| 标题 | 高速直升机变转速动力涡轮发展及气动设计特点 |
| 范文 | 吴小芳 刘长青 熊清勇 摘 要：本文主要介绍了高速直升机变转速涡轮发展情况及气动设计特点，与常规恒定转速动力涡轮气动设计相比，设计点转速和级数选择、一维设计和匹配优化、宽广攻角适应性高负荷叶型设计、流量调节技术是变转速动力涡轮气动设计的关键。 关键词：变转速;动力涡轮;气动设计 中图分类号：V231 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0102-02 0概述 高速直升机等新的作战平台为未来作战方式提供了新的选择，随之而来的是其对动力装置技术的新需求。当前，常规涡轴/涡浆发动机动力涡轮，只能在很窄工况范围内保证其气动效率，而高速直升机的任务特征对涡轴发动机动力涡轮的性能和工况范围都提出了更高的要求，需要动力涡轮长时间工作于多个差别较大的转速工况，这与现有常规恒定转速动力涡轮有本质区别，对动力涡轮设计提出了新的挑战。变转速动力涡轮具有多状态多转速适应性的特点，可避免变转速传动系统及其换挡机构的复杂性和重量增加，成为高速直升机动力发展重点。本文详细介绍了变转速动力涡轮国内外发展现状及其气动设计特点。 1 变转速动力涡轮国内外发展现状 1.1变转速动力涡轮国外发展现状 美国自20世纪90年代就开始了变转速动力涡轮研究，目前在军用和民用领域都已有较为系统的研究工作。在民用领域，NASA早在20世纪90年代先后在VAATE（多用途经济可承受性涡轮发展计划）和SRW（亚声速旋翼机计划）等围绕变转速动力涡轮设计技术开展持续的研究，并在随后的倾转旋翼机项目中专门部署了变转速动力涡轮的研究计划。在军用方面，美国空军和海军陆战队“鱼鹰”的AE1107C发动机已经采用了2级变转速的动力涡轮，但该动力涡轮的转速调节范围比较小，只能实现在81%和100%两个转速高效工作，无法满足更大范围工况的需求。因此美国军方和NASA于2012年联合启动了AVSPT（先进变转速动力涡轮计划），为高速旋翼机等飞行器发动机提供能够提升性能、效率和经济可承受性的动力涡轮技术，并使这些技术在2016年进入试验阶段，达到技术成熟度4级，最终实现动力涡轮可调转速范围达到55%～105%。NASA和美国军方初步总结了变转速动力涡轮气动设计的多项关键技术，使美国具备发展新一代高速直升机动力装置的关键能力。 1.2变转速动力涡轮国内发展现状 近年来，国内在高速直升机用变转速动力涡轮设计方面也陆续开展了一些研究，中国航发动研所目前开展了变转速动力涡轮宽攻角适应性叶型设计及性能验证，北京航空航天大学在变转速动力涡轮的一维通流设计、涡轮叶型前缘设计和优化等方面取得了一定成果。但总体而言，国内在变转速动力涡轮设计研究尚处于起步阶段，需要进一步深化和完善。 2变转速动力涡轮气动设计特点 2.1设计点转速和级数选择 高速直升机飞行过程中，通常需要在多个状态工作，如最大起飞状态和巡航状态等，要求动力涡轮在多状态多转速下保持高效工作，设计点和设计转速的合理选择对变转速动力涡轮设计非常重要。Suchezky[1]等针对变转速动力涡轮，采用一维平均中径法对不同设计转速的影响进行了评估，发现巡航状态转速（54%转速）和最大起飞状态转速（100%转速）都不是最佳设计转速，当选择最低转速状态（54%转速）为设计点时，预估设计点效率为90.2%～91.4%，对应最高转速状态（100%转速）效率预计为69.3%;反之，若以最高转速状态（100%转速）状态为设计点，设计点效率可达到91.4%～92.8%，而此时对应的最低转速状态的效率会低于58%，而分别选择不同转速作为设计转速，基于该发动机全任务工况进行的优化和评估表明，该动力涡轮的设计转速为69%时可以获得最低的全工况燃油消耗量。这主要是因为涡轮叶片在负攻角来流的表现一般远好于正攻角来流，而涡轮低转速工作时意味着叶片处于正攻角来流，而涡轮低转速工作时叶片则对应负攻角状态，高转速工作时叶片则对应负攻角状态，适当选择接近低转速状态为设计点，可以使涡轮在大部分非设计点下工作处于负攻角状态，仍可以保持良好的性能。可见，变转速动力涡轮最优的设计转速并不是最低或者最高的工作转速，而需要根据发动机的典型任务工况来优化选取。 变转速动力涡轮多工作点高效工作的要求又对动力涡轮级数选择提出了新的挑战。NASA研究表明，通过级数合理选择可以实现整个转速工作范围内保持较低油耗。Suchezky[1]等通过对比3级和4级动力涡轮，结果表明3级涡轮与4级涡轮相比，涡轮呈现出两种不同的趋势。对3级涡轮油耗最低转速对应于85%转速，而4级涡轮油耗最低转速对应于69%转速。涡轮的级数减少为3级，增加每级涡轮的负荷，涡轮油耗并没有降低，综合考量，将69%转速作为设计点的4级涡轮方案具有明显优势，在设计点和非设计点都保持较高的性能。因此除与常规恒定转速动力涡轮类似，在级数选择时需考虑载荷系数与发动机重量之间合理平衡外，变转速动力涡轮还需要进行全工况油耗综合评价。 2.2一维参数和匹配优化技术 在变转速动力涡轮一维气动设计参数中，流量系数、反力度、载荷系数对性能影响显著。现有研究表明，在整机匹配环境下动力涡轮的物理转速从54%转速变化到100%时，其流量变化幅度一般很小，可能不超过5%。这种匹配关系决定了多恒定转速动力涡轮的流量系数近似与转速成反比关系，将导致不同工况流量系数差异非常明显。一般而言，不同流量系数情况下工作的涡轮最佳几何应具备的特征并不一致。对應小流量系数的涡轮叶型一般转角较大，其进口速度较低，转速变化会导致较为明显的攻角变化;而大流量系数涡轮叶型正好相反。NASA针对某多恒定转速宽工况动力涡轮的设计需求，分别采用不同流量系数状态所对应的最佳涡轮叶型进行了气动设计。结果显示，当叶型的最佳流量系数较小时，不但可以保证设计点涡轮性能有较好的保证，即可以兼顾设计状态和非设计状态，是较为理想的选择。 Welch[2-3]利用一維中径方法结合AMDCKO损失模型，验证通过载荷系数、流量系数、反力度的合理选取可使涡轮获得最佳气动效率。Hendricks[4]等还对4级变转速动力涡轮进行了一维设计空间参数的优化，采用NASA Glenn研究中心平均中径方法的程序OTAC，初始设计点为54%转速，优化过程中兼顾起飞和巡航两个状态，优化目标使两则的加权效率最大。结果表明一维优化设计使得速度三角形和几何流道发生了明显的变化，最终使得优化后无论是起飞状态还是巡航状态的涡轮性能都获得了一个百分点以上的提升，也表明一维设计空间参数的选取对变转速动力涡轮设计具有重要意义。 2.3宽广攻角适应性高负荷叶型设计 变转速动力涡轮气动设计时由于工作转速变化，导致叶片工作攻角变化范围非常大，可能会超过60°，需要在较大攻角范围内，叶片保持高工作效率，对固定几何动力涡轮，这就要求涡轮叶片需要向宽广攻角适应性叶型方向开展深入研究。同时，涡轮工作转速的降低，涡轮载荷系数也远高于常规恒定转速涡轮，在低转速状态的载荷系数是高转速状态的3.5～4倍，变转速动力涡轮不可避免的需要面临高负荷的难题。 NASA Glenn研究中心对大攻角范围下涡轮叶片的叶型精细化设计进行了深入研究，其结果表明，在大攻角范围，涡轮叶片的叶型损失对叶片前缘的型线较为敏感。因此叶型前缘的几何参数设计是宽广攻角适应性叶型设计的重要部分。通过优化大攻角叶型前缘型线曲率，可有效降低叶型气动损失。NASA在2013年已经实现了具有65°攻角范围工作能力的动力涡轮叶型设计，并进行了叶栅试验研究。根据试验结果，该叶型能够在-50°和15°的攻角范围内保持较高的气动性能。其巡航状态下ZW系数达到1.06，而且该叶型在雷诺数很低的情况下，气动损失的增加仍控制在很小的范围内。 2.4流量调节及泄漏损失控制 变转速动力涡轮需要在多个工况保持高效率工作，可以通过调节涡轮进口流量，改变速度三角形，改变各级功分配，达到多工况下涡轮高效率工作的目的。如在最大起飞状态，开大可调导叶，可以调节反力度，使更多的焓降分配给燃气涡轮。而在巡航状态时，关小可调导叶，可降低动力涡轮的有效流通面积，从而减小流量，分配更多的膨胀比给动力涡轮，从而获得较高的循环效率。 流量调节方法包括几何调节和气动调节，其中最常采用的方法为变几何动力涡轮。GE公司研制的第二代变循环发动机GE21已经采用了低压涡轮可调导叶技术。美国的IHPTE计划将流量调节技术视作一项关键技术研究;VAATE计划中拟实现高压涡轮导向器流通面积有大范围的变化。但对于航空发动机，变几何动力涡轮需增加调节装置和机构，会带来结构复杂、重量增加、可靠性的的问题，目前在国内尚处于概念设计阶段。而且变几何结构会增大通道内轮毂和机匣的间隙，增大额外的间隙泄漏损失，间隙泄漏会部分抵消效率的提升。 3结语 综上所述，对变转速动力涡轮气动设计难点在于转速变化造成的攻角变化大，低转速下的气动载荷大等问题。与常规恒定转速动力涡轮相比，设计点转速和级数选择、一维设计和匹配优化技术、宽广攻角适应性高负荷叶型设计、流量调节及泄漏损失控制技术等是变转速动力涡轮气动设计的关键。 参考文献 [1] Suchezky M， Cruzen G S.Variable-Speed Power-Turbine for the Large Civil Tilt Rotor[R].NASA/CR-2012-217424，2012. [2] Welch G E.Assessment of Aerodynamic Challenges of a Variable Speed Power Turbine for Large Civil Tilt-Rotor Application[R].NASA/TM216758，2010. [3] Welch G E.Computational Assessment of the Aerodynamic Performance? of a Variable-Speed Power Turbine for Large Civil Tilt Rotor Application[R].NASA/TM217124，2011. [4] Hendricks E S， Jones S M， Gray J S.Design Optimization of a Variable-Speed Power-turbine[R].NASA 16528，2014. |
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