高速旋翼機變轉速動力渦輪的發展

V-22「魚鷹」傾轉旋翼機是目前唯一投入服役的高速旋翼機。

高速旋翼機的發展，要求動力系統在旋翼機高速巡航條件下，降低輸出轉速的同時保持輸出功率基本不變。變轉速動力渦輪因其具有多狀態寬轉速範圍適應性，可避免變速傳動系統及其換擋機構的結構複雜性和增加重量，並且技術相對成熟，因此成為高速旋翼機動力系統研究的重點。

旋翼機因其起降靈活、機動性好等特點得到廣泛的應用，但也存在飛行速度低的缺點，因此提高旋翼機巡航速度成為近年來旋翼機發展的重要方向之一。高速旋翼機的出現，為大幅增強旋翼機的投放、運輸和空中格鬥能力提供了可能。美國、歐洲和俄羅斯均將高速旋翼機作為下一代新型旋翼機的發展重點，並已開發了相應型號。

變轉速動力渦輪因其具有多狀態寬轉速範圍適應性，可避免變速傳動系統及其換擋機構的結構複雜性和重量增加，並且技術相對成熟，因此成為高速旋翼機動力發展研究的重點。變轉速動力渦輪的研究主要依託20世紀90年代美國航空航天局（NASA）主導的高速旋翼機項目和之後開展的大型民用傾轉旋翼機項目。

高速旋翼機項目

在20世紀90年代，GE公司在NASA劉易斯研究中心（NASA-Lewis）的資助下，開展了變轉速動力渦輪的方案設計研究，研究涵蓋了8種變轉速動力渦輪，主要對性能、重量、結構可實現性進行了方案對比。

採用攻角適應性葉型的固定幾何動力渦輪

以GE29發動機三級動力渦輪為基礎，在51%動力渦輪轉速巡航和100%動力渦輪轉速懸停條件下分別造成+10°和-30°的攻角，51%動力渦輪轉速巡航狀態效率比100%動力渦輪轉速懸停狀態效率低約7%。採用四級動力能夠有效降低級載荷，但造成額外20°的攻角變化。該變轉速動力渦輪概念的主要風險是設計方法和計算評估軟體能否涵蓋變轉速動力渦輪應用到的攻角變化範圍。

渦輪導向器和排氣框架變幾何動力渦輪

渦輪可調導向器能夠控制發動機循環參數，但無法解決轉子葉片攻角問題，因此在研究中僅一排動力渦輪導向器可調。出口排氣框架支板設計為尾緣可調，減少排氣損失。研究表明上述概念的應用收益較小，能夠降低巡航狀態1%的耗油率，在懸停、單發應急狀態下提高功率2%，但造成發動機重量增加約5%。性能的提高無法有效彌補發動機重量、成本和複雜性的提高。

帶串列轉子葉柵的四級動力渦輪

為解決四級動力渦輪攻角變化範圍大的問題，轉子葉片採用串列葉柵設計，以降低轉子葉片的攻角敏感性。與常規轉子葉片相比，串列葉柵由進口整流葉柵和出口工作葉柵組成，進口整流葉柵具有較大的前緣直徑和楔角，能夠適應較大的攻角變化，整流之後的氣流進入下遊對攻角較為敏感的工作葉柵，完成大部分的氣流偏轉和功率提取（70%）。與三級動力渦輪相比，串列轉子葉柵的應用能夠提高動力渦輪巡航效率3%和懸停效率1%，但造成高風險、成本、重量和複雜性的缺點。

可變導葉和動葉動力渦輪

可變導葉和動葉能夠有效解決攻角問題。雖然該方案本身不能夠降低渦輪級載荷，但能夠容許增加渦輪級以提高渦輪效率。主要的問題是導葉和動力變幾何導致的間隙洩漏會部分抵消效率的提升。同時這一方案的重量、成本和複雜性極大，可靠性是個很大的問題，按照目前的技術水平難以實現。

帶流道分流的雙渦輪、帶級間離合器的多級渦輪、單軸與反轉可變動力渦輪

這3種設計方案的提出均為解決51%動力渦輪轉速巡航狀態下渦輪級負荷大的問題，能夠在一定程度上提高動力渦輪效率，但是均面臨結構複雜、重量、成本、風險高的問題。特別是3種方案均需要離合器或/和差速減速器，如能夠解決離合器和減速器的設計問題，將會直接採用恆定轉速動力渦輪+可變傳動比減速器的動力系統。

固定幾何動力渦輪與旋翼綜合優化

固定幾何動力渦輪和旋翼綜合優化是較低技術風險、較低成本和高性能的傾轉旋翼動力系統。動力渦輪效率、旋翼推進效率和推進系統綜合效率隨轉速的變化，採用固定幾何的動力渦輪情況下，推進效率峰值位置位於62%動力渦輪轉速。與51%動力渦輪轉速時的三級動力渦輪相比，62%動力渦輪轉速下，三級動力渦輪載荷降低30%，效率提高4.5%。該方案不能嚴格滿足發動機的初始要求，但能夠滿足動力系統的總體要求。

GE公司的方案設計和分析表明，應該進一步開展採用攻角適應性葉型的固定幾何動力渦輪、帶串列轉子葉柵的四級動力渦輪、固定幾何動力渦輪與旋翼綜合優化的深入研究。

大型民用傾轉旋翼機項目

在高速旋翼機項目研究成果的基礎上，NASA支持開展了重型升力旋翼機系統研究項目，主要進行了大型民用傾轉旋翼機研究。在該項目支持下，NASA格倫研究中心（NASA-Glenn）、ASRC 航空航天公司、俄亥俄州立大學、託萊多大學和美國陸軍研究實驗室等5家單位開展了變轉速動力渦輪的方案設計、一維設計、二維通流設計和三維計算流體力學（CFD）分析和葉柵試驗驗證。

在2012年美國直升機協會第68屆年會上，NASA對變轉速動力構型對大型民用傾轉旋翼機尺寸和重量進行了分析研究。保持相同技術水平的雙轉子核心機（ACE）的輸出軸功率為5592.75kW，以此為基礎構建了6種變轉速動力渦輪模型進行分析研究。

在6種動力渦輪構型中，包涵原ACE發動機動力渦輪工作轉速範圍為80%～100%動力渦輪轉速，通過變傳動比減速器實現輸出轉速的切換和重新設計兩級固定幾何、兩級變轉速動力渦輪。在巡航狀態下，動力渦輪級載荷提高是造成動力渦輪效率下降的主要原因，因此在兩級動力渦輪的基礎上分別增加1級和2級，減少渦輪氣動負荷。三級動力渦輪與四級動力渦輪固定幾何與變幾何對性能和重量的影響也進行了分析研究。

通過分析不同級數變轉速動力渦輪效率、整機耗油率與旋翼葉尖速度之間的對應關係，得出雙級動力渦輪+變傳動比減速器的方案在巡航狀態下效率最低，效率比懸停狀態下降約17.5%，整機耗油率比懸停狀態提高28%。而四級動力渦輪效率下降最少（約為4%），整機耗油率升高也較小。三級動力渦輪性能位於雙級和四級動力渦輪之間。

動力渦輪變幾何主要是改變導向葉片安裝角以減少轉子葉片攻角損失，初步評估動力渦輪效率僅能夠提高0.5%，但導葉調節機構的重量將增加動力渦輪重量約20%，而動力渦輪重量約佔整機重量的16%，因此，變幾何對發動機重量將有顯著影響。與ACE原雙級動力渦輪相比，三級固定幾何與變幾何動力渦輪整機重量分別增加8%和13%；四級固定幾何和變幾何動力渦輪整機重量分別增加19%和25.5%。對於雙級動力渦輪採用變傳動比減速器方案，減速器比常規固定傳動比減速器重約10%，而減速器重量約為發動機重量的2倍，因此減速器重量的變化對傳動系統整體重量的影響較大。

綜合上述分析結果認為，雙級變轉速動力渦輪+常規減速器能夠提供最輕的解決方案，但耗油率比設計要求高3%～5%；四級變轉速動力渦輪能夠獲得最好的燃油經濟性，但製造和使用維護成本可能會在一定程度上抵消燃油經濟性的好處。

NASA-Glenn對大型民用傾轉旋翼機的四級變轉速動力渦輪進行了初步通流設計和優化設計，所採用的優化軟體為史丹福大學開發的基於連續二次方程的優化方法SNOPT。優化策略的確定包括目標函數構建、優化變量和限制條件。其中目標函數為巡航狀態和起飛狀態渦輪效率的加權平均，兩個狀態權重相等，但可根據狀態持續時間等進行調整；優化變量包括各排葉片出口馬赫數、出口平均直徑，設計點攻角等46個參數；限制條件包括各狀態功率、渦輪出口氣流角等20個參數。優化設計結果表明，巡航狀態下渦輪級間功率分配更加均勻；反力度由初始設計中較為均勻的分布改變為進口級反力度降低，而出口級反力度提高。

在變轉速動力渦輪葉片氣動設計中，葉片損失及流動特徵隨攻角的變化和在不同雷諾數下的表現是一個關鍵問題。NASA艾姆斯研究中心（NASA-Ames）採用二維和三維CFD計算對變轉速動力渦輪的葉柵損失特性和三維流動現象進行了研究。變轉速動力渦輪的試驗驗證工作，在大型民用傾轉旋翼機項目的框架下，目前已完成平面葉柵試驗，用於獲得動力渦輪葉柵在不同雷諾數和不同攻角下的葉型損失，獲得的試驗數據可以用於修正一維通流分析中的攻角損失模型和三維CFD計算方法。

轉子動力學方面，NASA-Glenn於2012年研究了一種用於大型民用傾轉旋翼機的三轉子發動機的轉子動力學，初步分析了發動機在8100～15000r/min條件下各個轉子及整機的轉子動力學可行性。通過調節支持剛度，使其臨界轉速均避開變轉速工作範圍。

技術特點和難點

變轉速動力渦輪在常規動力渦輪的基礎上，高速巡航轉速降低至50%左右，同時動力渦輪功率基本保持不變，導致動力渦輪設計的主要難點包括由於轉速變化造成的動力渦輪各排葉片的攻角變化大，較大的攻角可能造成流動分離，使性能惡化；巡航狀態下，由於轉速下降引起氣動載荷增加，造成動力渦輪效率的急劇下降；多恆定轉速下動力渦輪轉子動力學設計。

大型傾轉旋翼變轉速動力渦輪轉子動力學分析。

針對動力渦輪氣動設計的難點和特點，變轉速動力渦輪設計主要的技術需求包括變速渦輪和發動機的綜合優化設計技術；高負荷、高轉折氣動影響機理研究，採用三維彎扭葉片和端壁控制等進行二次流控制技術研究；大攻角條件下的氣動影響研究，大攻角條件下（40°～60°）的二維、三維損失特性研究；低雷諾數氣動流動特性研究；RANS/URANS的湍流和轉捩模型研究；多級渦輪試驗及可接受的三維非定常仿真技術；多恆定轉速動力渦輪轉子動力學設計技術。

展望

變轉速動力渦輪工作轉速的變化，導致渦輪載荷和葉片攻角的大幅變化，影響渦輪效率。變轉速動力渦輪相關技術概念中，導葉和動葉變幾何、串列葉柵、可變構型動力渦輪等概念面臨製造成本高、結構可靠性低、重量大等特點，概念可行性低，目前仍處在概念研究階段。對於常規構型變轉速動力渦輪，目前的主要研究方向是通過增加渦輪級數，降低高速巡航狀態下渦輪級載荷較高的問題；通過攻角適應性葉型，降低非設計轉速下的葉型攻角損失。

變轉速動力渦輪設計和分析的技術方法應開展如下研究：多目標優化算法，以獲得兩個以上狀態點的綜合最優性能；不同攻角條件下，葉型損失的試驗，用於獲得目前欠缺的試驗數據，修正設計和分析軟體；高空、高速巡航情況下，低雷諾數在變攻角條件下對渦輪性能的影響。

目前，各國已開展了相關技術的部件級技術驗證工作，例如美國已開展了包括葉柵試驗及變轉速渦輪級的部件性能試驗，預期不久的將來寬範圍的變速動力渦輪技術可以在整機上進行試驗驗證，然後應用到高速旋翼機動力裝置上。（張紹文 潘尚能 羅建橋 周穎）

V-22「魚鷹」傾轉旋翼機是目前唯一投入服役的高速旋翼機。

高速旋翼機的發展，要求動力系統在旋翼機高速巡航條件下，降低輸出轉速的同時保持輸出功率基本不變。變轉速動力渦輪因其具有多狀態寬轉速範圍適應性，可避免變速傳動系統及其換擋機構的結構複雜性和增加重量，並且技術相對成熟，因此成為高速旋翼機動力系統研究的重點。

旋翼機因其起降靈活、機動性好等特點得到廣泛的應用，但也存在飛行速度低的缺點，因此提高旋翼機巡航速度成為近年來旋翼機發展的重要方向之一。高速旋翼機的出現，為大幅增強旋翼機的投放、運輸和空中格鬥能力提供了可能。美國、歐洲和俄羅斯均將高速旋翼機作為下一代新型旋翼機的發展重點，並已開發了相應型號。

變轉速動力渦輪因其具有多狀態寬轉速範圍適應性，可避免變速傳動系統及其換擋機構的結構複雜性和重量增加，並且技術相對成熟，因此成為高速旋翼機動力發展研究的重點。變轉速動力渦輪的研究主要依託20世紀90年代美國航空航天局（NASA）主導的高速旋翼機項目和之後開展的大型民用傾轉旋翼機項目。

高速旋翼機項目

在20世紀90年代，GE公司在NASA劉易斯研究中心（NASA-Lewis）的資助下，開展了變轉速動力渦輪的方案設計研究，研究涵蓋了8種變轉速動力渦輪，主要對性能、重量、結構可實現性進行了方案對比。

採用攻角適應性葉型的固定幾何動力渦輪

以GE29發動機三級動力渦輪為基礎，在51%動力渦輪轉速巡航和100%動力渦輪轉速懸停條件下分別造成+10°和-30°的攻角，51%動力渦輪轉速巡航狀態效率比100%動力渦輪轉速懸停狀態效率低約7%。採用四級動力能夠有效降低級載荷，但造成額外20°的攻角變化。該變轉速動力渦輪概念的主要風險是設計方法和計算評估軟體能否涵蓋變轉速動力渦輪應用到的攻角變化範圍。

渦輪導向器和排氣框架變幾何動力渦輪

渦輪可調導向器能夠控制發動機循環參數，但無法解決轉子葉片攻角問題，因此在研究中僅一排動力渦輪導向器可調。出口排氣框架支板設計為尾緣可調，減少排氣損失。研究表明上述概念的應用收益較小，能夠降低巡航狀態1%的耗油率，在懸停、單發應急狀態下提高功率2%，但造成發動機重量增加約5%。性能的提高無法有效彌補發動機重量、成本和複雜性的提高。

帶串列轉子葉柵的四級動力渦輪

為解決四級動力渦輪攻角變化範圍大的問題，轉子葉片採用串列葉柵設計，以降低轉子葉片的攻角敏感性。與常規轉子葉片相比，串列葉柵由進口整流葉柵和出口工作葉柵組成，進口整流葉柵具有較大的前緣直徑和楔角，能夠適應較大的攻角變化，整流之後的氣流進入下遊對攻角較為敏感的工作葉柵，完成大部分的氣流偏轉和功率提取（70%）。與三級動力渦輪相比，串列轉子葉柵的應用能夠提高動力渦輪巡航效率3%和懸停效率1%，但造成高風險、成本、重量和複雜性的缺點。

可變導葉和動葉動力渦輪

可變導葉和動葉能夠有效解決攻角問題。雖然該方案本身不能夠降低渦輪級載荷，但能夠容許增加渦輪級以提高渦輪效率。主要的問題是導葉和動力變幾何導致的間隙洩漏會部分抵消效率的提升。同時這一方案的重量、成本和複雜性極大，可靠性是個很大的問題，按照目前的技術水平難以實現。

帶流道分流的雙渦輪、帶級間離合器的多級渦輪、單軸與反轉可變動力渦輪

這3種設計方案的提出均為解決51%動力渦輪轉速巡航狀態下渦輪級負荷大的問題，能夠在一定程度上提高動力渦輪效率，但是均面臨結構複雜、重量、成本、風險高的問題。特別是3種方案均需要離合器或/和差速減速器，如能夠解決離合器和減速器的設計問題，將會直接採用恆定轉速動力渦輪+可變傳動比減速器的動力系統。

固定幾何動力渦輪與旋翼綜合優化

固定幾何動力渦輪和旋翼綜合優化是較低技術風險、較低成本和高性能的傾轉旋翼動力系統。動力渦輪效率、旋翼推進效率和推進系統綜合效率隨轉速的變化，採用固定幾何的動力渦輪情況下，推進效率峰值位置位於62%動力渦輪轉速。與51%動力渦輪轉速時的三級動力渦輪相比，62%動力渦輪轉速下，三級動力渦輪載荷降低30%，效率提高4.5%。該方案不能嚴格滿足發動機的初始要求，但能夠滿足動力系統的總體要求。

GE公司的方案設計和分析表明，應該進一步開展採用攻角適應性葉型的固定幾何動力渦輪、帶串列轉子葉柵的四級動力渦輪、固定幾何動力渦輪與旋翼綜合優化的深入研究。

大型民用傾轉旋翼機項目

在高速旋翼機項目研究成果的基礎上，NASA支持開展了重型升力旋翼機系統研究項目，主要進行了大型民用傾轉旋翼機研究。在該項目支持下，NASA格倫研究中心（NASA-Glenn）、ASRC 航空航天公司、俄亥俄州立大學、託萊多大學和美國陸軍研究實驗室等5家單位開展了變轉速動力渦輪的方案設計、一維設計、二維通流設計和三維計算流體力學（CFD）分析和葉柵試驗驗證。

在2012年美國直升機協會第68屆年會上，NASA對變轉速動力構型對大型民用傾轉旋翼機尺寸和重量進行了分析研究。保持相同技術水平的雙轉子核心機（ACE）的輸出軸功率為5592.75kW，以此為基礎構建了6種變轉速動力渦輪模型進行分析研究。

在6種動力渦輪構型中，包涵原ACE發動機動力渦輪工作轉速範圍為80%～100%動力渦輪轉速，通過變傳動比減速器實現輸出轉速的切換和重新設計兩級固定幾何、兩級變轉速動力渦輪。在巡航狀態下，動力渦輪級載荷提高是造成動力渦輪效率下降的主要原因，因此在兩級動力渦輪的基礎上分別增加1級和2級，減少渦輪氣動負荷。三級動力渦輪與四級動力渦輪固定幾何與變幾何對性能和重量的影響也進行了分析研究。

通過分析不同級數變轉速動力渦輪效率、整機耗油率與旋翼葉尖速度之間的對應關係，得出雙級動力渦輪+變傳動比減速器的方案在巡航狀態下效率最低，效率比懸停狀態下降約17.5%，整機耗油率比懸停狀態提高28%。而四級動力渦輪效率下降最少（約為4%），整機耗油率升高也較小。三級動力渦輪性能位於雙級和四級動力渦輪之間。

動力渦輪變幾何主要是改變導向葉片安裝角以減少轉子葉片攻角損失，初步評估動力渦輪效率僅能夠提高0.5%，但導葉調節機構的重量將增加動力渦輪重量約20%，而動力渦輪重量約佔整機重量的16%，因此，變幾何對發動機重量將有顯著影響。與ACE原雙級動力渦輪相比，三級固定幾何與變幾何動力渦輪整機重量分別增加8%和13%；四級固定幾何和變幾何動力渦輪整機重量分別增加19%和25.5%。對於雙級動力渦輪採用變傳動比減速器方案，減速器比常規固定傳動比減速器重約10%，而減速器重量約為發動機重量的2倍，因此減速器重量的變化對傳動系統整體重量的影響較大。

綜合上述分析結果認為，雙級變轉速動力渦輪+常規減速器能夠提供最輕的解決方案，但耗油率比設計要求高3%～5%；四級變轉速動力渦輪能夠獲得最好的燃油經濟性，但製造和使用維護成本可能會在一定程度上抵消燃油經濟性的好處。

NASA-Glenn對大型民用傾轉旋翼機的四級變轉速動力渦輪進行了初步通流設計和優化設計，所採用的優化軟體為史丹福大學開發的基於連續二次方程的優化方法SNOPT。優化策略的確定包括目標函數構建、優化變量和限制條件。其中目標函數為巡航狀態和起飛狀態渦輪效率的加權平均，兩個狀態權重相等，但可根據狀態持續時間等進行調整；優化變量包括各排葉片出口馬赫數、出口平均直徑，設計點攻角等46個參數；限制條件包括各狀態功率、渦輪出口氣流角等20個參數。優化設計結果表明，巡航狀態下渦輪級間功率分配更加均勻；反力度由初始設計中較為均勻的分布改變為進口級反力度降低，而出口級反力度提高。

在變轉速動力渦輪葉片氣動設計中，葉片損失及流動特徵隨攻角的變化和在不同雷諾數下的表現是一個關鍵問題。NASA艾姆斯研究中心（NASA-Ames）採用二維和三維CFD計算對變轉速動力渦輪的葉柵損失特性和三維流動現象進行了研究。變轉速動力渦輪的試驗驗證工作，在大型民用傾轉旋翼機項目的框架下，目前已完成平面葉柵試驗，用於獲得動力渦輪葉柵在不同雷諾數和不同攻角下的葉型損失，獲得的試驗數據可以用於修正一維通流分析中的攻角損失模型和三維CFD計算方法。

轉子動力學方面，NASA-Glenn於2012年研究了一種用於大型民用傾轉旋翼機的三轉子發動機的轉子動力學，初步分析了發動機在8100～15000r/min條件下各個轉子及整機的轉子動力學可行性。通過調節支持剛度，使其臨界轉速均避開變轉速工作範圍。

技術特點和難點

變轉速動力渦輪在常規動力渦輪的基礎上，高速巡航轉速降低至50%左右，同時動力渦輪功率基本保持不變，導致動力渦輪設計的主要難點包括由於轉速變化造成的動力渦輪各排葉片的攻角變化大，較大的攻角可能造成流動分離，使性能惡化；巡航狀態下，由於轉速下降引起氣動載荷增加，造成動力渦輪效率的急劇下降；多恆定轉速下動力渦輪轉子動力學設計。

大型傾轉旋翼變轉速動力渦輪轉子動力學分析。

針對動力渦輪氣動設計的難點和特點，變轉速動力渦輪設計主要的技術需求包括變速渦輪和發動機的綜合優化設計技術；高負荷、高轉折氣動影響機理研究，採用三維彎扭葉片和端壁控制等進行二次流控制技術研究；大攻角條件下的氣動影響研究，大攻角條件下（40°～60°）的二維、三維損失特性研究；低雷諾數氣動流動特性研究；RANS/URANS的湍流和轉捩模型研究；多級渦輪試驗及可接受的三維非定常仿真技術；多恆定轉速動力渦輪轉子動力學設計技術。

展望

變轉速動力渦輪工作轉速的變化，導致渦輪載荷和葉片攻角的大幅變化，影響渦輪效率。變轉速動力渦輪相關技術概念中，導葉和動葉變幾何、串列葉柵、可變構型動力渦輪等概念面臨製造成本高、結構可靠性低、重量大等特點，概念可行性低，目前仍處在概念研究階段。對於常規構型變轉速動力渦輪，目前的主要研究方向是通過增加渦輪級數，降低高速巡航狀態下渦輪級載荷較高的問題；通過攻角適應性葉型，降低非設計轉速下的葉型攻角損失。

變轉速動力渦輪設計和分析的技術方法應開展如下研究：多目標優化算法，以獲得兩個以上狀態點的綜合最優性能；不同攻角條件下，葉型損失的試驗，用於獲得目前欠缺的試驗數據，修正設計和分析軟體；高空、高速巡航情況下，低雷諾數在變攻角條件下對渦輪性能的影響。

目前，各國已開展了相關技術的部件級技術驗證工作，例如美國已開展了包括葉柵試驗及變轉速渦輪級的部件性能試驗，預期不久的將來寬範圍的變速動力渦輪技術可以在整機上進行試驗驗證，然後應用到高速旋翼機動力裝置上。（張紹文 潘尚能 羅建橋 周穎）