直升机变转速传动技术的发展需求和现状

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1、钐论坛FORUM直升机变转速传动技术的发展需求和现状李昊1。陈晖2(1．中国航空工业发展研究中心，北京100029；2．中航工业直升机设计研究所，天津300071)【摘要】简要分析了直升机的发展，特别是高速旋翼机对于变转速传动系统技术的需求，介绍了技术发展历程及在型号上应用的情况；阐述了"-3前研究的几种变转速传动系统技术方案的构型和原理，包括NASA的LCTR2传动系统方案，以及西科斯基公司和贝尔公司的几个方案；最后，文章对变转速传动系统技术的发展前景做出了展望。关键词：变转速传动系统；直升机传动系统；LCTR2DOI：10．16080／j．iss

2、nl671—833x．2016．08．046李昊中国航空工业发展研究中心工程师。主要从事直升机技术、型号、市场等领域情报研究。在直升机技术的发展初期，由于设计、计算工具的不发达，将直升机旋翼转速设定为固定值成为普遍的做法。尽管会导致旋翼的气动特性在一些状态下无法达到最优，但由于能够显著减少直升机气动特性和动力学特性设计时的工作量，降低设计46航空制造技术·2016年第8期难度和简化设计流程，因此在很长一段时间内被普遍采用。然而，随着直升机飞行速度的逐渐提高，悬停状态与高速前飞状态下旋翼的气动环境差别越来越大，气动性能最优的转速差距也就随之增大，固定转

3、速的方式越来越难以兼顾悬停和高速飞行两种状态下的气动性能。并且，由于直升机设计方法、工具，尤其是各种计算机辅助设计软件CFD、CSD等的快速发展，固定旋翼转速在工作难度、工作量等方面带来的困难与在性能方面带来的损失相比开始逐渐减小。20世纪90年代初，变转速旋翼开始得到发展，空客直升机公司(原欧直公司)研制的ECl35就使用了可变转速主旋翼，悬停时旋翼转速比前飞状态可提高3％。美国的Frontier公司开发的A160T“蜂鸟”无人直升机，为了满足美国陆军长航时无人侦查能力的需求引人了类似的技术，即“优化转速旋翼”(OSR)技术，该技术采用2速主减速器

4、，根据飞行状态调节旋翼转速在50％和100％转速之间切换，结合其他一些技术改进，A160T的续航时间突破了20h。从20世纪末、21世纪初开始，高速旋翼机技术得到了飞速的发展，出现了一系列新的型号，如西科斯基公司X2／S一97／SB>1、贝尔／波音公司V一22、贝尔／阿古斯塔·韦斯特兰公司AW609、空客直升机公司X3等。高速旋翼机飞行速度高，导致其在不同飞行速度或飞行模式下气动效率最优的旋翼转速的需求变化较大，成为变转速旋翼技术发展的直接推动力。如复合推力构型在高速前飞时需降低转速以避免前行桨叶产生激波，而倾转旋翼机则是由于直升机模式和固定翼模式的

5、工作原理不同，对转速的需求也有所区别，如NASA正在开发的“大型民用倾转旋翼机2”(LCTR2)的基线方案中，悬停状态和巡航状态的最优工作转速分别为627r／min和338r／min⋯。因此，若使用常规直升机的固定旋翼转速的设计，其性能损失将大得难以接受，因此变转速旋翼就成为必然选择。不同构型的旋翼机对于转速的需求范围也有所区别。倾转旋翼机由于两种状态下工作模式不同，需求的转速变化范围最大，如XV一15在固定翼模式下旋翼转速比旋翼机模式下降低了约17％(由400r／min降至333r／min)，V一22也继承了这一特点，转速变化范围约为16％(由39

6、7r／min降至333r／min)，而NASALCTR2的转速更是达到了46％【21(见上文)；复合推力高速直升机构型的旋翼转速变化约为15％一20％，如西科斯基公司X2为19％(由446r／min降至360r／min)，空客直升机公司(原欧直公司)X3则为15％左右，并且随着最大飞行速度的提高，这一范围还会扩大；而对于常规构型直升机来说，由于最大飞行速度的限制，其转速变化需求则应在10％左右即可同时满足悬停和最大速度前飞状态下的气动性能最优化。目前，变转速旋翼可通过3种方式实现，一是通过控制系统改变发动机的转速，从而改变输出转速；二是通过调整发动机

7、动力涡轮迎角或其他几何参数，在不改变核心机工作状态情况下改变动力涡轮的输出转速；三是改变传动系统的减速比。第一种方案已投人应用，ECl35、ECl45均采用了这一技术，但由于发动机工作转速相对固定，变化过大会对发动机效率有较大影响，因此这种方式能够改变的转速范围较小，如ECl35的转速变化范围仅有3％。第二种方案能够保证发动机工作效率，但由于需在发动机内部加装各种控制机构，技术难度相对较大，对发动机的重量特性也有较大影响，自20世纪90年代至今尚未有可行性较高的成熟方案，一直停留在理论阶段。因此，第三种，即改变传动系统减速比的方案就成为了性价比最高的

8、解决方案，NASA、西科斯基公司、贝尔公司等多个主要直升机制造商和航空研究机构都开展了相关的研究。LCTR2