张征

（中国航空工业发展研究中心，北京 100029）

军用涡轴发动机发展研究

张征

（中国航空工业发展研究中心，北京 100029）

张征（1975），工程师，主要从事航空咨询研究工作。

回顾了军用涡轴发动机的发展历程，介绍了几种典型军用涡轴发动机的性能特点及各国现役军用涡轴发动机的装备情况；分析并提出了军用涡轴发动机的关键技术，并通过研究国外典型涡轴发动机技术研究计划和新用的先进技术，预测了军用涡轴发动机的有关技术趋势。

军用涡轴发动机；发展；关键技术；预测

0 引言

相对于活塞发动机来说，涡轴发动机功重比大、振动小、便于维修，且最大截面较小，可以大大提高直升机的气动力性能。因此，从20世纪50年代开始，涡轴发动机逐步取代活塞发动机，成为直升机的主要动力装置。

当今世界各国拥有的各类军用直升机数量总计约21670架，配套的军用涡轴发动机约37102台。根据最新国际航空涡轴发动机市场预测分析，在各国军用直升机项目(包括发动机更换项目)的需求刺激下，未来几年世界军用涡轴发动机的市场仍将继续增长。国际预测公司预测，在2010～2019年，全球将生产涡轴发动机30000多台，价值约170亿美元。其中，军用涡轴发动机项目的价值占80%，约108亿美元。

1 军用涡轴发动机的发展

1.1 发展历程

从20世纪50代中期开始，涡轴发动机产品和技术不断发展升级，至今已发展了4代。

第1代涡轴发动机是20世纪50年代研制，并于60年代开始服役，主要代表机型有阿都斯特、T53、宁巴斯等发动机。

第2代涡轴发动机是20世纪60年代研制的，主要代表机型有T63、阿赫耶C、TV2-117A和T53的改进型T53-L-703等发动机。

第3代涡轴发动机于20世纪70年代设计，于80年代投产。主要代表机型有法国透博梅卡公司研制的TM333、美国GE公司研制的T700-GE-701、俄罗斯克里莫夫设计局研制的TV3-117VM等发动机。与前2代涡轴发动机相比，这代涡轴发动机，通过改进气动设计和材料，使转动部件的循环数大大增加；通过采用气冷涡轮叶片，使涡轮进口温度达到1100～1300℃；通过简化结构，减少零部件数量，使发动机的可靠性和维修性提高；通过采用单元体结构和状态监控技术，可在外场实施视情维护；逐步完成从机械液压式控制向全权数字式电子控制系统的过渡。

第4代涡轴发动机于20世纪80年代末90年代初开始研制，代表机型有英、法联合研制的RTM322，美国的T800，德、法、英联合研制的MTR390以及俄罗斯研制的TVD-1500等发动机。其主要特点是普遍采用全权数字式电子控制系统，并采用先进的压气机设计技术，增压比可达14，耐高温材料和单晶涡轮转子叶片使涡轮进口温度进一步提高，寿命延长和可靠性大大提高。

典型军用涡轴发动机性能参数见表 1；各国现役军用涡轴发动机的装备情况见表2。

表1 典型军用涡轴发动机性能参数

表2 2010年现役军用涡轴发动机装备情况

1.2 研究计划

1.2.1 联合涡轮先进燃气发生器计划

联合涡轮先进燃气发生器（JTAGG）计划是美国IHPTET计划的子计划，于1987年开始实施。IHPTET计划是为未来涡轴、涡桨、涡喷和涡扇发动机提供技术基础，验证耗油率（SFC）、功重比（推重比）及可靠性、维修性等得到改进的技术。JTAGG计划的经费来源于工业部门和政府2方面，每年的总投资约1900万美元，工业部门投资约占25%～50%，美国陆军1990～2005年投入的总经费超过1亿美元。

针对涡轴发动机，JTAGG计划的目标是针对空气流量为4.5～6.8 kg/s级别的燃气发生器验证功重比提高120%，SFC降低40%的技术。

1.2.2 小型重油发动机计划

小型重油发动机（SHFE）计划是VAATE计划的1个组成部分。SHFE计划通过利用在VAATE计划下取得的部件成果以及其它近期取得的先进发动机技术成果，用于先进的小型涡轮发动机研制。整个SHFE计划投资4500万美元，其中美国政府分4个财年共投资2600万美元。验证项目包括设计、制造以及部件和整机试验验证，试验验证包括性能及耐久性试验以及质量验证。

SHFE计划通过开发1台522 kW的验证机，以演示验证可能用于多种军用和商用飞行器的先进小型燃气涡轮发动机技术。其目标是使SFC降低20%，功重比提高50%，生产及维护成本降低35%，产品开发成本比2000年发动机的降低10%。

1.2.3 共用发动机项目

共用发动机项目(CEP)目标是美国陆军利用IHPTET计划第1、2阶段的成果发展用于UH-60A“黑鹰”和AH-64A“阿帕奇”改进型动力装置。

CEP性能目标是：相对于T700发动机，SFC降低25%～30%，功重比提高60%～80%，采办及维护成本至少降低20%，并使直升机的航程增长60%或者荷重增加70%，同时削减后勤服务和维护承担。

CEP于2000年提出，时间为6年，前3年半为技术发展阶段，后2年半为工程制造发展（EMD）阶段，投资1.4亿美元。然而CEP并没有真正实施，ATEC研制的HPW3000发动机即是CEP的延续。

1.2.4 先进、经济可承受的涡轮发动机计划

先进、经济可承受的涡轮发动机（AATE）计划是美国陆军为替代UH-60“黑鹰”和AH-64“阿帕奇”直升机现有动力装置——T700发动机而研制的2205 kW级涡轴发动机的发展计划。

AATE计划于2007年开始启动，为期52个月。美国政府为该计划的基本项目投资预算为3475万美元，其中2007/2008财年975万美元，2009财年750万美元，2010财年850万美元，2011财年900万美元。

AATE计划的技术指标是：在T700发动机的基础上，将功重比提高65%，SFC降低25%，寿命延长20%，生产成本和维护成本降低35%，研制成本降低15%。

1.2.5 美国陆军未来可承受涡轮发动机计划

未来可承受涡轮发动机（FATE）计划是VAATE计划的1个组成部分，是为替换已经服役47年之久的T55系列发动机而研制新型具有竞争力的涡轴发动机发展计划。FATE计划于2008年启动，为期8年。

FATE计划的目标是采用功率为4470～5215 kW的新型发动机作为CH-47“支奴干”的发展型或者后继旋翼飞机的动力装置。具体技术指标包括SFC降低35%，维护成本降低45%，功重比提高90%，同时研制成本降低20%；发动机整机设计寿命不低于6000 h，其中冷端部件寿命不低于15000循环，热端部件寿命不低于7500循环。

2 军用涡轴发动机关键技术

军用涡轴发动机大都属于中小型涡轮发动机，为适应不断发展的军用直升机的动力需求，研制中也存在一些自身特有的关键技术。

2.1 进气防护系统（粒子分离器）

军用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，为保证其发动机安全可靠地工作，必须采用进气净化装置。军用涡轴发动机进气防护可分为2大类：1类是在直升机进气道上安装防砂滤，有过滤介质式、涡管分离式等多种形式；另1类是在发动机上装粒子分离器，有动力离心式、整体惯性式等。2类装置各有优缺点，但从分离效果、结构质量、发动机功率损失等诸方面综合性能来看，整体粒子分离器相对较好。

现代先进的军用直升机大多要求涡轴发动机自带进气防尘装置即整体式进气粒子分离器（IPS）。国外在研和新研的军用涡轴发动机大多带有IPS部件。第4代涡轴发动机T800即采用1个整体的、但可分开的IPS，分离效率很高，在试验台上用C级细砂试验证明其分离效率高达97%。对于军用涡轴发动机，IPS今后将成为与压气机、燃烧室、涡轮同等重要的部件之一。

2.2 组合压气机

随着军用涡轴发动机增压比的不断提高，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1级离心的组合压气机，如T700发动机即采用5级轴流加上l级离心式压气机。这主要是因为轴流压气机级数的增加使得压气机后几级的“尺寸效应”更加显著，气流损失增大，气动性能显著下降，而离心式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，因此采用离心式压气机取代后面的轴流压气机是有利的。也有一些新型涡轴发动机为了简化结构、提高压比，采用多级离心式压气机，如T800、MTR390等都采用了2级离心式压气机。

针对军用涡轴发动机压气机结构特点，要想通过改善压气机提高发动机性能，就需要不断加强对离心压气机技术、轴流级与离心级间优化匹配技术以及离心级与离心级间优化匹配技术的研究。

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，如弯掠激波转子、大小叶片技术等。

2.3 回流环形燃烧室

回流环形燃烧室是现代军用涡轴发动机普遍采用的结构。RTM322、MTR390和T800-LHT-800发动机均采用了回流环形燃烧室。RR公司认为，目前大多数涡轴发动机都采用回流环形燃烧室，这在几何上正好与离心压气机相匹配，而且轴承跨度短，并能以最少的轴承机匣满足转子动力学要求。但这种燃烧室还应进一步改进，如研究更有效的冷却燃烧室壁和使第1级涡轮导向叶片上的燃气温度峰值最小等。

随着军用直升机技术的发展，对动力性能的要求也在不断提高，这就需要燃烧室的出口温度（也即涡轮进口温度）相应提高。目前发动机的热燃气温度正在接近涡轮材料的耐温极限点，所以保持温度均匀的燃烧就尤为重要。这就需要采用具有大调节比系数的新型燃油喷嘴，以获得燃烧室出口处均匀的周向和径向温度分布。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，而且进口温度的升高也降低了冷却气流的吸热能力，而这是传统火焰筒冷却技术难以实现的，因此迫切需要研究火焰筒高效冷却技术和更耐热的材料。近年来，新型喷嘴和改进火焰筒的冷却的研究已经逐渐成为提高涡轴发动机燃烧室性能的研究重点。另外，国外也正在研究多种新的燃烧室结构，如智能型燃烧室、驻涡燃烧室等。

2.4 排气红外抑制

发动机是军用直升机的最大红外辐射源，是红外导弹的最主要跟踪目标。红外抑制技术就是通过降低或改变直升机发动机的红外辐射特征，从而实现武装直升机的低可探测性。可通过改进直升机发动机结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收直升机发动机的红外辐射能量，使红外探测设备难以探测到直升机。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2元喷管，从而滤除90%的红外辐射。

美国AH-64武装直升机上安装有红外散热片、3个矩形引射器的红外抑制装置，采用该抑制装置后与采用冷却风扇冷却发动机热源相比，质量减少182 kg，垂直爬高速度增加76 m/min，红外信号只有无抑制装置的6%，而排气热流红外信号为未抑制的10%。

2.5 高速转子动力学

涡轴发动机的转速高达40000～60000 r/min。这就要求加强高速转子动力学分析及试验技术研究，即针对涡轴发动机转子工作范围内不可避免地存在多阶临界转速的特点，研究并选择最佳的支承刚度及阻尼系数，采用新的减振措施，研究小刚度细长转子特有的高速甚至全速动平衡技术。

RTM322发动机采用叶片和盘一体的压气机转子、双层壁机匣、靠近工作叶片的机匣内壁涂可磨涂层、减小轴系振幅等方法来降低转子振幅，使其在整个工作范围内径向间隙变化小。

3 军用涡轴发动机技术发展趋势

对于军用直升机而言，大力提高生存性和作战效能，是其追求的最高目标。军用涡轴发动机技术未来的发展也将围绕这个核心目标，朝着提高功重比、改善维护性和可靠性、降低使用成本的方向发展。

新一代涡轴发动机的压比将达到20～25，涡轮进口温度达到1327～1627℃，功重比将提高到12，SFC降至0.2kg/kw·h，发动机的经济可承受性提高数倍。

新材料和新工艺的采用，将使下一代涡轮轴发动机的质量更轻，工作更可靠。压气机按3维法设计叶片，采用变流量压气机、离心压气机变几何扩压器、3维黏性计算方法计算离心压气机内部流场等，有效地提高效率、扩大喘振边界。燃烧室所采用先进的冷却技术、在火焰筒上等离子喷涂陶瓷，以提高火焰筒耐高温能力；采用先进燃油喷嘴，减少燃烧室积碳与冒烟。涡轮采用先进的材料和冷却方案、先进精铸/锻造技术、主动间隙控制技术以及3维气动计算，以设计并制造出先进的小型径向涡轮叶片。控制系统从气动和液压式、模拟电子机械液压混合式燃油调节器过渡到全权数字式电子控制系统，同时采用光电敏感元件、高温电子设备和灵活的控制逻辑。

在新的作战环境下，对直升机有不断增大前飞速度的要求。为此，下一代涡轴发动机还可能采用变循环涡轴发动机或可转换的涡轴/涡扇发动机。

4 结束语

随着现代局部战争对军用直升机需求的不断加大,军用涡轴发动机市场未来几年依然呈上升趋势。同时，为了适应现代战争战场环境,满足部队机动灵活、快速反应的作战要求，现代军用直升机尤其是在沙漠和高原等一些环境恶劣地带使用的直升机，对动力系统的性能、适用性、可靠性、维修性等也提出了更高要求。追求性能更好、可靠性更高、寿命更长、使用和维护成本更低是新型军用涡轴发动机发展的必然趋势。

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Development of Military Turboshaft Engine

ZHANG Zheng
（AVIC Aviation Industries Development Research Center of China,Beijing 100029,China）

The development of military turboshaft was reviewed.The performances of several typical engines and the equipment of the active service military turbo shaft engine were introduced.The key technologies of military turboshaft were analyzed and introduced. Based on the foreign typical advanced program and advanced technologies about turboshaft engine,the technology trend of military turboshaft engine was forcasted.

military turboshaft engine;development;key technology;forecast

2011-05-11