涡桨/涡轴发动机技术

涡桨/涡轴发动机技术
——航空发动机技术；直升机技术；燃气涡轮发动机
——发动机；涡轴发动机；涡桨发动机；
定义与概念：
航空涡轮轴发动机是一种以空气为作功工质的燃气涡轮发动机。它主要是靠输出功率带动负载工作的燃气涡轮发动机，能将动力涡轮有效功率的绝大部分（95%以上）通过输出轴带动负载。涡桨发动机是用燃气涡轮带动螺旋桨的燃气涡轮发动机。涡轴/涡桨发动机与大型涡喷/涡扇发动机的气动热力循环原理基本相同，虽可借助大型燃气涡轮发动机研制所取得的技术成果和经验，但由于涡轴/涡桨发动机属于小型燃气涡轮发动机类，因而在气动和结构上均有其独特之处：
(1) 小流量、小通道引起的"尺寸效应"对压气机、涡轮性能及冷却等产生不利影响；
(2) 转速高--高转速给临界共振、高速轴承、轴系、支承、叶片盘的疲劳强度等方面都带来一系列新的问题；
(3) 流动复杂--小涡轮叶片短叶型使得流动转折加大，三维特性及粘性影响突出；
(4) 冷效差--小涡轮叶片短而薄，相对外表面积大，而内部冷却孔型很难布置，且冷气流程短，因而冷却效果随尺寸减小而降低；
(5) 需要进气防护装置(粒子分离器)。
涡轴发动机的优点是：
功重比大（500-600kW级的发动机，几乎比活塞发动机高2倍）；发动机维修简单（特别在低温下不需加温起动）；振动小（无往复运动件、发动机转子平衡精度高）；较小的最大截面改善了直升机的气动力性能。所以，从50年代开始涡轴发动机逐步取代活塞式发动机，成为直升机的主要动力装置。当然它也有缺点：动力涡轮转速高，传动旋翼减速比大，造成减速器大而复杂；燃料消耗率一般较活塞式略高；周围介质（空气中的粉尘、湿度、温度）对其工作的影响较大；还有小尺寸的涡轴发动机生产难度大等。随着40多年不断的研究发展、更新换代，现代涡轴发动机具有以下特点：
(1) 性能先进：起飞耗油率0.267-0.358kg/(kW/h)；功重比4-8kW/daN；
(2) 经济性好：巡航工作状态的耗油率可达0.299-0.367kg/(kW/h)，维护费用低、寿命长（单元体寿命3000-5000h）；
(3) 可靠性高：发动机提前更换率低、平均故障间隔时间长、性能衰减率低；
(4) 有技术发展潜力：具有良好的功率覆盖面和改型的可能性；
(5) 环境适用性强：武装直升机动力的防砂能力（一般具有粒子分离器）、红外抑制能力、抗作战损伤和防坠毁能力都比较强。
自1953年罗&罗公司达特发动机投入使用以来，涡桨发动机成为当时民用与军用运输机的一种重要的动力装置。最大的是前苏联的HK12MB，起飞功率达11000kW。涡桨发动机与活塞式发动机相比，可靠性高，重量轻，而燃油经济性又比早期的纯喷气发动机低得多。由于60年代涡扇发动机的出现，涡桨发动机逐步退出大型运输机领域，但在中小型飞机领域仍有广泛应用。
国外概况：
涡轴发动机从1953年莱康明公司研制的第一台生产型发动机T53到今天，已有三代投入使用，第四代正在研制之中。第一代指50年代投产的，第二代指60年代投产的，第三代指70年代末、80年代初投产的，第四代指90年代末或21世纪初投入使用的涡轴发动机。
    国外涡轴发动机经过40多年的发展，技术水平有了很大提高：
(1) 耗油率降低。第四代涡轴发动机，如美国的T800和西欧的MTR390，其耗油率与第三代涡轴发动机中相同功率级别的"宝石"发动机相比，耗油率降低8%左右，达到0.273kg/(kW/h)。
(2) 单位功率增加。由于第三代和第四代涡轴发动机的功率级别不甚相同，因此，采用单位功率作为衡量涡轴发动机的性能指标是最佳方案。40多年来，单位功率一直是稳步提高的。例如，美国50年代的产品，T58发动机的单位功率为166kW/(kg/s)；第二代产品，T64涡轴发动机的单位功率为197kW/(kg/s)；第三代的T700发动机的单位功率为267 kW/(kg/s)；而第四代的T800发动机的单位功率达到300 kW/(kg/s)，比第一代产品提高81%，比第二代提高52.3%，比第三代提高12.4%。
(3) 寿命期费用降低。寿命期费用是全面衡量一种新发动机的经济指标。新的第三代比起其先辈来寿命期费用大大减少，如T700比T58的寿命期费用降低32%。其费用的降低主要来自单元体结构设计和耗油率的减少。
(4) 第四代涡轴发动机普遍具有10-20%的功率储备。在发动机轮廓尺寸不变的情况下，可通过增加流量和涡轮进口温度，或者适当加大尺寸，即在压气机前加零级压气机，以提高功率。
(5) 采用整体式粒子分离器，提高军用动力的防砂能力。
(6) 压气机均为双级离心式，转子稳定性好，零件数量少，便于维修，耐腐蚀，抗外物损伤能力强。
(7) 采用回流环形燃烧室和气动雾化喷嘴。
(8) 首次在功率小于1000kW的发动机上采用气冷涡轮静子和转子叶片，使涡轮进口温度提高到1420K。
   
       进入21世纪后，涡轴发动机将沿两个方向发展：一是继续提高涡轴发动机循环参数和部件效率，研制性能更好的发动机，二是发展高速旋翼推进技术。下世纪初，涡轴发动机压比将达16-26，涡轮前温度将达1500-1920K。这种发动机有可能仍用3级轴流加1级离心式压气机，总压比达18。燃烧室火焰筒为多层冷却结构。涡轮有可能采用有复杂冷却通道的径向内流式。目前，美国艾利逊公司研制的高速倾转旋翼机T406，其最大速度已达600km/h。下一步要实现的最大速度达800km/h以上，主要有倾转旋翼、折叠式旋翼和旋翼-机翼几种方案。
       到目前为止，在民用支线动力方面，国外已经成功地研制和使用两代涡桨发动机。第三代正在研制之中。第一代是指70年代以前投产的，主要有达特、PT6A和TPE331这三种涡桨发动机。功率范围500-1500kW，耗油率0.35-0.40kg/(kW/h)，翻修寿命8000-14000h，主要用于12-60座的支线飞机。第二代是指70年代末投产的，主要有PW100、CT7和TPE331-14/15，压比11-17，涡轮前温度1273-1533K，单位功率达230-240kW/(kg/s)，耗油率0.280-0.315kg/(kW/h)。第三代是指90年代投入使用的，主要有AE2100和TPF351-20。AE2100是艾利逊公司为竞争下一代高速支线飞机、在T406基础上研制的功率为4474kW的涡桨发动机。该发动机的主要特点是具有足够的发展潜力，如在改进高压涡轮的情况下，功率可提高到5880kW；海平面静态标准状态下的功率不会因热天与高空而降低；爬升功率高，可缩短飞机爬升时间。TPF351-20是美国加雷特公司为20-39座支线飞机研制的、功率为1566kW的推进式涡桨发动机，与该公司早期发动机相比，由于增大了尺寸和采用改进的压气机，其耗油率降低25%、功重比提高53%。TPF351-20为单元体设计，采用许多成熟技术，如F109涡轮发动机的压气机技术（目前正在研制新的压气机可使功率提高25%，达1870kW）、TPE331-14的燃烧室与燃气发生器涡轮技术。
       目前，国外许多小型涡轮发动机生产厂家为了降低研制成本、减少维护费用，都在努力采用成熟的研制和使用经验，研制涡轴、涡桨和涡扇发动机的"通用核心机"技术，即在一种成熟的涡轴发动机的基础上，研制相应的涡桨和涡扇发动机。如美国艾利逊公司的AE2100涡桨发动机就是以该公司生产的T406涡轴发动机的"通用核心机"为基础研制的，大大降低研制风险和研制成本。这已成为国外研制小型燃气涡轮发动机的普遍发展趋势。另外，国外涡轴/涡桨发动机的研制、生产都有单独的计划、由专门的生产厂商或专门的小型燃气涡轮发动机分部完成，并且有独立于大型燃气涡轮发动机的试验设备和生产设备。
   
涡轴/涡桨发动机关键技术
    （1）组合压气机
    涡轴/涡桨发动机要求压气机具有高的总增压比，以获得高的热效率和单位功率。随着增压比的不断提高，压气机的结构形式也由最初的纯轴流式转变成目前大量采用的若干级轴流加一级离心的组合式压气机。其主要是因为对于高增压比的小涡轴/涡桨发动机来说，轴流压气机级数的增加使得压气机后几级的"尺寸效应"愈加明显，气流损失增大，气动性能显著下降；而且多级轴流压气机的转子跨度大，也会带来转子动力学上的困难。由于离心压气机的转子结构刚性更好、抗外物能力更强，尺寸效应对离心压气机的影响不大，因此用它来取代后面的轴流压气机是有利的。在极小尺寸情况下，有必要全部采用离心压气机系统。
    近年来，国外研究并应用了大量先进气动设计概念以提高小发动机的压气机效率和平均级压比，其中一些设计思想具有显著的改善性能的潜力：
    A、弯掠激波转子   
    提高转子的转速能有效提高压气机的级压比。但转速的提高会使得气流进口马赫数加大，从而增强通道激波的强度，气流损失急剧上升，效率大幅下降。降低激波强度的一种方法就是使翼展方向的激波变得更为倾斜。美国著名的压气机专家Wennerstrom早在80年代就提出，将叶型前缘向后弯掠能使激波变斜。但将它应用到压气机叶型上却不能达到预想的结果。这主要是由于机匣端壁和临近叶型不允许激波沿着叶型前缘发展。要使这种方法起作用，就必须产生某种气动体力(body force)以减小机匣和叶栅的影响。目前，国外一些小涡轮发动机生产厂商（如莱康明公司）已经采用全三维粘性分析法设计弯掠转子叶型，使其体现要求的体力。试验证明，这种弯掠转子产生的压比超过2.2，多变效率超过94%。
    B、分隔式轴流转子
    单级轴流压比超过3的一种方法是在全长叶片后面相间使用短叶片，称之为分隔式叶片。通过限制叶片尾缘的局部稠度达到所需的高扩压，从而消除叶片前缘相关的损失。同时，它也能确保叶片的流通能力，在不降低效率的情况下提高转子的做功能力。早在70年代，Wennerstrom就应用这个概念来设计增压比为3的单级。但由于缺乏先进的分析工具，这种设计远达不到它的效率和喘振边界目标。现在，采用全三维粘性分析法设计级压比超过3的分隔式转子已成为可能。莱康明公司已于1994年对基于这种方法设计的轴流转子进行了台架试验。
    当然，以上设计思路的实现，都不能缺少先进气动设计工具的帮助。例如，采用全三维粘性分析法修正Wennerstrom设计的分隔式转子，能完全消除气流分离现象，大大提高压气机性能。而反设计的采用，能减少正设计中的大量迭代过程和对设计人员设计经验的依赖。随着技术的不断发展，小型燃气涡轮发动机压气机的总增压比和效率也在不断提高。下一代压气机的总压比将提高到目前先进设计水平的2-3倍（或是压气机级数减少一半的情况下，总压比提高到60年代设计水平的4-5倍）。
    （2）燃烧室
    涡轴发动机发展到第三代和第四代，燃烧室多采用回流环形燃烧室。随着涡轴发动机性能的不断提高，要求燃烧室的进口温度和通过燃烧室的温升相应提高。由于热燃气温度正在接近涡轮材料的温度极限点，保持均匀燃烧显得尤为重要。这就需要采用具有大调节比系数的新型燃油喷嘴，以得到均匀的周向和径向温度分布系数。而更高的燃烧温度和更大的高压热辐射将使燃烧室火焰筒承受更大的热载荷，同时，由于更多的气流用于燃烧，导致用于冷却的气流减少，而且进口气流温度的升高降低了冷却气流的吸热能力，这都使得传统的火焰筒冷却技术不再有效，改进火焰筒的冷却和研究更耐热的材料已经势在必行。近年来，国外已经把研究新型喷嘴和改进火焰筒的冷却作为提高小型燃气涡轮发动机燃烧室性能的研究重点。另外这里还介绍一种新型燃烧室发展方向，即利用头部波转子取代传统意义上的燃烧室。
    A、新型燃油喷嘴
    燃油喷嘴是燃气涡轮燃烧室的一个关键部件，特别是对工作于高温和高压的小型燃气涡轮发动机来说更是如此。对此，刘易斯研究中心开展了专项研究，研制了两种新型燃油喷嘴。一种是能提高燃油喷雾均匀性的大调节比燃油喷嘴，能使燃油温度保持在可接受的范围之内。这种单通道喷嘴采用了回油技术。与传统喷嘴相比，能提高低油压下燃油雾化率。燃油雾化改进后，使点火燃油流量减半，从而将喷嘴的调节比提高一倍。回流能保持燃油不断地高速流动，达到冷却喷嘴的目的。另一种新型燃油喷嘴是泡沫喷嘴，它是将少量的空气，约为燃油流量的1%，在喷射之前与燃油混合。当油-气混合物喷射入燃烧室后，空气膨胀，将燃油破碎成小颗粒。这种燃油喷嘴的一个最有用的特性是颗粒尺寸不是燃油喷射孔直径的函数，因而允许使用大孔径的喷射孔，容污性更好。试验证明，这种泡沫喷嘴比传统的喷嘴性能提高5-10%。
    B、火焰筒
    从耐热角度看，陶瓷是最合适的火焰筒材料。但陶瓷也容易产生由热冲击引发的应力失效。目前，NASA在和军方合作的一项计划中已经研制了一种能承受1922K高温的燃烧室火焰筒，它通过向柔性金属基体喷涂陶瓷的方式来克服热周疲劳问题从而利用陶瓷的耐高温能力。这种火焰筒在增加耐久性的同时只需要少量或不需要冷却气流，称之为柔性金属/陶瓷火焰筒。火焰筒材料采用的是在柔性镍合金基体上等离子喷涂氧化钇稳定的氧化锆陶瓷涂层。柔性金属基体能在低应力下屈服，因而能吸收金属和陶瓷层之间的膨胀差和热应力。柔性金属基体由随意定向的纤维烧结而成，以增加强度。具体说来，就是在Hastelloy X的金属基体和陶瓷层之间采用商标为Brunsbond的Hoskins-875柔性层，在陶瓷和柔性金属基体之间采用NiCrAlY粘结涂层。与传统的气膜冷却相比，所需的冷却气流减少80%，火焰筒温度降低13%。
    C、波转子
    波转子是利用流体之间的不稳定波运动直接做功交换能量的一种装置。它由大量围绕着轴排列的管道组成。通过旋转，管道的末端周期性地接通高压和低压导管，导管产生并利用管道内的波。由于管道的数量很多，导管内的流动实际上是稳定的，直接通向稳定流部件。大温度范围的燃气流通过转子的一个重要特性就是，管壁的平均温度低于最高的燃气温度。波转子与传统的燃烧室一起作为最头级的压力转换器使用，能增强燃气涡轮发动机的性能。内燃烧波转子能有效提高压力。在这种情况下，燃烧顺次出现在波管道内，每个管道旋转经过大小一致、时控的进口和出口时被周期性地充气和排气。这种内燃烧波转子可取代传统发动机上的燃烧室。采用这种形式的波转子能大幅度降低中小型涡轴发动机的耗油率达15%-20%。
    （3）涡轮
    提高涡轴发动机涡轮进口温度的方法主要有以下两种：一是寻求耐高温材料；二是采用涡轮冷却技术。在采用新材料方面，目前，单晶材料已广泛使用，下一步工作是研究防氧化与腐蚀的金属和陶瓷涂层。在采用冷却技术方面，目前代表涡轴发动机最高水平的第四代涡轴发动机T800-LHT-800和MTR390，其燃气发生器涡轮分别采用了2级气冷单晶叶片和单级跨音速气冷叶片。由此可以看出，在大功率涡轴发动机如(T700和RTM322)上应用的气冷涡轮叶片已开始应用于中等功率的涡轴发动机涡轮设计上，使涡轮进口温度提高到1480K以上。但由于涡轴发动机发出的功率相对较小，所需空气流量小，而其进口气流轴向速度与大型发动机相差不大，所以流道截面积相应较小，导致动静叶片长度短。这就给涡轮使用气冷叶片带来了一定难度。目前，国外正在进行径向气冷涡轮的预研。与轴流涡轮相比，径向涡轮的冷却气流量和泄露量较小，效率高，且尺寸适合小型燃气涡轮发动机。
    （4）高速转子动力学
    对于转子轴系同心、功率输出轴前出的涡轴发动机，其功率涡轮轴必然穿过燃气发生器转子内腔伸到发动机前面，所以功率涡轮轴支承间跨度长，轴径小。早期的涡轮轴发动机(如T53发动机)增压比较小，转速较低，其功率涡轮轴仍在亚临界状态工作，而现代高转速增压比的中、小涡轮轴发动机，其转子轴系的工作转速很可能接近临界转速或在临界转速之上，有的甚至过三阶临界转速。在发动机转速很高的情况下要求转子振幅小，就使得转子动力学问题十分棘手，往往不得不采用超临界转子支承系统，使转子支承系统在以支承振动为主的刚体振型各阶临界转速以上以及转子轴线实质性弯曲变形的临界转速以下平稳地工作。转子支承方案的合理选择、转子轴向尺寸的严格控制、弹性支承与阻尼器的正确采用以及材料的合理选用等都直接影响转子支承系统的动力学特性。
    （5）粒子分离器
由于直升机经常在起落条件恶劣的场地使用，在超低空飞行和悬停时旋翼容易吸起大量尘土、碎石。这些杂物吸入发动机轻则腐蚀压气机，造成性能衰减或压气机喘振裕度降低以至提前返修，重则打坏叶片，损坏发动机酿成飞行事故。因此，为保证涡轴发动机安全可靠工作，必须采用进气净化装置。进气净化装置可分为两种类型：阻拦式过滤器和惯性式粒子分离器。由于阻拦式过滤器的分离效率低且设备能量损失大，因而已被更适合涡轴发动机进气除尘的惯性式粒子分离器所代替。目前的惯性类型的粒子分离器已经由早期的作为发动机整体的一个部件(如"黑鹰"直升机上的T700发动机)发展到直升机的外部，如AH-64阿帕奇的外部空气粒子分离器(EAPS)。试验证明：EAPS在能量损失低于3%的情况下，除砂效率超过90%，更能体现当前对粒子分离器的设计要求：在满足特定的最低飞机性能的基础上尽量提高分离技术水平。而第四代涡轴发动机T800则采用一个整体的、但可分开的进气粒子分离器，它的分离效率在工业上是最高的。在试验台上用C级细砂试验证明分离效率高达97%。
    （6）红外抑制器
    二十世纪光电子学迅猛发展，研制的红外成像技术能在很远的距离内识别目标，即通过跟踪飞机发出的红外信号来摧毁飞机，这就使得红外抑制技术变得重要起来。发动机是直升机的最大红外辐射源，是红外导弹的最主要跟踪目标。因此，需要在发动机上安装红外抑制器来降低发动机热部件温度和排气热流温度。例如，在尾喷口采用隔热护挡板，以遮挡或屏蔽红外辐射，采用异形尾喷管，改变红外波长，使红外探测器失谐；采用喷气滤波，改变其辐射波长；采用非圆截面的二元喷管，从而滤除90%的红外辐射。目前，红外抑制器主要是利用引射原理引射周围冷空气掺入高温尾焰并冲淡二氧化碳浓度以达到大幅度减少排气尾焰红外辐射的目的。美国AH-64武装直升机上装的是红外散热片、三个矩形引射器的抑制装置，安装这种抑制装置后，同用冷却风扇冷却发动机热源相比，飞机重量减少182kg，垂直爬高速度增加76m/min，红外信号只有无抑制装置红外信号的6%，而排气热流红外信号为未抑制的10%。
关键技术：
主要包括高速转子动力学、粒子分离器技术、红外抑制器技术等。
应用与影响：
涡轴/涡桨发动机有包括轻型攻击/反坦克直升机、专用武装直升机、战术运输机、反潜攻击机、边防巡逻机、轻型攻击机、初级教练机等军事用途，也可用于公务机等民用领域。发动机性能的好坏直接影响飞机/直升机性能的好坏。对武器装备发展有重要影响。