渦軸16：中法合作的結晶

■ 石建成 單曉明/中國航發(fā)動研所

民用航空發(fā)動機是航空動力的重要組成部分。目前，世界軍民用航空發(fā)動機的銷售額比例達到2∶8，民用航空發(fā)動機占據(jù)了世界航空動力產業(yè)的主導地位，市場容量十分巨大。國際合作、共同投資、風險共擔、優(yōu)勢互補、市場共享是民用航空發(fā)動機發(fā)展的大趨勢。

研制背景

新中國成立以來，我國航空動力產業(yè)快速發(fā)展，但產業(yè)結構和能力布局以軍用航空發(fā)動機為主，民用航空發(fā)動機總體水平較世界先進水平存在較大差距，導致國內民用發(fā)動機市場長期被國外產品壟斷。為提高我國航空發(fā)動機的整體水平，滿足市場需求，2008年7月15日，中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司（中國航發(fā)東安）與法國賽峰直升機發(fā)動機公司（原透博梅卡公司）簽署協(xié)議，以50%∶50%的比例合作研制渦軸16發(fā)動機（法方代號為阿蒂丹3C），以滿足AC352直升機動力裝置的需求，中國航發(fā)動研所為中方總設計師單位。

渦軸16發(fā)動機（見圖1）是我國第一型擁有自主知識產權的民用渦軸發(fā)動機。通過該型發(fā)動機的研制，使我國渦軸發(fā)動機研制技術及項目管理與國際接軌，極大地促進我國民用航空發(fā)動機技術進步，帶動了航空產業(yè)結構調整，取得了良好的經濟和社會效益。

圖1 渦軸16發(fā)動機

技術特點

設計指標

渦軸16發(fā)動機是一型單轉子渦軸發(fā)動機（見圖2），本體由帶防護徑向進氣裝置、雙級離心壓氣機（見圖3）、環(huán)形回流燃燒室、單級軸流式燃氣渦輪、雙級動力渦輪及高度集成式附件傳動機匣等組成；發(fā)動機按單元體結構設計，由附件傳動單元體、燃氣發(fā)生器單元體、動力渦輪單元體等3個單元體組成；采用雙通道全權限數(shù)字式發(fā)動機控制（FADEC）系統(tǒng)控制，由起動發(fā)電機起動。

圖2 渦軸16發(fā)動機剖面圖

渦軸16發(fā)動機采用中等循環(huán)參數(shù)及高部件效率的設計，具有高功重比、高單位功率、低油耗、高可靠性、優(yōu)良維修性、先進控制及故障診斷等優(yōu)點。海平面、標準大氣條件下性能參數(shù)見表1。

技術特征

渦軸16發(fā)動機具有先進民用渦軸發(fā)動機的顯著特征：高安全性、高可靠性，良好的經濟性和維修性，設計中廣泛采用了目前成熟的先進技術。在發(fā)動機總體布局方面，采用先進的單元體設計、典型的功率軸前輸出方式、軸承共腔布局等，簡化發(fā)動機結構、優(yōu)化載荷傳遞，提升整機安全性、可靠性和壽命。在部件設計中，貫徹了高效率、低污染、集成式、雙通道、工藝性良好、經濟且綠色環(huán)保等設計理念。

渦軸16發(fā)動機采用動力渦輪軸與燃氣發(fā)生器轉子軸同心的結構布局，動力渦輪功率通過動力渦輪軸、功率輸出軸傳遞給直升機傳動系統(tǒng)；動力渦輪軸上集成了扭矩測量裝置，位于前部低溫區(qū)域，以提高發(fā)動機輸出扭矩測量的可靠性；發(fā)動機功率向前輸出，有利于避免因機動飛行時吸入尾氣而帶來喘振、停車等故障，便于直升機進/排氣系統(tǒng)設計，有效減輕安裝重量。

發(fā)動機采用單元體設計理念，單元體界面簡單清晰，具備在外場更換單元體的能力，更換單元體無需特殊工裝，簡化了產品維修程序，降低了維修難度，縮短了維修總時間，從而降低了全生命周期的運營成本和維修成本，提高了產品的市場競爭力。

壓氣機采用雙級離心式壓氣機，在無進口可調導葉和級間放氣裝置、極大降低結構復雜度的情況下，保證了全包線工作范圍內的高部件效率和安全裕度，具有零部件數(shù)量少、結構簡單緊湊、抗沙塵和抗進氣畸變能力強、可靠性高等優(yōu)點，代表了當代先進壓氣機的技術水平。

高度集成式附件傳動和油濾組件集成了大量內部油路和氣路，減少了零件數(shù)量，提高了可靠性和安全性，有效降低了制造成本和使用成本。相對以往的發(fā)動機，渦軸16發(fā)動機的外部管路數(shù)量減少了約30%。附件采用集成化、共軸、高速、小型化設計，減少了齒輪數(shù)量，節(jié)約了安裝空間，能夠縮減整臺發(fā)動機的輪廓尺寸。

控制系統(tǒng)為雙通道FADEC系統(tǒng)，其主要附件（如電子控制器、燃油調節(jié)裝置等）均為雙通道結構，并集成了獨立的電子式超轉保護系統(tǒng)，充分保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，系統(tǒng)所有附件均為現(xiàn)場可更換單元，有效地提高了發(fā)動機的維修性，從而降低了全生命周期費用。

表1 基本性能參數(shù)表

圖3 渦軸16發(fā)動機雙級離心壓氣機

面向用戶的設計理念

為滿足安裝、使用和維護要求，提升客戶體驗，直升機與發(fā)動機的飛發(fā)設計協(xié)調也采用了并行工程模式。在發(fā)動機方案設計階段，就啟動了與直升機的安裝設計協(xié)調工作，并隨設計同步深入細化，逐步開展基于全三維數(shù)字化樣機的虛擬仿真分析、人機工程優(yōu)化、全尺寸物理模型檢查，并提出優(yōu)化和改進措施。

圖4 渦軸16發(fā)動機車臺試驗

圖5 渦軸16首裝AC352成功首飛

結合民機特點，考慮產品全生命周期成本，渦軸16發(fā)動機設計耗油率低，結構設計簡單、緊湊，在線更換單元維修性好，單元體更換快捷方便；先進的設計及優(yōu)良的制造，使發(fā)動機振動小，有利于降低直升機振動，提高座艙舒適度。

安全環(huán)保性能

渦軸16 發(fā)動機可滿足最新發(fā)動機適航標準要求，將發(fā)動機安全性放在最重要位置，從發(fā)動機結構設計和控制邏輯上采取防護措施確保所有危害性事件發(fā)生概率均低于10-7次/飛行小時。從民機綠色環(huán)保的特點出發(fā)，渦軸16 發(fā)動機按CCAR-34 部環(huán)保規(guī)章考核，采用了低污染燃燒室設計，發(fā)煙數(shù)不超過20，遠高于環(huán)保標準（同功率等級其他類發(fā)動機發(fā)煙數(shù)要求不超過50），充分體現(xiàn)了良好的環(huán)保性。

目標市場

渦軸16發(fā)動機首個裝機對象為AC352直升機，也可作為其他6～8 t 級雙發(fā)直升機或13 t 級三發(fā)直升機動力；其發(fā)展型功率可以提高15%，可滿足8～10 t 級雙發(fā)直升機的需要，為國內外消防、醫(yī)療、警用、海關、搜索與救援等民用直升機提供動力。

研制最新進展

2013年，渦軸16發(fā)動機實現(xiàn)了首次車臺試驗（見圖4）。2016年12月，渦軸16發(fā)動機首裝AC352直升機在哈爾濱成功實現(xiàn)首飛（見圖5），標志著研制工作取得重大進展。目前，正在開展適航取證工作，已完成大部分適航取證試驗和適航文件編制，預計2019年取得中國民用航空局頒發(fā)的型號合格證；阿蒂丹3C發(fā)動機已于2018年4月5日取得歐洲航空安全局（EASA）頒發(fā)的型號合格證。

結束語

渦軸16發(fā)動機填補了我國1300kW功率級民用渦軸發(fā)動機空白，并具有較大的功率提升潛力。該發(fā)動機的研制將改變過去國內民用渦軸發(fā)動機經濟性和可靠性較差，無法全面滿足用戶需求的局面；促進我國民用航空發(fā)動機研發(fā)基礎和民機工業(yè)整體水平跨越式提升。