通用航空發動機發展綜述

董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

通用航空發動機發展綜述

董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學院 飛行器學院，西安 710077)

在介紹通用航空發動機的相關概念和分類的基礎上，結合統計數據總結通用航空發動機發展的特點；分析不同類型航空發動機的應用范圍，指出單純某一固定類型發動機無法保證在較寬速度范圍內高的推進效率；最后，針對通用航空發動機的技術發展趨勢進行展望，并提出發展建議。

通用航空；航空發動機；活塞式發動機；燃氣渦輪發動機

1 通用航空發動機及其特點

1.1 通用航空發動機類型

2003年5月1日施行的《中華人民共和國通用航空飛行管制條例》對通用航空的定義為：“除軍事、警務、海關緝私飛行和公共航空運輸飛行以外的航空活動，包括從事工業、農業、林業、漁業、礦業、建筑業的作業飛行和醫療衛生、搶險救災、氣象探測、海洋監測、科學實驗、遙感測繪、教育訓練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動”。由此可知，通用航空基本涵蓋了除定期客、貨航班以外的所有民用航空活動[1]。

由于通用航空用途廣泛，通用飛機的構型、特點也千差萬別。從飛機類型上可以分為固定翼飛機和旋翼飛行器(主要指直升機，多旋翼目前主要用于無人機)兩大類。固定翼飛機按照發動機類型主要可以分為活塞式飛機、渦槳式飛機和噴氣式飛機。直升機按照所用發動機類型可以分為活塞式直升機和渦軸式直升機。

美國通用航空制造商協會(General Aviation Manufacturers Association，GAMA)通常按照發動機類型和發動機數量對通用飛機進行分類，分別為單發活塞式、多發活塞式、渦槳式和噴氣式公務機[2]。除了少數公務機尺寸比較大以外，通用飛機多數屬于中小型飛機。

按照用途分類，GAMA將符合美國聯邦航空條例(FAR)91部的通用航空使用類型分為私人飛行、公務飛行、企業飛行、教練飛行、航空應用、航空觀測、其他空中巡視類飛行、吊掛飛行、其他作業類飛行、航空觀光、航空醫療救助及其他。將按照FAR 135部運營方式劃分通勤類和商業租用的使用類型分為飛行出租、航空旅行和航空醫療救助。

在我國，2007年2月14日起施行的《通用航空經營許可管理規定》(CCAR-135TR-R3)第五條規定，通用航空經營用途劃分為以下四類(見表1)：

表1 國內通用航空用途分類

續表1

分類經營項目范圍丙類飛機播種、空中施肥、空中噴灑植物生長調節劑、空中除草、防治農林業病蟲害、草原滅鼠、防治衛生害蟲、航空護林、空中拍照航空俱樂部使用限制類適航證的航空器和輕于空氣的航空器從事私用飛行駕駛執照培訓、航空運動訓練飛行、航空運動表演飛行、個人娛樂飛行

通用航空飛機因其用途范圍大，為滿足不同需要使用的動力裝置也多種多樣。目前使用最多的通用航空發動機仍屬于燃氣渦輪發動機(渦扇主要用于公務機、渦槳和渦噴用于亞聲速固定翼飛機、渦軸用于中型以上直升機)和活塞式內燃機(低速和亞聲速固定翼飛機、小型直升機)兩大類。這兩類發動機都屬于熱機，把燃料化學能轉換成機械能的設備。

1.2 發展特點

通用航空發動機自誕生以來，一直在發展進步中，但是由于通用航空本身的獨有特點，使得通用航空發動機的發展呈現很多與民航運輸以及軍用航空不同的特點。

總體而言，通用航空發動機使用類型最全面，從活塞、渦噴、渦扇、渦槳、渦軸乃至槳扇發動機等都是通用航空飛機選用的對象；從尺寸或者推力(功率)大小上看，通用航空發動機特點是以中小型為主。具體表現為以下幾點：

1.2.1 活塞發動機占統治地位

從航空發動機的角度來講，民航運輸和軍用航空的渦輪風扇發動機是絕對的主流；而通用航空發動機則是活塞型、渦輪螺旋槳型和渦輪風扇型并存，而且活塞型發動機是主流；渦輪風扇型主要用于公務機，性能先進，安全舒適，價格較貴，已生產的機型有30多種，在研的10多種。

GAMA通用航空統計數據手冊中指出，2016年全球生產通用飛機2262架，其中，活塞式飛機1019架，占45%；渦輪式飛機(GAMA的統計中將渦槳式飛機與噴氣式飛機合稱為渦輪式飛機)1243架，其中渦槳式飛機582架，噴氣式公務機661架[2]。2006-2016年全球通用飛機產量先是下降，尤其是2008-2009年全球金融危機時急劇下跌，然后從2011年開始緩慢回升。2006-2016年全球通用航空固定翼飛機生產總量詳細數據如表2所示。

表2 2006-2016年全球通用航空固定翼飛機生產總量(架)

從表2的數據可以看出，固定翼通用航空飛機中，活塞式飛機總計占比一直高于渦槳式飛機，以及噴氣式公務機?；钊桨l動機具有油耗低、結構簡單、技術成熟、價格便宜、使用維護費用低以及壽命長等優點；而其對飛行速度的限制又是多數通用航空飛行活動所不需要的。很顯然，活塞式飛機的統治地位還將持續下去。

具體到我國，截止到“十二五”末，我國通用航空注冊飛機4511架，其中90%以上采用的都是活塞發動機，主要形式為小功率的氣冷水平對缸發動機。航空活塞發動機市場目前被幾大發動機公司所占領，大陸航空、萊康明、林巴賀和龐巴迪。

航空活塞發動機技術成熟，結構簡單，使用成本低，易于維護，可以滿足很多類型通用航空飛機的需求，所以目前500馬力以下的小功率活塞發動機仍在通航飛機，無論是固定翼有人機或無人機，還是中小型直升機上大量使用，數量上占據統治地位。

1.2.2 渦槳發動機占比提高

與航空活塞式發動機相比，渦輪螺旋槳發動機具有尺寸小、重量輕、振動小、推進效率高和功率重量比大等優點，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優越；與渦輪噴氣和渦輪風扇發動機相比，它又具有耗油率低和起飛推力大的優點。渦槳發動機的最大功率可超過10000馬力(活塞發動機不超過4000馬力)，功重比為4以上(活塞發動機不超過2)，由于減少了往復運動的部件，渦槳發動機的運轉穩定性好、噪音小、工作壽命長、維修費用低。但因螺旋槳特性的限制，裝渦輪螺旋槳發動機的飛機的飛行速度一般不超過800km/h。所以，在大型遠程旅客機和運輸機上，它已被高涵道比渦扇發動機所取代，但在中小型運輸機、轟炸機和通用飛機上仍有廣泛的應用[3]。

此外，渦槳發動機配裝飛機后還具備以下綜合優勢：一是螺旋槳特性(含滑流增升、反槳)、飛機機翼構型決定了渦槳飛機較強的地面起飛/著陸性能，可以大幅度縮短起飛/著陸距離(在同樣載荷條件下，與渦扇飛機相比，起飛滑行距離可減少30%以上)。二是較低的燃氣排放溫度可以大幅度降低NOX、噪聲排放及紅外輻射。三是適中的熱力循環參數帶來的發動機成本效益。

正是由于具有以上諸多優勢，安裝渦槳發動機的飛機占比逐步提高。根據表2中GAMA的統計數據，從2006年開始，渦槳飛機生產量在通用航空固定翼飛機生產總量中的占比穩步提高，從2006年的10.2%一直提高到2013年的27.4%，此后一直穩定在20%以上。

1.2.3 發展前景廣闊

2012年7月，國務院正式發布《關于促進民航業發展的若干意見》，明確指出：加大低空空域管理改革的力度，大力發展通用航空。2015年，《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》提出：拓展基礎設施建設空間。加快完善水利、鐵路、公路、水運、民航、通用航空、管道、郵政等基礎設施網絡。完善能源安全儲備制度。國務院《中國制造2025》強調：“大力發展航空航天制造業，推進干支線飛機、直升機、無人機和通用飛機產業化”。

2016年5月17日，國務院辦公廳印發《關于促進通用航空業發展的指導意見》(以下簡稱《意見》)，對進一步促進通用航空業發展作出了具體的部署?！兑庖姟诽岢觯?020年，建成500個以上通用機場，基本實現地級以上城市擁有通用機場或兼顧通用航空服務的運輸機場。通用航空器達到5000架以上，年飛行量200萬小時以上，培育一批具有市場競爭力的通用航空企業。通用航空器研發制造水平和自主化率有較大提升，國產通用航空器在通用航空機隊中的比例明顯提高。通用航空業經濟規模超過1萬億元，初步形成安全、有序、協調的發展格局。

顯而易見，作為通用航空核心內容之一的航空發動機也必將隨著通用航空產業的蓬勃發展，迎來新的發展機遇，發展前景廣闊。

2 應用范圍與技術發展趨勢

航空活塞式發動機從誕生至今，除了結構上有變化外，其原理和應用范圍基本沒有改變，反倒是燃氣渦輪發動機從原理、結構、應用范圍等方面變化明顯。

2.1 不同類型燃氣渦輪發動機的應用范圍

航空燃氣渦輪發動機自誕生以來，主流類型一直是以下四類：渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺槳發動機和渦輪軸發動機。這四種類型發動機雖然發展時間有先后之分，但是并沒有嚴格意義上的先進和落后，主要區別在于各自的適用范圍。

圖1為渦噴、渦扇和渦槳發動機推進效率隨馬赫數的變化關系圖[4-6]。圖中顯示：

渦槳發動機的推進效率最高，但是僅限于亞聲速范圍，速度到跨聲速范圍時，渦槳發動機效率急劇降低。渦扇發動機在跨聲速階段推進效率高于渦槳和渦噴發動機，而且涵道比B越大，推進效率越高，這也是民航飛機的發動機普遍采用大涵道比發動機的原因。渦噴發動機在馬赫數1.0以下推進效率很低，但是超聲速以后效率快速升高，遠超渦槳和渦扇發動機。

圖1 不同類型燃氣渦輪發動機推進效率隨馬赫數的變化

通用航空飛行器可以根據自己的任務定位，確定飛行速度范圍，進而確定合理的發動機類型。但從圖1可知，單純某一固定類型發動機無法保證在較寬速度范圍內高的推進效率。對于工作速度范圍較寬的飛行器，除了根據任務需求和經濟型折衷外，還可以考慮結合不同類型發動機優點的新型發動機。如當前正在研究的變循環發動機(Variable Cycle Engine，VCE)，通過改變一些發動機部件的幾何形狀、尺寸或位置，來調節其熱力循環參數(如涵道比、空氣流量和渦輪進口溫度等)，改變發動機循環工作模式(高推力或低油耗)使發動機在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態，有較高的推進效率[7-9]。

2.2 活塞式航空發動機發展趨勢

活塞式發動機是隨著人們對發動機性能要求變化發展而進步的。圖2展示了活塞發動機的技術發展。

圖2 活塞發動機技術發展

2.2.1 多級增壓技術開始廣泛應用

由于活塞式航空發動機隨著海拔的升高，空氣密度降低、溫度降低、導致進入缸內的空氣量減小，空燃比下降，壓縮終點溫度降低，使得燃燒過程惡化，發動機動力性、經濟性下降，熱負荷增大、排溫升高，造成航空發動機工作的可靠性下降。

通過增壓技術可以提高空氣密度，高效恢復發動機的功率，提高發動機的高空性能，滿足飛機8km以上的使用要求。增壓器包括單級高壓比技術、多機增壓系統一體化設計技術、多級增壓系統調節及控制技術、高空條件下的系統可靠性技術等。

目前，國內外針對活塞式航空發動機的二級增壓系統開發進行了大量的研究，其中，以美國、德國為代表已開發了相對較為成熟的二級增壓系統甚至三級增壓系統。我國在二級增壓發動機的研制方面，通過在不同海拔仿真模擬實驗，其極限工作高度達到8～9km。而美國研制了帶有三級渦輪增壓系統的無人機，其飛行高度可以達到24km。實踐證明，多級增壓系統是有效提升高空汽油機使用升限的重要途徑。

2.2.2 航空重油發動機逐漸成為活塞式航空發動機的主流

航空重油的燃料供應有保障，通用性強，其比能量高于汽油，運輸和存儲更加安全，而且帶渦輪增壓，高空性能優越，燃燒效率提高，可大大提升輕型飛機的性能，成為世界航空大國重點發展的活塞式發動機類型[10-11]。航空重油活塞發動機的研制需進一步提高輕量化前提下的可靠性技術、增壓匹配技術和噴霧燃燒技術。

2.2.3 低成本活塞發動機需求旺盛

美國等航空發達國家提出的“先進通用航空運輸計劃”等設想指出未來通用航空將平民化，認為小飛機運輸系統是高速交通運輸的第四次革命。該設想的基礎之一是低成本。相對于燃氣渦輪發動機，作為通用航空主力的活塞式發動機雖然具有成本優勢，但是還要通過設計和制造進一步降低成本，減少采購與維修費用，掃除通用航空發展的障礙。

2.3 燃氣渦輪航空發動機發展趨勢

未來通用航空使用的各種類型燃氣渦輪發動機在技術、產品發展的方向上基本一致，繼續朝高可靠性、高安全性、良好維護性、低使用成本的方向發展。同時，隨著石油資源減少以及環保壓力的不斷增大，人們對航空發動機的經濟性等方面更加重視[3,6-13]。具體體現在以下幾個方面：

2.3.1 熱力循環參數

通過進一步提高壓氣機增壓比和渦輪前燃氣溫度，降低耗油率和提高單位功率，使經濟可承受性提高數倍。

2.3.2 氣動設計

采用三維有粘流場計算方法、非定常設計、流動控制、主動間隙控制、高效冷卻等設計壓氣機和渦輪，減少氣體流阻損失，達到部件效率提高、穩定工作邊界擴大、良好的性能保持、壽命更長、結構簡單和零件數少的要求。采用刷式封嚴等新型封嚴結構和主動間隙控制技術縮小葉尖間隙，減少空氣泄露，提高壓氣機和渦輪效率。

2.3.3 總體結構

2000kW以下渦槳發動機將傾向于雙轉子結構(即單轉子燃氣發生器+動力渦輪轉子)，壓氣機為軸流+離心組合式，采用多級動力渦輪(即自由渦輪)以求得到最佳的效率。2000kW以上的渦槳發動機逐漸向三轉子結構發展(雙轉子燃氣發生器+動力渦輪轉子)，采用單元體設計和“視情”維護概念，簡化外場維護保障要求，降低全壽命期使用成本等。

2.3.4 新材料和材料改進

新型復合材料的應用和新結構設計，為大幅減輕發動機質量提供了可能。壓氣機采用金屬基復合材料不僅減輕了質量，同時也可提高葉片切線速度；燃燒室和渦輪部件采用陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料，在提高部件耐高溫性能的同時減輕了質量。整體葉盤、整體葉環、對轉渦輪等新結構的采用，也大大減輕了部件質量。雙金屬、陶瓷、低導熱性熱障涂層和復合材料等技術的逐步應用，將大幅提高渦槳發動機的性能、壽命及可靠性。

2.3.5 控制系統

未來全權限數字發動機控制器(Full Authority Digital Engine Control，FADEC)系統的發展趨勢是采用分布式控制系統。與目前的集中式系統相比，分布式控制系統可以提高發動機的控制能力和可靠性，降低控制系統的復雜性和質量。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的重量將大幅度減輕，環境適應性將進一步增強。

2.3.6 航空發動機及其零部件3D打印

3D打印逐步實用化，滿足航空發動機葉片型面復雜、零件眾多、葉盤鍛造加工工序紛繁復雜等要求。如通用電氣(GE)公司與斯奈克瑪合作采用3D打印LEAP發動機燃油噴嘴，將其耐久性提高了4倍，燃油效率提高15%，重量降低25%。同時，GE公司還通過3D打印了一臺轉速達33000 RPM的小型噴氣發動機，未來將打印大型發動機整機。

2.3.7 變循環發動機(VCE)

VCE逐漸成熟。下一代可轉換的渦噴/渦扇/沖壓/渦軸發動機將會在不同速度范圍內達到高的推進效率，在降低耗油率的同時，在提高飛機飛行速度等方面取得突破性進展。

2.3.8 減速器

重載、高速、高效、輕質是其發展目標。其中新結構傳動機構/零件(如面齒輪)、軸承/齒輪軸一體化設計、超高強度傳動零件新材料和復合材料機匣等是研究方向。此外，國外已開始研究噴氣旋翼和翼尖噴氣發動機及液壓傳動減速系統。

2.3.9 螺旋槳

先進風扇氣動設計技術將逐步應用對轉螺旋槳設計技術，以提高渦槳飛機在高速飛行條件下的性能。螺旋槳的結構由鋁合金大梁、玻璃鋼外殼結構發展到碳纖維大梁、泡沫填充、玻璃鋼外殼結構，成形工藝有預浸料層鋪和編織外殼整體注射成形，從而使螺旋槳重量大幅度減輕。

3 結語

隨著通用航空的發展需要，通航發動機要在保證性能的前提下朝著輕量化，環境友好化和智能化發展。針對通用航空發動機的發展，提出以下幾點建議和思考。

大力發展重油活塞式發動機。隨著國家的重視和投入加大，我國燃氣渦輪發動機技術逐步得到提升。但是在航空活塞發動機領域，由于缺乏足夠的重視和投入，人才短缺，缺乏自主創新，技術遠落后于航空發達國家，嚴重制約了通用航空產業的發展，必須提高對航空活塞發動機作用的認識，大力發展重油活塞式發動機，為通用航空發展提供堅實支撐。

大力推進航空發動機改進改型?；诔墒斓陌l動機型號或者核心機改進改型是周期短、見效快的一種研制模式，是世界各航空大國普遍采用的模式。我們要在保證新研型號的同時，大力發展航空發動機改進改型，包括不同類型發動機的改型。如在結構上相近的渦槳和渦軸發動機，在成熟渦軸發動機平臺上“軸改槳”快速發展渦槳發動機就是一種常見的方式。

通過軍民融合與體制機制改革，整合各行業資源優勢，形成相對獨立的協作研發機制。借鑒航空發達國家的成功經驗，集中力量，形成拳頭，優化資源配置，促進專業化協作。避免無序競爭，促進航空動力行業的可持續發展。

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[責任編輯、校對：梁春燕]

Abstract：Firstly,this paper introduces the concept and classification of general aviation and general aviation engines;then it puts forward the characteristics of general aviation engine development in the light of statistical data,analyzes the application scope of different types of aircraft engines,and points out that only a fixed type of engines cannot guarantee high propulsive efficiency in a wide speed range.Finally,the paper predicts the development trend of general aviation engine technology,and brings forth the development proposal.

Keywords：general aviation;aero engine;piston engine;gas turbine engine

OverviewoftheDevelopmentofGeneralAviationEngines

DONGYan-fei,HUANGMing,LIRui-qi

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V23

A

1008-9233(2017)05-0008-06

2017-07-25

陜西省自然科學基金面上項目(2016JM1014)；陜西省教育廳自然科學專項課題(16JK1396)；通用航空工程技術中心基金(XHY-2016084)

董彥非(1970-)，男，河南開封人，教授，博士，主要從事航空裝備仿真與效費分析研究。