■ 石建成 單曉明/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空動(dòng)力的重要組成部分。目前，世界軍民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的銷(xiāo)售額比例達(dá)到2∶8，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)了世界航空動(dòng)力產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位，市場(chǎng)容量十分巨大。國(guó)際合作、共同投資、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、市場(chǎng)共享是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的大趨勢(shì)。

研制背景

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)航空動(dòng)力產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能力布局以軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)為主，民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體水平較世界先進(jìn)水平存在較大差距，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)民用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外產(chǎn)品壟斷。為提高我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體水平，滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，2008年7月15日，中國(guó)航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司（中國(guó)航發(fā)東安）與法國(guó)賽峰直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（原透博梅卡公司）簽署協(xié)議，以50%∶50%的比例合作研制渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)（法方代號(hào)為阿蒂丹3C），以滿(mǎn)足AC352直升機(jī)動(dòng)力裝置的需求，中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所為中方總設(shè)計(jì)師單位。

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖1）是我國(guó)第一型擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)該型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，使我國(guó)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制技術(shù)及項(xiàng)目管理與國(guó)際接軌，極大地促進(jìn)我國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)進(jìn)步，帶動(dòng)了航空產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖1 渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)

技術(shù)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)指標(biāo)

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)是一型單轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)（見(jiàn)圖2），本體由帶防護(hù)徑向進(jìn)氣裝置、雙級(jí)離心壓氣機(jī)（見(jiàn)圖3）、環(huán)形回流燃燒室、單級(jí)軸流式燃?xì)鉁u輪、雙級(jí)動(dòng)力渦輪及高度集成式附件傳動(dòng)機(jī)匣等組成；發(fā)動(dòng)機(jī)按單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由附件傳動(dòng)單元體、燃?xì)獍l(fā)生器單元體、動(dòng)力渦輪單元體等3個(gè)單元體組成；采用雙通道全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制（FADEC）系統(tǒng)控制，由起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)。

圖2 渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)剖面圖

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)采用中等循環(huán)參數(shù)及高部件效率的設(shè)計(jì)，具有高功重比、高單位功率、低油耗、高可靠性、優(yōu)良維修性、先進(jìn)控制及故障診斷等優(yōu)點(diǎn)。海平面、標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下性能參數(shù)見(jiàn)表1。

技術(shù)特征

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)具有先進(jìn)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著特征：高安全性、高可靠性，良好的經(jīng)濟(jì)性和維修性，設(shè)計(jì)中廣泛采用了目前成熟的先進(jìn)技術(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)總體布局方面，采用先進(jìn)的單元體設(shè)計(jì)、典型的功率軸前輸出方式、軸承共腔布局等，簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化載荷傳遞，提升整機(jī)安全性、可靠性和壽命。在部件設(shè)計(jì)中，貫徹了高效率、低污染、集成式、雙通道、工藝性良好、經(jīng)濟(jì)且綠色環(huán)保等設(shè)計(jì)理念。

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)采用動(dòng)力渦輪軸與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子軸同心的結(jié)構(gòu)布局，動(dòng)力渦輪功率通過(guò)動(dòng)力渦輪軸、功率輸出軸傳遞給直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)；動(dòng)力渦輪軸上集成了扭矩測(cè)量裝置，位于前部低溫區(qū)域，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩測(cè)量的可靠性；發(fā)動(dòng)機(jī)功率向前輸出，有利于避免因機(jī)動(dòng)飛行時(shí)吸入尾氣而帶來(lái)喘振、停車(chē)等故障，便于直升機(jī)進(jìn)/排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效減輕安裝重量。

發(fā)動(dòng)機(jī)采用單元體設(shè)計(jì)理念，單元體界面簡(jiǎn)單清晰，具備在外場(chǎng)更換單元體的能力，更換單元體無(wú)需特殊工裝，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品維修程序，降低了維修難度，縮短了維修總時(shí)間，從而降低了全生命周期的運(yùn)營(yíng)成本和維修成本，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

壓氣機(jī)采用雙級(jí)離心式壓氣機(jī)，在無(wú)進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉和級(jí)間放氣裝置、極大降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下，保證了全包線(xiàn)工作范圍內(nèi)的高部件效率和安全裕度，具有零部件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、抗沙塵和抗進(jìn)氣畸變能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，代表了當(dāng)代先進(jìn)壓氣機(jī)的技術(shù)水平。

高度集成式附件傳動(dòng)和油濾組件集成了大量?jī)?nèi)部油路和氣路，減少了零件數(shù)量，提高了可靠性和安全性，有效降低了制造成本和使用成本。相對(duì)以往的發(fā)動(dòng)機(jī)，渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)的外部管路數(shù)量減少了約30%。附件采用集成化、共軸、高速、小型化設(shè)計(jì)，減少了齒輪數(shù)量，節(jié)約了安裝空間，能夠縮減整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的輪廓尺寸。

控制系統(tǒng)為雙通道FADEC系統(tǒng)，其主要附件（如電子控制器、燃油調(diào)節(jié)裝置等）均為雙通道結(jié)構(gòu)，并集成了獨(dú)立的電子式超轉(zhuǎn)保護(hù)系統(tǒng)，充分保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，系統(tǒng)所有附件均為現(xiàn)場(chǎng)可更換單元，有效地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性，從而降低了全生命周期費(fèi)用。

表1 基本性能參數(shù)表

圖3 渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)雙級(jí)離心壓氣機(jī)

面向用戶(hù)的設(shè)計(jì)理念

為滿(mǎn)足安裝、使用和維護(hù)要求，提升客戶(hù)體驗(yàn)，直升機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的飛發(fā)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)也采用了并行工程模式。在發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)階段，就啟動(dòng)了與直升機(jī)的安裝設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)工作，并隨設(shè)計(jì)同步深入細(xì)化，逐步開(kāi)展基于全三維數(shù)字化樣機(jī)的虛擬仿真分析、人機(jī)工程優(yōu)化、全尺寸物理模型檢查，并提出優(yōu)化和改進(jìn)措施。

圖4 渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)臺(tái)試驗(yàn)

圖5 渦軸16首裝AC352成功首飛

結(jié)合民機(jī)特點(diǎn)，考慮產(chǎn)品全生命周期成本，渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)耗油率低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，在線(xiàn)更換單元維修性好，單元體更換快捷方便；先進(jìn)的設(shè)計(jì)及優(yōu)良的制造，使發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)小，有利于降低直升機(jī)振動(dòng)，提高座艙舒適度。

安全環(huán)保性能

渦軸16 發(fā)動(dòng)機(jī)可滿(mǎn)足最新發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)要求，將發(fā)動(dòng)機(jī)安全性放在最重要位置，從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制邏輯上采取防護(hù)措施確保所有危害性事件發(fā)生概率均低于10-7次/飛行小時(shí)。從民機(jī)綠色環(huán)保的特點(diǎn)出發(fā)，渦軸16 發(fā)動(dòng)機(jī)按CCAR-34 部環(huán)保規(guī)章考核，采用了低污染燃燒室設(shè)計(jì)，發(fā)煙數(shù)不超過(guò)20，遠(yuǎn)高于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)（同功率等級(jí)其他類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)煙數(shù)要求不超過(guò)50），充分體現(xiàn)了良好的環(huán)保性。

目標(biāo)市場(chǎng)

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)首個(gè)裝機(jī)對(duì)象為AC352直升機(jī)，也可作為其他6～8 t 級(jí)雙發(fā)直升機(jī)或13 t 級(jí)三發(fā)直升機(jī)動(dòng)力；其發(fā)展型功率可以提高15%，可滿(mǎn)足8～10 t 級(jí)雙發(fā)直升機(jī)的需要，為國(guó)內(nèi)外消防、醫(yī)療、警用、海關(guān)、搜索與救援等民用直升機(jī)提供動(dòng)力。

研制最新進(jìn)展

2013年，渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了首次車(chē)臺(tái)試驗(yàn)（見(jiàn)圖4）。2016年12月，渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)首裝AC352直升機(jī)在哈爾濱成功實(shí)現(xiàn)首飛（見(jiàn)圖5），標(biāo)志著研制工作取得重大進(jìn)展。目前，正在開(kāi)展適航取證工作，已完成大部分適航取證試驗(yàn)和適航文件編制，預(yù)計(jì)2019年取得中國(guó)民用航空局頒發(fā)的型號(hào)合格證；阿蒂丹3C發(fā)動(dòng)機(jī)已于2018年4月5日取得歐洲航空安全局（EASA）頒發(fā)的型號(hào)合格證。

結(jié)束語(yǔ)

渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)填補(bǔ)了我國(guó)1300kW功率級(jí)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)空白，并具有較大的功率提升潛力。該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制將改變過(guò)去國(guó)內(nèi)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和可靠性較差，無(wú)法全面滿(mǎn)足用戶(hù)需求的局面；促進(jìn)我國(guó)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)基礎(chǔ)和民機(jī)工業(yè)整體水平跨越式提升。