渦槳飛機動力系統發展趨勢

楊百平

(中航飛機研發中心,陜西西安 710089)

渦槳飛機動力系統發展趨勢

楊百平

(中航飛機研發中心,陜西西安 710089)

自第一臺渦槳發動機研制成功,至今已有70年發展歷程。從戰斗機到民用機,渦槳飛機都體現了它不可替代的重要作用。本文通過分析、對比國內外渦槳飛機動力系統的發展歷史及發展現狀,整理出成功的發展經驗及對未來渦槳飛機動力系統的發展趨勢做出展望,以此為我國渦槳發動機的發展及航空發動機產業的快速發展提供理論參考。

渦槳飛機動力系統 渦槳發動機 發展歷史 發展趨勢

從20世紀60年代后期開始，隨著渦扇發動機的迅猛發展，渦槳發動機在大型遠程民用客機和運輸機上逐步被大涵道比渦扇發動機取代，但是由于渦槳發動機的諸多優點：如在低速情況下，其效率遠高于渦扇發動機和噴氣式發動機，安全性高、對飛機場要求低、成本低等，所以仍然在中小型運輸機和通用飛機上得到廣泛應用。尤其是近年來，由于油價飆升，渦槳飛機的經濟性更突出其優勢，同時，隨著渦槳飛機動力系統的設計、制造技術水平的發展，渦槳飛機在高亞聲速飛行時的推進效率大大提高，重新受到軍用及民用市場的青睞，得到了進一步的長足發展。

1 基本概念和特點

1.1 基本概念

目前，飛機主要動力有三類渦槳式、渦輪噴氣式及渦輪螺旋槳式。這三類發動機原理及技術平臺大致相同，均是靠燃氣推動渦輪葉片使空氣加壓燃燒，其主要區別在于推力產生的方式不同。渦槳發動機的主要功率輸出方式為螺旋槳的軸功率，而尾部管噴出的燃氣推力極小，只占總推力的5%左右，為了驅動大功率的螺旋槳，渦輪級數一般為2-6級。 渦槳飛機的航速一般小于900Km/h，普遍應用于支線飛機及通用飛機領域(ATR、龐巴迪、新舟系列等)。渦槳飛機的動力系統分為兩部分：發動機和螺旋槳，螺旋槳包括槳葉、槳轂、防冰系統和操縱系統。渦槳發動機如圖1所示。

1.2 特點和優勢

燃油消耗率低：適用于中速長距離飛行。旅客機、運輸機、海岸巡邏機和反潛機大多為渦輪螺旋槳飛機。渦槳發動機相比渦噴渦扇壽命長：運輸機飛行狀態平穩，不做特技飛行，且起降次數少，多用渦槳發動機的巡航狀態，因而其零部件的應力變化頻率小，不易出現疲勞損傷。如阿依-20M渦槳發動機翻修壽命為4000多小時，而渦噴-13僅為200小時，AL-311F僅為300小時。更為環保：其有較低的燃氣排放溫度可以大幅度的降低產生，及減小噪聲排放、紅外線輻射。此外渦槳式民用飛機與渦扇飛機相比，更為經濟，安全。渦槳發動機結構簡單，易于制造與維護；在使用方面，在500-600公里航線上，渦槳飛機每座運營成本比渦噴飛機低35%。除此之外，渦槳飛機不但可以在標準的水泥跑道上起降外，還能在土跑道，砂石跑道、草地機場及有雪覆蓋的跑道上起降，更為安全可靠。

圖1 渦槳發動機原理示意圖

2 我國渦槳發動機發展歷史

中國渦槳發動機的研制是從測繪仿制開始。1965年株洲航空發動機廠開始試制WJ5(仿AN-24)，其起飛當量功率1874kW，1年后完成100h試車，1968年轉由哈爾濱航空發動機廠繼續研制，在1977年1 月定型，投入批生產。后來哈爾濱航空發動機廠又與沈陽發動機設計研究所等單位合作，在WJ5發動機基礎上改進改型，設計出WJ5甲發動機，在1980年1月設計定型，起飛功率提高到2315kW，裝在四發飛機水轟5上。在WJ5甲發動機基礎上又改型WJ5甲Ⅰ，以滿足支線客機Y7的需求 。

與WJ5發動機研制同時，海軍于1969年8月提出研制渦槳型發動機作為水轟5(SH-5)飛機動力裝置的任務。經論證，決定在WJ5發動機基礎上重新設計渦輪部件，改型后的發動機編號為渦槳5甲(WJ5A)，起飛狀態的當量功率提高442kW。1978年通過設計定型鑒定試驗，次年完成發動機性能試飛，1980年初經航定委批準WJ5A發動機設計定型，裝用WJ5A發動機的SH-5飛機于1985年投入使用。研制階段生產了10臺發動機用于臺架試驗和試飛，臺架試驗約2050h。

由于WJ5發動機在高溫、高原環境條件下起飛功率不足，影響Y7飛機在高溫、高原地區使用。為改善Y7飛機的性能，在Y7飛機換發論證會上決定研制WJ5AI發動機取代WJ5發動機作為Y7飛機的動力裝置。WJ5AI發動機的主要特點是將WJ5A降低起飛功率使用，同時吸收WJ5發動機在研制、生產和使用過程中所進行的設計改進成果，從而提高發動機工作可靠性、延長工作壽命，而且WJ5AI發動機的溫度特性有了明顯改善。WJ5AI的改型工作是從1979年底開始，1982年7月通過中國民航總局、空軍、海軍和航空工業部組織的技術鑒定。為降低WJ5AI發動機燃油消耗率，改善其經濟性，東安發動機制造公司和沈陽航空發動機研究所合作，請美國通用電氣公司(GE公司)進行技術咨詢，在WJ5AI基礎上重新設計渦輪部件，經改型設計形成WJ5E發動機。1987年5月，中國政府批準這一合作工程項目實施，同年8月，與GE公司簽訂的技術咨詢合同經批準正式生效。次年底完成了圖紙設計，1990年9月完成樣機裝配和試驗。經測試證明，WJ5E發動機的性能達到了改善經濟性和預期目的。隨后，兩次通過CCAR33部規定的150h持久試驗，并完成了CCAR33部規定的型號合格審定驗證項目。1993年7月由飛行試驗研究院完成了型號合格審定試飛，同年12月經中國民用航空總局批準，WJ5E發動機取得型號合格證。WJ5E發動機是中國首臺按照中國民用航空規章第33部(CCAR33)航空發動機適航標準進行適航符合性審定的渦輪螺旋槳型航空發動機。

1982年WJ5E發動機設計定型并投入批生產，裝于雙發的Y7飛機上。與此同時，還試制成功了WJ6發動機，渦槳-6系列發動機是我國渦槳發動機的典型代表，是中國株洲南方航空動力公司生產，除此之外還有渦槳-5，由哈爾濱120廠生產，起飛功率達到3124kw，裝于支線客機Y8上。WJ9是株洲航空發動機研究所以WZ8A發動機為技術基礎進行改型設計的小型渦槳發動機，起飛功率為500KW，耗油率為0.354kg/kw·h，于1996年取得適航證，裝于雙發支線客機Y12上。

國產中小型運輸機主要安裝的發動機為渦槳發動機，渦槳發動機在結構上較歐美國家發動機顯得略微厚重，附件多，安裝和維修工作量大，燃油調節采用液壓機械式，在高原啟動困難，使用壽命較歐美同類產品短。

3 國內外渦槳發動機發展趨勢

3.1 國外渦槳飛機動力系統發展趨勢

國外渦槳飛機動力系統的未來發展主要著重在動力系統的性能、結構形式、控制系統、部件及螺旋槳的材質性能上。

(1)在結構工藝方面，隨著材料科學的發展，逐步應用高性能的材料和改進新工藝，將會使下一代渦槳飛機動力系統更加輕便，壽命更長，安全系數更高，可靠性更好。在結構方面，2000KW以下渦槳發動機將采用軸流與離心組合式壓氣機轉子，采用1級燃氣發生器渦輪，2級或3級自由渦輪，以此追求最佳效率。2000kW以上的渦槳發動機將采用雙轉子多級軸流壓氣機(如TP400-D6發動機)或軸流及離心組合壓氣機(如D27發動機)，支撐結構采用兩支點5軸承，做到零部件總數更小。(2))在氣壓機方面，中小型航空壓氣機的發展應始終將重點放在增加壓縮比，改善效率水平。渦槳發動機壓氣機的發展趨勢是逐步提高效率，擴大喘振邊界、提高壽命、使結構簡單，零件減少。(3))在螺旋槳方面，渦槳飛機的動力系統主體是發動機，但螺旋槳也是其重要的組成部分。上世紀70年代美國、英國和蘇聯等國家先后開始研制復合材料螺旋槳，研制出的產品各有千秋，在設計、制造工藝、檢測和試驗等方面都有著成熟的經驗。由鋁合金大梁、玻璃鋼外殼結構逐步發展到纖維大梁、泡沫填充、玻璃鋼外殼結構。成型工藝也發展成整體澆注成型，推動了螺旋槳技術向輕質、機械性能好，壽命長，高效的方向發展。(4)在控制系統方面，從用于渦槳發動機的氣動和液壓式、模擬電子機械液壓混合式燃油調節器過渡到全權數字式電子控制系統。同時，采用光電敏感元件、高溫電子設備和靈活的控制邏輯?？刂葡到y的重量將減小50%，環境溫度將提高110%～120%。20世紀90年代以后，隨著計算機技術的發展，航空發動機控制又進入到了所謂的綜合階段。在這個階段，航空發動機普遍使用雙通道FADEC，控制裝置有了包括對航空發動機的故障診斷、健康管理在內的機載診斷功能，并具備了復雜的多變量綜合控制功能。

3.2 國內渦槳飛機動力系統的發展趨勢

(1)單轉子向多轉子發展，單轉子發動機的缺陷有：啟動困難，負荷大；必須設置壓氣機放氣調整裝置，易造成喘振；發動機尺寸相對較大。國外先進的渦槳發動機普遍采用的是多轉子，雙轉子和三轉子的設計，通過改變工作葉輪進口處氣流相對速度的方向從而達到防喘目的，因此國內發動機想進一步前進，必須向多轉子方向發展。(2)壓氣機向軸流式與離心式組合發展，渦槳發動機要求壓氣機具有較高的總增壓比，以獲得較高的熱效率和單位功率，隨著增壓比的不斷提高，壓氣機的結構形式也由最初的純軸流式轉變成目前大量采用的若干級軸流加一級離心的組合式壓氣機。軸流壓氣機級數的增加使得壓氣機后幾級的“尺寸效應”愈加明顯，氣流損失增大，氣動性能顯著下降。由于離心式壓氣機的轉子結構剛性更好、抗外物能力更強，尺寸效應對離心式壓氣機的影響小，因此，用它來取代后面的軸流壓氣機是有利的，在極小尺寸情況下，有必要采用離心壓氣機系統。(3)通過“核心機”衍生其他機型，重新研制一種新型的發動機周期長，難度大，可能會出現眾多難以預計的故障和屏障。在一種成熟的核心機的基礎上，通過局部改變，衍生成新型的發動機，滿足客戶的特定需求，是一種成功的發展之路。國內南方航空動力公司的渦槳6系列發動機做法：核心機不變，改變燃油量，提高渦輪前溫度，改變傳動及附件，形成新的機型。(4)材料上的突破，材料是工業的基礎，發動機也不例外。而且發動機對材料的要求更苛刻。正在應用的先進材料高溫合金是鐵基、鎳基和鈷基高溫合金的總稱，又稱超合金。鐵基合金使用溫度一般比鎳基合金低，可做中溫使用的零部件，如700℃以下使用的渦輪盤。鎳基合金用來制造受力苛刻的熱端部件，如渦輪葉片、導向葉片、燃燒室等，在先進的發動機中，鎳基合金占總重量的一半。鈷基合金因其具有良好的抗熱腐蝕性能和抗冷熱疲勞性能廣泛用作導向葉片。(5)發動機向槳扇型發展，隨著世界經濟復蘇，新能源開始應用，渦扇飛機自身條件相比較渦槳飛機具有先天的優勢，因此在大力發展短途渦槳支線飛機的同時，必須在國內支線飛機市場日趨開放的今天，做好多種型號的民用渦扇支線飛機的研制準備?，F有的渦槳發動機已不能適應各型號飛機的需求，采用渦扇發動機或者槳扇發動機成為發展趨勢，渦扇發動機經證明可以很好的降低噪聲，飛機在中高速飛行中比較經濟，對提高飛機的飛行速度十分有益。槳扇型發動機是現在各國正在加緊研發的新型發動機，它不但具有很好的低速性能，而且具有渦扇發動機的高空性能，比裝渦輪風扇發動機的飛機省油25%～40%，是目前國際上研發方向之一。

4 結語

綜上所述，高可靠性、低耗油率，繼續提高渦槳發動機循環參數和部件效率、降低耗油率、提高材料水平，研制出可靠性更高、全壽命期成本更低的渦槳發動機是未來的發展趨勢?？萍紵o國界，行路看前車，我國的渦槳發動機應該在一種可靠的核心機基礎上，不斷發展，形成新的發動機，滿足不同飛機的需求。立足國情，慎思篤行，學以致用。提煉和升華自身產業技術，聚滿天星成一團火，集點滴成大海，加強行業交流，相互促進，國產發動機必然獲得成功。

[1]劉新建.國產渦槳發動機的發展方向剖析[J].電子世界,2014(3)：106-107.

[2]周輝華.國外渦槳發動機的發展[J].航空科學技術,2013(1)：18-22.

[3]蘭斯.支線市場再迎渦槳時代[J].中國航空報,2011第004版.

[4]方昌德.航空發動機的發展研究[M].北京：航空工業出版社,2009.