中小型民用涡轴发动机技术发展初步研究

罗宿明 张晓爽 陈 伟 华继伟

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002）

1 民用涡轴发动机需求及发展现状

20 世纪50 年代中期以后，直升机逐步得到广泛应用，作为其主要动力装置的涡轴发动机，在美、英、法等西方发达国家也得到了快速发展。目前，全世界共拥有直升机近5 万架，其中民用直升机约26120 架。半个多世纪以来，民用涡轴发动机的单位功率提高了1 ～1.7 倍，压气机压比提高了2 ～2.5 倍，耗油率下降了20%～30%。各年代典型中小型民用涡轴发动机及其主要参数见表1[1]，各部件结构形式及装机对象见表2。

表1 典型民用涡轴发动机主要参数

表2 典型民用涡轴发动机部件结构形式和控制系统

当前，占据市场重要地位并能体现最新技术进步的民用涡轴发动机产品基本集中在800 ～1400kW 中小功率范围内，典型代表有美国的CT7-2A 和CTS800-4、法国的Makila1 A1 和Ardiden 1H、加拿大的PT6C-67C 以及英国罗罗公司和法国透博梅卡公司（现赛峰直升机发动机公司）合作的RTM322-01 发动机。

2 先进中小型民用涡轴发动机技术特点分析

结合表1 和表2 中数据，对当前先进中小型民用涡轴发动机的总体设计和部件设计的技术特点进行分析。

2.1 总体设计

目前，先进涡轴发动机大多数发展成系列化产品，如CT7、RTM322、PT6 和Ardiden 系列等。系列化改进发展是现代先进涡轴发动机发展的重要特征。在一款优秀涡轴发动机平台基础上，逐步实施“技术嵌入”、小步快走，逐步发掘发动机的应用潜能，开发出系列化产品。与全新研制新型发动机相比，系列化发展有较低的风险和较好的经济性。

在总体气动设计方面，目前先进民用涡轴发动机采用了中等热力循环参数和高热力循环参数两种设计思路。第1 种是以Makilal A1、RTM322-01、CTS800-4 等为典型代表，采用中等热力循环参数（压比为10 ～15，燃烧室出口燃气温度为1300 ～1500K），通过高效率部件获得预期的发动机性能；第2 种是以CT7-2A 为典型代表，通过高热力循环参数（压比为16 ～17，燃烧室出口燃气温度为1500 ～1600K）获得预期的发动机性能[2]。

在总体结构设计方面，目前先进涡轴发动机几乎都采用单元体结构设计，以简化整机装配和调整，减少外场维护时间，节省维修费用和工时；广泛采用整体铸造、机加件，如一体式铸造自由涡轮导向器、整体叶盘等，以降低制造成本，提高发动机可靠性，延长使用寿命；逐步采用多功能集成设计，将燃油、滑油系统油路集成在铸造机匣内部，减少外部零组件数量，进而使结构更加简单紧凑，以提高发动机的维护性和可靠性。

2.2 部件、系统设计

2.2.1 压气机

作为涡轴发动机的三大核心部件之一，压气机的技术水平对发动机的性能、重量、可靠性和成本等有重要的影响。中小型民用涡轴发动机压气机一般采用轴流、离心、轴流+离心组合压气机等几种结构形式[3]。

目前，先进民用涡轴发动机压气机普遍应用轴流加离心组合的结构形式，如CT7-2A、RTM322-01、Makilal A1 和PT6C-67C 发动机，但最新的发动机都采用了结构简单紧凑且可靠的双级离心压气机，如CTS800-4、Ardiden 1H 发动机。先进双级离心压气机具有部件效率高、喘振裕度大、轴向长度小、零部件数量少、结构简单紧凑、抗外物撞击能力强等特点，使其在可靠性、可维护性等方面具有明显的优势。

2.2.2 燃烧室

通常，中小型民用涡轴发动机燃烧室有3 种结构形式，即以PT6C-67C、RTM322-01、CTS800-4 和Ardiden 1H 发动机为代表的回流燃烧室，以CT7-2A 发动机为代表的直流燃烧室和以Arriel1C、Makila1A1 发动机为代表的折流燃烧室。

回流燃烧室是目前中小型民用涡轴发动机普遍采用的结构形式。一方面，回流燃烧室可以更好地与上游离心压气机匹配，对压气机出口气流不敏感；另一方面，采用回流燃烧室结构布局可以有效缩短发动机轴系长度，有效解决高转速涡轴发动机面临的转子动力学难题。

2.2.3 涡轮

涡轮部件工作在高温、高压、高转速环境下，其气动、结构和冷却系统设计极其复杂，因此好的涡轮设计是气动、结构、冷却和材料等多方面综合均衡的结果。

（1）高压比的发动机为了获得较高的涡轮效率，通常采用双级结构，如CT7-2A、 CTS800-4 和RTM322-01 发动机，但采用双级涡轮可能会由于第一级转子温降低导致需要更多的引气量对导叶和转子进行冷却，从而抵消高效率的优势。同时，涡轮级数的增加也会导致发动机轴向长度和重量的增加，结构的复杂化会导致可靠性降低、制造成本增加。因此，采用单级或双级结构是需要综合考虑涡轮性能、结构/寿命及成本等多方面因素，是一个综合权衡选择的结果。

（2）采用燃气涡轮、动力涡轮共用轴承腔设计，如Ardiden 1H、CTS800-4 和RTM322-01 发动机，这种设计为取消排气框架提供了先决条件，减小了排气损失，降低了滑油系统及封严/冷却系统的复杂程度，缩短了动力涡轮转子轴系长度，减少了外部管路的个数，整体上降低了发动机重量。同时，动力涡轮单元体在装配/分解和外场维护/更换时，可实现简易拆分，提高了发动机的维护性水平，降低了维护费用。

2.2.4 控制系统

目前，先进民用涡轴发动机一般都采用全权限数字电子控制系统，如Makilal A1、RTM322-01、PT6C-67C 、CTS800-4、Ardiden 1H 等。虽然机械液压式控制系统可实现基本的发动机控制与限制功能，但相对全权限数字式电子控制来说，控制系统的结构比较复杂、体积和重量都偏大且控制精度偏低，无法实现对发动机状态的监控功能。

先进涡轴发动机的全权限数字电子控制系统一般采用双通道硬件结构、软件双余度设计技术，可实现发动机在全包线范围内的控制、参数限制与保护功能，具有双发匹配、双发通讯、发动机故障诊断与处理、状态监视及健康管理功能以及与直升机电子设备通信等功能。

3 先进中小型民用涡轴发动机发展趋势

为进一步促进涡轴发动机技术发展，世界主要航空发动机公司不断加大投入，努力将各种新材料、新技术应用在涡轴发动机研制中，以达到进一步降低燃油消耗、降低运行成本和减少污染排放的目的，未来中小型民用涡轴发动机发展趋势主要表现以下几个方面。

（1）发动机热力循环参数进一步提高。选择较高的压比与燃烧室出口燃气温度，能获得较佳的耗油率和单位功率。未来涡轴发动机的技术趋势将是朝着提高压比（尽可能不改变级数和改善效率的前提下）和燃烧室出口燃气温度的方向发展。据此推测，未来民用涡轴发动机的压比将达到20 ～25，燃烧室出口燃气温度将达到1600 ～1800K，耗油率预计将下降到0.24kg/(kW•h)以下，单位功率将提升到360kW/(kg/s)以上。

（2）未来先进涡轴发动机将会在涡轴发动机总体结构的基础上，采用使发动机工作更加可靠、安全、实用、简单紧凑、易于维护的结构设计，如单元体设计、高度集成化设计、视情维修以及成附件小型高速化等，进一步降低维护成本，提升发动机性能，提高经济可承受性。

（3）采用新的部件及系统技术。随着发动机热力循环参数进一步提高，压气机的发展趋势是在不改变级数并尽可能提高效率水平的基础上增加压比，保持轻重量、长寿命、结构简单和零件数少的特点，因而斜流加离心、双级离心等组合形式将会更多的应用。另外，随着国际民航组织对航空发动机污染排放要求日益严格，低污染燃烧室技术也是今后主要发展方向之一[4]。

未来直升机要求螺旋桨有大范围的变速能力，以达到效率更高、耗油率更低和航程更远的目的，使用变转速动力涡轮是实现螺旋桨转速大范围改变的途径之一[5]。

（4）采用新材料及新工艺技术。随着未来燃烧室进出口温度进一步提高，对材料和结构工艺提出了更高的要求。因此，在未来民用涡轴发动机中，燃烧室、涡轮导向叶片和工作叶片、涡轮盘等热端零部件将更多采用陶瓷和陶瓷基复合材料、金属基复合材料等先进高温材料[6]。由于陶瓷基复合材料能承受更高的工作温度，冷却气流更少，燃烧更充分，排放气体中的CO 和NOx的量更少，尾气更洁净。同时，随着未来发动机零件结构更加复杂，给传统制造工艺带来很大的挑战，金属零件的增材制造技术（俗称3D 打印技术）将会得到更多的应用[7]。

4 结语

（1）未来先进中小型民用涡轴发动机正在向高热力循环参数和低污染排放方向发展。发动机的增压比将达到20 ～25，燃烧室出口燃气温度将达到1600 ～1800K，耗油率将达到0.24kg/(kW•h)以下，单位功率将达到360kW/kg/s 以上，氮氧化物、一氧化碳、未燃碳氢等污染排放进一步降低，与其向适应的新的部件和系统设计技术将进一步发展，同时新材料与新工艺的应用将更加普遍。

（2）未来先进中小型民用涡轴发动机通过单元体结构设计、附件高度集成化设计以及视情维修等措施，使用和维护成本将进一步降低，经济可承受性得到进一步提高，产品市场竞争力将进一步提升。