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认识直升机划代标准:各代发动机构型如何变化?

2018-06-21 11:04 来源:科普中国-军事科技前沿 

  出品:科普中国军事科技前沿

  作者:程笑颜工作室

  监制:光明网科普事业部

  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。

  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。

认识直升机划代标准:各代发动机构型如何变化?

世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

  首先是发动机。

  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。

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星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

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中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

  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。

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涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  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。

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单转子核心机示意图

  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。

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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)

  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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装备涡轴-9发动机的中国第三代直升机直10(图片来源于百度图片)

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  涡轴-9是中国株洲动力研究所研制的三代涡轴

  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。

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四代涡轴典型结构(图片来源于透博梅卡官网)

  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。

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中欧合作的直-15直升机,装备两台涡轴-16四代涡轴。

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2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

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装备有两台涡轴-10的直-20四代直升机(图片来源于百度)

  目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的翘楚。

    梳理完直升机发动机的四代构型,后续我们将重点讲一讲直升机划代的另一大指标——桨毂,请继续关注科普中国军事科技前沿。

[责任编辑:赵清建]

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