涡桨发动机发展趋势分析

邹磊   ,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发展优势及历程，基于目前的发展情况，研究了涡桨发动机在未来的设计与制造上的发展趋势，并得出高可靠性、低成本下的全寿命期的涡桨发动机得研制是未来的技术发展趋势。

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)发动机的工作原理，是通过驱动螺旋桨，并通过螺旋桨为飞行器提供了拉力或推力，其常见用于中低速度飞行的飞机，由于该类型的动力，主要通过螺旋桨对空气做功，进而产生推力或拉力，所以，该类型的动力系统并不适用于高空高速环境下的飞行器。然而与活塞式航空发动机比较，涡桨发动机的特点主要体现在较高的热力循环参数和较大的功重比，并且所产生的振动也相比更小、而且更适于更快的飞行速度；而与涡喷和涡扇发动机比较，由于涡桨发动机的螺旋桨转速不宜过高，其结构上是通过增加减速器用来降低螺旋桨转速，同时螺旋桨具有更高的推进效率特点，因此耗油率更低、起飞推力更大。正是因为涡轮螺旋桨发动机具有出色的经济性，从而越来越受到各国的重视，是未来民用飞机、无人机及运输发动机的理想动力。

1发展历程

据统计，到目前为止，涡桨发动机的发展历程可以根据发动机的性能指标为基础，主要分为四代。第一代涡桨发动机是指上世纪70年代以前研制生产的，主要包括Dart、PT6A系列涡桨发动机、NK-4、TPE331系列的早期型号以及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年代初期进行研制生产的，主要包括CT7-5、PW100系列早期型号和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TPE351-20、AE2100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，代表产品为TP400-D6。

1.1第一代涡桨发动机

第一代涡桨发动机具有相对较低的热力循环参数，其结构简单，但这代发动机的耗油率相对较高。其中，发动机的压气机结构多种多样，主要包括了轴流式、离心式和轴流+离心式组合等多种形式；发动机的动力输出方式也主要为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

第二代涡桨发动机与第一代相比，其热力循环参数有较大幅度的提高，发动机的动力输出结构也发展为多转子结构，特点为采用了自由涡轮形式，进而为发动机性能得到了提高，发动机的总增压比从原有的10以下提高到了11~16，并通过采用更为先进的涡轮材料及结构，涡轮前温度提高到了1300K以上，耗油率较第一代降低了有15%左右，约0.29~0.32kg/(kWh)。

1.3第三代涡桨发动机

第三代涡桨发动机与第二代相比，其热力循环参数有更为明显的提高，在这个时期，大量的新技术、新材料、新工艺为发动机的发展改进带来了重大的影响，其中，发动机的总增压比提高到13~20，涡轮前温度达到了至1500K左右，耗油率进一步降低至了0.25~0.31kg/(kWh)。第三代涡桨发动机的主要产品为：美国艾利逊公司的AE2100及加拿大普惠公司的PW150A等涡桨发动机。

1.4第四代涡桨发动机

相对于之前的涡桨发动机，第四代涡桨发动机进而提高了的热力循环参数，发动机的总增压比提高到了25，涡轮前温度提高到了1600K左右，发动机的耗油率也得到了降低，约0.21~0.27kg/(kWh)。经典的产品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)，具有较高的先进水平。

2发展趋势

随着航空工业的不断发展与进步，未来对航空产业的要求也向着更经济、更环保的方向发展，这也正好迎合了涡桨发动机的优点，从而为涡桨发动机的发展也起到了激励作用。通过上文介绍的一至四代的涡桨发动机的特点，可以看出，涡桨发动机的发展趋势，与涡扇、涡喷、涡轴等发动机的研究趋势一致，主要围绕着提高可靠性和维护性、降低成本的方向发展。主要的提升体现在发动机性能、结构形式、部件、控制系统以及螺旋桨的进步上：

1)发动机性能：根据之前的评估，未来涡桨发动机的总增压压比预计将提升到22~26，并由于先进材料的研究进展，可以帮助涡轮前温度提升到1600～1700K，进而降低耗油率到0.2kg/(kw·h)，可多倍性地提高其经济性。

2)发动机制造：随着材料性能和工艺水平的不断提升，使得未来的涡桨发动机的有明显的减重效果，经济性有显著的提高。发动机结构上，中小型涡桨发动机一般具有转速较高的特点，通过轴流+离心的组合式的压气机形式，最能展现出效率上的优势，同时通过涡轮结构的优化， 应用了1级或2级燃气涡轮与动力涡轮方面，提高涡轮效率的同时也可以使得发动机减重，使得发动机具有最佳工作效率。而大型涡桨发动机的转速相比低很多，多采用双转子、多级轴流压气机形式或者轴流+离心组合压气机形式。

3)发动机压气机：通过提升压比的同时，保持并尽可能提升效率水平，进行中小型航空发动机压气机的提升。提升压比主要通过提升压气机的压比，进而使得提高整机热力循环水平的同时不会造成压气机的轴向尺寸过长。现代的先进压气机的设计主要采用三维气动的方式，进行分析与优化，通过不断优化压气机叶片的形状，从而达到最优的压气机性能。因此，先进的设计方法，提高了压气机效率，其产生激波强度也较小。

4)发动机燃烧室：通过采取施加冷却技术和表面涂层喷涂工艺方法，进而提升燃烧室的耐热能力，进而使得涡轮前具有较高的温度裕度。燃油喷嘴设计的先进技术，也提供了高性能下的喷嘴的燃油雾化能力，减轻了燃烧室的积碳与冒烟等情况，为燃烧室的可靠性得到了显著提升。

5)发动机控制系统：在当代数字化、智能化的大背景下，数字化多通道综合控制全权限数字式电子控制系统也逐渐替代了原有的涡桨发动机的机械式控制系统，并且兼容了故障隔离、故障诊断、健康管理等多种功能，为发动机的安全性与可靠性的提升带来了帮助。

6)发动机减速器：减速器在发动机上的作用是，将发动机产生的能量，转换驱动螺旋桨的功率，其中，减速器具有复杂的传动齿轮系统，因此，重载、高效与轻质是减速器的发展趋势。一体化工艺结构设计、高强度的零件设计以及新材料和复合材料的应用，也是减速器的发展方向。

7)螺旋桨：提高气动性能、降低重量，是螺旋桨未来的发展趋势，通过这些特点，可以提升发动机的功重比。先进的风扇气动设计的技术应用为涡桨发动机在高速条件下的螺旋桨得到了大为提升。并且，螺旋桨的使用材料也在不断进步，现在的碳纤维、、复合材料、泡沫填充等先进材料也早已替代了之前的木质、铝合金、玻璃钢结构，为螺旋桨的减轻重量，提升增强带来了巨大的帮助。

3结论

通过对涡桨发动机发展趋势的研究与分析，主要得出了如下结论：

1) 截止到目前，涡桨发动机的技术发展已经历四代，并且随着各种工艺与设计的水平的提升，涡桨发动机未来会更为迅速地发展。

2) 提升可靠性与降低耗油率的发展方向，体现在提升发动机的循环参数以及提高部件效率，耗油率的降低带来发展目标与趋势，为此，涡桨发动机的高可靠性和低成本下，是未来全寿命期涡桨的技术发展趋势。

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