国产涡桨发动机的发展方向剖析

2018 年 9 月 26 日 无人机

导读：自中国第一台涡轮螺旋桨发动机——WJ5于1965年试制成功以来，国产涡桨发动机历经风风雨雨快40余年，发动机的研制和生产技术取得了巨大的进步。纵观我国航空器的设计和研发基本都走同样的路线：引进—仿制—吸收—改进—自主研发的过程，航空发动机当然也不例外。至今已经形成了涡桨5、涡桨6、涡桨9等一系列涡轮螺旋桨发动机，在国产运-7、运-8和运-12等运输机上广泛运用，笔者从我国现有的技术水平和飞机生产需求方面分析国产涡桨发动机的发展趋势。

涡桨-6系列发动机是我国涡轮螺旋桨发动机的典型代表，是中国株洲南方航空动力公司生产，现已经诞生出WJ6、WJ6C、WJ6D、WJ6E等多个型号，在我国某型飞机上装备，其单台功率达到4250当量马力，是我国目前生产的功率最大的涡轮螺旋桨航空发动机。

涡桨-5发动机是我国涡桨发动机的另一代表，由哈尔滨120厂生产，衍生出WJ5、WJ5A、WJ5B、WJ5AI和WJ5E等系列型号，主要装备于我国Y-7型系列飞机和SH-5型飞机上，单台可达2790当量马力。

涡桨-9发动机是株洲南方航空动力公司在原涡轴8A基础上改型而来，用于国产Y12飞机，代替进口的加普惠PT-6A型发动机，输出功率约为500kw。

随着飞机改型研发的不断深入，对发动机提出的要求也不断增加，如：要求提供更多供电输出，提升起飞功率，降低油耗，提高可靠性，提高“三防”性能，满足未来电传集成要求等等，对国产发动机提出了更高要求，促使发动机跟进改型。

我国的Y7系列飞机和SH5型号飞机使用WJ5系列型号发动机，新舟60系列飞机和Y12飞机则是我国的出口型飞机，它们分别采用加普惠公司的PW-127J发动机和PT6A-27型发动机，是国外涡桨发动机在国产飞机上的应用代表。纵观国外航空发动机发展过程和我国涡桨发动机的现状，飞机发展的需要，很容易发现国产发动机的特点，看出国产涡桨发动机的发展必然趋势。

1.涡桨型航空发动机必然长期存在

众所周知，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率高于涡扇发动机和喷气式发动机，在中低速飞机中有广泛的需求，如在巡逻、灭火等方面有广泛运用。

其次，涡桨发动机安全性高，对飞行场地要求相对较低，成本低。在小型客机，私人飞机、公务机、农业飞机和多用途飞机上有广泛运用。

从历史来看，从上世纪60年代以来，涡扇型飞机的研制和发展突飞猛进，在航空器中占的比例不断增加，但是螺旋桨飞机仍然占有一席之地，因为上述原因，随着经济的发达，低空的开放，涡桨发动机在飞机上的运用大有扩张之势。美国的军用运输机C-130一直在不断发展和升级该型，涡桨发动机在该机型中的成功使用的事实证明，尽管涡桨发动机存在推力有限、飞行速度有限等因素制约，它的众多优点是其他类型发动机不可替代的，涡桨发动机必将长期存在。

2.国产发动机的特点

典型国产涡桨发动机的特点。

2.1WJ-6系列高空涡轮螺旋桨发动机

WJ-6发动机是高空涡轮螺旋桨发动机，发动机在大气温度从-60℃至+55℃范围内正常工作，飞行高度达10000米，与四叶变距空气螺旋桨J17-G13配套工作，作为飞机动力源。

结构上主要组成如下：

a.2级封闭差动游星式减速器

b.附件传动机匣

c.十级轴流式压气机

d.机械液压式燃油调节器

e.环形燃烧室

f.三级反应式涡轮

g.不可调节的尾喷口

h.其它保证发动机和飞机正常工作的附件

WJ-6经过改进发展到WJ-6C，功率在不断提升，使飞机的使起飞、爬升等能力均有一定的提高。

2.2涡桨5系列发动机

我国的Y7系列飞机和SH5型号飞机安装的也是涡轮螺旋桨发动机——WJ5，国产涡桨5发动机与WJ6结构基本相同，2级减速器(差动油星式1级，轴式1级)，附件机匣内外锥体之间形成进气道，燃烧室采用混合式环形火焰筒，3级反作用涡轮，不可调尾喷等。

总的来说，国产中小型运输机主要安装的发动机均为涡轮螺旋桨发动机，涡桨发动机结构上显得厚、重，附件多，安装和维护工作量大，出现在外场维护中需要拆装一个细小东西时往往需要拆装一大堆附件管路等现象，燃油调节都采用液压机械式，在高原、高寒、高温地区起动困难，使用寿命相对欧美同类产品短。

3.涡桨发动机的发展方向

3.1单转子向多转子发展

WJ-6系列发动机压气机是单转子的十级轴流式亚音速压气机，由转子﹑静子和进气导向器三部分组成。涡轮为三级轴流反力式，由转子和静子组成。压气机转子和涡轮转子共用一根轴，工作转速12300r/min，由双级封闭差动游星减速器将轴转速减为螺旋桨工作转速1074r/min。为保证发动机启动和加速时的稳定工作，防止喘振，在第五和第八级压气机各装有两个放气活门。它的主要缺点是：启动时启动机需带动压气机和涡轮同步工作，所带载荷大，启动困难。十级压气机增压比为9.2，增压比低。转速有工作转速12300r/min和慢车转速10400r/min，经双级封闭差动游星减速器减速后螺旋桨转速仍较高，造成发动机工作时噪音大。

WJ-6发动机防止“喘振”办法就是采用放气方法，就是在压气机某级区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。中间级放气防喘结构简单，有利于压气机在低转速下工作稳定，但使压气机增压比下降，降低功率输出。

单转子带来的固有缺陷主要有：(1)起动负荷大，启动困难；(2)必须设置压气机放气调整装置，在大气环境变化较大和起动过程中容易造成喘振；(3)发动机尺寸大，推重比小等。

多转子发动机启动时启动机只带动高压涡轮，载荷低，易于启动。典型的代表为加普惠的发动机PW150B型发动机。多转子发动机转速可调，发动机地面小油门状态时，螺旋桨转速低，噪音也就比单轴的低，低转速的低压压气机轴前端与减速器相连，可以使减速器的传动比较单轴的降低。

国外先进涡桨发动机核心机普偏采用多转子，压气机静子叶片可调的设计。而双转子和三转子的多转子设计是通过改变转子转速，改变压气机动片的切线速度来改变工作叶轮进口处气流相对速度的方向而达到防喘目的。这样它就不需要放气气活门。

国内发动机要向前进一步，必须向多转子方向发展。

3.2压气机向轴流式与离心式组合发展

涡桨发动机要求压气机具有高的总增压比，以获得高的热效率和单位功率。随着增压比的不断提高，压气机的结构形式也由最初的纯轴流式转变成目前大量采用的若干级轴流加一级离心的组合式压气机。轴流压气机级数的增加使得压气机后几级的"尺寸效应"愈加明显，气流损失增大，气动性能显著下降。由于离心压气机的转子结构刚性更好、抗外物能力更强，尺寸效应对离心压气机的影响小，因此用它来取代后面的轴流压气机是有利的，在极小尺寸情况下，有必要采用离心压气机系统。加普惠PW150A就采用的这种设计，如图1所示。

图1PW150A压气机简图

PW150型发动机采用轴流式和离心式的组合压气机，结构紧凑，压气效率高，是航空发动机设计的典型成功之作。

国产发动机可以从中获取更多设计灵感，在尺寸有限的条件下提高推重比，提高压气效率。

3.3高温材料的应用及回流环形燃烧室的设计

随着发动机性能的不断提高，要求燃烧室的进口温度和通过燃烧室的温升相应提高。由于热燃气温度正在接近涡轮材料的温度极限点，保持均匀燃烧显得尤为重要。这就需要采用具有大调节比系数的新型燃油喷嘴，以得到均匀的周向和径向温度分布系数。而更高的燃烧温度和更大的高压热辐射将使燃烧室火焰筒承受更大的热载荷，同时，由于更多的气流用于燃烧，导致用于冷却的气流减少，而且进口气流温度的升高降低了冷却气流的吸热能力，这都使得传统的火焰筒冷却技术不再有效，改进火焰筒的冷却和研究更耐热的材料已经势在必行。

提高涡桨发动机涡轮进口温度的方法主要有以下两种：一是寻求耐高温材料；二是采用涡轮冷却技术。在采用新材料方面，目前，单晶材料已广泛使用，下一步工作是研究防氧化与腐蚀的金属和陶瓷涂层。

燃烧室多采用回流环形燃烧室。

近年来，国外已经把研究新型喷嘴和改进火焰筒的冷却作为提高小型燃气涡轮发动机燃烧室性能的研究重点。燃烧室多采用回流环形燃烧室是一种燃烧室发展方向，即喷嘴方向不是指向涡轮方向，而是指向飞行航向，燃气在燃烧室内向前回流一定量后再向后流动继续充分燃烧后流向涡轮。这种结构设使得点火更加容易，燃烧尺寸更加紧凑短小，冷却更加充分，有利于提高发动机寿命和推重比。如PW150B型发动机就是这样的设计。

3.4燃油的控制由液压机械式向电子调节发展

随着计算机和自动化技术在航空上的应用，现在的飞机都向着数字化、智能化方向发展，电传的普遍应用，要求发动机必须实现全功能数字控制。液压机械式已不能满足要求，进一步的发展需采用电子控制和全功能数字电子控制。

监控型电子控制是作为从液压机械式控制向数字电子控制的过渡产品，它是在原有的液压机械式控制的基础上，再增加一个发动机电子控制器(EEC)，二者共同实施对发动机的控制。监控型电子控制如果发现EEC有故障，可以冻结调准在当时位置，同时通知驾驶员。驾驶员可以使EEC退出工作，由液压机械式控制器恢复全部控制。

监控型电子控制再往下发展就是全功能数字电子控制(FADEC)。它是当今动力控制装置的发展方向，它使航空发动机控制技术﹑控制精度﹑控制范围﹑科学维护使用方面达到新的水平。FADEC即全功能数字电子控制系统包括发动机电子控制器(EEC)或电子控制组件(ECU)﹑燃油计量装置(FMU)或液压机械装置(HMU)﹑传感器﹑作动器﹑活门﹑发电机和互联电缆等。其中发动机电子控制器(EEC)或电子控制组件(ECU)是它的核心。

机械装置已不再具有计算功能，FADEC所有的控制计算由计算机进行，可以进行复杂计算，通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门﹑作动器等，能够实现各个部件的最佳控制。FADEC是容错系统，余度控制。

现代飞机上，发动机性能参数由飞机计算机系统自动采集记录，例如QRT，ACARS等。采集的数据输入计算机，由发动机状态监视软件(ECM)进行分析。各发动机生产厂家都有自己的发动机状态监视软件。普惠公司的有ECMⅡ和EHM，通用电气公司的有ADEPT和SAGE。ECM帮助识别发动机的故障，依据各种数据对发动机进行健康管理。只有全电子控制系统才能满足现代飞机的需要。

WJ-6系列发动机燃油控制器为液压机械式，为传统控制方式，它的供油量计算是由凸轮杠杆滚轮弹簧活门等机械元件组合实现的。

至今，WJ-6系列发动机显示组件由过去的表盘指针﹑灯光信号型发展到发动机指示及机组告警系统EICAS，较过去取得了很大的进步。它可以实时显示发动机各个参数，对重要参数进行记录，帮助机务人员对发动机进行故障分析。

国产发动机的发展方向，要向数字化、自动化方向发展，燃油调节器必须向电传方向更进一步。

3.5发动机向桨扇型发展

现在的运输机要求更高的舒适度，要求噪声更低、效率更高、发动机推力更大。同时必须达到现在民航的标准，取得相应的民航资格证，就能在世界范围内提高产品的生存能力，提高市场竞争力。

当运输机要求增加载重量时，必须提高飞机的起飞重量，必须增加发动机的推力，同时，为了开拓市场，提高竞争力，使一种机型达到军民两用标准，必须降低飞机噪音等，因此要求高效率、低噪声的发动机与之匹配。

现有的涡桨发动机已不能适应各型号飞机的需求，采用涡扇发动机或者桨扇发动机成为发展趋势，涡扇发动机经证明可以很好的降低噪声，飞机在中高速飞行中比较经济，对提高飞机的飞行速度十分有益。桨扇型发动机是现在各国正在加紧研发的新型发动机，它不但有很好的低速性能，而且具有涡扇发动机的高空性能，比装涡轮风扇发动机的飞机省油25%-40%，是目前国际上研发方向之一，前苏联生产的an-70就是很好的例子，但是仅生产了一架飞机，某些技术还需验证。

3.6通过“核心机”衍生其他机型

发动机的研制，需要投入大量的经费和时间，重新研制一种新型的发动机周期长，难度大，可能会出现众多难以预计的故障和屏障。

在一种成熟的核心机的基础上，通过局部改变，衍生成新型的发动机，满足客户的特定需求，是一种成功的发展之路。

国外加普惠公司PT6A型发动机做法：功率范围从500～2000当量马力，60多种不同型号，在小型客机，通用航空飞机、公务机、农业飞机和多用途飞机上广泛运用。

通用电气公司CFM系列产品做法：从一个基本型，衍生出CFM56-2，-3B1，-5A1，-5B1，-7B20、-7B27等众多机型。

国内南方航空动力公司的涡桨6系列发动机做法：核心机不变，改变燃油量，提高涡轮前温度，改变传动及附件，形成新的机型。

科技无国界，行路看前车，我国的涡桨发动机应该在一种可靠的核心机基础上，不断发展，形成新的发动机，满足不同飞机的需求。立足国情，慎思笃行，学以致用。提炼和升华自身产业技术，聚满天星成一团火，集点滴成大海，加强行业交流，相互促进，国产发动机必然获得成功。

作者丨中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司试飞厂刘新建

来源丨两机动力控制、科研发展