采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子,但

  出品:科普中国军事科技前沿

AI-450 Turboshaft for Light Helicopters佳 力AI-450是扎波罗什进步机械制造设计局为轻型直升机研制的最新涡轴发动机。它是一种双转子结构发动机,采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子。该发动机的主要优点是低油耗、高可靠性、低噪声和低污染乌克兰扎波罗什进步机械制造设计局建于1945年,并以高质量发动机得到了适航部门的认可。他们早期主要研制活塞式发动机,50年代中期开始研制燃气涡轮发动机。该设计局研制的燃气涡轮发动机在俄罗斯、乌克兰、捷克和中国受到广泛欢迎,并在世界上80个国家的军民用户上得到采用。 由于积累了大量研制航空发动机的经验,该设计局在70年代后期为米-26/-26T研制了世界上功率最大的涡轴发动机,其功率达8500千瓦。 20世纪末,由于俄罗斯、乌克兰和其他国家大量使用的卡-26和米-2要被新一代轻型多用途直升机取代,需要一种新发动机,扎波罗什进步机械制造设计局为此设计了AI-450。这种功率为347千瓦的发动机也被看着是在乌克兰专利生产的俄罗斯研制的卡-226直升机的改型卡-228的可能动力装置。该发动机也可用在米-2和米-34直升机的改型上。这样AI-450在独联体的起飞重量为1500~4000千克的轻型直升机发动机市场上将占有一定份额。 AI-450是一种双转子结构的发动机,采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子。动力涡轮通过燃气发生器转子内部的一根轴将扭矩传递到安装在发动机前面的减速齿轮箱。该发动机采用了4个单元体,以便便于组装、修理和维护。其单元体包括:由空气进气部分、压气机、燃烧室和压气机涡轮组成的燃气发生器;安装在一个机箱内的减速齿轮和附件传动箱;自由动力涡轮和它的轴;排气部分。 为了在保持要求的特性,如耗油率、尺寸和重量的同时,减少工作量和降低成本,压气机涡轮和自由动力涡轮设计成单级和能承受大的燃气动力负荷。压气机为一级具有高压力的离心压气机。选译这种压气机是为了增加发动机长期在充满灰尘环境中工作时的耐腐蚀能力。该压气机由离心叶轮、径向导叶的扩压器和轴流静子叶片组成。前面的压气机机匣是发动机上安装燃气发生器前轴承支撑的结构件。 燃烧室是环形回流式结构,具有低的污染。通过设计180度弯曲的火焰筒可以缩短发动机的长度。超音速的单级压气机涡轮安装了用高温合金制造的冷却的转子叶片和导向器叶片。轴流式的单级自由动力涡轮是不冷却的。 2 级平行排列的减速器偏离轴线,减速比为6.5∶1。运行时螺旋齿轮引起的轴向力传递到扭矩计量器的活塞。减速齿轮和附件传动齿轮箱的机匣安装在传动附件后面,这些附件有:起动发电机、流量控制装置、滑油泵和自由动力涡轮转速调节器。 发动机在直升机上的安装是通过2个水平枢颈和固定到减速齿轮机匣上的一个支架实现的。发动机的控制系统是电子液压机械式。它的工作控制和故障诊断是由机内和地面试验设备来完成的,这些设备能处理安装在发动机上的传感器和警告装置反回的数据。全权限数字式电子控制系统的功能由一组安装在发动机上的电子调节器传感器提供的。 AI-450的主要优点包括:低的油耗、高的可靠性、低噪声和低污染。

  [文/观察者网专栏作者 晨枫]

  作者:程笑颜工作室

  中国航空科技正在起飞,令人振奋的新飞机在不断飞向天空。应该先走一步的航空发动机还没有取得同样令人振奋的成就,但也在逐渐看到隧道的尽头。中国的航发研发重点集中在战斗机和运输机的涡扇,如WS15和CJ1000,直升机的涡轴也有起色,但螺旋桨飞机的涡桨还是重灾区。这无疑是现有航发研发的重点所决定的。战斗机是国之重器,战斗机发动机的研发自然优先。民航客机的成败最终取决于发动机,这也是中国制造2025的重点之一,也需要优先。直升机是中国航空的短板,直升机发动机的优先等级正在提高。但螺旋桨飞机也需要成为重点,而且原因很多。

  监制:光明网科普事业部

  喷气时代的螺旋桨

  自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。

  螺旋桨可由涡桨发动机或者活塞式发动机驱动,涡桨比活塞式的重量轻、功率大、升限高、运转平稳,活塞式通常只用于小功率场合。相对于喷气式飞机来说,涡桨飞机速度慢,噪声大,但省油、起飞着陆距离短,在不少场合具有独特的优越性。尽管有巴西KC-390、日本C-2、乌克兰安-72的存在,主流战术运输机如C-130、A400M、C-27等依然是涡桨的,正是因为其独特的优点。

  想对直升机划代,必须先认识直升机的划代标准。而标准主要包括四大项指标。它们分别是:发动机、桨毂、飞控与机体材料。

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  C-130是战术运输机中的常青树,涡桨发动机让它可以在沙土跑道上降落

  世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

  涡桨的使用灵活。除了常见的机翼上安装的双发、四发,还有机头安装的单发。螺旋桨不仅有常见的拉进,还有桨叶在后的推进。

  首先是发动机。

  除了军用运输机,通用航空也是涡桨的主要市场。中国幅员广大,地形复杂,通用航空大有可为,但通用航空的发展不仅受到法规、机场的限制,更受到飞机尤其是发动机的限制。在庞大的中国航空工业产品谱系中,并没有通用航空多少位置,适用的先进涡桨更是稀缺。

  第一代直升机使用的动力系统均为星型活塞发动机。如美国的贝尔-47直升机,采用一台莱康明V0-435-A1B星型6缸活塞发动机,最大输出功率153千瓦。苏联的米-4直升机,采用一台活塞-7星型14缸活塞发动机,最大输出功率1301千瓦。中国的直-5直升机即为苏联米-4的仿制产品。同样使用活塞-7发动机。活塞发动机有着油耗低,结构简单,燃烧温度低,寿命较长等优点,很适合作为早期直升机动力。但是,活塞发动机扭矩小,超频冗余度低,进气密度不足等缺点却严格限制着直升机的最大速度,实用升限以及机动性。因此,工程师们开始把目光转向了一种新的动力——涡轴发动机。

  随着无人机的兴起,涡桨具有了新的重要性。小型无人机可用活塞式甚至电池驱动,较大的无人机大多采用涡桨,典型的如美国的“捕食者”系列。喷气式的推力更大,但较费油,而且不适宜低速飞行,特别追求长航时、大航程的察打一体无人机还是涡桨驱动为多。

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  星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

  MQ-9“收割者”

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  中国由于缺乏合适的中小功率涡桨发动机,被迫使用功率小、性能受限的活塞式发动机,严重限制了性能。比如说,“彩虹5”与MQ-9“捕食者”大小和重量相似,“彩虹5”使用涡轮增压的活塞式发动机,功率只有“捕食者”的加莱特TPE331涡桨的一半,在翼展相似的情况下,有效载荷降低60%,升限从15000米降低到9000米,不仅限制了对地视界和增加巡航阻力,也限制了高原起飞性能,好在续航时间从14小时延长到60小时。

  中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

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  涡轴发动机在分类上从属于燃气轮机,与螺旋桨运输机使用的涡桨发动机原理及循环模式最为相近,通过压气机对吸入的空气进行加压,推入燃烧室与煤油燃料混合点燃后喷出,喷出的高温燃气直接推动燃气涡轮叶片与动力涡轮叶片转动,最终将高速转动的输出轴接入减速器,降低到最优转速带动直升机旋翼进行旋转,进而产生升力。涡轴发动机以其强悍的超频能力,更高的进气密度以及优异的扭矩而成为直升机的完美动力,自二代到四代直升机均采用涡轴发动机作为动力源。

  彩虹-5无人机

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  中国也缺乏先进的大功率涡桨。运-9的涡桨6C的基本设计是苏联时代的东西,比C-130J的罗罗AE2100落后很多,严重限制了运-9的性能。如果传说中的运-30也最终成真,更取决于先进涡桨。为了适应更加灵活、分散的部署,中国可能还需要一级类似C-27的双发轻型运输机,同样依赖先进涡桨。运-20解决了大运的有无问题,但用途更加广泛的中运和轻运不能长期停留在退而求其次的状态。传说中的舰载预警机的飞行性能最终可能也取决于先进涡桨,这决定了舰载预警机的起飞重量、升限和留空时间。

  涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  在原理上,从适当的涡喷或者涡扇的核心发动机研发涡桨并不是太困难的事,难处在于可靠性和效率。核心发动机的转速太高,要降低到适合螺旋桨的转速,需要沉重、复杂、可靠性低的减速齿轮装置。但加拿大普拉特-惠特尼PT6系列涡桨提供了有用的新思路。

  第二代直升机使用的涡轴普遍为单转子涡轴,如UH-1休伊直升机使用的T-53-L-1涡轴发动机,其燃气涡轮与动力涡轮均位于同一转子,因此转速相同。与此相同的直升机还有法国的SA-321超黄蜂直升机以及中国引进超黄蜂后自产的直-8直升机,该两款直升机均采用Tromo-3C型单转子涡轴发动机,该发动机国内引进自产代号为涡轴-6。单转子涡轴最大的问题在于输出轴转速过高,由于直升机旋翼转速普遍不超过400转/分钟,因此想把转速高达上万转的输出轴转速降低到几百转,对齿轮减速器是一个严峻的考验,因此会造成可靠性下降问题。同样由于转速过高,单转子涡轴不得不增加涡轮级数,降低压比来改善转速问题,这也同样造成了重量增加,发动机轴向长度增加以及油耗增大等问题。最后,由于启动转速过高,会造成压气机喘振,因此需要在压气机后方布置放气活门来减少喘振,进一步降低了可靠性。

  先进螺旋桨的前进方向

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  PT6系列或许是历史上最成功的涡桨发动机,到2015年11月已经累计生产51000台,累计运转4亿小时以上,功率范围从580马力到1940马力。最值得称道的是可靠性:每65万飞行小时里低于1次空中停车。

  单转子核心机示意图

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  有着以上这些弊端,因此二代直升机的涡轴动力普遍性能还处于“勉强够用”阶段。比如美国通用电气的T-53-L-1涡轴,起飞油耗0.37千克/千瓦时,总压比仅为7.4。苏联的TV-2-117A涡轴,起飞油耗0.374千克/千瓦时,总压比仅为6.6。虽然已经比第一代直升机的活塞动力有不小的改善,但单转子涡轴指标的落后依然严重影响着二代直升机的航程,可靠性以及任务灵活性。随着航空动力学的进步,工程师终于找到了解决单转子涡轴弊端的途径,那就是——双转子涡轴,也成功推动了第三代直升机的出现。

  PT6发动机的3D模型

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  为了降低对减速齿轮的要求,PT6采用独特的逆流自由涡轮设计。自由涡轮说白了就是风车。在有风天里,小直径风车转速快,大直径风车转速慢,涡桨的自由涡轮也是一样的道理。当然,风车直径还要考虑其他因素,比如发动机直径和叶片受力,一步到位并不现实。但从较低的转速开始,减速齿轮装置可以较小、较轻、更加可靠,传动损耗也低。由于自由涡轮的转速与发动机转速脱钩,自由涡轮涡桨可以用单转子核心发动机实现双转子的效果,或者用双转子核心发动机实现三转子的效果,热力学效率显著高于直接驱动、齿轮减速的传统涡桨。

  美国第二代直升机代表UH-1休伊直升机(图片来源于参考消息网)

  不过常见的螺旋桨飞机都是拉进的,这意味着PT6的核心发动机的喷气必须向前,喷气流吹动风车做功后,再转个方向,向侧后喷出。观察典型的采用PT-6发动机的飞机(如巴西“巨嘴鸟”或者瑞士PC-9),不难看到发动机喷口在很靠前的奇怪位置,几乎紧贴在螺旋桨后,好像两撇小胡子一样。正是因为这个独特的设计,进气依然在前方,绕过核心发动机后,从尾后折返向前,进入核心发动机。因此成为逆流设计。

  第三代直升机开始使用双转子涡轴,与单转子涡轴不同,双转子涡轴引入第二根同心轴与自由涡轮概念,燃气涡轮推动压气机,而自由涡轮充当动力涡轮,单独驱动输出轴。这样做的好处在于可以将高压转子的转速提高到最优区间,而低压转子通过合理的叶片变距来实现转速控制,进而降低输出轴转速,减轻减速器负担,有效提高了可靠性。并且双转子涡轴的高压转子可以有效减少压气机级数,有效增大喘振裕度,不再需要放气活门。增大压比和涡前温度以提高循环系数,在更小的尺寸下达到更高的功率水平,增大了功重比。最后,更优的高低压涡轮配比在降低油耗的同时也提高了输出轴的扭矩,为直升机的单发失效状态下的应急功率带来了更大的冗余度,提高了三代直升机的安全性。例如俄罗斯的米-17河马直升机所使用的TV3-117VM涡轴,其采用双转子构型,其起飞油耗仅0.319千克/千瓦时,增压比提升至了9.4,而功重比更是高达5.16。而中国的三代涡轴主要有涡轴-9,其应用于直-10武装直升机。采用的双转子构型,拥有957千瓦的起飞功率和5.4的功重比,油耗也降低到了0.311千克/千瓦时。是一款完全自主研制的三代涡轴发动机。

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  PT6的剖面模型

  装备涡轴-9发动机的中国第三代直升机直10(图片来源于百度图片)

  对于高速飞机来说,进气、喷气这么绕来绕去会造成可观的动能损失,但PT6主要用于中低速飞机,这个问题不大。进气在发动机尾转弯时,动能转化为压力,是有利于压气机工作的。喷气的能量在吹动自由涡轮之后,本来就没有多少动能了,只是排气而已,所以再转个弯问题也不大。

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  有意思的是,由于采用自由涡轮设计,PT6可以很容易地转型为直升机用的涡轴发动机,原则上只需要在自由涡轮的输出端加一个伞齿轮,把动力输出转90度就可以驱动旋翼了。对于PT6家族来说,PT6A是涡桨,PT6B和C都是涡轴,还有其他型号。

  涡轴-9是中国株洲动力研究所研制的三代涡轴

  善于倒立的马戏团演员正过来站着走也没问题,同样,PT6也可以用于顺流应用场合,螺旋桨改为推进,就像MQ-9“捕食者”或者“彩虹5”那样。直升机的涡轴发动机也有前输出和后输出问题,PT6作为涡轴的时候同样便于灵活使用。

  随着材料水平的进步,可以承受更高温度的燃烧室和可以承受更大转速的叶片相继问世,工程师们开始采用温度更高的燃烧室和离心式压气机来提升涡轴发动机的指标,而电子技术的进步也让涡轴发动机开始引入数字化控制概念。硬指标与数字化控制的发展使得直升机动力产生了第四次质变,推动了四代直升机动力的诞生。

  PT6在世界上得到广泛应用,在中国也得到应用,运-12、直-8F和AC313都用PT6,如果不是美国作怪,直-10本来用的也是PT6。

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  四代涡轴典型结构(图片来源于透博梅卡官网)

  AC313直升机

  第四代直升机开始采用引入了离心压气机甚至纯离心压气机概念,例如欧洲虎式武装直升机,采用两台透博梅卡MTR-390涡轴,该涡轴压气机仅有两级,且均为离心压气机,离心压气机由于形状特殊性,可以承受更大的扭矩,因此该发动机增压比有了质的提升。在高达1423开的涡前温度下,其总压比高达14。这是三代涡轴所无法达到的指标。而0.28千克/千瓦时的油耗和5.8的功重比也相较于三代涡轴有所提升。除了硬指标的提升,MTR-390涡轴还引入了全权限数字式发动机控制器(FADEC)。通过数字控制实现更精确的燃油计量、发动机故障检测、稳定引气与放气以及压气机控制。对发动机的输出性能,运行可靠性,油耗及功率调节的精确性有了质的提升。

  PT6这样把动轮轴和输出轴分开还有一个好处:两根轴都相对较短,受力情况大为改善。发动机的转轴不仅工作时受热、受力情况极其严峻,停车冷却时也有独特的烦恼。卸载冷却后,较长的转轴会“松弛”下来,产生些微下垂变形。这是正常的,但在启动时,需要慢慢加热“张紧”才能增加转速和出力。普拉特-惠特尼的齿轮减速涡扇(简称GTF)正是因为这个问题而推迟交付,致使超过100架空客A320NEO没有发动机可用,不能交货。但分成两段后,受力和受热情况都极大改善。PT6的启动是出名地容易。

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  PT6从1963年投产到现在,尽管在不断改进中,基本设计已经很老了。这五十多年来,航空发动机技术发展迅速,但很多新技术没有在PT6体现出来。这也与一波又一波“涡桨过时论”有关,航发公司不愿意投资,挑战PT6。

  中欧合作的直-15直升机,装备两台涡轴-16四代涡轴。

  但涡桨非但没有过时,还需求旺盛。为此通用电气借用已经成熟的其他发动机技术,重新打造21世纪的PT6,这就是“先进涡桨”(简称ATP),现在改名“催化剂”,设计功率范围为850-1600马力。

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  2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

  ATP的剖面3D图

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  ATP里35%的部件都使用钛合金增材制造(也称3D打印),按照常规制造方法需要用855个部件实现的功能缩减为12个部件,减重12%,对于降低油耗的贡献达到1%。不过现在还只限于固定部件,如框架、燃烧室器壁、机油泵体、出气口、轴承座、流道、换热器等,旋转部分如叶片和转轴还是用传统方法制造的。

  装备有两台涡轴-10的直-20四代直升机(图片来源于百度)

  压气机采用先进的3D流体力学方法设计,采用可调导流叶片(简称VSV),使得压缩比达到16。可调导流叶片是通用电气的拿手好戏,解决了发动机喘振和效率问题。ATP还使用两极空心冷却单晶涡轮叶片,极大地提高了工作温度和热效率。三级反转自由涡轮则以最高效率和最优转速驱动输出轴,并抵消核心发动机的转动导致的章动效应。全权限数字发动机控制(简称FADEC)不仅控制发动机的工作,还控制变距螺旋桨的工作,在发动机和螺旋桨的工作状态之间实时优化,保证最高效率和最高可靠性。

  目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的翘楚。

  与PT6相比,ATP的大修间隔从3000小时提高到4000小时,油耗降低20%,巡航功率增加10%。

  梳理完直升机发动机的四代构型,后续我们将重点讲一讲直升机划代的另一大指标——桨毂,请继续关注科普中国军事科技前沿。

  ATP现在只用于塞斯纳“德纳利”,这是单发的7-9座小型通用飞机,使用的ATP为1300马力版。更多应用和更多功率型号只是时间问题,直升机使用的涡轴版也将水到渠成。

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  ATP的首个用户:塞斯纳“德纳利”

  对于中国来说,还可以把眼光放远点,因为涡桨、涡轴的核心发动机与中校推力涡扇可以通用。罗尔斯-罗伊斯AE2100涡桨用于洛克希德C-130J,但共享基本技术的T406用于贝尔-波音V-22,涡扇版AE3007则用于塞斯纳“奖状”公务机、巴西航空ERJ145支线客机和诺思罗普MQ-4C“海王”/RQ-4“全球鹰”大型无人机。这样的30-40kN级先进涡扇也是中国急需的,特别适用于大型长航时高空无人机。相比之下,中国“翔龙”等采用涡喷7实在是无奈之举,各种高性能无人作战飞机、高亚音速巡航导弹(包括在巡航段使用涡扇推进的反舰导弹、空地导弹、反潜导弹等)、教练机等都可得益于先进涡扇。

  中国航发在大举攻克大推力战斗机和高涵道比民用涡扇的同时,不应该忽视中小推力涡轮发动机家族(包括涡桨、涡轴、涡扇)。各种先进技术也可以首先在中小推力发动机上使用,为大推力发动机上的使用铺路,比如增材制造、FADEC等。

  更重要的是,成飞与沈飞的竞争启动了中国战斗机设计空前活跃的时代,中国航发的研发与制造有必要借鉴这样的模式。如果不在所有领域都保持平行竞争,至少避免“钦定”,鼓励二线厂所从中小推力发动机入手,积累经验,在条件成熟的时候涉足大推力发动机。

  这远远不止是给新兴厂所练手的机会,中国对相应推力级的发动机有急切地大量需求。无人机、通用航空、运输机已经是很大的市场,直升机可能是更大的市场,中国陆海军的直升机化才上路。小推力涡扇方面,光巡航导弹就是很大的需求。实际上,按发动机台数和累计价值来说,这可能是比战斗机涡扇、民航机涡扇更大的市场,不能忽视。

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  中国无人机产业发展迅速,显然会发展成一个非常庞大的市场

  在人们的眼光集中在大推力、高涵道比涡扇的同时,莫忘涡桨(和涡轴、小涡扇)。

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