采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子,  螺旋桨可由涡桨发动机或者活塞式发动机驱动

  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。

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。
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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。

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  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。

  先进螺旋桨的前进方向

  四代涡轴典型结构(图片来源于透博梅卡官网)

  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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  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。

  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。

  ATP的首个用户:塞斯纳“德纳利”

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  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。

  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。

  PT6发动机的3D模型

  2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

  AC313直升机

  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。

  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。

  世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

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  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。

  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。

  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。

  涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  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。

  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。

  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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  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。

  装备有两台涡轴-10的直-20四代直升机(图片来源于百度)

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