吳小芳 劉長(zhǎng)青 熊清勇

摘 要：本文主要介紹了高速直升機(jī)變轉(zhuǎn)速渦輪發(fā)展情況及氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，與常規(guī)恒定轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速和級(jí)數(shù)選擇、一維設(shè)計(jì)和匹配優(yōu)化、寬廣攻角適應(yīng)性高負(fù)荷葉型設(shè)計(jì)、流量調(diào)節(jié)技術(shù)是變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：變轉(zhuǎn)速;動(dòng)力渦輪;氣動(dòng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）08-0102-02

0概述

高速直升機(jī)等新的作戰(zhàn)平臺(tái)為未來(lái)作戰(zhàn)方式提供了新的選擇，隨之而來(lái)的是其對(duì)動(dòng)力裝置技術(shù)的新需求。當(dāng)前，常規(guī)渦軸/渦漿發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪，只能在很窄工況范圍內(nèi)保證其氣動(dòng)效率，而高速直升機(jī)的任務(wù)特征對(duì)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪的性能和工況范圍都提出了更高的要求，需要?jiǎng)恿u輪長(zhǎng)時(shí)間工作于多個(gè)差別較大的轉(zhuǎn)速工況，這與現(xiàn)有常規(guī)恒定轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪有本質(zhì)區(qū)別，對(duì)動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪具有多狀態(tài)多轉(zhuǎn)速適應(yīng)性的特點(diǎn)，可避免變轉(zhuǎn)速傳動(dòng)系統(tǒng)及其換擋機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和重量增加，成為高速直升機(jī)動(dòng)力發(fā)展重點(diǎn)。本文詳細(xì)介紹了變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)自20世紀(jì)90年代就開(kāi)始了變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪研究，目前在軍用和民用領(lǐng)域都已有較為系統(tǒng)的研究工作。在民用領(lǐng)域，NASA早在20世紀(jì)90年代先后在VAATE（多用途經(jīng)濟(jì)可承受性渦輪發(fā)展計(jì)劃）和SRW（亞聲速旋翼機(jī)計(jì)劃）等圍繞變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)開(kāi)展持續(xù)的研究，并在隨后的傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)項(xiàng)目中專門部署了變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪的研究計(jì)劃。在軍用方面，美國(guó)空軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“魚鷹”的AE1107C發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)采用了2級(jí)變轉(zhuǎn)速的動(dòng)力渦輪，但該動(dòng)力渦輪的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍比較小，只能實(shí)現(xiàn)在81%和100%兩個(gè)轉(zhuǎn)速高效工作，無(wú)法滿足更大范圍工況的需求。因此美國(guó)軍方和NASA于2012年聯(lián)合啟動(dòng)了AVSPT（先進(jìn)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪計(jì)劃），為高速旋翼機(jī)等飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)提供能夠提升性能、效率和經(jīng)濟(jì)可承受性的動(dòng)力渦輪技術(shù)，并使這些技術(shù)在2016年進(jìn)入試驗(yàn)階段，達(dá)到技術(shù)成熟度4級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)力渦輪可調(diào)轉(zhuǎn)速范圍達(dá)到55%～105%。NASA和美國(guó)軍方初步總結(jié)了變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使美國(guó)具備發(fā)展新一代高速直升機(jī)動(dòng)力裝置的關(guān)鍵能力。

1.2變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在高速直升機(jī)用變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)方面也陸續(xù)開(kāi)展了一些研究，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所目前開(kāi)展了變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪寬攻角適應(yīng)性葉型設(shè)計(jì)及性能驗(yàn)證，北京航空航天大學(xué)在變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪的一維通流設(shè)計(jì)、渦輪葉型前緣設(shè)計(jì)和優(yōu)化等方面取得了一定成果。但總體而言，國(guó)內(nèi)在變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)研究尚處于起步階段，需要進(jìn)一步深化和完善。

2變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速和級(jí)數(shù)選擇

高速直升機(jī)飛行過(guò)程中，通常需要在多個(gè)狀態(tài)工作，如最大起飛狀態(tài)和巡航狀態(tài)等，要求動(dòng)力渦輪在多狀態(tài)多轉(zhuǎn)速下保持高效工作，設(shè)計(jì)點(diǎn)和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的合理選擇對(duì)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)非常重要。Suchezky[1]等針對(duì)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪，采用一維平均中徑法對(duì)不同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的影響進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)巡航狀態(tài)轉(zhuǎn)速（54%轉(zhuǎn)速）和最大起飛狀態(tài)轉(zhuǎn)速（100%轉(zhuǎn)速）都不是最佳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，當(dāng)選擇最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)（54%轉(zhuǎn)速）為設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，預(yù)估設(shè)計(jì)點(diǎn)效率為90.2%～91.4%，對(duì)應(yīng)最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)（100%轉(zhuǎn)速）效率預(yù)計(jì)為69.3%;反之，若以最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)（100%轉(zhuǎn)速）狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率可達(dá)到91.4%～92.8%，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的效率會(huì)低于58%，而分別選擇不同轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，基于該發(fā)動(dòng)機(jī)全任務(wù)工況進(jìn)行的優(yōu)化和評(píng)估表明，該動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為69%時(shí)可以獲得最低的全工況燃油消耗量。這主要是因?yàn)闇u輪葉片在負(fù)攻角來(lái)流的表現(xiàn)一般遠(yuǎn)好于正攻角來(lái)流，而渦輪低轉(zhuǎn)速工作時(shí)意味著葉片處于正攻角來(lái)流，而渦輪低轉(zhuǎn)速工作時(shí)葉片則對(duì)應(yīng)負(fù)攻角狀態(tài)，高轉(zhuǎn)速工作時(shí)葉片則對(duì)應(yīng)負(fù)攻角狀態(tài)，適當(dāng)選擇接近低轉(zhuǎn)速狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，可以使渦輪在大部分非設(shè)計(jì)點(diǎn)下工作處于負(fù)攻角狀態(tài)，仍可以保持良好的性能。可見(jiàn)，變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪最優(yōu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速并不是最低或者最高的工作轉(zhuǎn)速，而需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的典型任務(wù)工況來(lái)優(yōu)化選取。

變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪多工作點(diǎn)高效工作的要求又對(duì)動(dòng)力渦輪級(jí)數(shù)選擇提出了新的挑戰(zhàn)。NASA研究表明，通過(guò)級(jí)數(shù)合理選擇可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)轉(zhuǎn)速工作范圍內(nèi)保持較低油耗。Suchezky[1]等通過(guò)對(duì)比3級(jí)和4級(jí)動(dòng)力渦輪，結(jié)果表明3級(jí)渦輪與4級(jí)渦輪相比，渦輪呈現(xiàn)出兩種不同的趨勢(shì)。對(duì)3級(jí)渦輪油耗最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于85%轉(zhuǎn)速，而4級(jí)渦輪油耗最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于69%轉(zhuǎn)速。渦輪的級(jí)數(shù)減少為3級(jí)，增加每級(jí)渦輪的負(fù)荷，渦輪油耗并沒(méi)有降低，綜合考量，將69%轉(zhuǎn)速作為設(shè)計(jì)點(diǎn)的4級(jí)渦輪方案具有明顯優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)點(diǎn)和非設(shè)計(jì)點(diǎn)都保持較高的性能。因此除與常規(guī)恒定轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪類似，在級(jí)數(shù)選擇時(shí)需考慮載荷系數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)重量之間合理平衡外，變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪還需要進(jìn)行全工況油耗綜合評(píng)價(jià)。

2.2一維參數(shù)和匹配優(yōu)化技術(shù)

在變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)中，流量系數(shù)、反力度、載荷系數(shù)對(duì)性能影響顯著?，F(xiàn)有研究表明，在整機(jī)匹配環(huán)境下動(dòng)力渦輪的物理轉(zhuǎn)速?gòu)?4%轉(zhuǎn)速變化到100%時(shí)，其流量變化幅度一般很小，可能不超過(guò)5%。這種匹配關(guān)系決定了多恒定轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪的流量系數(shù)近似與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，將導(dǎo)致不同工況流量系數(shù)差異非常明顯。一般而言，不同流量系數(shù)情況下工作的渦輪最佳幾何應(yīng)具備的特征并不一致。對(duì)應(yīng)小流量系數(shù)的渦輪葉型一般轉(zhuǎn)角較大，其進(jìn)口速度較低，轉(zhuǎn)速變化會(huì)導(dǎo)致較為明顯的攻角變化;而大流量系數(shù)渦輪葉型正好相反。NASA針對(duì)某多恒定轉(zhuǎn)速寬工況動(dòng)力渦輪的設(shè)計(jì)需求，分別采用不同流量系數(shù)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的最佳渦輪葉型進(jìn)行了氣動(dòng)設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，當(dāng)葉型的最佳流量系數(shù)較小時(shí)，不但可以保證設(shè)計(jì)點(diǎn)渦輪性能有較好的保證，即可以兼顧設(shè)計(jì)狀態(tài)和非設(shè)計(jì)狀態(tài)，是較為理想的選擇。

Welch[2-3]利用一維中徑方法結(jié)合AMDCKO損失模型，驗(yàn)證通過(guò)載荷系數(shù)、流量系數(shù)、反力度的合理選取可使渦輪獲得最佳氣動(dòng)效率。Hendricks[4]等還對(duì)4級(jí)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪進(jìn)行了一維設(shè)計(jì)空間參數(shù)的優(yōu)化，采用NASA Glenn研究中心平均中徑方法的程序OTAC，初始設(shè)計(jì)點(diǎn)為54%轉(zhuǎn)速，優(yōu)化過(guò)程中兼顧起飛和巡航兩個(gè)狀態(tài)，優(yōu)化目標(biāo)使兩則的加權(quán)效率最大。結(jié)果表明一維優(yōu)化設(shè)計(jì)使得速度三角形和幾何流道發(fā)生了明顯的變化，最終使得優(yōu)化后無(wú)論是起飛狀態(tài)還是巡航狀態(tài)的渦輪性能都獲得了一個(gè)百分點(diǎn)以上的提升，也表明一維設(shè)計(jì)空間參數(shù)的選取對(duì)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)具有重要意義。

2.3寬廣攻角適應(yīng)性高負(fù)荷葉型設(shè)計(jì)

變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)由于工作轉(zhuǎn)速變化，導(dǎo)致葉片工作攻角變化范圍非常大，可能會(huì)超過(guò)60°，需要在較大攻角范圍內(nèi)，葉片保持高工作效率，對(duì)固定幾何動(dòng)力渦輪，這就要求渦輪葉片需要向?qū)拸V攻角適應(yīng)性葉型方向開(kāi)展深入研究。同時(shí)，渦輪工作轉(zhuǎn)速的降低，渦輪載荷系數(shù)也遠(yuǎn)高于常規(guī)恒定轉(zhuǎn)速渦輪，在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的載荷系數(shù)是高轉(zhuǎn)速狀態(tài)的3.5～4倍，變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪不可避免的需要面臨高負(fù)荷的難題。

NASA Glenn研究中心對(duì)大攻角范圍下渦輪葉片的葉型精細(xì)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，其結(jié)果表明，在大攻角范圍，渦輪葉片的葉型損失對(duì)葉片前緣的型線較為敏感。因此葉型前緣的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)是寬廣攻角適應(yīng)性葉型設(shè)計(jì)的重要部分。通過(guò)優(yōu)化大攻角葉型前緣型線曲率，可有效降低葉型氣動(dòng)損失。NASA在2013年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有65°攻角范圍工作能力的動(dòng)力渦輪葉型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了葉柵試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該葉型能夠在-50°和15°的攻角范圍內(nèi)保持較高的氣動(dòng)性能。其巡航狀態(tài)下ZW系數(shù)達(dá)到1.06，而且該葉型在雷諾數(shù)很低的情況下，氣動(dòng)損失的增加仍控制在很小的范圍內(nèi)。

2.4流量調(diào)節(jié)及泄漏損失控制

變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪需要在多個(gè)工況保持高效率工作，可以通過(guò)調(diào)節(jié)渦輪進(jìn)口流量，改變速度三角形，改變各級(jí)功分配，達(dá)到多工況下渦輪高效率工作的目的。如在最大起飛狀態(tài)，開(kāi)大可調(diào)導(dǎo)葉，可以調(diào)節(jié)反力度，使更多的焓降分配給燃?xì)鉁u輪。而在巡航狀態(tài)時(shí)，關(guān)小可調(diào)導(dǎo)葉，可降低動(dòng)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(dòng)力渦輪，從而獲得較高的循環(huán)效率。

流量調(diào)節(jié)方法包括幾何調(diào)節(jié)和氣動(dòng)調(diào)節(jié)，其中最常采用的方法為變幾何動(dòng)力渦輪。GE公司研制的第二代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)GE21已經(jīng)采用了低壓渦輪可調(diào)導(dǎo)葉技術(shù)。美國(guó)的IHPTE計(jì)劃將流量調(diào)節(jié)技術(shù)視作一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究;VAATE計(jì)劃中擬實(shí)現(xiàn)高壓渦輪導(dǎo)向器流通面積有大范圍的變化。但對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，變幾何動(dòng)力渦輪需增加調(diào)節(jié)裝置和機(jī)構(gòu)，會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增加、可靠性的的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚處于概念設(shè)計(jì)階段。而且變幾何結(jié)構(gòu)會(huì)增大通道內(nèi)輪轂和機(jī)匣的間隙，增大額外的間隙泄漏損失，間隙泄漏會(huì)部分抵消效率的提升。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速變化造成的攻角變化大，低轉(zhuǎn)速下的氣動(dòng)載荷大等問(wèn)題。與常規(guī)恒定轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪相比，設(shè)計(jì)點(diǎn)轉(zhuǎn)速和級(jí)數(shù)選擇、一維設(shè)計(jì)和匹配優(yōu)化技術(shù)、寬廣攻角適應(yīng)性高負(fù)荷葉型設(shè)計(jì)、流量調(diào)節(jié)及泄漏損失控制技術(shù)等是變轉(zhuǎn)速動(dòng)力渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[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.