渦軸發(fā)動機(jī)與直升機(jī)一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題淺析

渦軸發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)工作在由直升機(jī)誘導(dǎo)的上下游氣動環(huán)境中，不同工況下直升機(jī)的飛行來流與旋翼下洗流相疊加，給進(jìn)氣系統(tǒng)形成復(fù)雜的上下游條件并對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生重大影響。傳統(tǒng)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法已難以適用現(xiàn)代戰(zhàn)場的復(fù)雜性和執(zhí)行任務(wù)的多樣性，有必要開展渦軸發(fā)動機(jī)與直升機(jī)的一體化設(shè)計(jì)。

渦軸發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣機(jī)匣與直升機(jī)的進(jìn)氣道相連，發(fā)動機(jī)排氣管與直升機(jī)的排氣混合管相連，直升機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動損失、流場畸變會直接影響渦軸發(fā)動機(jī)的實(shí)際功率大小乃至工作穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)進(jìn)氣道的總壓損失下降1%，發(fā)動機(jī)的功率下降將超過1%；同時，當(dāng)進(jìn)氣道出口畸變指數(shù)超過一定程度時，將會使得壓氣機(jī)的工作效率大大降低，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出功率的急劇下降，甚至可能對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定工作產(chǎn)生較大幅度的危害。直升機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然可以借鑒固定翼飛機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但有著自己獨(dú)特的方面。直升機(jī)工作的環(huán)境與固定翼飛機(jī)不同，飛行姿態(tài)也更多，同時為了兼顧外物排除，其設(shè)計(jì)方案多種多樣，主要涉及以下幾種關(guān)鍵技術(shù)問題。

渦軸發(fā)動機(jī)安裝位置優(yōu)化

渦軸發(fā)動機(jī)安裝位置的選擇，對直升機(jī)/渦軸發(fā)動機(jī)一體化是最為重要的。它不僅對直升機(jī)總體性能（如直升機(jī)系統(tǒng)布局、操縱性等）有重大影響，對進(jìn)排氣系統(tǒng)也將產(chǎn)生巨大影響。發(fā)動機(jī)安裝位置的確定，需要考慮為數(shù)眾多的因素、經(jīng)過反復(fù)迭代才能得到各種飛行工況下全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

一體化進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一體化進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要解決進(jìn)氣道的安裝位置、進(jìn)氣道的形式、口面的形狀、進(jìn)氣道內(nèi)流道的形狀、防異物的考慮，以及在噪聲抑制或雷達(dá)信號抑制的需求下如何合理設(shè)計(jì)一體化進(jìn)氣系統(tǒng)等幾個方面的問題。

對于進(jìn)氣道的安裝位置，主要有前后、上下位置。當(dāng)前，僅米-171、AW139 和卡-50等少數(shù)幾種直升機(jī)進(jìn)氣口與旋翼轉(zhuǎn)軸徑向距離相對較遠(yuǎn)，特別是前兩種直升機(jī)，其徑向距離甚至達(dá)到了旋翼半徑的1/3。一般布局形式下，直升機(jī)為避免旋翼下洗氣流的干擾，大部分直升機(jī)的進(jìn)氣口與旋翼轉(zhuǎn)軸徑向距離較近，在1倍進(jìn)氣口直徑以內(nèi)。在高度方向，多用途直升機(jī)的進(jìn)氣口往往偏高，與槳葉平面距離較?。欢鴮τ谖溲b直升機(jī)則因?yàn)樯戏接兴?，進(jìn)氣口離槳葉平面相對較遠(yuǎn)，大多為進(jìn)氣口直徑的2～3倍。對于后者，直升機(jī)機(jī)身對進(jìn)氣口附近旋翼下洗流的干擾作用更加明顯。

對于進(jìn)氣道形式，埋入式進(jìn)氣道對于隱身和抗擊外物損傷有利，但是流場品質(zhì)相對較差。遮擋式進(jìn)氣道可以提高進(jìn)氣流量，改善流場品質(zhì)，但隱身性能較差。當(dāng)采用帶外網(wǎng)罩（如圖1所示）進(jìn)行異物清除的進(jìn)氣系統(tǒng)時，進(jìn)氣量和進(jìn)氣系統(tǒng)流道內(nèi)的流場特性均受到外罩網(wǎng)的影響?？紫堵实拇笮?、分布，以及外網(wǎng)罩的幾何特征，對進(jìn)入進(jìn)氣道的氣流總壓損失、畸變性能均會存在較大的影響。另外，為了有效地降低機(jī)體邊界層對進(jìn)氣道的影響，可以采用分流隔道或者擾流器等流場控制措施。

圖1 帶外網(wǎng)罩的埋入式進(jìn)氣道

對于進(jìn)氣口布局方式，需注意進(jìn)氣口位置的設(shè)置和進(jìn)氣道唇口形狀的設(shè)計(jì)。進(jìn)氣口的安裝位置是否會受到機(jī)體及其他結(jié)構(gòu)的影響、旋翼氣流是否會對機(jī)體本身產(chǎn)生不利的氣動干擾等方面因素均必須重點(diǎn)關(guān)注，特別是為了隱身和防外物吸入時尤其需要關(guān)注。進(jìn)氣道唇口的形狀對亞聲速進(jìn)氣道特別重要，尤其是埋入式進(jìn)氣道。一般要求進(jìn)氣道唇口具有良好的流線型，保證各種飛行姿態(tài)下進(jìn)口處均有較為合理的流場，避免局部氣流分離。但是研究發(fā)現(xiàn)，目前的埋入式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)常常在側(cè)滑和大迎角下具有極為惡劣的進(jìn)氣道流場品質(zhì)。這表明，此類進(jìn)氣道在設(shè)計(jì)時不僅需要注意正常飛行狀態(tài)下的氣動性能，還需要考慮直升機(jī)機(jī)動飛行狀態(tài)時可能產(chǎn)生的不利影響。

進(jìn)氣流道方面除了考慮發(fā)動機(jī)因素外，還需考慮將進(jìn)氣道與異物分離器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。直升機(jī)進(jìn)氣道的幾何形狀、動力裝置和異物分離器流道的幾何形狀、面積變化規(guī)律，均對異物分離和發(fā)動機(jī)供氣產(chǎn)生影響。如何更好地同時兼顧雙通道的流動，需要進(jìn)行深入研究。

一體化排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較統(tǒng)一，基本上由轉(zhuǎn)接管加排氣管組成，根據(jù)需要可以加裝消聲器或紅外抑制器等設(shè)備，但是一體化的設(shè)計(jì)要求排氣口的位置需要與直升機(jī)布局協(xié)調(diào)。外伸的排氣口雖不會對機(jī)體產(chǎn)生較大影響，但是隱身和冷卻性能較差；與機(jī)體融為一體的排氣口可能導(dǎo)致排氣出口處的高溫燃?xì)馀c機(jī)體干擾，或影響冷卻空氣進(jìn)氣。排氣口的位置還受到所處位置的影響，排氣系統(tǒng)的正常工作受到出口環(huán)境壓強(qiáng)的影響，必須確保在所有飛行工況下，排氣系統(tǒng)能正常工作。

排氣管道的設(shè)計(jì)必須具有適當(dāng)?shù)牧魍娣e，能將尾氣充分排出，且具備氣動損失小、流通順暢等特點(diǎn)。根據(jù)飛機(jī)布局需要，可采用恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)接段進(jìn)行轉(zhuǎn)折過渡。轉(zhuǎn)接段的要點(diǎn)是不能有過大的流動損失特別是局部分離的出現(xiàn)，因?yàn)槌藢?dǎo)致氣動性能損失，也將產(chǎn)生較大的噪聲。同時排氣管路也不能太長，因排氣管多為大型薄壁零件，過長將導(dǎo)致排氣管自身結(jié)構(gòu)振動大，進(jìn)而會有產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。排氣系統(tǒng)還必須具備冷卻和隔熱能力。排氣管的冷卻是為了降低直升機(jī)動力艙內(nèi)蒙皮、發(fā)動機(jī)電子元器件表面溫度，以及發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)的溫度，由于艙內(nèi)被引射氣流與發(fā)動機(jī)排氣主流在飛機(jī)排氣管處相混合，因此，飛機(jī)混合管的設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)排氣以及艙內(nèi)氣流的引射均有極其重大的影響；直升機(jī)排氣混合管的設(shè)計(jì)須與發(fā)動機(jī)排氣進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)；排氣管的隔熱是為了減少排氣管的熱量傳遞，降低機(jī)體或艙體內(nèi)的溫度。最常用的方法是采用隔熱罩將排氣管的外殼包住。

一體化紅外抑制設(shè)計(jì)

紅外抑制一體化設(shè)計(jì)需要根據(jù)具體的紅外抑制方式進(jìn)行。例如，美國的“科曼奇”直升機(jī)采用的紅外抑制器是目前最成功的紅外抑制技術(shù)之一，如圖2所示?！翱坡妗敝鄙龣C(jī)將發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的噴口改為圓轉(zhuǎn)方，強(qiáng)化排氣氣流的旋流度，且可以將單噴口改為多噴口，進(jìn)一步強(qiáng)化排氣混合；再通過二股冷空氣的吸入，與發(fā)動機(jī)排氣混合后，經(jīng)飛機(jī)排氣口排出。排氣口宜選擇在機(jī)體上部，旋翼下洗氣流可以進(jìn)一步稀釋高溫燃?xì)獾臏囟?。另一種常用的紅外抑制措施是“虎”直升機(jī)采用的波瓣噴管，如圖3所示。

圖2 “科曼奇”直升機(jī)的排氣裝置

圖3 “虎”直升機(jī)的排氣裝置采用波瓣噴管的紅外抑制器

噴流的紅外抑制措施已經(jīng)得到了廣泛的研究，但噴管壁面的紅外輻射方面的研究仍然不多，冷卻和隔熱仍是常用的方法。為了冷卻噴管壁面，通常在噴管外套有通風(fēng)罩，利用飛行中的沖壓或排氣引射，使通風(fēng)罩與外殼之間有冷氣流過。噴管的隔熱是防止或減少噴管的熱量傳向機(jī)體或機(jī)艙以降低溫度，最常用的方法是采用隔熱罩將噴管的外殼包住。無論何種噴管壁面熱防護(hù)方式，均對直升機(jī)總體性能和總體結(jié)構(gòu)有很大影響。

結(jié)束語

直升機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)一體化設(shè)計(jì)，不但可以降低發(fā)動機(jī)的安裝損失，還可以滿足直升機(jī)進(jìn)氣異物的分離及隱身等多種設(shè)計(jì)約束，對提升直升機(jī)執(zhí)行任務(wù)的能力具有重要意義。發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)與直升機(jī)一體化設(shè)計(jì)需從渦軸發(fā)動機(jī)的安裝位置、一體化進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和一體化紅外抑制器設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題開展深入研究。