導讀：自中國第一臺渦輪螺旋槳發動機——WJ5于1965年試制成功以來，國產渦槳發動機歷經風風雨雨快40余年，發動機的研制和生產技術取得了巨大的進步。縱觀我國航空器的設計和研發基本都走同樣的路線：引進—仿制—吸收—改進—自主研發的過程，航空發動機當然也不例外。至今已經形成了渦槳5、渦槳6、渦槳9等一系列渦輪螺旋槳發動機，在國產運-7、運-8和運-12等運輸機上廣泛運用，筆者從我國現有的技術水平和飛機生產需求方面分析國產渦槳發動機的發展趨勢。

渦槳-6系列發動機是我國渦輪螺旋槳發動機的典型代表，是中國株洲南方航空動力公司生產，現已經誕生出WJ6、WJ6C、WJ6D、WJ6E等多個型號，在我國某型飛機上裝備，其單臺功率達到4250當量馬力，是我國目前生產的功率最大的渦輪螺旋槳航空發動機。

渦槳-5發動機是我國渦槳發動機的另一代表，由哈爾濱120廠生產，衍生出WJ5、WJ5A、WJ5B、WJ5AI和WJ5E等系列型號，主要裝備于我國Y-7型系列飛機和SH-5型飛機上，單臺可達2790當量馬力。

渦槳-9發動機是株洲南方航空動力公司在原渦軸8A基礎上改型而來，用于國產Y12飛機，代替進口的加普惠PT-6A型發動機，輸出功率約為500kw。

隨著飛機改型研發的不斷深入，對發動機提出的要求也不斷增加，如：要求提供更多供電輸出，提升起飛功率，降低油耗，提高可靠性，提高“三防”性能，滿足未來電傳集成要求等等，對國產發動機提出了更高要求，促使發動機跟進改型。

我國的Y7系列飛機和SH5型號飛機使用WJ5系列型號發動機，新舟60系列飛機和Y12飛機則是我國的出口型飛機，它們分別采用加普惠公司的PW-127J發動機和PT6A-27型發動機，是國外渦槳發動機在國產飛機上的應用代表。縱觀國外航空發動機發展過程和我國渦槳發動機的現狀，飛機發展的需要，很

容易發現國產發動機的特點，看出國產渦槳發動機的發展必然趨勢。

1.渦槳型航空發動機必然長期存在

眾所周知，渦輪螺旋槳發動機在低速下效率高于渦扇發動機和噴氣式發動機，在中低速飛機中有廣泛的需求，如在巡邏、滅火等方面有廣泛運用。

其次，渦槳發動機安全性高，對飛行場地要求相對較低，成本低。在小型客機，私人飛機、公務機、農業飛機和多用途飛機上有廣泛運用。

從歷史來看，從上世紀60年代以來，渦扇型飛機的研制和發展突飛猛進，在航空器中占的比例不斷增加，但是螺旋槳飛機仍然占有一席之地，因為上述原因，隨著經濟的發達，低空的開放，渦槳發動機在飛機上的運用大有擴張之勢。美國的軍用運輸機C-130一直在不斷發展和升級該型，渦槳發動機在該機型中的成功使用的事實證明，盡管渦槳發動機存在推力有限、飛行速度有限等因素制約，它的眾多優點是其他類型發動機不可替代的，渦槳發動機必將長期存在。

2.國產發動機的特點

典型國產渦槳發動機的特點。

2.1WJ-6系列高空渦輪螺旋槳發動機

WJ-6發動機是高空渦輪螺旋槳發動機，發動機在大氣溫度從-60℃至+55℃范圍內正常工作，飛行高度達10000米，與四葉變距空氣螺旋槳J17-G13配套工作，作為飛機動力源。

結構上主要組成如下：

a.2級封閉差動游星式減速器

b.附件傳動機匣

c.十級軸流式壓氣機

d.機械液壓式燃油調節器

e.環形燃燒室

f.三級反應式渦輪

g.不可調節的尾噴口

h.其它保證發動機和飛機正常工作的附件

WJ-6經過改進發展到WJ-6C，功率在不斷提升，使飛機的使起飛、爬升等能力均有一定的提高。

2.2渦槳5系列發動機

我國的Y7系列飛機和SH5型號飛機安裝的也是渦輪螺旋槳發動機——WJ5，國產渦槳5發動機與WJ6結構基本相同，2級減速器(差動油星式1級，軸式1級)，附件機匣內外錐體之間形成進氣道，燃燒室采用混合式環形火焰筒，3級反作用渦輪，不可調尾噴等。

總的來說，國產中小型運輸機主要安裝的發動機均為渦輪螺旋槳發動機，渦槳發動機結構上顯得厚、重，附件多，安裝和維護工作量大，出現在外場維護中需要拆裝一個細小東西時往往需要拆裝一大堆附件管路等現象，燃油調節都采用液壓機械式，在高原、高寒、高溫地區起動困難，使用壽命相對歐美同類產品短。

3.渦槳發動機的發展方向

3.1單轉子向多轉子發展

WJ-6系列發動機壓氣機是單轉子的十級軸流式亞音速壓氣機，由轉子﹑靜子和進氣導向器三部分組成。渦輪為三級軸流反力式，由轉子和靜子組成。壓氣機轉子和渦輪轉子共用一根軸，工作轉速12300r/min，由雙級封閉差動游星減速器將軸轉速減為螺旋槳工作轉速1074r/min。為保證發動機啟動和加速時的穩定工作，防止喘振，在第五和第八級壓氣機各裝有兩個放氣活門。它的主要缺點是：啟動時啟動機需帶動壓氣機和渦輪同步工作，所帶載荷大，啟動困難。十級壓氣機增壓比為9.2，增壓比低。轉速有工作轉速12300r/min和慢車轉速10400r/min，經雙級封閉差動游星減速器減速后螺旋槳轉速仍較高，造成發動機工作時噪音大。

WJ-6發動機防止“喘振”辦法就是采用放氣方法，就是在壓氣機某級區間設置放氣環，以使壓力出現異常時及時泄壓可避免喘振的發生。中間級放氣防喘結構簡單，有利于壓氣機在低轉速下工作穩定，但使壓氣機增壓比下降，降低功率輸出。

單轉子帶來的固有缺陷主要有：(1)起動負荷大，啟動困難；(2)必須設置壓氣機放氣調整裝置，在大氣環境變化較大和起動過程中容易造成喘振；(3)發動機尺寸大，推重比小等。

多轉子發動機啟動時啟動機只帶動高壓渦輪，載荷低，易于啟動。典型的代表為加普惠的發動機PW150B型發動機。多轉子發動機轉速可調，發動機地面小油門狀態時，螺旋槳轉速低，噪音也就比單軸的低，低轉速的低壓壓氣機軸前端與減速器相連，可以使減速器的傳動比較單軸的降低。

國外先進渦槳發動機核心機普偏采用多轉子，壓氣機靜子葉片可調的設計。而雙轉子和三轉子的多轉子設計是通過改變轉子轉速，改變壓氣機動片的切線速度來改變工作葉輪進口處氣流相對速度的方向而達到防喘目的。這樣它就不需要放氣氣活門。

國內發動機要向前進一步，必須向多轉子方向發展。

3.2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高的總增壓比，以獲得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。加普惠PW150A就采用的這種設計，如圖1所示。

圖1PW150A壓氣機簡圖

PW150型發動機采用軸流式和離心式的組合壓氣機，結構緊湊，壓氣效率高，是航空發動機設計的典型成功之作。

國產發動機可以從中獲取更多設計靈感，在尺寸有限的條件下提高推重比，提高壓氣效率。

3.3高溫材料的應用及回流環形燃燒室的設計

隨著發動機性能的不斷提高，要求燃燒室的進口溫度和通過燃燒室的溫升相應提高。由于熱燃氣溫度正在接近渦輪材料的溫度極限點，保持均勻燃燒顯得尤為重要。這就需要采用具有大調節比系數的新型燃油噴嘴，以得到均勻的周向和徑向溫度分布系數。而更高的燃燒溫度和更大的高壓熱輻射將使燃燒室火焰筒承受更大的熱載荷，同時，由于更多的氣流用于燃燒，導致用于冷卻的氣流減少，而且進口氣流溫度的升高降低了冷卻氣流的吸熱能力，這都使得傳統的

火焰筒冷卻技術不再有效，改進火焰筒的冷卻和研究更耐熱的材料已經勢在必行。

提高渦槳發動機渦輪進口溫度的方法主要有以下兩種：一是尋求耐高溫材料；二是采用渦輪冷卻技術。在采用新材料方面，目前，單晶材料已廣泛使用，下一步工作是研究防氧化與腐蝕的金屬和陶瓷涂層。

燃燒室多采用回流環形燃燒室。

近年來，國外已經把研究新型噴嘴和改進火焰筒的冷卻作為提高小型燃氣渦輪發動機燃燒室性能的研究重點。燃燒室多采用回流環形燃燒室是一種燃燒室發展方向，即噴嘴方向不是指向渦輪方向，而是指向飛行航向，燃氣在燃燒室內向前回流一定量后再向后流動繼續充分燃燒后流向渦輪。這種結構設使得點火更加容易，燃燒尺寸更加緊湊短小，冷卻更加充分，有利于提高發動機壽命和推重比。如PW150B型發動機就是這樣的設計。

3.4燃油的控制由液壓機械式向電子調節發展

隨著計算機和自動化技術在航空上的應用，現在的飛機都向著數字化、智能化方向發展，電傳的普遍應用，要求發動機必須實現全功能數字控制。液壓機械式已不能滿足要求，進一步的發展需采用電子控制和全功能數字電子控制。

監控型電子控制是作為從液壓機械式控制向數字電子控制的過渡產品，它是在原有的液壓機械式控制的基礎上，再增加一個發動機電子控制器(EEC)，二者共同實施對發動機的控制。監控型電子控制如果發現EEC有故障，可以凍結調準在當時位置，同時通知駕駛員。駕駛員可以使EEC退出工作，由液壓機械式控制器恢復全部控制。

監控型電子控制再往下發展就是全功能數字電子控制(FADEC)。它是當今動力控制裝置的發展方向，它使航空發動機控制技術﹑控制精度﹑控制范圍﹑科學維護使用方面達到新的水平。FADEC即全功能數字電子控制系統包括發動機電子控制器(EEC)或電子控制組件(ECU)﹑燃油計量裝置(FMU)或液壓機械裝置(HMU)﹑傳感器﹑作動器﹑活門﹑發電機和互聯電纜等。其中發動機電子控制器(EEC)或電子控制組件(ECU)是它的核心。

機械裝置已不再具有計算功能，FADEC所有的控制計算由計算機進行，可以進行復雜計算，通過電液伺服機構輸出控制液壓機械裝置及各個活門﹑作動器等，能夠實現各個部件的最佳控制。FADEC是容錯系統，余度控制。

現代飛機上，發動機性能參數由飛機計算機系統自動采集記錄，例如QRT，ACARS等。采集的數據輸入計算機，由發動機狀態監視軟件(ECM)進行分析。各發動機生產廠家都有自己的發動機狀態監視軟件。普惠公司的有ECMⅡ和EHM，通用電氣公司的有ADEPT和SAGE。ECM幫助識別發動機的故障，依據各種數據對發動機進行健康管理。只有全電子控制系統才能滿足現代飛機的需要。

WJ-6系列發動機燃油控制器為液壓機械式，為傳統控制方式，它的供油量計算是由凸輪杠桿滾輪彈簧活門等機械元件組合實現的。

至今，WJ-6系列發動機顯示組件由過去的表盤指針﹑燈光信號型發展到發動機指示及機組告警系統EICAS，較過去取得了很大的進步。它可以實時顯示發動機各個參數，對重要參數進行記錄，幫助機務人員對發動機進行故障分析。

國產發動機的發展方向，要向數字化、自動化方向發展，燃油調節器必須向電傳方向更進一步。

3.5發動機向槳扇型發展

現在的運輸機要求更高的舒適度，要求噪聲更低、效率更高、發動機推力更大。同時必須達到現在民航的標準，取得相應的民航資格證，就能在世界范圍內提高產品的生存能力，提高市場競爭力。

當運輸機要求增加載重量時，必須提高飛機的起飛重量，必須增加發動機的推力，同時，為了開拓市場，提高競爭力，使一種機型達到軍民兩用標準，必須降低飛機噪音等，因此要求高效率、低噪聲的發動機與之匹配。

現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，前蘇聯生產的an-70就是很好的例子，但是僅生產了一架飛機，某些技術還需驗證。

3.6通過“核心機”衍生其他機型

發動機的研制，需要投入大量的經費和時間，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。

國外加普惠公司PT6A型發動機做法：功率范圍從500～2000當量馬力，60多種不同型號，在小型客機，通用航空飛機、公務機、農業飛機和多用途飛機上廣泛運用。

通用電氣公司CFM系列產品做法：從一個基本型，衍生出CFM56-2，-3B1，-5A1，-5B1，-7B20、-7B27等眾多機型。

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。

科技無國界，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。

（作者：中航飛機股份有限公司漢中飛機分公司試飛廠 劉新建）