来自 军事资讯 2019-09-23 10:06 的文章
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采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子,直

  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]

1 中小型航空发动机的范围、作用和地位

  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。

中小型航空发动机主要是指目前应用最广泛的燃气涡轮发动机和少量的活塞式发动机中推力和功率在中等以下者。关于中小型发动机的界定范围,根据国内外业内人士的共识,可以把中型涡喷/涡扇发动机和中型涡桨/涡轴发动机的推力和功率上限分别设在5000daN和5000kW。相应的小型发动机的推力和功率上限分别为500daN和500kW。这样界定的理由是,它们相应的核心机空气流量大致相近,前者为15~25kg/s,而后者为3.0~5.0kg/s。因而,它们在设计和试验技术上有相同之处。一个典型的例子是,处于中型发动机上端的AE3000涡扇发动机、AE2100涡桨发动机和T406涡轴发动机采用同一的核心机。目前在使用中的活塞式发动机功率一般不超过350kW。对于推力/功率分别小于50daN/50kW和5daN/5kW的微型和超微型发动机不在本文的研究范围。

  监制:光明网科普事业部

  喷气时代的螺旋桨

中小型航空发动机的机种多,推力/功率档次差异大,结构类型各不相同,在军用和民用方面有广泛的用途,在国民经济和国防建设方面有重要的作用和地位:

  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。

在军用方面,现代战争是立体作战,陆、海、空、天构成一个完整的作战体系,其中采用中小型发动机的直升机、巡航导弹和无人机以及教练机、轻型强击机和轻型运输机等起到十分重要的作用。

  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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在民用方面,支线客机、通用飞机和直升机以及大型飞机的机载辅助动力装置方面有着广阔的应用前景。

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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

在地面应用方面,由中小型航空发动机改型的轻型燃气轮机可应用于坦克、舰艇、移动电站、天然气和石油管线泵站。

  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。

在经济方面,在航空燃气涡轮发动机市场上,中小型发动机所占的份额很大。近年来,在世界市场上,中小型航空发动机在生产台数中占的份额接近90%,在销售额的份额中接近60%。

  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。

表1和表2分别示出中小型发动机的用途和市场份额。

  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。

表1 中小型航空发动机的目前应用范围

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涡喷/涡扇 涡桨/活塞 涡轴/活塞
军用 中高级教练机

轻型攻击机

轻型运输机

预警机

巡航导弹

大型高速无人机

初级教练机

轻型运输机

轻型攻击机

轻型低速无人机

各种直升机

辅助动力装置

民用 支线客机

公务机

大型高速无人机

农林机

公务机

轻型运输机

通用飞机

轻型低速无人机

各种直升机

辅助动力装置

  星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

  MQ-9“收割者”

表2 2004~2013年世界航空燃气涡轮发动机市场预测

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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。

台数

  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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台数份额

  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

销售额

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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。

销售额份额

  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。

小发动机和辅助动力装置

  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。

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  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。

涡轴发动机

  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。

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  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

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