渦軸發(fā)動機技術發(fā)展

從20世紀50年代起，渦軸發(fā)動機逐步取代活塞發(fā)動機成為直升機的主要動力裝置，其技術進步直接推動了直升機平臺的升級換代。現如今，渦軸發(fā)動機盡管受到了來自其他動力形式（活塞發(fā)動機、全電推進系統(tǒng)等）的挑戰(zhàn)，但結合新循環(huán)、新結構和新材料等技術的應用，渦軸發(fā)動機的技術提升和應用發(fā)展仍有很大空間。

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

目前，渦軸發(fā)動機已經發(fā)展到以T800、MTR390等發(fā)動機為代表的第四代，于20世紀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、粉末高溫合金和復合材料、熱障涂層等新材料和新工藝，單位功率普遍達到270～300 kW/(kg/s)，可靠性、維修性和壽命得到進一步提高，采用全權限數字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)，同時還采用了狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（包括振動監(jiān)控、健康管理等）。

MTR390發(fā)動機分別于1996年和1997年獲得軍用型號許可和歐洲民航適航認證，配裝于歐洲“虎”式武裝直升機。該發(fā)動機采用單元體設計，由雙級離心壓氣機、帶氣動霧化噴嘴的環(huán)形回流燃燒室、單級高負荷冷卻燃氣渦輪及前輸出式雙級動力渦輪等組成，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)動機的研制。

T800-LHT-800發(fā)動機于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，其民用型CTS800-4N發(fā)動機于2004年完成適航取證。發(fā)動機采用單元體設計，由整體式粒子分離器、附件齒輪箱、燃氣發(fā)生器和動力渦輪等4個單元體組成，動力渦輪可在外場更換，發(fā)動機具備狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷/隔離和健康管理功能，采用視情維護。

渦軸發(fā)動機主要研究計劃

軍用渦軸發(fā)動機主要研究計劃

為進一步促進渦軸發(fā)動機的技術發(fā)展，各國都不斷加大投入，努力將各種新技術應用于渦軸發(fā)動機研制。例如，美國在“通用經濟可承受先進渦輪發(fā)動機”（VAATE）計劃中針對小、中、大三個功率層次的渦軸發(fā)動機，分別開展了“小型重油發(fā)動機”（SHFE）計劃、“先進經濟可承受渦輪發(fā)動機”（AATE）計劃/“改進渦輪發(fā)動機”（ITEP）計劃、“未來經濟可承受渦輪發(fā)動機”（FATE）計劃，主要目標是降低耗油率、提高功重比、降低生產和維護成本。不同功率量級發(fā)動機的發(fā)展目標有所不同，其技術提升情況如表1所示。

表1 美國渦軸發(fā)動機計劃目標

表2 HPW3000和GE3000發(fā)動機技術研究進展

SHFE計劃的目標是發(fā)展功率522kW的驗證機，驗證可用于多種軍民用直升機的小型燃氣渦輪發(fā)動機技術。2008年，霍尼韋爾公司完成全尺寸發(fā)動機試驗，達到指標要求。

AATE計劃和ITEP計劃是由GE公司和先進渦輪發(fā)動機公司（ATEC，霍尼韋爾和普惠的合資公司）競爭研制新型2237kW功率級渦軸發(fā)動機，以替換UH-60“黑鷹”和AH-64阿帕奇直升機配裝的T700發(fā)動機，這兩項計劃驗證的新型渦軸發(fā)動機將為美國未來中型直升機用動力研制奠定堅實的技術基礎。其中，GE3000發(fā)動機采用了成熟的單轉子燃氣發(fā)生器結構及高溫陶瓷基復合材料（CMC）、增材制造和三維氣動設計等先進技術；HPW3000則采用了雙轉子燃氣發(fā)生器結構，在目前的尺寸下具有25%的功率增長潛力。

GE公司研制的GE3000和先進渦輪發(fā)動機公司研制的HPW3000的技術研究進展如表2所示。

表3 賽峰直升機發(fā)動機公司的“綠色渦軸發(fā)動機”計劃目標

FATE計劃發(fā)展功率3675～7350kW級先進渦軸發(fā)動機，作為CH-47支奴干直升機發(fā)展型或下一代重型直升機的動力。該計劃于2009年開始，2012年年初進入先期技術驗證階段，現已完成全尺寸地面樣機驗證，技術成熟度（TRL）達到6級。

除上述技術研究計劃外，2013年3月，美國還啟動了替代概念發(fā)動機(ACE)計劃，目標是開展未來各型垂直起降旋翼機所需的發(fā)動機技術預先研究，以滿足其超高的性能指標。ACE計劃的功率范圍覆蓋28～7457kW，功重比提高90%、耗油率降低40%、生產和維護成本降低50%。該計劃包括多項潛在的研究途徑，例如，變速動力渦輪技術和自適應渦軸發(fā)動機技術等。ACE已在2014年啟動應用研究工作，2017年進入先期技術驗證，預計2021年完成全尺寸地面樣機驗證，TRL達到6級，為型號研制做好技術儲備。

民用渦軸發(fā)動機主要研究計劃

作為歐洲“清潔天空”計劃的“可持續(xù)和綠色發(fā)動機”項目的組成部分，自2009年開始，法國賽峰直升機發(fā)動機公司開始“綠色渦軸發(fā)動機”技術研究和驗證，通過TECH 600、TECH 800、TECH 3000等3個驗證機的技術研究，開展先進壓氣機、新材料應用、熱端技術等關鍵技術驗證，以阿赫耶（Arriel）2發(fā)動機為基準，實現耗油率降低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。TECH600、TECH800、TECH3000技術驗證機研制均已在2012年前展開?！熬G色渦軸發(fā)動機”計劃的發(fā)展目標及其進展情況如表3和表4所示。

“綠色渦軸發(fā)動機”計劃瞄準了未來先進直升機對動力系統(tǒng)的綜合需求和下一代渦軸發(fā)動機的技術發(fā)展趨勢，綜合應用了最新的發(fā)動機設計、材料和工藝領域的先進技術，滿足了未來適航法規(guī)對民用渦軸發(fā)動機污染排放、噪聲的嚴格要求。

表4 賽峰直升機發(fā)動機公司的“綠色渦軸發(fā)動機”計劃進展情況

渦軸發(fā)動機技術發(fā)展趨勢

隨著直升機技術的進步，直升機平臺對動力裝置的發(fā)展提出了更高要求：軍用直升機追求更高速度，擴大任務載荷/提高航程，改善維修性，提高使用地域內的環(huán)境適應性和機動能力等；民用直升機則更關注安全性、經濟性、操縱品質和環(huán)境適應性，并日益重視環(huán)保性。

目前，航空發(fā)動機公司正通過一系列專項發(fā)展計劃，應用氣動、結構、傳熱、燃燒、控制、材料及工藝等方面的最新研究成果，進一步提高發(fā)動機熱力循環(huán)參數、部件效率，降低耗油率、提高發(fā)動機壽命及可靠性、降低全生命周期使用成本。

近年來，旋翼機平臺逐步融入了各類固定翼飛機的設計理念，各種高速旋翼機構型層出不窮，對動力系統(tǒng)的能量效率、能量形式、驅動方式等提出了新的要求。預計未來旋翼機動力技術將朝著以下四個方向發(fā)展。

一是采用新結構型式，進一步提升部件技術水平，研制出性能更優(yōu)異的渦軸發(fā)動機。例如，內燃波轉子發(fā)動機采用以等容燃燒為基礎的發(fā)動機循環(huán)（Humphrey循環(huán)），可獲得更高的循環(huán)熱效率，具有很好的應用前景。美國國家航空航天局（NASA）完成了以501-KB5S發(fā)動機為基準發(fā)動機的內燃波轉子取代核心機的技術驗證，結果表明，壓比降低，壓氣機減少2～3級，但輸出軸功率提高了17.7%、耗油率降低了10.5%。

二是探索組合動力技術，大幅提升旋翼機飛行速度，例如，傾轉旋翼機用可轉換渦軸/渦槳發(fā)動機、變轉速動力渦軸發(fā)動機等。美國陸軍與NASA合作的“先進變轉速動力渦輪”(AVSPOT) 計劃，可將動力渦輪轉速維持在55%～105%范圍之間，使旋翼機在起飛和爬升時旋翼轉速較高，巡航時轉速較低，實現旋翼—發(fā)動機轉速的最優(yōu)匹配，提升旋翼機推進效率，大幅提高飛行速度，同時可避免變速傳動機構的復雜性。

三是以傳統(tǒng)渦軸發(fā)動機為基礎發(fā)展分布式混合電推進系統(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，各大飛機和發(fā)動機制造商均大力投入航空電推進系統(tǒng)的研發(fā)，例如，法國賽峰集團開發(fā)的用于貝爾公司電動垂直起飛和著陸（eVTOL）飛行器的混合動力電推進系統(tǒng)，預計于2019年進行地面測試。

四是探索不依賴機械傳動的推進形式，例如，開展槳尖噴氣等推進方式研究。槳尖噴氣旋翼通過翼尖高速噴氣產生反作用力驅動旋翼，取消了齒輪傳動系統(tǒng)和反扭轉系統(tǒng)，有效地降低了系統(tǒng)復雜性。通過對槳尖噴氣的冷噴、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，即利用高溫燃氣和低溫壓縮冷氣的混合氣體進行驅動，相對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械傳動的旋翼系統(tǒng)，該技術工程實用還有很長的路要走。

綜上所述，作為一種傳統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機，渦軸發(fā)動機盡管受到了來自其他動力形式（活塞發(fā)動機、全電推進系統(tǒng)等）的挑戰(zhàn)，但結合新循環(huán)、新結構和新材料等技術的應用，渦軸發(fā)動機的技術提升和應用發(fā)展仍有很大空間。