黄庆 邱江 钟榈

【摘  要】本文阐述了大功率涡轴发动机方案设计中整机布局选择三轴自由涡轮式布局的理由，并对这种布局的高、低压压气机压比分配问题进行了分析研究。完成了不同压比分配对整机性能的影响分析，对其中的两组压比分配方案进行了结构可行性研究。发现低压压比较高的方案虽然具有较显著的耗油率优势，但发动机结构不一定可行。压比分配需要综合权衡耗油率、结构可行性等诸多因素。

【关键词】大功率;三轴自由涡轮式;涡轴发动机;压比分配

Study on Compressor Pressure Ratio Distribution of Three-shaft Free-turbine High Power Turboshaft Engine

Authors：Huang Qing Qiu Jiang Zhong Lv

Presiding reviewer：

AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou  China 412002

Abstract：This paper expounds the reason why three-shaft free-turbine layout is chosen in the scheme design of high power turboshaft engine，and analyses the distribution of HP and LP compressor pressure ratio of this layout.The influence of different compressor pressure ratio distribution on the whole engine performance was analyzed，and the  structural feasibility of two feasible compressor pressure ratio distribution scheme was studied.It is found that the scheme with higher LP compressor pressure ratio has obvious advantage of fuel consumption rate，but its structure is not always feasible.Compressor pressure ratio distribution needs to comprehensive weigh many factors such as SFC，structural feasibility and so on.

Key words：high power;three-shaft free-turbine;turboshaft engine;compressor pressure ratio distribution

重型直升机具有重要而独特的作用，是大国在国防和国民经济建设中的战略性装备，能发挥突出的军事效能并创造巨大的社会效益和经济效益。本文针对大功率涡轴发动机方案设计过程中遇到的发动机结构布局选择问题和由此带来的三轴自由涡轮形式布局发动机的高、低压压气机压比分配问题进行研究分析。

分析表明压比分配的选择不能单纯追求低耗油率，还需考虑材料、强度、技术储备、整机结构可行性等约束条件。在综合权衡发动机性能先进性、结构可行性后，才能最终确定合理的压比分配。

1 发动机结构布局形式选择

1.1国外大功率涡轴/涡桨/桨扇发动机发动机常用结构布局形式

目前世界上用于重型直升機的涡轴发动机仅有美国和乌克兰少数几家公司研制的几个型号，即装备CH-47“支奴干”的T55系列发动机、装备CH-53的T64系列发动机、装备V-22的T406发动机以及装备米-26的D-136发动机等。分析现役和在研的大功率涡轴/涡桨/桨扇发动机的结构形式可知，功率量级超过5000kW后，现役大功率涡轴发动机仅有D-136发动机，结构形式为双转子燃气发生器加自由涡轮后输出的三轴自由涡轮式;现役大功率涡桨和桨扇发动机，如TP400-D6和D-27的燃气发生器也采用双转子结构。

1.2单、双转子燃气发生器布局的比较

通常，双转子三轴布局相比单转子双轴布局有以下优点：

（1）起动扭矩更低，起动双转子三轴发动机的扭矩/能量约为同功率级单转子双轴发动机的一半;

（2）在相同的外廓尺寸下，功率增长潜力更大;

（3）高压转子转动惯量低约一半以上，具有更好的加速性。

考虑目前大功率涡轴发动机的研制技术储备，总压比在21～25之间时，双转子三轴布局的发动机结构形式还具有压气机效率指标更容易达到、喘振裕度更高（各转子在各自最佳转速下运转）的优势。

1.3 结构布局的确定

重型直升机所需动力的功率量级非常高，采用双转子燃气发生器布局的做法与国际上超大功率发动机的布局一致。出于降低研制风险、缩短研制周期的考虑，大功率涡轴发动机结构布局选择三轴自由涡轮式。

选定三轴构型后，高、低压压气机压比的分配非常关键，因为它不仅影响高、低压压气机的结构形式，也影响着高、低压涡轮的性能和结构设计。

2 压比分配对整机性能的影响

2.1 对设计点整机性能的影响

这里定义高、低压压气机压比的比值系数R=π/π，代表不同的压比分配。其中π为高压压比、π为低压压比。

首先采取下述方法使得不同压比分配条件下，压气机、涡轮的部件技术水平一致，气动设计难度相当。分析时保持高、低压压气机多变效率及涡轮前温度不变，同时保持进气道、压气机过渡段、涡轮级间过渡段和排气段总压损失不变的前提下，压气机总压比保持不变，采用Gasturb软件对发动机在不同的高、低压压气机压比分配时的性能变化进行了多轮迭代计算。计算时结合涡轮部件Smith图，并考虑冷气参混修正等因素，匹配使用不同涡轮膨胀比对应的涡轮效率值，见图1。

在此基础上分析不同的压比组合对设计点性能的影响，见图2。图中可见Rπ=0.5附近有较优值，该压比分配可获得功率较大而耗油率较低的好处。

压比分配对设计点的耗油率影响在3.5%以内，但是在节流很高的小状态，对耗油率的影响则较为显著，详见下文分析。

2.2 对节流状态耗油率的影响

2.2.1压比分配对耗油率的影响机理

苏联尤·阿·李特维诺夫和弗奥·鲍罗维克所著《航空涡轮喷气发动机的特性和使用性能》中 “巡航状态燃料消耗率随发动机结构形式的变化关系”章节中提到，“对双转子发动机来说，采用专门的方法，在节流程度很高的状态使高压、低压压气机的工作协调一致，高压级的转速同最佳效率相应的转速相差很小，就能使燃料消耗率最小。”

不难理解，燃油在核心机内燃烧，燃油消耗主要受高压级影响。在小状态节流时，高压级的转速同最佳效率相应的转速相差越小，则高压级的效率越高，燃烧效率也较高，因此耗油率越低。

2.2.2对耗油率的影响程度

分析高低压压比的比值R对耗油率的影响时，维持总压比不变，高、低压压气机多变效率不变。当R从0.4变到2.0时，高压涡轮膨胀比由2.0变到2.8，低压涡轮膨胀比由2.1变到1.5，变化范围不大。相比压气机，涡轮的高效区可维持在宽得多的范围，小范围的膨胀比变化对效率的影响不是主要矛盾，因此本轮计算时简化并忽略了涡轮的效率变化。

通过计算海平面、标准大气条件下的节流特性，取3组R分析，得到R对高压级换算转速的影响见图3，从图中可见，R越小（低压重高压轻），高压级换算转速变化量越小。

计算得到的R对同功率下耗油率的影响见图4，从图4可知在大状态，R的影响较小。但小状态时，明显看出R=0.5时，耗油率最低。例如10%功率状态下，R=0.5时的耗油率比R=2.0时低11%。也就是R越小（低压重高压轻），高压级转差越小，耗油率越低，这个结果与上述机理分析相符。

从上述分析可知，当高压压比较小、低压压比较大时，耗油率可以较低。但实际发动机设计中不仅考虑性能优异程度，还需要考虑技术风险、成本、可行性等诸多约束条件。因部件详细设计时需要耗费大量资源，不可能对任意的压比分配方案进行研究。在现有技术能力的前提下，本文对较有可行性的两组压比分配方案进行了结构可行性研究。

3压比分配对结构可行性的影响

3.1对压气机结构设计的影响

为降低发动机研制风险，优先选择有技术基础、风险较低的压气机方案。在此原则上确定两组压比分配方案分别为方案A：R≈0.45和方案B：R≈0.75。方案A主要是在某大功率涡桨（R≈0.62）基础上改进研制，采用低压加级的方式，低压压比更高。方案B则参考另一型发动机，采用低压压气机相似放大，高压压气机压比增加并重新设计的方式。

两组压比分配方案的压气机气动设计均可满足总体指标。其中方案A的低压压比较高，气动稳定性设计更困难，需要同时采用导叶可调和放气等防喘设计;并且零件加工困难，影响试验进度。而方案B的低压压比相对较低，只需采用放气作为防喘措施，高压压气机的设计也有技术储备，成功的可能性更高。

3.2对涡轮的影响

对方案A进行详细方案设计中，发现存在如下问题：

（1）低压涡轮效率相比总体要求偏低;

（2）低压涡轮盘强度设计难度大;

（3）动力涡轮流道高，与燃气涡轮整个流道不协调;

（4）动力涡轮气动轴向力大，现有轴承无法满足需求。

而方案B的涡轮設计技术难度比方案A小，技术风险较为可控，可行性更好。有如下优势：

（1）燃气涡轮尺寸设计约束较少，较易实现;

（2）高压涡轮的载荷系数和流量系数在Smith图反应的涡轮气动效率与现有大功率发动机相当，技术风险小;

（3）燃气涡轮流道与动力涡轮流道协调性更好，动力涡轮设计难度有所下降。

3.3对转子动力学的影响

两组压比分配方案的支承方式均借鉴参考了目前在研的双转子三轴自由涡轮式发动机，具有较强的结构设计基础，其转子动力学特性与参考发动机相似，其振型为一阶平动、二阶摆动、三阶弯曲。

其中，方案A的低压转子设计思路是在某大功率涡桨发动机低压转子基础上，增加一级轴流压气机，前、中支点跨距增加约150mm，中、后支点跨距保持不变，由于原型发动机本身低压转子三阶临界转速（弯曲）裕度不大，考虑到低压压气机加级后势必会带来转子跨距增大、压气机质量增加等问题，对转子动力学特性带来不利影响，通过计算发现其三阶临界裕度偏低（裕度下降约40%），不满足临界裕度的设计要求。

相较于方案A，由于方案B的低压压气机级数更少，其前、中支点跨距比方案A的跨距短。而且方案B压气机盘的总质量也比方案A要轻。在同样支点刚度组合下，方案B三阶临界裕度能够满足设计要求。因此，方案B有更好的转子动力学特性，同时也能缩短发动机轴向长度。

综合上述分析可知，虽然方案A的性能更优，但是结构可行性却不如方案B。

4 结论

本文阐述了大功率涡轴发动机方案中整机布局选择三轴自由涡轮式布局的理由，并对这种布局带来的高、低压压气机压比分配问题，从性能优异程度和结构可行性两方面进行了分析研究。可为将来其它双转子三轴自由涡轮式发动机研制提供一定的技术参考。结论如下：

（1）双转子发动机压比分配时，低压压比较大时可以获得较低的耗油率。

（2）合理的压比分配方案由性能优异程度与结构可行性等因素决定。

参考文献：

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