前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)布局改進(jìn)

王 強，李 維

(中國航空動力機械研究所，湖南 株洲412002)

1 引言

國外現(xiàn)役及在研的前功率輸出式渦軸發(fā)動機正向著高性能、低油耗、高功重比的方向發(fā)展，現(xiàn)役第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動機已經(jīng)達(dá)到油耗0.26 kg/(h·kW)、功重比10的水平，而國內(nèi)目前自行研制的前功率輸出式渦軸發(fā)動機的油耗、功重比與其相比差距在30%左右。究其原因有：第一，前期的氣動設(shè)計水平較低；第二，由于沒有掌握小型氣冷葉片的設(shè)計技術(shù)及材料技術(shù)，無法提高渦輪前溫度；第三，采用的渦輪結(jié)構(gòu)布局帶有渦輪間過渡段、排氣框架，且渦輪部件有2個軸承腔，此種結(jié)構(gòu)布局增加了發(fā)動機重量，且氣動損失較大。目前，國內(nèi)在氣動設(shè)計、材料、冷卻葉片設(shè)計技術(shù)上已取得一定進(jìn)步，有了一定的設(shè)計經(jīng)驗。為進(jìn)一步提高前功率輸出式渦軸發(fā)動機的功重比、降低油耗，除采用國內(nèi)已掌握的氣動設(shè)計、材料、冷卻葉片設(shè)計技術(shù)外，在結(jié)構(gòu)上也必須采用更輕巧、更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)布局。

本文首先介紹了國外前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)布局，并根據(jù)國內(nèi)目前前功率輸出式渦軸發(fā)動機的研制現(xiàn)狀，對影響渦輪部件改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，可為國內(nèi)研制前功率輸出式渦軸發(fā)動機提供參考。

2 國外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)布局分析

國外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動機的基本渦輪結(jié)構(gòu)布局為：單(雙)級燃?xì)鉁u輪，燃?xì)鉁u輪葉片采用冷卻設(shè)計，雙級動力渦輪(轉(zhuǎn)子單元體結(jié)構(gòu))，取消排氣框架，燃?xì)鉁u輪、動力渦輪間采用過渡段，過渡段內(nèi)設(shè)置燃?xì)鉁u輪、動力渦輪共用的軸承腔。表1列出了國外幾種典型第3、第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)對比，圖1～圖3分別示出了MTR390、ARDIDEN 1A和РД600三種發(fā)動機的渦輪結(jié)構(gòu)示意圖。這種渦輪結(jié)構(gòu)布局有如下優(yōu)點：

表1 國外第3、第4代前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)對比Table 1 Turbine structure comparison of turboshaft engines with front output shaft of the 3rdand the 4thgeneration for foreign countries

(1)可減少1個復(fù)雜軸承座的設(shè)計和加工，減少零件數(shù)量和重量，降低發(fā)動機軸向長度。

(2)渦輪部件不再設(shè)置用于傳力的排氣框架，只需在臺架試車時設(shè)置可以與直升機共用的結(jié)構(gòu)輕巧的排氣筒；排氣框架的取消可以降低發(fā)動機排氣段的氣動損失、減少零件數(shù)量和重量、減少發(fā)動機軸向長度。

圖1 MTR390渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Turbine structure of MTR390

圖2 ARDIDEN 1A渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Turbine structure of ARDIDEN 1A

圖3 РД600渦輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Turbine structure of РД600

(3)可以降低軸承座供油、回油管路及軸承腔冷卻氣體管路的復(fù)雜程度，同時可減少外部管路的個數(shù)，降低發(fā)動機重量。

(4)可以實現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)子的單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計，不打開軸承腔就可以實現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)子在發(fā)動機上的簡易拆分，可以在外場簡單實現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)子的更換。

(5)實現(xiàn)動力渦輪機匣的冷卻從發(fā)動機過渡段與承力機匣間周向均勻引氣，不再使用外部管路，使得機匣冷卻更加均勻，降低熱應(yīng)力的同時減少零件個數(shù)。

由于有以上優(yōu)點，現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動機大多采用了這種渦輪結(jié)構(gòu)布局，以實現(xiàn)功重比的最大化和耗油率的最小化，是目前國外前功率輸出式渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)的主流。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

國內(nèi)渦軸發(fā)動機經(jīng)過40年的發(fā)展，進(jìn)行了WZ6系列、HH系列、WW、HF等發(fā)動機的研制和測繪工作，科研人員已積累了相當(dāng)豐富的研制經(jīng)驗。但國內(nèi)目前自行研制的前功率輸出式渦軸發(fā)動機的油耗、功重比與國外先進(jìn)水平相比差距在30%左右。為提高其性能，單從結(jié)構(gòu)布局而言，采用國外現(xiàn)役發(fā)動機結(jié)構(gòu)方案不失為較穩(wěn)妥的辦法，即在渦輪結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時考慮采用在燃?xì)鉁u輪與動力渦輪間的過渡段內(nèi)設(shè)置燃?xì)鉁u輪和動力渦輪共用的軸承腔，取消排氣框架的結(jié)構(gòu)布局。但采用這種結(jié)構(gòu)布局需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)在傳動軸前端或發(fā)動機外部測量發(fā)動機功率輸出扭矩，這是取消排氣框架的先決條件；

(2)軸承腔通風(fēng)裝置需設(shè)置在發(fā)動機附件機匣上；

(3)燃?xì)鉁u輪后軸承采用剛性設(shè)計或采用結(jié)構(gòu)尺寸小的彈性阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，以盡量減小發(fā)動機渦輪過渡段的軸向長度；

(4)動力渦輪球軸承設(shè)置在發(fā)動機前部，以盡量減小發(fā)動機過渡段軸向長度，降低發(fā)動機裝配難度，降低動力渦輪盤輪心直徑；

(5)動力渦輪轉(zhuǎn)子、動力渦輪傳動軸平衡技術(shù)。

(1)、(2)的實現(xiàn)可以徹底取消排氣框架這一結(jié)構(gòu)形式，(3)、(4)的實現(xiàn)能盡可能減小發(fā)動機渦輪過渡段的軸向長度，(5)的實現(xiàn)可以保證在外場直接更換動力渦輪轉(zhuǎn)子單元體。

3.1 扭矩輸出測試技術(shù)

根據(jù)目前掌握的發(fā)動機資料，無論是前功率輸出式還是后功率輸出式的渦軸發(fā)動機，測扭裝置的設(shè)置位置一般有3種選擇：

(1)在發(fā)動機動力渦輪處設(shè)置扭矩輸出裝置。典型發(fā)動機為T700系列、WW發(fā)動機。其測試原理為測量發(fā)動機工作時傳動軸與基準(zhǔn)軸之間的相位差，把機械信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出，經(jīng)標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為扭矩值；這種設(shè)計必須設(shè)置排氣框架供測試裝置的安裝和測試信號的引出。

(2)在傳動軸前端和發(fā)動機頭部測扭。典型發(fā)動機為ARDIDEN 1A，其測試原理為測量發(fā)動機工作時前端傳動軸與基準(zhǔn)軸之間的相位差，把機械信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出，經(jīng)過標(biāo)定后轉(zhuǎn)換為扭矩值；這種設(shè)計可以利用進(jìn)氣機匣的支板實現(xiàn)測試信號的引出。

(3)在發(fā)動機外部測扭。典型發(fā)動機有HH系列、MTR390和 РД600。 HH、MTR390系列采用液壓測扭，其原理是把齒輪所受軸向力的變化轉(zhuǎn)化為滑油的壓力變化，通過測量滑油的壓力變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出；其測試位置均在減速裝置上。

根據(jù)以上所述：若測扭裝置與T700系列、RTM322系列、WW發(fā)動機的一樣設(shè)置在動力渦輪處，則結(jié)構(gòu)上就不可能取消排氣框架這一裝置，對渦輪部件減重、減少渦輪部件零件個數(shù)及降低渦輪部件氣動損失非常不利；目前國外現(xiàn)役發(fā)動機中只有T700系列和RTM322系列把測扭裝置設(shè)置在動力渦輪處，其它型號發(fā)動機均調(diào)整了測扭位置，以實現(xiàn)取消排氣框架的目的。

國內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)掌握了在發(fā)動機動力渦輪處設(shè)置扭矩輸出裝置(WW發(fā)動機、HF發(fā)動機)和外部測扭的技術(shù)(HH系列發(fā)動機)。為了取消排氣框架，國內(nèi)渦軸發(fā)動機改進(jìn)設(shè)計時，可以把測扭裝置從動力渦輪后調(diào)整到減速傳動部件，這種設(shè)計實現(xiàn)的前提是在發(fā)動機減速傳動部件上設(shè)置用于測扭的裝置，這種裝置并不復(fù)雜，又有HH系列發(fā)動機的長期使用經(jīng)驗，不存在技術(shù)上的障礙。

3.2 軸承腔通風(fēng)裝置

WW發(fā)動機和T700系列發(fā)動機把油、氣分離裝置設(shè)置在動力渦輪后，通過動力渦輪傳動軸實現(xiàn)壓氣機軸承腔、燃?xì)鉁u輪軸承腔和動力渦輪軸承腔的連通。中空的動力渦輪傳動軸和各個轉(zhuǎn)子實現(xiàn)了大部分的油、氣分離功能，然后通過安裝在動力渦輪軸承座上的油、氣分離器(軸承座后蓋)實現(xiàn)剩余的少量油、氣分離，分離出的滑油通過回油管進(jìn)入滑油箱，分離出的氣體通過發(fā)動機排氣筒引射排出。整個設(shè)計十分巧妙，油、氣分離器在把動力渦輪軸承腔與燃?xì)馀懦霾糠指糸_的同時實現(xiàn)了油、氣分離，整個裝置重量輕、結(jié)構(gòu)簡單。如取消發(fā)動機排氣框架，則把油氣分離裝置設(shè)置在動力渦輪后，在結(jié)構(gòu)上已不可能實現(xiàn)，因此必須在其它部位設(shè)計油、氣分離裝置。目前，通用的軸承腔通風(fēng)方法主要有以下4種：

(1)自由通風(fēng)。各個油腔均與滑油箱和附件機匣連通，匯集后的油霧通過安裝在附件機匣上的離心通風(fēng)器排出。

(2)節(jié)流通風(fēng)[1]。如果滑油密封采用篦齒結(jié)構(gòu)，為了減少通過篦齒的泄漏量，用提高油腔內(nèi)壓力的辦法減小篦齒兩端的壓差，油腔內(nèi)用通風(fēng)管內(nèi)的節(jié)流嘴來確定。

(3)軸心通風(fēng)。利用中空的動力渦輪軸，連通各個軸承腔，靠各個轉(zhuǎn)子離心力實現(xiàn)油、氣分離。

(4)僅靠回油泵通風(fēng)。加大回油泵的回油能力實現(xiàn)回油及通風(fēng)。

對發(fā)動機的改進(jìn)設(shè)計而言，若采用軸承腔的自由通風(fēng)，雖然在技術(shù)上可以實現(xiàn)，但必須在附件機匣處設(shè)置離心通風(fēng)器才能滿足發(fā)動機軸承腔通風(fēng)的要求；若采用回油泵通風(fēng)，則需加大回油泵的回油能力；而節(jié)流通風(fēng)需要精確的空氣系統(tǒng)計算和試驗，特別是過渡態(tài)的腔壓泄壓問題，需要做的工作太多，把握不大。所以為了實現(xiàn)發(fā)動機取消排氣框架，燃?xì)鉁u輪、動力渦輪共用軸承腔的結(jié)構(gòu)布局，采用軸承腔的自由通風(fēng)和回油泵通風(fēng)都可以接受。

3.3 燃?xì)鉁u輪后支點對過渡段軸向長度的影響

改進(jìn)發(fā)動機采用燃?xì)鉁u輪與動力渦輪共用軸承腔、取消排氣框架的渦輪結(jié)構(gòu)布局，過渡段的設(shè)計將會是影響渦輪氣動損失的主要因素，如何控制過渡段的長度、支板和流道型面是降低氣動損失的關(guān)鍵。對比其它發(fā)動機，目前發(fā)動機的燃?xì)鉁u輪后支點一般采用剛性支承或采用結(jié)構(gòu)尺寸小的彈性阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)的好處是能減小發(fā)動機過渡段長度，從而降低過渡段氣動損失和發(fā)動機重量。若最終的轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計在燃?xì)鉁u輪后支點采用剛性支承，則可縮短過渡段；若為彈性支承，須采用彈性阻尼環(huán)(結(jié)構(gòu)尺寸較小)結(jié)構(gòu)才能縮短過渡段長度，而彈性阻尼環(huán)的自行設(shè)計、加工不成問題。

3.4 動力渦輪球軸承的設(shè)置

改進(jìn)發(fā)動機采用燃?xì)鉁u輪與動力渦輪共用軸承腔的方案，動力渦輪轉(zhuǎn)子球軸承(止推軸承)可設(shè)置在進(jìn)氣機匣處。這種設(shè)置在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)并不困難，只需更改發(fā)動機進(jìn)氣機匣和輸出軸即可。優(yōu)點為：

(1)可降低軸承的環(huán)境溫度，提高軸承壽命；

(2)可預(yù)防傳動軸斷裂引起低壓轉(zhuǎn)子飛轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的動力渦輪盤破裂，進(jìn)而對直升機的安全提供保證。

3.5 動力渦輪轉(zhuǎn)子、動力渦輪傳動軸平衡技術(shù)

目前國內(nèi)對動力渦輪轉(zhuǎn)子及動力渦輪傳動軸的平衡方法為：把兩者組合成平衡組件，在全轉(zhuǎn)速平衡設(shè)備上進(jìn)行聯(lián)合平衡，平衡后分解平衡組件，費時費力，且分解后再組裝到發(fā)動機上時轉(zhuǎn)子平衡會遭到一定程度的破壞。為實現(xiàn)動力渦輪轉(zhuǎn)子在外場的更換，必須解決動力渦輪轉(zhuǎn)子與動力渦輪傳動軸單件的高精度平衡問題，目前可以考慮分兩步走：

(1)采用目前的平衡方法，可以保證發(fā)動機的正常工作、保證研制進(jìn)度；

(2)繼續(xù)研究平衡技術(shù)、定位技術(shù)及加工精度問題，最終實現(xiàn)可以在外場更換動力渦輪轉(zhuǎn)子。

4 對轉(zhuǎn)技術(shù)的引入

對轉(zhuǎn)渦軸發(fā)動機燃?xì)鉁u輪、動力渦輪轉(zhuǎn)子逆向旋轉(zhuǎn)，使得動力渦輪前導(dǎo)葉稠度減小，或取消導(dǎo)葉，這樣設(shè)計的好處是：對轉(zhuǎn)渦輪氣動效率會更高；減輕了發(fā)動機的結(jié)構(gòu)重量；無導(dǎo)葉對轉(zhuǎn)渦輪可以縮短渦輪部件的軸向長度，使結(jié)構(gòu)更緊湊；大大減小或抵消單向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子作用在飛機上的陀螺力矩，從而可以改善飛機的懸停和過渡飛行時的穩(wěn)定性。目前，國外已經(jīng)在 TVD-10、Arriel系列、Ardiden 系列、TM333及MTR390等渦軸發(fā)動機上采用了對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計。

目前國內(nèi)采用對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計的有引進(jìn)的Arriel系列渦軸發(fā)動機，此發(fā)動機采用1+1對轉(zhuǎn)設(shè)計，沒有取消動力渦輪轉(zhuǎn)子一級導(dǎo)向葉片，與取消導(dǎo)葉的設(shè)計相比，其氣動設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡單。目前，800 kW及800 kW以上功率級的渦軸發(fā)動機一般采用雙級動力渦輪，但在國內(nèi)取消導(dǎo)葉的對轉(zhuǎn)氣動設(shè)計還不是很成熟的情況下，采用1+2對轉(zhuǎn)渦輪設(shè)計不失為一種可靠的選擇；待時機成熟時再開展1+3/2對轉(zhuǎn)渦輪在渦軸發(fā)動機上的應(yīng)用，進(jìn)一步降低氣動損失、降低重量、減少零件數(shù)目。

5 結(jié)束語

通過以上對國外現(xiàn)役前功率輸出式渦軸發(fā)動機結(jié)構(gòu)布局的介紹與分析，和對實現(xiàn)取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動力渦輪共用軸承腔這一結(jié)構(gòu)布局的關(guān)鍵技術(shù)分析，可以認(rèn)為我國已具備取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動力渦輪共用軸承腔這一渦輪結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)；同時，還可以考慮引入1+2對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)，進(jìn)一步提高發(fā)動機性能和可靠性，改善飛機懸停和過渡飛行時的穩(wěn)定性。因此，可以考慮將取消排氣框架、燃?xì)鉁u輪與動力渦輪共用軸承腔這一渦輪結(jié)構(gòu)布局作為國內(nèi)前輸出渦軸發(fā)動機渦輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計方向。

[1]林基恕.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機機械系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2005.