涡桨发动机技术发展综述

涡桨发动机技术发展综述

周正

中国航发湖南动力机械研究所 湖南株洲 412000

摘要：本文概述了涡桨发动机的技术优势及其发展历程，基于目前的技术发展情况，分析了涡桨发动机未来的发展趋势，指出研制出可靠性更高、全寿命期成本更低的涡桨发动机是未来的发展趋势。

关键词：涡桨发动机；发展历程；未来趋势

引言

涡轮螺旋桨(简称涡桨)发动机是一种通过驱动螺旋桨产生拉力或推力的航空发动机，其一般应用于飞行中低速飞行的飞机，由于其主要依靠螺旋桨对空气做功产生推力或拉力，其不适用与高空高速飞机。相对于航空活塞式发动机，涡轮螺旋桨发动机热力循环参数更高，其功重比更大，产生的振动更小、飞行速度更快；相对与涡喷和涡扇发动机，由于涡轮螺旋桨发动机螺旋桨的转速不宜过高，其结构上增加了减速器用以降低螺旋桨转速，同时由于螺旋桨具有更高的推进效率，故其耗油率更低、起飞推力更大。正是由于涡轮螺旋桨发动机出色的经济性，其越来越受到各国的重视，是未来民用飞机、运输发动机及无人机的理想动力。

1发展历程

到目前为止，根据发动机的性能指标，涡桨发动机的发展历程可大致分为四代。第一代涡桨发动机是指上世纪70年代以前进行生产的，主要包括Dart、PT6A系列涡桨发动机、TPE331系列的早期型号、NK-4以及AI-20等型号的涡桨发动机；第二代涡桨发动机是指上世纪70年代末期到80年代初期研制生产的，主要包括PW100系列早期型号、CT7-5和TPE331-14/15等型号的涡桨发动机；第三代涡桨发动机是指上世纪90年代以后投入使用的涡桨发动机，主要包括AE2100、TPE351-20和PW150A涡桨发动机；第四代涡桨发动机指2011年以后投产的先进涡桨发动机TP400-D6。

1.1第一代涡桨发动机

第一代涡桨发动机的热力循环参数相对较低，其具有结构简单的特点，但耗油率相对较高。其压气机结构多种多样，囊括有轴流式、离心式和轴流+离心式组合等多种形式，其动力输出方式主要采用单转子涡轮输出方式，第一代涡桨发动机的总增压比在10以下，涡轮叶片基本采用非冷却叶片，涡轮前温度相对较低，一般在1300K以下，耗油率相对较高一般在0.35～0.41kg/(KW.h)之间。

1.2第二代涡桨发动机

第二代涡桨发动机的热力循环参数相对第一代有较大幅度的提高，其动力输出结构也发展为多转子结构，基本采用自由涡轮形式，发动机性能进一步提高，发动机的总增压比提高到11~16，采用更先进的涡轮结构及材料，涡轮前温度提高到1300K以上，耗油率较第一代降低了15%左右，降低至0.29~0.32kg/(kWh)之间。

1.3第三代涡桨发动机

第三代涡桨发动机的发展主要是在第二代发动机基础上继续提高发动机热力循环参数，同时大量采用新技术、新材料、新工艺，在成熟的发动机基础上进行改进改型，将发动机的总增压比提高到13~20，涡轮前温度提高至1500K左右，耗油率进一步降低至0.25~0.31kg/(kWh)之间。第三代涡桨发动机的典型代表有：加拿大普惠公司的PW150A及美国艾利逊公司的AE2100等涡桨发动机。

1.4第四代涡桨发动机

相对于前几代涡桨发动机，第四代涡桨发动机的热力循环参数进一步提高，其总增压比可提高到25，涡轮前温度可提高到1600K左右，发动机的耗油率降低至0.21~0.27kg/(kWh)之间。典型的代表为欧洲螺旋桨股份有限公司2011年投产的高性能涡桨发动机TP400-D6，它的耗油率达到了0.21kg/(kWh)的世界先进水平。

2发展趋势

随着航空业的不断进步，未来对航空产业的要求也向这更经济、更环保的方向发展，这恰好是涡桨发动机的优点，能进一步促进涡桨发动机的发展。通过总结前几代涡桨发动机的发展趋势，未来涡桨发动机在发动机技术上的发展的趋势与涡扇、涡轴等发动机基本相似，都向着可靠性更高、好维护性更好、使用成本更低的方向发展。具体可体现在发动机性能、结构形式、部件、控制系统以及螺旋桨的某些发展趋势上：

1)在发动机性能方面，涡桨发动机的总增压压比未来预测将发展到22~26，根据材料的发展，其涡轮前温度将达到1600～1700K，耗油率也将下降到0.2kg/(kw·h)，可数倍提高其经济可承受性。

2)在发动机结构和制造方面，随着材料性能和工艺水平的不断提高，下一代涡桨发动机的重量将会更轻，工作将会更为可靠。对于发动机结构方面，由于中小型涡桨发动机的转速一般较高，采用轴流+离心的组合式压气机最能体现出效率优势，同时通过优化涡轮结构，采用1级或2级燃气涡轮与动力涡轮，提高涡轮效率的同时实现发动机的减重，达到发动机最佳的工作效率。大型的涡桨发动机的转速一般较低，其一般采用双转子、多级轴流压气机(如TP400-D6发动机)或轴流+离心组合压气机(如D27发动机)。

3)在发动机压气机方面，中小型航空发动机压气机的发展趋势主要是在保持并尽可能提高效率水平的基础上进行压比的增加，其工作的核心是提高压气机的级压比，以便在提高整机热力循环水平的同时减小压气机的轴向尺寸。现代的先进压气机的设计主要采用三维气动分析方法，通过不断优化压气机叶片的几何形状，以得到最佳的压气机气动性能。按该方法设计的叶片，其压气机效率较高且产生的激波强度弱。

4)在发动机燃烧室方面，发动机燃烧室采用的技术主要包括冷却技术、表面涂层喷涂技术，其目的是提高燃烧室零件的耐高温能力，以进一步提高涡轮前温度，同时釆用先进的燃油喷嘴设计技术，可提高喷嘴的燃油雾化性能，有效改善燃烧室的积碳与冒烟情况，提高燃烧室的可靠性。

5)发动机控制系统方面，随着现代数字化、智能化的高速发展，涡桨发动机的控制系统由机械式逐渐发展为多通道综合控制的发动机全权限数字式电子控制系统，且发动机控制系统还同时具备有发动机故障诊断、故障隔离、实时健康管理等多种功能，使发动机的安全性与可靠性进一步提高。

6)发动机减速器方面，减速器作为涡桨发动机的重要组成部分，其直接驱动螺旋桨产生推力或拉力，由于其内部齿轮传动复杂，其发展目标是实现重载、高效与轻质。其中零件的一体化设计、高强度的齿轮传动设计、新材料和复合材料的整体机匣等是其主要的研究方向。

7)螺旋桨方面，螺旋桨一方面需要不断提高其气动性能，另一方面还要不断的减轻重量，以提高发动机的功重比。通过将先进的风扇气动设计技术应用在螺旋桨的设计上，课不断提高涡桨发动机在高速条件下的螺旋桨的气动性能。同时螺旋桨的材料也在不断发展，由早期的木质、铝合金、玻璃钢结构发展到现在的碳纤维、、复合材料、泡沫填充等先进材料，大幅度减轻了螺旋桨重量的同时也提高了螺旋桨的强度。

3结论

通过对涡桨发动机发展趋势的综合分析，可获得如下结论：

1)到目前为止，涡桨发动机的技术发展已经历四代，随着技术水平的不断进步和提高，未来将会快速发展。

2)高可靠性、低耗油率，继续提高涡桨发动机循环参数和部件效率、降低耗油率、提高材料水平，研制岀可靠性更高、全寿命期成本更低的涡桨发动机是未来的发展趋势。

参考文献:

[1]林左鸣主编.世界航空发动机首次[M].航空工业出版社,2012.12

[2]周辉华.国外涡桨发动机的发展[J].航空科学技术,2013

[3]方昌德.航空发动机的发展研究[J].北京，航空工业出版社,2009