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渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展

2018-02-25 11:32
航空動(dòng)力 2018年5期
關(guān)鍵詞:旋翼機(jī)旋翼渦輪

從20世紀(jì)50年代起,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)逐步取代活塞發(fā)動(dòng)機(jī)成為直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置,其技術(shù)進(jìn)步直接推動(dòng)了直升機(jī)平臺(tái)的升級(jí)換代?,F(xiàn)如今,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)盡管受到了來自其他動(dòng)力形式(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、全電推進(jìn)系統(tǒng)等)的挑戰(zhàn),但結(jié)合新循環(huán)、新結(jié)構(gòu)和新材料等技術(shù)的應(yīng)用,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)提升和應(yīng)用發(fā)展仍有很大空間。

從20世紀(jì)50年代法國成功研制出世界上第一臺(tái)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)阿都斯特(Artouste)開始,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)先后經(jīng)歷了以T58-GE-10和阿都斯特 II型等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表的第一代、以T64-GE-6和諾姆(Gnome)等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表的第二代以及以RTM322、T700等發(fā)動(dòng)機(jī)為典型代表的第三代。

目前,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)展到以T800、MTR390等發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的第四代,于20世紀(jì)80年代中/末期開始研制、90年代投入使用,大量采用鈦合金、單晶合金、粉末高溫合金和復(fù)合材料、熱障涂層等新材料和新工藝,單位功率普遍達(dá)到270~300 kW/(kg/s),可靠性、維修性和壽命得到進(jìn)一步提高,采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制(FADEC)系統(tǒng),同時(shí)還采用了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)(包括振動(dòng)監(jiān)控、健康管理等)。

MTR390發(fā)動(dòng)機(jī)分別于1996年和1997年獲得軍用型號(hào)許可和歐洲民航適航認(rèn)證,配裝于歐洲“虎”式武裝直升機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用單元體設(shè)計(jì),由雙級(jí)離心壓氣機(jī)、帶氣動(dòng)霧化噴嘴的環(huán)形回流燃燒室、單級(jí)高負(fù)荷冷卻燃?xì)鉁u輪及前輸出式雙級(jí)動(dòng)力渦輪等組成,具有最大50%的功率增長潛力,于2010年完成了功率提升14% 的MTR390-E發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

T800-LHT-800發(fā)動(dòng)機(jī)于1993年定型,主要配裝阿古斯特韋斯特蘭AW159“野貓”和土耳其T129武裝直升機(jī),其民用型CTS800-4N發(fā)動(dòng)機(jī)于2004年完成適航取證。發(fā)動(dòng)機(jī)采用單元體設(shè)計(jì),由整體式粒子分離器、附件齒輪箱、燃?xì)獍l(fā)生器和動(dòng)力渦輪等4個(gè)單元體組成,動(dòng)力渦輪可在外場更換,發(fā)動(dòng)機(jī)具備狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷/隔離和健康管理功能,采用視情維護(hù)。

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要研究計(jì)劃

軍用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要研究計(jì)劃

為進(jìn)一步促進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展,各國都不斷加大投入,努力將各種新技術(shù)應(yīng)用于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制。例如,美國在“通用經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(VAATE)計(jì)劃中針對(duì)小、中、大三個(gè)功率層次的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),分別開展了“小型重油發(fā)動(dòng)機(jī)”(SHFE)計(jì)劃、“先進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(AATE)計(jì)劃/“改進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(ITEP)計(jì)劃、“未來經(jīng)濟(jì)可承受渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”(FATE)計(jì)劃,主要目標(biāo)是降低耗油率、提高功重比、降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。不同功率量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展目標(biāo)有所不同,其技術(shù)提升情況如表1所示。

表1 美國渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃目標(biāo)

表2 HPW3000和GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究進(jìn)展

SHFE計(jì)劃的目標(biāo)是發(fā)展功率522kW的驗(yàn)證機(jī),驗(yàn)證可用于多種軍民用直升機(jī)的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。2008年,霍尼韋爾公司完成全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn),達(dá)到指標(biāo)要求。

AATE計(jì)劃和ITEP計(jì)劃是由GE公司和先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司(ATEC,霍尼韋爾和普惠的合資公司)競爭研制新型2237kW功率級(jí)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),以替換UH-60“黑鷹”和AH-64阿帕奇直升機(jī)配裝的T700發(fā)動(dòng)機(jī),這兩項(xiàng)計(jì)劃驗(yàn)證的新型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)將為美國未來中型直升機(jī)用動(dòng)力研制奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。其中,GE3000發(fā)動(dòng)機(jī)采用了成熟的單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)及高溫陶瓷基復(fù)合材料(CMC)、增材制造和三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù);HPW3000則采用了雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu),在目前的尺寸下具有25%的功率增長潛力。

GE公司研制的GE3000和先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司研制的HPW3000的技術(shù)研究進(jìn)展如表2所示。

表3 賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的“綠色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃目標(biāo)

FATE計(jì)劃發(fā)展功率3675~7350kW級(jí)先進(jìn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),作為CH-47支奴干直升機(jī)發(fā)展型或下一代重型直升機(jī)的動(dòng)力。該計(jì)劃于2009年開始,2012年年初進(jìn)入先期技術(shù)驗(yàn)證階段,現(xiàn)已完成全尺寸地面樣機(jī)驗(yàn)證,技術(shù)成熟度(TRL)達(dá)到6級(jí)。

除上述技術(shù)研究計(jì)劃外,2013年3月,美國還啟動(dòng)了替代概念發(fā)動(dòng)機(jī)(ACE)計(jì)劃,目標(biāo)是開展未來各型垂直起降旋翼機(jī)所需的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)先研究,以滿足其超高的性能指標(biāo)。ACE計(jì)劃的功率范圍覆蓋28~7457kW,功重比提高90%、耗油率降低40%、生產(chǎn)和維護(hù)成本降低50%。該計(jì)劃包括多項(xiàng)潛在的研究途徑,例如,變速動(dòng)力渦輪技術(shù)和自適應(yīng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。ACE已在2014年啟動(dòng)應(yīng)用研究工作,2017年進(jìn)入先期技術(shù)驗(yàn)證,預(yù)計(jì)2021年完成全尺寸地面樣機(jī)驗(yàn)證,TRL達(dá)到6級(jí),為型號(hào)研制做好技術(shù)儲(chǔ)備。

民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)主要研究計(jì)劃

作為歐洲“清潔天空”計(jì)劃的“可持續(xù)和綠色發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目的組成部分,自2009年開始,法國賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司開始“綠色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)”技術(shù)研究和驗(yàn)證,通過TECH 600、TECH 800、TECH 3000等3個(gè)驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)研究,開展先進(jìn)壓氣機(jī)、新材料應(yīng)用、熱端技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,以阿赫耶(Arriel)2發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)耗油率降低35%、CO2排放量降低35%、NOX排放量減少80%、噪聲降低10dB以上的目標(biāo)。TECH600、TECH800、TECH3000技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制均已在2012年前展開?!熬G色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃的發(fā)展目標(biāo)及其進(jìn)展情況如表3和表4所示。

“綠色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃瞄準(zhǔn)了未來先進(jìn)直升機(jī)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的綜合需求和下一代渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),綜合應(yīng)用了最新的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、材料和工藝領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),滿足了未來適航法規(guī)對(duì)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)污染排放、噪聲的嚴(yán)格要求。

表4 賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的“綠色渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)”計(jì)劃進(jìn)展情況

渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著直升機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,直升機(jī)平臺(tái)對(duì)動(dòng)力裝置的發(fā)展提出了更高要求:軍用直升機(jī)追求更高速度,擴(kuò)大任務(wù)載荷/提高航程,改善維修性,提高使用地域內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性和機(jī)動(dòng)能力等;民用直升機(jī)則更關(guān)注安全性、經(jīng)濟(jì)性、操縱品質(zhì)和環(huán)境適應(yīng)性,并日益重視環(huán)保性。

目前,航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司正通過一系列專項(xiàng)發(fā)展計(jì)劃,應(yīng)用氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱、燃燒、控制、材料及工藝等方面的最新研究成果,進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)、部件效率,降低耗油率、提高發(fā)動(dòng)機(jī)壽命及可靠性、降低全生命周期使用成本。

近年來,旋翼機(jī)平臺(tái)逐步融入了各類固定翼飛機(jī)的設(shè)計(jì)理念,各種高速旋翼機(jī)構(gòu)型層出不窮,對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的能量效率、能量形式、驅(qū)動(dòng)方式等提出了新的要求。預(yù)計(jì)未來旋翼機(jī)動(dòng)力技術(shù)將朝著以下四個(gè)方向發(fā)展。

一是采用新結(jié)構(gòu)型式,進(jìn)一步提升部件技術(shù)水平,研制出性能更優(yōu)異的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。例如,內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)采用以等容燃燒為基礎(chǔ)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)(Humphrey循環(huán)),可獲得更高的循環(huán)熱效率,具有很好的應(yīng)用前景。美國國家航空航天局(NASA)完成了以501-KB5S發(fā)動(dòng)機(jī)為基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃波轉(zhuǎn)子取代核心機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證,結(jié)果表明,壓比降低,壓氣機(jī)減少2~3級(jí),但輸出軸功率提高了17.7%、耗油率降低了10.5%。

二是探索組合動(dòng)力技術(shù),大幅提升旋翼機(jī)飛行速度,例如,傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)用可轉(zhuǎn)換渦軸/渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)、變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)等。美國陸軍與NASA合作的“先進(jìn)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪”(AVSPOT) 計(jì)劃,可將動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速維持在55%~105%范圍之間,使旋翼機(jī)在起飛和爬升時(shí)旋翼轉(zhuǎn)速較高,巡航時(shí)轉(zhuǎn)速較低,實(shí)現(xiàn)旋翼—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)匹配,提升旋翼機(jī)推進(jìn)效率,大幅提高飛行速度,同時(shí)可避免變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。

三是以傳統(tǒng)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)發(fā)展分布式混合電推進(jìn)系統(tǒng),拓展高速旋翼飛行器的飛行包線,提升懸停效率、巡航效率和系統(tǒng)可靠性。目前,各大飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商均大力投入航空電推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā),例如,法國賽峰集團(tuán)開發(fā)的用于貝爾公司電動(dòng)垂直起飛和著陸(eVTOL)飛行器的混合動(dòng)力電推進(jìn)系統(tǒng),預(yù)計(jì)于2019年進(jìn)行地面測(cè)試。

四是探索不依賴機(jī)械傳動(dòng)的推進(jìn)形式,例如,開展槳尖噴氣等推進(jìn)方式研究。槳尖噴氣旋翼通過翼尖高速噴氣產(chǎn)生反作用力驅(qū)動(dòng)旋翼,取消了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和反扭轉(zhuǎn)系統(tǒng),有效地降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。通過對(duì)槳尖噴氣的冷噴、暖噴和熱噴三種循環(huán)形式的長期研究表明,采用暖噴循環(huán)形式,即利用高溫燃?xì)夂偷蜏貕嚎s冷氣的混合氣體進(jìn)行驅(qū)動(dòng),相對(duì)于其他形式具有較高的熱效率。由于槳尖噴氣旋翼的綜合效率仍低于機(jī)械傳動(dòng)的旋翼系統(tǒng),該技術(shù)工程實(shí)用還有很長的路要走。

綜上所述,作為一種傳統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)盡管受到了來自其他動(dòng)力形式(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、全電推進(jìn)系統(tǒng)等)的挑戰(zhàn),但結(jié)合新循環(huán)、新結(jié)構(gòu)和新材料等技術(shù)的應(yīng)用,渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)提升和應(yīng)用發(fā)展仍有很大空間。

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