【航空发动机】涡轮轴发动机的构造

在50年代以前,直升机以活塞式发动机为动力,1953年美国来科明公司研制出世界上第一种可用于直升机的涡轮发动机——T53涡轴发动机。随着涡轮喷气发动机用于军民用飞机,美国贝尔公司将T53发动机装在UH-1直升机上,这使装涡轮发动机的直升机进入航空技术领域,而且美国陆军验证了涡轴发动机的使用要优于活塞发动机。自那以后,涡轴发动机逐步得到广泛应用。估计到90年代末,美国陆军将单独采购总计9016架

涡轴发动机是直升机的主要动力装置。20世纪90年代以来，涡轴发动机市场处于萧条之中，没有全新的产品问世。但为满足直升机发展对动力装置的需求，透博梅卡、罗-罗、普惠加拿大和GE等公司纷纷将目光瞄准涡轴发动机的改型。
涡轴发动机不仅要满足有关环保与安全方面的要求，其制造商还要承受不断增长的保险与赔偿责任的压力。在全球经济不景气大环境下，这些因素导致民用涡轴发动机销售和售后服务业务不断下降。

虽然通过采用高新技术可以满足环保要求和解决安全问题，但市场的经济状况不可能提供更多的经费，这些都将使民用涡轴发动机的未来市场处于非常平淡的状况。

与民用涡轴发动机相比，军用涡轴发动机市场要好一些。由于老龄军用直升机机队更新和换发计划，使军用涡轴发动机制造商获得了一些订单。

尽管整个涡轴发动市场处于淡季，但为满足未来直升机动力市场需求，发动机制造商还是在考虑研制新的涡轴发动机或在改进现有的涡轴发动机。其发展目标是改进性能、降低维修费用和燃油消耗。

法国透博梅卡公司专门从事设计、研制和生产小型涡轮发动机，该公司能提供用途广泛的涡轴发动机，并且打算研制新的涡轴发动机。为了使产品系列涵盖功率373～2240千瓦的涡轴发动机，该公司提出，如果发动机寿命期为30年，平均每5年就需推出一种新的发动机，这意味着至少需要6个发动机系列。该公司认为，应不断研究涡轴发动机的气动、燃烧、材料、系统、工艺和一体化等方面的技术，以便时机一到，便能及时推出所需的新发动机。透博梅卡公司正在对现有涡轴发动机改进改型。
该公司新近推出的一种是阿赫尤系列的改型----阿赫耶2K2，这种发动机的特点是高压涡轮采用了新的材料和改进了压气机的气动力。该发动机与普惠加拿大公司的PW206竞争装阿古斯塔公司的A109直升机。
阿赫耶的第二种新改型是阿赫耶2B2，它是2B1的功率增大型，是与普惠加拿大公司在欧洲直升机公司的EC135开展竞争的发动机，现已取得了欧洲的适航合格证。2B2可使EC135的起飞重量提高到2835千克，其翻修寿命也从3000小时增加到3500小时。欧洲直升机公司已交付了首架装2B2的EC135给一家专门从事医疗急救的公司。
阿赫尤的第三种改型阿赫尤2G也在研制中，该改进型发动机即将取得适航合格证。更大功率的阿赫尤3系列也在研制中，这种新发动机将用于EC135和A109的未来发展型。这种新发动机的起飞功率将增加到600千瓦，并具有20%的发展潜力。阿赫尤3的单级压气机采用了改进的气动力，其验证机已进行了台架试验，压气机压比达到了12，而现有发动机的只为8.5。
透博梅卡公司在阿赫耶系列发动机中新的改型包括阿赫耶2C2和阿赫耶2S2。阿赫耶2C2比功率为780千瓦的阿赫耶2C1高6%。其主要改进是在轴流式压气机和在高压涡轮上采用了新材料。最初计划该发动机用于欧洲直升机公司的EC155，后来该发动机在单发直升机上也得到了应用（如EC130和“松鼠”），及双发直升机（如EC145和S-76）。2C2的军方应用是美国海岸警卫队“海豚”机队的换发计划。目前有94架“海豚”直升机装霍尼维尔公司的发动机。在2C1装“海豚”进行了首飞后，美国海岸警卫队预计将进行装2C2的“海豚”的飞行试验。阿赫耶2S2将装未来的由西科斯基公司研制的S-76直升机，S-76将在明年上半年取得适航合格证。由于该发动机装有全权限数字式控制系统，所以，其功率将比它的前任阿赫耶2S1提高6%。透博梅卡公司还在为阿赫耶2寻求其他应用，包括中国生产的直9和直11。
TM333是透博梅卡公司正为印度斯坦航空公司的先进轻型直升机生产的涡轴发动机。印度斯坦航空公司订购了82台TM333，估计在今后10年里总计需要400台。
马基拉2A发动机是透博梅卡公司为欧直公司的EC725研制的，并交付了生产型发动机。这种发动机的特点是采用新的压气机和新的2级低压涡轮以及高压涡轮采用新材料。马基拉2A的功率为1800千瓦，比它的基准型的功率增加14%。该发动机虽已取得适航合格证，但比原计划晚了6个月，因为为提高发动机的喘振裕度而重新设计了第三级压气机。
透博梅卡公司在1.2～1.5吨重的轻型直升机用发动机方面还是空白，这种直升机现大都采用活塞式发动机。透博梅卡公司打算为这种轻型直升机研制400千瓦的涡轴发动机，但必须具有经济意义。

罗-罗公司近几年每年平均生产250～300台军民用涡轴发动机。由于EH-101、NH90和英国的“阿帕奇”直升机使用的RTM322和用于RAH-66的T800发动机的交付，在今后几年里，该公司涡轴发动机的销售将达到一个较高的水平。M250涡轴发动机是美国艾利逊公司（现属于罗-罗公司）在30多年前研制的，这种发动机现仍广泛用在世界各地直升机上，如贝尔206/407、MD520N、MD600和卡莫夫226等。M250也被选作原来装活塞式发动机的直升机换发。
到目前为止，罗-罗公司已生产2500多台M250-C30系列涡轴发动机，使用超过1100万小时。M250四型发动机已装在贝尔 407、贝尔 430以及MD600N直升机上。在军用方面，M250装诺斯罗普-格鲁门公司的RQ-8A火警侦察旋翼无人机。目前罗-罗公司还在实施一项改进计划，即在美国陆军的OH-58D直升机的M250-C30R/3发动机上安装全权限数字式控制系统。尽管M250系列涡轴发动机在军民用直升机上有如此好的市场，但罗-罗公司认为仍需要研制M250的后继机才能满足未来的需求。据报道，研制工作的时间表已排在2005年。这种新的M250发动机的功率为750～1250千瓦，主要改进包括：简化结构、减少维修费用和采用新的结构件。
新发动机总的布局也与现有发动机大大不同。其核心机可发展成不同的发动机，包括涡扇发动机和涡桨发动机。

此外，罗-罗公司还为V-22研制了A1107C发动机，这种发动机也用作波音CH-47和西科斯基公司CH-53换发。A1107C的功率4586千瓦，是罗-罗公司涡轴发动机系列中功率最大的，现已交付了100多台, 罗-罗公司最近决定将向美国再提供22台A1107C发动机。
普惠加拿大公司声称，未来5年他们的涡轴发动机仍将保持在全球最好的销售势头，该公司对未来充满信心。据该公司预测，他们在2002～2007年生产的涡轴发动机将增加60%，这主要是销售更大功率的PT6涡轴发动机。其主要应用包括改进的贝尔公司的UH-1“休伊”直升机，阿古斯塔-贝尔公司的AB139和贝尔-阿古斯塔公司的BA 609。
普惠加拿大公司估计他们在民用涡轴发动机市场份额占30%，而且公司称，他们在双发直升机动力市场的份额占了70%，阿古斯塔公司的A109直升机有90%采用了他们的发动机。为了保持现有市场位置，普惠加拿大公司希望通过单发和中程双发直升机的动力进一步扩大民用涡轴发动机市场份额。该公司没有600～900千瓦功率的涡轴发动机，他们希望用PW209发动机来改变这种状况。这种新发动机的早期功率为670～750千瓦，已处于研制阶段。PW207发动机也可以提供一个发展空间，该发动机的功率为600千瓦。
普惠加拿大公司还希望增加新发动机在军用直升机上的份额。其主要军用计划是装PT6D-3D的阿古斯塔贝尔AB412。其他的发展是M-38双发计划，公司已交付了PW127T/S发动机，这种发动机的功率为3000千瓦，是装ATR系列支线飞机的PW127涡桨发动机的改型。

CT7/T700是GE公司在上世纪70年代研制的涡桨/涡轴发动机，是一种使用较为广泛的发动机，特别是T700涡轴发动机，通过改进改型，现仍在军用直升机上得到大量使用。近30年来，GE没有再实施新的涡桨/涡轴发动机计划，只是不断改进CT7/T700。在军用方面，GE与意大利菲亚特公司合作在CT7/T00基础上研制了T700/T6E1发动机，已取得适航合格证，是CT7/T700的最新改型。2台T700/T6E1发动机装在由意大利生产的首架NH90直升机上成功完成首飞，在该直升机的飞行包线内在30分钟的飞行中发动机状况良好。该发动机的功率为1864千瓦，其主要特点是采用了先进的增加了空气流量的压气机和双通道全权限数字式控制系统。意大利菲亚特公司负责意大利NH90计划的发动机组装和试验。
意国防部为其陆军订购了60架装T700/T6E1的NH90，还为海军订购了56架，此外，还意向订购了160台发动机，直升机的交付将在2005年晚些时候开始。CT7/T700的其他改型还有：用于西科斯基公司S-92的CT7-8首批生型发动机已出厂；用于美国海军陆战队的UH-1N换发的T700-401C已完成试飞；用于美国陆军UH-60A/-60L改进计划的T700-701D发动机也完成了试飞。
罗-罗/透博梅卡公司于上世纪80年代开始合作为军用直升机研制RTM322发动机，由于市场问题，该发动机一直未得到大量订单。到2000年以后，市场有了转机，进一步的研制工作恢复。2004年7月， RTM322-01/9发动机获得欧洲航空安全局（EASA）颁发的民用型号适航合格证。严格的民用取证项目包括150小时的型号试验和相当于超过3000小时工作时间的加速任务试验。这些试验表明该发动机在满载运行条件下，能够满足最为严格的民用安全和性能要求，因而也能满足未来的民用和军用需求。作为民用取证项目的一部分，这种新型发动机还在功率2312千瓦以上进行了连续运转。RTM322-01/9采用全权数字电子控制系统（FADEC），具有操作简单和FADEC的故障诊断特点，结合在皇家海军和皇家空军服役的已经验证的可靠性和维修能力，提高了RTM322作为EH101最佳发动机的声誉。RTM322-01/9采用新的压气机和改进了高低压涡轮以增加空气流量，功率比早期的增加了15%。
目前，它的起飞功率为1787千瓦，罗-罗公司指出，2237千瓦的RTM322也在研究中。至今已有90%的NH90客户选择了RTM322，包括德国、法国、荷兰、葡萄牙、芬兰、瑞典和挪威的NH-90机队。首批NH90将于今年早些时候交付客户，为满足广大NH90客户的需求， -01/9发动机生产线已经在法国、德国、芬兰和挪威等地组建。75%的EH101直升机订购客户也选择了RTM322系列发动机。
RTM322被日本防卫厅选中，作为14架EH101的发动机。RTM322能够成功地应用于NH90、EH101和AH-64D，其重要原因是它集可靠性、大功率和发展潜力于一身。目前，约有1100台RTM322已被订购用于NH90、“阿帕奇”AH Mk1和EH101直升机。RTM322还被选中作为其他飞机的发动机，其中包括美国陆军特种作战司令部采用的MH-60“黑鹰”直升机机队。
罗-罗公司还参加了几种军用发动机的国际合作研制计划，如与透博梅卡和MTU公司合作研制MTR390、与霍尼维尔公司合作研制T800发动机。MTR390是为“虎”战斗直升机研制的发动机，首批生产型发动机现还在进行飞行试验。法国、德国和澳大利亚订购了“虎”直升机，西班牙也可能订购这种直升机。西班牙的订购标志着要启动更大功率型的MTR395发动机。
罗-罗公司也在考虑该发动机用于民用直升机。T800已选用于RAH-66“卡曼奇”、“超山猫”和阿古斯塔A129。罗-罗公司还在为“卡曼奇”考虑研制一种T800的改进型。
此外，其他国际合作研制的涡轴发动机还有透博梅卡公司与印度斯坦航空公司研制和生产的阿蒂丹。印度将需要约300台阿蒂丹用于先进轻型直升机的未来改型。阿蒂丹发动机的研制工作是2001年开始的，预计将在今年开始台架试验，同年末首飞。该发动机的其他应用有EC155和AB139的发展型。阿蒂丹采用2级离心压气机、1级高压涡轮和2级低压涡轮，并采用双通道全权限数字式控制系统，它功率为895千瓦。