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T901赢得美国陆军主役直升机换发项目

GE's T901 Wins U.S. Army's Improved Turbine Engine Program

刘博维     2019年04月18日

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项目背景


UH-60“黑鹰”武装直升机和AH-64“阿帕奇”攻击直升机是美国陆军的主力装备。随着服役年限的增加,越来越多的新装甲、弹药和航空电子设备被添加到机体中,这些直升机的质量在不断增加,虽然提供了更高的生存能力和性能,但却牺牲了有效载荷和机动性。为了尽快提升这两种直升机的作战能力,美国陆军航空应用技术理事会从2007年开始发起“先进经济可承受涡轮发动机”(AATE)计划(2007—2015年)和“改进涡轮发动机项目”(ITEP)(2012—2024年),以尽快实现直升机换发,并为“未来垂直起降飞行器”(FVL)动力系统提供技术储备。ITEP的目标是提供与T700-701D尺寸相同的替代品,功率输出要从T700的1471kW提高50%至2240kW,耗油率降低25%,功重比提高65%,设计寿命提高20%,生产和维修成本均降低35%,且在更高温度、更高海拔下保持高水平性能。预计,ITEP的低速率初始生产发动机将在2022—2023年下线,2027年达到全速生产能力,最终的订单量可能会超过6200台。

 

HPW3000和GE3000的竞争


在AATE计划中,并行开展了两个演示验证发动机项目,一个是GE公司的GE3000,另一个是霍尼韦尔与普惠合资的ATEC公司的HPW3000。GE公司和ATEC公司须在预先研究阶段为未来的ITEP发动机进行技术验证,由美国陆军航空应用技术理事会对两种验证机的初步设计、详细设计和关键技术进行评审。ITEP则延续了这种竞争模式——在美国陆军采购策略的指引下,在两种不同技术特征和结构布局的候选发动机T901(前身为GE3000验证机)和T900(前身为HPW3000验证机)之间展开竞争,通过全面评估,最终选择一型发动机进入工程和制造发展(EMD)阶段。这种竞争方式促使参标公司竭力实现发动机技术和成本的优化,以满足美国陆军对新型发动机的苛刻要求,同时驱动其自身不断提升管理和技术水平,保持持续的技术创新动力。


表1  GE3000和HPW3000发动机技术研究进展

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2019年2月,GE公司获得美国陆军授予的一份总金额为5.17亿美元的EMD阶段合同。在前期的计划实施中,美军分别拨款给GE公司1.02亿美元和ATEC公司1.54亿美元用于制造68台发动机,通过这些发动机的对比测试,最终GE公司T901-GE-900发动机综合表现更好;ATEC公司虽然没有得到最后的合同,却获得资金进行了大量的先进技术研发和前沿工程经验积累。


GE公司按照EMD阶段合同规定,被要求在2024年8月1日前完成T901涡轴发动机的研制工作,并提供小批量样机。在获得合同的同时,美国陆军已从2019财年的研究、发展、试验与鉴定(RDT&E)经费中拨付了1.3亿美元用于T901的研制工作。GE公司航空军事业务总裁兼首席执行官托尼·马西斯表示:“我们已经投入资源和基础设施为研制工作提供保障,将立即开展研制工作,为军方提供达到要求的T901。”


ATEC公司则向美国政府问责署(GAO)提出申诉请求,认为其方案技术风险低,且成本低于美陆军的预期。ATEC公司表示其双轴设计与GE的单轴设计方案相比,功率提升10%,耗油率降低3%~4%。

 

T901发动机设计特点


T901发动机计划执行董事罗恩·哈特(Ron Hutter)表示,T901在满足ITEP的性能要求的同时,保留了T700完整的模块化设计和更高可靠性的单转子结构, 除了先进的设计和硬件外,T901还具有最新的模块化诊断和预测工具,能够更加灵活地在最低全生命周期成本下提高美国陆军的战备水平。上述特点使得UH-60“黑鹰”和AH-64“阿帕奇”直升机能够在海拔更高、更加炎热的环境中使用。


单轴设计


相比T900发动机采用的双轴设计,T901发动机的单轴设计结构更加简单,成本较低、质量较轻、可靠性较高、维修性好,但缺点是燃烧效率较低,因此耗油率相对较高。


作为T901发动机设计的关键之一,单轴结构意味着压气机和燃气发生器中的所有旋转部件在一个轴上,并以相同的速度旋转,具有灵活的模块化结构,拆装简单。相比之下,双轴结构是将压气机分成两个独立旋转的高、低压转子,并分别由独立的高、低压涡轮驱动。由于多了一个轴,所以需要更多的零件,这些都增加了发动机的质量和复杂性,使得拆卸难度更大,维修成本更高;质量的增加会使直升机性能降低,有效载荷减少,同时将这种发动机整合到飞机中也会带来更大的挑战。


单元体设计


T901发动机的单轴设计可实现完全模块化、部件更少、设计更简单,从而使T901更可靠、更易于维修、维修成本更低。完全单元体设计通过对发动机单元体的逐步改进,以较低的成本提高了发动机性能。


战场上的突发事件时有发生,因此快速恢复战斗能力至关重要。T901的单元体设计使维修人员能够在现场拆解,清洗或修理发动机并重新组装发动机,所有这些都只需质量较轻的备用单元体便可完成。这意味着T901可以减少对作战供应链的依赖,以及减少敌人对后勤保障实施攻击的机会。


增材制造


GE公司凭借在先进涡桨发动机(ATP)、LEAP和GE9X发动机上积累的增材制造技术经验,在T901发动机上也采用了大量的增材制造零部件。这些增材制造零部件质量更轻、性能更高、构型更复杂且更加耐用。例如,将T901上装配在一起的51个零件打印成一个部件,质量减轻了20%。


陶瓷基复合材料(CMC)组件


T901发动机中采用陶瓷基复合材料(CMC)部件,以提高性能并减轻质量。这些部件能够降低热端部件对冷却空气的需求,从而以不同于增材制造部件的方式提高效率。增材制造组件和陶瓷基复合材料等创新技术将有助于T901达到或超过陆军的“苛刻的性能要求”。


先进冷却技术


先进冷却技术有利于实现更低的金属温度,降低排放,减少T901发动机维持相同发动机温度时所需的冷却空气量,从而输出更大功率并显著提高燃油效率,以提高T901的性能。


耐沙技术


UH-60和AH-64直升机可能在各种恶劣的战场条件下飞行,比如沙漠地区。T901发动机采用新型进口粒子分离器可减少沙石摄入量和总压损失,减少涡轮机械部件的磨损,并显著提高了发动机在翼使用时间。T901运用的其他耐沙技术还包括:改进防腐蚀技术、采用坚固耐用的压气机和流通能力较强的冷却孔尺寸。


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T700和T901的外部尺寸对比

   

换发前后性能对比


T901发动机相比传统涡轴发动机具有以下几点优势:更长的航程以提供更多直升机战术的选择;更大的有效载荷能够迅速进行大规模战斗;更长的留空时间;增强机动性以提高生存能力;改进低空性能,扩大飞行员战术选择空间和安全边际。T901的大规模运用,会为美军更远期的发动机提供扎实的基础。


安装T901发动机后,UH-60直升机载重量提高150%、航程增加161%;AH-64的留空时间增加133%、作战半径增加115%。最终,UH-60直升机可多搭载10名士兵和93枚105mm炮弹,而AH-64在作战空域的滞留时间可增加79min。


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UH-60和AH-64采用T700和T901的性能对比(高度2743.2m、 温度35℃)

  

结束语


过去40年,GE公司通过T700发动机为UH-60和AH-64提供动力,积累了超过1亿小时的飞行经验。通过不断的升级和技术进步,T901发动机符合所有ITEP要求,零件更少,设计更简单,技术更可靠。凭借此款发动机,GE公司或将帮助美国陆军进入旋翼航空的新时代。


(刘博维,中国航发研究院,工程师,从事航空发动机科技情报工作)


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