國産渦軸發動機“上崗記”

起飛、懸停、爬升、機動……前不久，一架新型傾轉旋翼機在黑龍江齊齊哈爾圓滿完成階段飛行試驗。引人矚目的是，它搭載了我國自主研發的民用渦軸發動機——AES100系列最新功率增強型産品。

　　AES100是我國首個自主研發的1000千瓦級先進民用航空渦軸發動機型號。它的問世，一舉打破國內民用直升機等航空器動力長期依賴進口的被動局面。通過長達數年的適航攻關，我國成功建立起民用渦軸發動機適航符合性驗證體系。

　　“為了讓它拿到‘上崗證’，研發團隊自主完成多項高難度、高風險適航試驗，先後闖過150小時持久試驗、整機包容試驗、整機結冰試驗等多道‘鬼門關’。”中國航發湖南動力機械研究所首席科學家、AES100總設計師李概奇告訴科技日報記者。

　　跨越“極限紅線”

　　150小時持久試驗，是AES100面臨的第一個重大適航考核項目。該試驗由25組6小時循環運轉構成，模擬發動機一生中最嚴酷的工作狀態。

　　“其中最難的一項是‘三紅線’試驗，它要求發動機的推力、轉子轉速、燃氣溫度同時抵達設計限制紅線值，每組循環需穩定工作6小時。”AES100副總師楊艷美打比方，“這好比讓一名短跑運動員在心跳速率和體表溫度達到生理極限時，仍保持最快速度向前衝刺。”

　　發動機燃燒室的溫度空間分佈本就不均勻，“三紅線”試驗則會加劇這種不均勻性，極易導致局部溫度過高、燒壞渦輪葉片。

　　如何最大程度化解燃燒室溫度場不均勻性，成為AES100能否挺過“三紅線”的關鍵。研發團隊先後研究了上百種穩定燃燒構型方案。可是，篩選出的方案試驗效果並不理想——試驗時，發動機時常出現噴嘴表面積碳、燃燒室出口溫度不穩定等情況。

　　“時間緊迫，我們一邊優化早期構型，一邊開啟第二路線研製。”楊艷美説，3年時間裏，團隊反復調整燃燒室結構，摸索更先進的構型。

　　在日復一日的海量計算中，設計人員發現燃燒室溫度場對旋流器流道結構、孔徑和角度十分敏感。“好比做飯的灶台，增加高旋流強度的分級旋流結構，能燒出更均勻穩定的火焰。”李概奇解釋。隨後，團隊朝着提高旋流強度的目標，不斷優化流道幾何結構參數和旋流分級組合，發明了“小流量雙油路噴嘴+三級旋流器”構型。

　　此時，經優化的早期構型已走通各個技術環節，試驗數據全部達標。

　　“要不要換用第二構型？”就在大家猶豫不決之際，李概奇拍板：“航空發動機不僅要技術‘走得通’，更要‘行得穩’‘走得遠’。選擇更先進的方案！”

　　2022年，在四川綿陽高空台上，新構型不負眾望，跑出令人振奮的試驗數據。多台份燃燒室起飛狀態的溫度場均勻度指標穩定在0.15量級，優於國際指標40%，達到國際領先水平；最高熱點溫度降低約80攝氏度，確保燃氣渦輪葉片在極限紅線溫度下不被燒蝕。

　　2023年3月，AES100開啟150小時持久試驗，一次性順利通過。

　　解除“振動超限”

　　經受住持久試驗的AES100，接下來面臨第二重極致考核——整機包容試驗。

　　該試驗要在發動機最高轉速運行時，人為切斷動力傳動軸，讓高速旋轉渦輪葉片整圈瞬間斷裂飛脫，其破壞力不亞於在發動機核心艙內引爆多枚高能炸彈。在葉片飛脫後的15秒內，發動機機匣必須牢牢“兜住”高能碎片，既不能被碎片擊穿，也不能引發不可控火情。

　　“這是一次犧牲一台價值超千萬元發動機的重大試驗。”李概奇説，一旦失敗，整個型號的研製進程將遭受重創。

　　為了這15秒，團隊提前5年開始集智攻關。他們針對整機包容試驗涉及的10余個技術領域和36個關鍵風險點，一一排除風險隱患，並開展從材料特性、零件強度、部件可靠性到模擬整機測試的層層驗證。

　　正式試驗前2個月，團隊進行高速切軸裝置運轉調試。試驗中，動力傳動軸需以每分鐘超30000轉運轉。然而，當轉速達到每分鐘29000轉時，顯示屏指示燈突然從綠色轉為紅色報警——振動幅度超過限制值，傳動軸存在斷裂風險。

　　試驗臨近，突發振動超限這一棘手難題，大家的心都懸到了嗓子眼。團隊連夜分析研究，並聯繫多方專家研判，再三論證後，鎖定問題出在傳動軸係過於複雜且偏長。

　　為儘快解決難題，各部門參試人員紛紛從自己負責的環節提出改進思路——

　　“調整軸承支撐佈局，縮短軸係長度。”

　　“完善結構細節設計，降低不平衡量。”

　　“優化連接軸花鍵型面，讓連接部位更加‘天衣無縫’。”

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　　最終，團隊綜合優化改進方案，趕在試驗前解除了軸係振動超限警報。

　　2023年9月的試驗當天，試車台附近交通管制，搶險、救援等隊伍悉數到位。

　　關鍵時刻終於到來，數十雙眼睛緊盯大屏幕。葉片轉速達到極限時，指令下達，傳動軸瞬間切斷，發動機內隨即傳出巨大的“爆炸聲”，有人不自覺地驚叫了一聲。15秒，整個世界仿佛只剩下監控屏幕上跳動的數據和發動機的轟鳴，每個人都體會到了什麼叫“度秒如年”。

　　終於，發動機按照程序正常停車、試驗順利完成，沉寂的現場爆發出雷鳴般的掌聲，團隊創造了我國民用渦軸發動機重大高風險試驗一次成功的新紀錄。

　　找到“冰火平衡”

　　整機包容試驗通過後，研發團隊立即着手準備最後一項高難度考核——結冰試驗。

　　“考核標準非常嚴苛，要求發動機在零下30攝氏度低溫、6000米高空、雲霧環境等數十個典型結冰工況下，保持穩定可靠運行。”李概奇告訴記者，全程不得出現熄火、喘振、結構損傷等影響飛行安全的問題。

　　這場考驗中，AES100將直面“風刀霜劍嚴相逼”。

　　“如果防冰措施不到位，高空雲霧冰晶會被大量吸入發動機內部，高速撞擊、磨損、打壞壓氣機葉片，進而損壞發動機。”AES100主任設計師趙尊盛解釋。

　　為此，團隊在發動機防冰結構設計上下足了功夫，為發動機穿上了兩件“防寒服”：一件是進氣道網罩，在進氣口阻擋高風速冷氣與水滴；另一件是進氣組件熱氣防冰系統，通過管路將壓氣機出口的熱氣引入進氣組件內腔，利用這股熱氣持續加溫結冰通道。

　　但這套系統也有“高昂代價”。“引氣加溫需要佔用發動機部分做功功率，一定程度上會影響整機工作效率。”趙尊盛説，這意味着大家必須在防冰效果和整機運行效率之間做好取捨，找到“冰與火”的最佳平衡點。

　　為了找到熱氣最精簡高效的“行軍路線”，團隊開足馬力進行流—固—熱多學科耦合的倣真計算。回憶起那段日子，趙尊盛坦言，“簡直算得頭暈眼花、昏天黑地”。

　　經過數月持續攻堅，他們最終確定2.8%最優引氣比例，在保障全域防冰效果的前提下，最大限度降低功率損耗，找到防護和運行的最佳“性價比”。

　　彼時，試驗正值冬季。大家穿着特製厚棉襖，仔細觀察發動機結冰後的狀態。在典型明冰試驗場景下，進氣網罩前結出厚達26厘米的巨大冰塊；噴霧裝置製造出的雲霧環境中，發動機恍若在仙境“翱翔”……

　　“結成的冰有時像羽毛，有時又像棉花糖，看著十分有趣，但大家的心始終是懸着的。”趙尊盛説。憑藉“雙重防護服”，發動機始終保持穩定運轉，運行參數一切正常，成功抵禦各類極端結冰工況考驗，填補了國內航空發動機整機結冰適航符合性驗證的空白。

　　“如今，依託AES100核心技術系列化發展的産品，以及衍生的渦槳、混合動力、氫燃料等新型産品，正在穩步推進研製。”李概奇表示，“未來，我們將持續推動AES100迭代升級，拓展應用場景，為我國低空經濟發展、通用航空産業升級提供堅實的國産動力支撐。”（記者 孫 瑜）