣機(jī)、回流式燃燒室、單級(jí)動(dòng)力渦輪，以及同心軸功率前置輸出的結(jié)構(gòu)形式，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的整體布局更加緊湊。

通過M250-C47發(fā)動(dòng)機(jī)與幾款同年代競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的比較（見表1）可以看出，競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸均顯著小于M250發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)其功率/質(zhì)量比又有明顯提高，這得益于競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)、材料制造工藝的大幅提高。但這并不意味著M250發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)就是落后的，相反，正是這樣的設(shè)計(jì)為其保留了充分的改進(jìn)空間，與主流的設(shè)計(jì)指標(biāo)保持一致。以動(dòng)力渦輪前溫度為例，3型競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)的均在900℃以上，而M250型發(fā)動(dòng)機(jī)的僅為779℃。這得益于M250發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)動(dòng)力渦輪，相比競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)的單級(jí)動(dòng)力渦輪，具有更強(qiáng)的作功能力。雖然增加了質(zhì)量和長(zhǎng)度，但是承受的溫度更低，就能夠大幅降低動(dòng)力渦輪的成本，并提高其可靠性。

M250發(fā)動(dòng)機(jī)是羅羅公司目前的渦軸產(chǎn)品中，輸出功率最小的發(fā)動(dòng)機(jī)，與之接近的是750 kW功率的Gem發(fā)動(dòng)機(jī)，但是此發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)年代過于久遠(yuǎn)，目前正在被羅羅公司與霍尼韋爾公司合作研發(fā)的LHTEC T800渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（1100 kW）所替代。混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)被普遍認(rèn)為有望最早在輕型飛機(jī)中實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，其需要的功率約在500 kW～1 MW。采用成熟可靠、性能先進(jìn)、功率覆蓋范圍適合、市場(chǎng)占有量大且具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的M250型發(fā)動(dòng)機(jī)作為其研發(fā)混合電推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，自然而然地成為了羅羅公司的不二選擇。

表1 同年代競(jìng)品發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

M250發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展啟示

M250發(fā)動(dòng)機(jī)獲得如此巨大的成功并不是偶然的，總結(jié)起來有以下幾個(gè)因素。

一是低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)，獨(dú)占市場(chǎng)。當(dāng)初，在面對(duì)輕型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)需求巨大，但又充滿不確定性的市場(chǎng)時(shí)，公司的決策者就主動(dòng)向軍方減少發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)預(yù)算，并單方面補(bǔ)貼研發(fā)費(fèi)用，以贏得軍方訂單。在產(chǎn)品成功投放市場(chǎng)后，又主動(dòng)壓低價(jià)格，降低利潤(rùn)，使得后來者難以進(jìn)入該市場(chǎng)，從而使M250發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期獨(dú)霸輕型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)。同時(shí)，較低的價(jià)格又極大地拓展了輕型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用市場(chǎng)，并用來替代固定翼通用飛機(jī)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。

二是修煉內(nèi)功，精進(jìn)技術(shù)。M250發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)之初就提出了較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)，以高效率和高功重比成功贏得了軍方的競(jìng)爭(zhēng)，為實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)指標(biāo)做出了很多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然市場(chǎng)不斷提出對(duì)更高功率和更高效率的需求，但隨著更先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝和加工材料的不斷出現(xiàn)，M250發(fā)動(dòng)機(jī)雖然一直采用的是20世紀(jì)50年代的結(jié)構(gòu)布局，但是一直在響應(yīng)市場(chǎng)的需求，吸收和融合各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，使得其技術(shù)指標(biāo)一直處于前沿。

三是可靠高效的運(yùn)行紀(jì)錄。在設(shè)計(jì)之初，M250發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了模塊化設(shè)計(jì)，并充分考慮了操作維護(hù)的便利性和運(yùn)行的可靠性，之后又經(jīng)歷了越南戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的打磨，為高性能和高可靠性的運(yùn)行紀(jì)錄打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并在民用市場(chǎng)的大規(guī)模應(yīng)用中得到了延續(xù)和進(jìn)一步的驗(yàn)證。