某涡轴发动机改涡桨发动机的性能分析

黄庆 钟榈

摘 要：涡桨飞机通常比直升机飞得更高更快，所以涡轴发动机改涡桨时飞行包线一般会拓宽。为适应飞行包线的变化，需进行性能调整。本文简要介绍了RTM322-01涡轴发动机改成涡桨发动机的过程中性能参数调整情况。根据RTM322-01涡轴发动机的公开数据，并借鉴工程经验做出简化，建立了该发动机的Gasturb模型。在此基础上，从发动机性能角度定量分析了“轴改桨”的主要影响因素和参数变化特点。发现尾喷管出口面积和燃气涡轮导叶流通能力是“轴改桨”时最重要的影响因素，通过研究这些因素的影响程度和约束条件，可为其它“轴改桨”发动机研制提供借鉴。

关键词：涡轴改涡桨 性能分析

Abstract：Turboprop aircraft generally fly higher and faster than helicopters. So the flight envelope of turboshaft engine is generally widened when it is changed into turboprop engine. In oder to adapt to the changes in flight envelope， performance adjustments are needed. This paper briefly introduces the adjustments of performance parameters in the process of transfering RTM322-01 turboshaft into RTM322-06 turboprop. According to the published data of RTM322-01 turboshaft engine and our engineering experience， a simplified Gasturb model is established. On this basis， this paper quantitatively analyses the main influencing factors and the characteristics of parameters variation in “turboshaft  to turboprop” process. It is found that the exhaust area and the HPT capacity are the most important factors affecting the “turboshaft  to turboprop” of RTM322-01. By studying the influence and restriction condition of these factors， this paper can provide reference for the development of other “turboshaft  to turboprop” engine.

Key words：turboshaft  to turboprop;performance analysis

涡桨发动机的研制途径通常有全新设计、改进改型、核心机派生发展[1][2]和涡轴改涡桨[3]等方式。涡桨发动机与涡轴发动机技术特点相似，基于成熟的涡轴发动机进行“轴改桨”是涡桨发动机研制的一种典型的模式，可缩短研制周期、减少研制成本和降低风险。国外已有多种典型“轴改桨”案例，如T700涡轴改CT7-5/-7涡桨、PD-600涡轴改TBД-1500Б涡桨和RTM322-01涡轴改RTM322-06涡桨[4][5]等。

RTM322-01发动机是罗.罗公司和透博梅卡公司合作研制的2000hp级自由涡轮式单转子涡轴发动机，目的是与美国通用电气的T700系列和普？惠加拿大公司的PW100竞争。RTM322-06发动机是在RTM322-01系列涡轴发动机的基础上改型的一款涡桨发动机，拟配装民用ATR42飞机，取代ATR42飞机原装的PW120发动机。RTM322-01涡轴改RTM322-06涡桨（下文简称“轴改桨）”最基本的原则是设计简单化，同时成本最低化。第二个原则是能够易于替换PW120，降低飞机换发的工作量。

本文从RTM322-01涡轴和RTM322-06涡桨发动机的使用差异性出发，梳理其主要性能影响因素，建立较准确的Gasturb模型，对主要性能影响因素进行定量分析，可为将来其它轴改桨发动机研制提供一定的技术参考。

1 两型发动机主要差异

1.1 使用要求的差

两型发动机的姿态包线相同，温度包线相同，起动包线也相同。差异主要在飞行包线的不同，涡桨型发动机工作包线的升限和速度边界比涡轴型发动机大幅扩展，即升限从涡轴的6000m提高到9000m，最大马赫数从涡轴的0.4扩展到0.7，见图1。

1.2 涡轴改涡桨的变化

RTM322-01涡轴改RTM322-06涡桨时结构布局方面需要重新设计的有：减速器、进气装置、附件传动装置、以及适应飞机需求的其它更改，如安装接口、滑油系统、空气系统（座舱引气）等。控制系统的调节规律也有变化，载荷方面则增加了螺旋桨的载荷。

性能方面，做了以下调整：一、尾喷管面积减少55%;二、燃气涡轮流通能力增加6%。下文对此进行详细分析，以得出借鉴和启示。

2 性能模型的建立与校核

参考已知文献资料[4][5]，同时借鉴涡桨九“轴改桨”研制经验[6]，用Gasturb匹配出RTM322-01涡轴的计算模型。其中，利用工程经验确定空气系统的冷气量和各腔室的冷气和封严比例，以及过渡段损失等参数。匹配出的RTM322-01涡轴起飞状态（设计点）的性能參数与文献公布数据比较见表1，计算结果与文献[4]大部分数据吻合，参数偏差±3%以内，有较好的参考价值。

3 性能参数调整分析

3.1尾喷管出口面积对主要参数的影响

3.1.1排气通畅度

这里定义系数k=（V8-V0）/V0，即排气速度与进气速度之差（V8-V0）的无量纲化，当该系数k小于0时，意味着产生了负推力。

RTM322-01“轴改桨”时，速度包线由0.4拓宽至0.7，图3展示了排气通畅度与尾喷管出口面积减小幅度的关系。根据伯努利气动原理，尾喷管出口面积缩小可增大排气速度。随着马赫数增大，V0增加，必须减少出口面积使V8增大，才能使系数k大于0。

从图2可知在进气马赫数Ma=0.7时，喷管出口面积需减少55%以上才能保证不出现负推力。

3.1.2功率

同燃气涡轮转速条件下，减小尾喷管出口面积，将使排气速度增加，尾气的能量增加，而使输出轴功率下降。图3的计算结果与此相符。

从图 3可知ISA，H=0，M=0条件下，尾喷管出口面积减少量不应该超过60%，减少更多则会功率不达标（功率指标1491kW）。

3.1.3耗油率

该发动机“轴改桨”时，强调耗油率优势。在上述初选的尾喷管出口面积减小幅值55%～60%范围，尾喷管面积越小，尾气带走能量越多，使耗油率越高。为保证足够小的耗油率，尾喷管出口面積不能过小，所以优先取接近55%。

3.2燃气涡轮导叶流通能力对主要参数的影响

3.2.1功率

同样燃气涡轮转速条件下，“轴改桨”后燃气涡轮导叶流通能力增加，空气流量增加，做功能力增加，因此输出功率增加。从图5可知，可通过增加燃气涡轮导叶流通能力来补偿喷管减小导致的功率损失，燃气涡轮导叶流通能力增加6%，功率可提高3%。

3.2.2耗油率

燃气涡轮导叶流通能力增加，使共同工作点向流量增加压比减小的方向移动，这样导致了一定程度的压气机和涡轮效率下降，因此将使耗油率升高。

3.2.3涡轮间温度Tt45

燃气涡轮导叶流通能力增加使得部件效率下降，与此同时功率却增加，则只能靠增加燃油流量升高燃气温度。燃气涡轮导叶流通能力、马赫数对Tt45的影响计算结果如图7，符合燃气涡轮导叶流通能力增加，将使Tt45温度升高的规律。

图中可见流通能力增加6%，将使Tt45温度升高30℃左右，增加10%时温度升高60℃左右。资料显示，RTM322-01发动机涡轮前温度裕度约为70℃，那么考虑寿命期性能衰退35℃，那么轴改桨时Tt45温度升幅不应超过35℃，说明燃气涡轮流通能力增加6%基本已经是极限。

4 结论

RTM322-01涡轴改涡桨发动机时，性能方面主要调整尾喷管面积和燃气涡轮流通能力。这两个主要参数调整造成的影响主要有：

1）为了适应速度包线从M=0.4拓展到M=0.7，必须调小尾喷管面积不少于55%，以避免产生负推力。

2）尾喷管面积减少会使功率下降，其减少量不能超过60%，以保证起飞功率2000hp。尾喷管面积减小不利于降低耗油率，尾喷管面积应尽可能大，因此取减少55%较合适。

3）燃气涡轮流通能力增加却会使得Tt45温度升高，流通能力增加6%，将使Tt45温度升高30℃、温度裕度不足，因此取6%左右是合适的。

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.

[3] 凌天铎.一次成功的“轴改桨”实践[J].南华动力，1998，2.

[4] Mark Daly. Janes Aero-Engines [M].  Issue 25，UK，Jane's information group limited house，2009.

[5] 高杨.RTM322发动机的设计特点和启示[J].南华动力，2014，3.

[6] 顾永根等.涡桨九发动机的研制[J].航空科学技术，1998，2.

作者简介：

黄庆（1984.11-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：航空发动机总体性能设计.