国产涡桨发动机的发展方向剖析

国产涡桨发动机的发展方向剖析

【摘要】自中国第一台涡轮螺旋桨发动机——WJ5于1965年试制成功以来，国产涡桨发动机历经风风雨雨快40余年，发动机的研制和生产技术取得了巨大的进步。纵观我国航空器的设计和研发基本都走同样的路线：引进—仿制—吸收—改进—自主研发的过程，航空发动机当然也不例外。至今已经形成了涡桨5、涡桨6、涡桨9等一系列涡轮螺旋桨发动机，在国产运-7、运-8和运-12等运输机上广泛运用，笔者从我国现有的技术水平和飞机生产需求方面分析国产涡桨发动机的发展趋势。

【关键词】涡桨发动机;发展;方向

涡桨-6系列发动机是我国涡轮螺旋桨发动机的典型代表，是中国株洲南方航空动力公司生产，现已经诞生出WJ6、WJ6C、WJ6D、WJ6E等多个型号，在我国某型飞机上装备，其单台功率达到4250当量马力，是我国目前生产的功率最大的涡轮螺旋桨航空发动机。

涡桨-5发动机是我国涡桨发动机的另一代表，由哈尔滨120厂生产，衍生出WJ5、WJ5A、WJ5B、WJ5AI和WJ5E等系列型号，主要装备于我国Y-7型系列飞机和SH-5型飞机上，单台可达2790当量马力。

涡桨-9发动机是株洲南方航空动力公司在原涡轴8A基础上改型而来，用于国产Y12飞机，代替进口的加普惠PT-6A型发动机，输出功率约为500kw。

随着飞机改型研发的不断深入，对发动机提出的要求也不断增加，如：要求提供更多供电输出，提升起飞功率，降低油耗，提高可靠性，提高“三防”性能，满足未来电传集成要求等等，对国产发动机提出了更高要求，促使发动机跟进改型。

我国的Y7系列飞机和SH5型号飞机使用WJ5系列型号发动机，新舟60系列飞机和Y12飞机则是我国的出口型飞机，它们分别采用加普惠公司的PW-127J 发动机和PT6A-27型发动机，是国外涡桨发动机在国产飞机上的应用代表。纵观国外航空发动机发展过程和我国涡桨发动机的现状，飞机发展的需要，很容易发现国产发动机的特点，看出国产涡桨发动机的发展必然趋势。

1.涡桨型航空发动机必然长期存在

众所周知，涡轮螺旋桨发动机在低速下效率高于涡扇发动机和喷气式发动机，在中低速飞机中有广泛的需求，如在巡逻、灭火等方面有广泛运用。

其次，涡桨发动机安全性高，对飞行场地要求相对较低，成本低。在小型客机，私人飞机、公务机、农业飞机和多用途飞机上有广泛运用。

从历史来看，从上世纪60年代以来，涡扇型飞机的研制和发展突飞猛进，在航空器中占的比例不断增加，但是螺旋桨飞机仍然占有一席之地，因为上述原因，随着经济的发达，低空的开放，涡桨发动机在飞机上的运用大有扩张之势。美国的军用运输机C-130一直在不断发展和升级该型，涡桨发动机在该机型中的成功使用的事实证明，尽管涡桨发动机存在推力有限、飞行速度有限等因素制约，它的众多优点是其他类型发动机不可替代的，涡桨发动机必将长期存在。

2.国产发动机的特点

典型国产涡桨发动机的特点。

2.1 WJ-6系列高空涡轮螺旋桨发动机

WJ-6发动机是高空涡轮螺旋桨发动机，发动机在大气温度从-60℃至+55℃范围内正常工作，飞行高度达10000米，与四叶变距空气螺旋桨J17-G13配套工作，作为飞机动力源。

结构上主要组成如下：

a.2级封闭差动游星式减速器

b.附件传动机匣

c.十级轴流式压气机

d.机械液压式燃油调节器

e.环形燃烧室

f.三级反应式涡轮

g.不可调节的尾喷口

h.其它保证发动机和飞机正常工作的附件

WJ-6经过改进发展到WJ-6C，功率在不断提升，使飞机的使起飞、爬升等能力均有一定的提高。

2.2 涡桨5系列发动机

我国的Y7系列飞机和SH5型号飞机安装的也是涡轮螺旋桨发动机——WJ5，国产涡桨5发动机与WJ6结构基本相同，2级减速器（差动油星式1级，轴式1级），附件机匣内外锥体之间形成进气道，燃烧室采用混合式环形火焰筒，3级反作用涡轮，不可调尾喷等。

总的来说，国产中小型运输机主要安装的发动机均为涡轮螺旋桨发动机，涡桨发动机结构上显得厚、重，附件多，安装和维护工作量大，出现在外场维护中需要拆装一个细小东西时往往需要拆装一大堆附件管路等现象，燃油调节都采用液压机械式，在高原、高寒、高温地区起动困难，使用寿命相对欧美同类产品短。

3.涡桨发动机的发展方向

3.1 单转子向多转子发展

WJ-6系列发动机压气机是单转子的十级轴流式亚音速压气机，由转子﹑静子和进气导向器三部分组成。涡轮为三级轴流反力式，由转子和静子组成。压气机转子和涡轮转子共用一根轴，工作转速12300r/min，由双级封闭差动游星减速器将轴转速减为螺旋桨工作转速1074r/min。为保证发动机启动和加速时的稳定工作，防止喘振，在第五和第八级压气机各装有两个放气活门。它的主要缺点是：启动时启动机需带动压气机和涡轮同步工作，所带载荷大，启动困难。十级压气机增压比为9.2，增压比低。转速有工作转速12300r/min和慢车转速10400r/min，经双级封闭差动游星减速器减速后螺旋桨转速仍较高，造成发动机工作时噪音大。

WJ-6发动机防止“喘振”办法就是采用放气方法，就是在压气机某级区间设置放气环，以使压力出现异常时及时泄压可避免喘振的发生。中间级放气防喘结构简单，有利于压气机在低转速下工作稳定，但使压气机增压比下降，降低功率输出。

单转子带来的固有缺陷主要有：（1）起动负荷大，启动困难;（2）必须设置压气机放气调整装置，在大气环境变化较大和起动过程中容易造成喘振;（3）发动机尺寸大，推重比小等。多转子发动机启动时启动机只带动高压涡轮，载荷低，易于启动。典型的代表为加普惠的发动机PW150B型发动机。多转子发动机转速可调，发动机地面小油门状态时，螺旋桨转速低，噪音也就比单轴的低，低转速的低压压气机轴前端与减速器相连，可以使减速器的传动比较单轴的降低。

国外先进涡桨发动机核心机普偏采用多转子，压气机静子叶片可调的设计。而双转子和三转子的多转子设计是通过改变转子转速，改变压气机动片的切线速度来改变工作叶轮进口处气流相对速度的方向而达到防喘目的。这样它就不需要放气气活门。

国内发动机要向前进一步，必须向多转子方向发展。

3.2 压气机向轴流式与离心式组合发展

涡桨发动机要求压气机具有高的总增压比，以获得高的热效率和单位功率。随着增压比的不断提高，压气机的结构形式也由最初的纯轴流式转变成目前大量采用的若干级轴流加一级离心的组合式压气机。轴流压气机级数的增加使得压气