涡轴改涡桨发动机总体影响因素与特点研究

蔡乾杰

涡桨发动机的研制途径主要有全新设计、改进改型、核心机派生发展三种[1][2]。其中，基于成熟的涡轴发动机进行“轴改桨”是研制涡桨发动机一种典型模式，充分利用涡轴发动机的核心机和功率输出段，可使研制工作量和风险大为减少。国外已有多型成熟“轴改桨”型号，如RTM322-06涡桨（RTM322-01涡轴改）、CT7涡桨（T700涡轴改）等；而国内仅有一型“轴改桨”发动机，即WJ9（WZ8A改），设计经验较缺乏。

本文梳理了以输出轴功率为共同特征的涡轴和涡桨发动机的主要差别，结合三型典型“轴改桨”发动机，开展了“轴改桨”发动机的总体影响因素与特性分析，可为国内“轴改桨”发动机的研制提供技术参考。

1 涡轴和涡桨发动机的总体技术差异

了解涡轴和涡桨发动机之间的主要差别，是开展“轴改桨”研制的技术基础和必要前提。涡轴和涡桨发动机的总体技术差异主要是螺旋桨的引入、飞机安装布局差异和飞机使用特性变化造成的。比如，螺旋桨的引入会造成体内减速器、输出轴转速、承力系统、调节规律和操纵系统、整机重量、载荷等方面的差异；飞机安装布局则会造成进排气装置、功率输出形式、安装方式等方面的差异；飞机使用特性不同也使得两类发动机的设计点、工作包线、工作状态、喘振裕度、寿命等方面存在差异，如表1所示。

2 “轴改桨”总体影响因素分析

根据上述涡轴和涡桨发动机的技术差异，结合三型典型“轴改桨”发动机（RTM322-01涡轴改RTM322-06涡桨、T700涡轴改CT7涡桨、WZ8A改WJ9）实例对比，从总体性能和总体结构两方面对“轴改桨”发动机的总体影响因素进行分析。

2.1总体性能

“轴改桨”总体性能影响因素主要有排气喷口面积、燃气涡轮流通能力、自由涡轮转速等。为揭示各影响因素对总体性能的影响规律，本文以RTM322-06发动机为例，反设计建立Gasturb模型，通过性能仿真计算，定量分析了总体性能参数与各影响因素的变化关系（见表2），主要如下：

（1）排气喷口面积（图1）

a.排气喷口面积减小，可使排气速度与进气速度之差（V8-V0）明显提高；当喷口面积减小到一定程度时，V8才大于V0，保证排气畅通。

b.排气喷口面积减小，功率（Pw）会下降，但有利于降低耗油率；最优的喷口面积取决于功率裕度和耗油率裕度的要求。

c.喘振裕度（SM）、自由涡轮前温度（Tt45）对排气喷口面积不敏感；当喷口面积减小时，SM略有降低，Tt45略有升高。

（2）燃气涡轮流通能力（图2～图4）

a.燃气涡轮流通能力增加，可使排气速度与进气速度之差（V8-V0）提高，有利于排气，但影响有限，单纯靠调整燃气涡轮导叶流通能力，不足以解决排气不畅的问题。

b.燃气涡轮流通能力增加，功率（Pw）會升高，有利于补偿喷管面积减小导致的功率下降；但不利于降低耗油率，出于经济性考虑，燃气涡轮导叶流通能力不能过大。

c.增加燃气涡轮流通能力，会使喘振裕度增加，有利于抵消排气喷口面积减小带来的喘振裕度下降，也有利于提升高空的喘振裕度；从这方面来说，“轴改桨”时，增加燃气涡轮导叶流通能力是必要的。

d.燃气涡轮流通能力增加，会使得自由涡轮前温度（Tt45）升高；当燃气涡轮流通能力增加到一定程度时，温度增幅可能会接近Tt45温度限制值，故燃气涡轮导叶流通能力不能过大。

（3）自由涡轮转速

自由涡轮转速提高，会使自由涡轮工作点偏离设计状态，导致自由涡轮膨胀比微微下降，功率略有增加，耗油率下降，Tt45小幅下降，对整机性能的影响十分有限；虽然有助于弥补尾喷管面积减少造成的功率损失，但同时提高转速也可能影响自由涡轮的寿命。

2.2总体结构

“轴改桨”发动机总体结构与新引入的螺旋桨直接相关，总体结构影响因素主要有功率输出方式、减速器构型、螺旋桨载荷等。通过对三型典型“轴改桨”发动机（RTM322-06、CT7、WJ9）的总体结构进行对比[3]，分析了各影响因素对总体结构的影响特点。

（1）功率输出方式对总体结构的影响

功率输出方式有前输出和后输出两种，定轴式涡桨的功率输出方式通常为前输出，这样便于输出轴的结构安排，如WJ6、TPE331发动机；而自由涡轮式涡桨发动机，功率输出方式有前输出（如RTM322-06、PW100），也有后输出（如PT6A、WJ9）。不同的功率输出方式对转子支承布局、承传力系统、进排气形式、润滑系统、外廓尺寸等均有较大影响；从某种程度来说，功率输出方式直接影响着“轴改桨”发动机的总体布局，如表3所示。

（2）减速器构型对总体结构的影响

减速器构型按输入轴和输出轴的相对位置可分为同轴式和偏置式减速器，其中同轴式可分为同轴前置（如RTM322-06）和同轴后置（如PT6A），偏置式可分为减速器独立于发动机本体之外的独立偏置式（如CT7）和减速器与附件传动集成

的偏置式（如TPE331）。虽然减速器构型主要取决于功率输出方式，但不同的减速器构型对发动机的总体结构影响很大，而且在设计时往往需要综合考虑减速器构型对发动机进排气形式、安装形式、附件布局、功率分出、发动机外廓尺寸、桨叶尺寸和螺旋桨调节机构等的影响，见表4。

（3）螺旋桨载荷对总体结构的影响

由螺旋桨产生的螺旋桨载荷（拉力载荷、扭矩载荷、1P载荷和陀螺载荷等）是涡桨发动机主要的外部载荷，这些载荷直接作用于桨轴，并通过各承力框架传递给安装节；因此，螺旋桨载荷对“轴改桨”发动机的桨轴、承力机匣和安装节强度、轴承、安装减振结构等有较大影响。

3 结论

在实际“轴改桨”发动机设计时，上述各影响因素之间相互关联、相互影响、盘根错节，关系十分复杂。通常来说，总体性能应重点考虑尾喷管喷口面积和燃气涡轮流通能力的影响；总体结构则要综合考虑飞机、螺旋桨的安装与使用等一系列要求以及原准机本身的结构情况，并结合本文中述及的一般原则，经多方比较评估后方可确定。

虽然“轴改桨”较“全新设计”多了不少已知条件，但如何使新设计与原准机的沿用部分在满足其他各种附加的约束条件下融为一体是“轴改桨”发动机总体设计中最主要和最困难的工作。

参考文献

[1] 尹泽勇等. 涡轴（涡桨）/ 涡扇（涡喷）发动机通用核心机技术[J]. 航空动力学报，2008，第23 卷第11 期.

[2] Norman F. Egbett and Theodore F. Common Core Development Approach for Allison T406/AE Family of Turboshaft，Turboprop，and Turbofan Engines [J]. AlAA 94-2829.

（作者单位：中国航发湖南动力机械研究所）