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第五代涡轴发动机详细设计方案揭晓
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信息发布:征集码头网    点击次数:8580    更新时间:2019-05-15   
涡轴发动机是航空燃气涡轮发动机的一种重要类型,它主要用于驱动直升机旋翼产生升力和推力。由于其用途广泛,不仅可作为直升机的主动力装置,还适合于中低空、低速短距/垂直起降无人机和倾转旋翼无人机动力。
法国是最先研制出涡轴发动机的国家,20世纪50年代初,法国透博梅卡公司研制出世界上第一台实用化的直升机用涡轴发动机,虽然功率只有区区的206千瓦,但其性能与原来直升机装备的活塞发动机相比有了质的飞跃,其功重比(涡轴发动机最大功率和整机重量的比值,类似于涡扇发动机的推重比)足足提高了一倍。
随后世界各航空强国均开始大力发展涡轴发动机技术并广泛应用在军民用直升机上,透博梅卡公司更是成为世界领先的直升机发动机制造商,其研制生产的涡轴发动机性能与美、俄两大航空强国不相上下。
我国仿制生产的第一代直升机直5由于原仿制型号采用的是活塞发动机,导致我国直升机发动机水平在20世纪80年代以前远远落后于世界先进水平,其自行研制的第一代涡轴发动机产品涡轴5由于装备对象的下马(类似俄制米-8双发直升机的国产直-6直升机,但采用单发动力)而最终未能装备部队。
进入20世纪80年代后,为了迅速改变我国直升机工业的落后局面,在引进法国6、70年代研制生产的“海豚”轻型直升机和“超黄蜂”大型直升机的同时,还同时引进了与其配套的第二代涡轴发动机阿赫耶1-C(最大功率656kW)和透默III(最大功率1200千瓦),并将其命名为涡轴-8和涡轴-6,发动机功重比提高到3到4左右,是我国现役9、8直升机的国产动力,其最新的发动机改型还装备在直-19武装直升机,直-18预警机等国产直升机型号上,为我军的装备现代化做出了应有的贡献。
第三代涡轴发动机主要诞生于20世纪80年代以后,其功重比提高到4到5左右,油耗在0.3千克/千瓦时上下,是现在西方发达国家的主流涡轴发动机,后期一些型号还开始使用FADEC(全权限数字式发动机控制)技术,其中又以美国通用电气公司(GE)研制的T-700涡轴发动机最为典型。该发动机是美军著名的UH-60“黑鹰”通用直升机和AH-64“阿帕奇”重型武装直升机的主动力,其优异的性能已多次得到实战的考验。我国在20世纪80年代引进的“黑鹰”直升机也深受我陆军航空兵的喜爱,在引进米-17高原型直升机和自行研制出直-8高原型直升机之前,“黑鹰”直升机是唯一能够在西南高原的“世界屋脊”上进行有效作战飞行的直升机机种,700发动机可谓是“功不可没”。
我国也在20世纪80年代初开展了第三代涡轴发动机:涡轴-9“玉龙”的初步研究。据公开资料披露,由于“玉龙”发动机是我国直-10中型武装直升机的配套动力,从一开始就有极强的军事背景,因此当国际形势发生巨变后西方国家立刻拒绝向我国提供任何技术帮助,该发动机研制是在无参考样机、无技术储备的情况下进行的, 几乎是白手起家、从头做起。
面对基础薄弱、条件不足带来的人才缺乏、经验缺乏、我国的涡轴发动机研制部门突破了一系列关键技术和技术难题, 打破了国外严密的技术封锁, 自主自立走完了预先研究、技术攻关、燃气发生器研制、验证机研制、工程研制全过程, 在我国闯出了一条独立自主研发先进涡轴发动机的道路。

涡轴-9采用了一系列当时的先进技术:如国产第一代DD-3型涡轮单晶叶片,第一代FGH-95高温粉末合金高压涡轮盘,最先应用FADEC(全权限数字式发动机控制)技术等,其技术水平不亚于同时期研制的涡扇-10“太行“发动机。更为可喜的是,涡轴-9“玉龙”的可靠性特别突出,获得部队飞行员和地勤维护人员的一致好评。随着涡轴-9“玉龙”航空发动机的大批装备部队,西方国家也不得不重新考虑与我国开展相关技术合作。例如:

法国的透博梅卡公司就与国内某涡轴发动机研发和生产厂所在对等合作的基础上共同研制了第四代涡轴发动机产品:起飞功率为1243千瓦的涡轴-16发动机(法方称之为阿蒂丹-3C),其功重比已达到6一级,可满足国内8至10吨级双发民用直升机的需要。2016年12 月,涡轴-16发动机首装直-15直升机在哈尔滨成功实现首飞,标志着研制工作取得重大进展。

目前,正在开展相关适航取证工作,并已完成大部分适航取证试验和适航文件编制,预计2019年取得中国民用航空局颁发的发动机型号合格证。另据非官方资料披露,由于涡轴-16发动机的热端部件主要由法方研制,为了避免在第四代涡轴发动机关键技术上受制于人,我国还独自研制了另一款更大功率的涡轴-10发动机,在发动机热端应用了我国自行研制生产的第二代单晶涡轮叶片技术,第二代粉末高温合金涡轮盘,发动机健康管理系统等,它将作为我国正在大批生产的10吨级直20通用直升机,部队急需的直-18宽体改型大型直升机,未来的重型武装直升机的主动力,极大地提升我陆军航空兵部队体系作战和执行多样化军事任务的能力。
更让人欣喜的是,我国某著名航空发动机专家、某空军研究院院士首次撰文披露,在国家有关部门的高度重视下,我国已初步完成了第五代涡轴发动机详细设计方案,实现了对国际最先进水平的赶超。公开资料披露,该设计方案大量采用了我国近年来最新突破的航空发动机关键技术,例如采用了同日本最先进的XF9-1涡扇发动机一样的国产陶瓷基复合材料部件,但其应用范围比XF9-1更大,使得涡轴发动机的燃烧室和涡轮部件质量大幅度减轻,发动机的功重比与第四代涡轴发动机相比解接近翻了一倍,达到10一级,但涡前温度却比XF9-1低的多。
虽然涡轴发动机的难度要稍低于同等技术档次的涡扇发动机,但也从另一个方面说明其设计思路要比日本XF9-1先进的多,提高功重比(推重比)不一定要靠大幅提高涡前温度这种“简单粗暴”的方法取得,需要充分考虑各个设计参数之间复杂的耦合关系并进行有效折衷,才能取得更好的效果。
文章来源:高科技前沿观察

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