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重型运输直升机传动系统构型与技术特点

Configuration and Technical Characteristics of Heavy Helicopter’s Power Transmission System

郑青春 严岳胜 张志龙 孙炫琪     2019年10月18日

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重型运输直升机是指起飞质量大于20t的直升机,它的出现可追溯至20世纪60年代。重型运输直升机用途十分广泛:在军事领域,可在空中机动、全纵深机动作战中大量、机动地运送兵力及重型装备直达战场,也可为海上舰队进行垂直补给;在民用领域,可用于应对各种自然灾害和特殊需要,尤其对于山地、高原等特殊地理环境,重型直升机可以克服地形限制,快速、机动、便利地解决运输、补给、搜救等应急需求问题,能在重大自然灾害中发挥巨大作用。

 

重型运输直升机发展状况


重型运输直升机可以采用多种构型,主要包括单旋翼带尾桨、纵列式双旋翼,以及倾转机翼/旋翼3种类型。国际上目前在役的重型直升机主要有俄罗斯的米-26系列,美国的CH-47系列、CH-53系列以及倾转旋翼机V-22、AW609等。据统计,全世界重型直升机的保有量约为1700架。

 

 

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重型运输直升机构型分类


 

单旋翼带尾桨重型运输直升机


此类直升机主要有米-26、CH-53系列。

 

 

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单旋翼带尾桨重型运输直升机


 

米-26是苏联米里设计局(现米里莫斯科直升机股份公司)研制的重型运输直升机,是现役的载重能力最强的直升机,最大起飞质量达56t。该型直升机于1971年开始研制,1978年2月21日首飞,包括米-26、米-26A、米-26T、米-26M等11种型别,已生产300架左右,并出口到20多个国家和地区。主要用于运送大型军事装备、武器弹药和其他军用物资,也用于森林防火和边远地区的地质勘探开发。


CH-53系列运输直升机由美国西科斯基公司研制,具有多种改进型,其中CH-53E是西方国家研制的尺寸和载荷最大的直升机,最大起飞质量超过30t。该型直升机于1971年开始研制,总交付量为238架,主要装备于美国海军,遂行舰队垂直补给、预警侦察或反潜巡逻等任务。


纵列式双旋翼运输直升机


此类直升机主要为美国CH-47“支奴干”系列直升机,由美国波音公司于1956年开始研制,A型机于1963年开始装备部队,后续又开发出B型、C型、D型、F型等衍生机型,现已销往16个国家和地区,总交付量达1100余架。该运输直升机采用的是纵列式双旋翼结构,剔除了一般直升机采用的带有尾部垂直螺旋桨构型。按美国陆军全天候运输直升机要求设计,可以在极端的高温高原条件下完成运输任务,在美英等国军队中得到了广泛应用。

 

 

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CH-47“支奴干”纵列双翼直升机


 

倾转机翼/旋翼直升机


此类直升机具有多种工作模式:在起降、悬停阶段为典型旋翼机模式;在巡航阶段,可转换为固定翼飞机模式进行高速飞行。其优点是速度更高,缺点是实现起降、悬停至巡航状态转换的技术难度大。根据转换后旋翼的运动状态,转换式高速旋翼机可分为停转式和倾转式两种。典型代表有V-22“鱼鹰”倾转旋翼机、AW609倾转旋翼机。其中V-22“鱼鹰”倾转旋翼机是目前在役的唯一一型倾转旋翼机,最大起飞质量约26t,也属于重型运输直升机范畴,该机于2005年9月开始生产,主要装备于美国海军和空军,用于战场搜索、特种作战和舰队后勤及远距离特种运输。

 

 

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V-22“鱼鹰”倾转旋翼机


 

重型运输直升机传动系统典型构型分析
单旋翼带尾桨构型传动系统


单旋翼带尾桨构型传动系统结构相对简单,是一种经典的直升机传动系统构型。直升机升力仅由主旋翼提供,尾旋翼仅平衡直升机反扭矩。其传动系统一般采用“两轴三器”结构,由主减速器、中间减速器、尾减速器、动力轴、尾轴组成一个完整的传动系统,部分直升机还会在主减速器和发动机之间安装一级头部减速器进行减速换向。对于这种单旋翼带尾桨构型传动系统,发动机功率主要传递给主减速器,由主减速器实现大功率、大转速比传动,主减速器的设计是这类构型设计的关键。为满足主减速器的大功率流、大转速比,并实现航空减速器所需要开展的减轻质量设计要求,主减速器一般须采用分扭传动,将发动机传递的功率通过分流再并车。单旋翼带尾桨构型传动系统的典型机型为米-26直升机主减速器和CH-53K直升机主减速器。


米-26直升机传动系统由两台发动机提供动力,每台发动机动力均为3级减速传动实现功率流、转速比传递。发动机动力经第一级螺旋锥齿轮副换向减速后分成两路功率流,再经两路斜齿轮功率分流减速,到第三级时再由斜齿轮并车。并车齿轮为双联斜齿轮,每层有8个小齿轮与中心齿轮相啮合。所有齿轮系统间均采用空心的浮动弹性花键轴连接和均载,以保证扭矩分流的均匀性。由于输入功率大,米-26直升机的主减速器放弃了传统的行星传动结构,首次采用了分扭传动结构。这种结构的设计特点是可以实现最后一级减速的大传动比,从而大大减轻主减速器的设计质量。

 

 

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米-26直升机主减速器传动链示意图


 

CH-53K直升机传动系统则是在CH-53E的基础上重新设计了传动系统,发动机由原来的2台增加为3台,传动系统在保持原来输入/输出转速和转向不变的情况下,取消CH-53E的两个头部减速器,主减速器则用分扭传动构型替换了原有传统的行星轮系结构,由第一级螺旋锥齿轮进行换向减速,第二级经直齿轮分流减速,每一台发动机的功率分为4路传递,并设计有弹性轴结构实现各类功率的均载,最后再由第三级人字齿轮副实现并车减速,将功率传递至主旋翼系统。这种设计结构同米-26直升机的主减速器一样,均在最后一级减速实现了大传动比设计,从而大大减轻主减速器的设计质量。


纵列式双旋翼构型传动系统


纵列式双旋翼直升机在机身前后各设计有一个旋翼塔座,两副相同的旋翼分别安装在两个塔座上,对旋翼旋转方向进行反向设置,实现直升机旋翼反作用扭矩的相互平衡。纵列式双旋翼直升机典型机型为CH-47D,该直升机采用两台发动机提供动力,其传动系统可从功能上划分成头部减速器、并车减速器、前主减速器和后主减速器等,各减速器间由传动轴相连接进行运动和动力的传动。两路发动机动力经各动力轴、头部减速器换向和减速后,由并车减速器实现左/右发动机的功率流汇流,再通过同步轴驱动前/后主减速器,在前/后主减速器中均设计有3级减速传动,包括经一级锥齿轮换向减速和两级行星减速后,将动力传递至前/后旋翼系统。

 

 

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CH-47D直升机传动系统结构示意图


 

倾转旋翼构型传动系统


倾转旋翼构型传动系统主要由左/右发动机、左/右旋翼减速器、左/右倾转减速器、中间机翼减速器以及塔轴、机翼传动轴等组成。倾转方案通过发动机、减速器与旋翼一同绕机翼传动轴倾转,倾转运动则由一对螺旋锥齿轮实现。为抵消反扭矩效应,在旋翼减速器中通过增加惰轮结构实现转向的改变,从而在发动机输出转速相同的情况下使旋翼获得方向相反的转速。V-22倾转旋翼直升机和AW609倾转旋翼直升机传动系统构型布局相似,其中V-22旋翼减速器采用3级减速传动,包括一级斜齿轮传动和两级行星齿轮系传动。AW609旋翼减速器同样由3级减速传动组成,只是前两级为人字齿轮传动减速,第三级为行星齿轮传动减速。

 

 

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V-22“鱼鹰”倾转旋翼传动系统


 

重型运输直升机传动系统技术特点
减速器采用多路分扭传动


因重型运输直升机传动系统起飞质量大,对传动系统功率传输能力要求高。同时受结构空间和质量限制,传动系统须尽可能减少结构尺寸、减轻结构质量,为满足这一要求,在主要的重型传动系统中普遍采用分扭传动,如米-26、CH-53K采用的是斜齿轮或人字齿轮分扭传动,CH-47D、V-22、AW609中采用的是行星齿轮传动。分扭传动设计技术较为复杂,在各路功率流间如何实现均匀分配,须设计有效的均载结构。


减速器须满足大姿态倾转要求


大姿态倾转是倾转旋翼传动系统所独有的技术特点,不同于常规构型直升机的大姿态机动,其工作姿态范围在0°~90°。因此,相较于常规的直升机主减速器润滑系统,倾转减速器滑油油位随姿态变化幅度更大,回油路径数量更多、更复杂,油池内滑油分布和不同位置处回油速率受多种因素影响。而且当润滑系统的参数不匹配时或回油不畅时,容易导致滑油压力和流量随姿态大幅度波动,甚至出现断油现象。


减速器须承受大功率载荷下的干运转


因为没有冗余结构设计,传动系统的失效将直接影响到直升机的生存。在润滑系统失效的情况下,传动系统主减速器将会进入干运转状态,齿轮、轴承等摩擦副将迅速产生大量热量引起零部件热变形,从而导致减速器运转失效。重型直升机传动系统的传递功率大,在滑油系统失效条件下工作环境将更加恶劣,为保证滑油系统失效后减速器仍具备30min的干运转能力所需的技术难度更大,须从润滑、储油构型、齿轮轴承耐高温能力等方面采用更有利于提高干运转能力的措施。


功率传递路径多


功率传递路径多是倾转旋翼传动系统所独有的技术特点,对于单旋翼带尾桨构型和纵列式双旋翼构型直升机传动系统,发动机动力经并车后只需分别单向传递至两侧主旋翼或尾桨,而倾转旋翼传动系统则必须具有功能及结构复杂的互联传动系统,须将直升机两侧动力连接或将动力均匀传递起来,满足功率的双向传递,使之在双发工况、单发失效工况下均能正常运转。


构件尺寸大、结构复杂


重型运输直升机由于传递功率大,结构载荷复杂,相比其他中型、轻型直升机传动系统零部件结构的尺寸大,结构力学指标要求高,对设计、工艺、生产、检验等要求也更高,同时部分零部件尺寸会超出航空制造企业的制造能力范围。

 

结束语


传动系统作为直升机的三大关键动部件之一,研制技术复杂,难度大。同时传动系统还具有单机配套的特点,受直升机整体布局影响大,随着重型运输直升机采用的构型不同,对应的传动系统也会存在差异。但通过对比分析,仍可找出一些共性的或专有的技术特点,并可从这些技术特点出发,为重型直升机传动系统的研发提供技术储备。


(郑青春,中国航发动研所,工程师,主要从事直升机传动系统设计)


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