【摘 要】 自第一台涡桨发动机研制成功，至今已有70年发展历程。从战斗机到民用机，涡桨飞机都体现了它不可替代的重要作用。本文通过分析、对比国内外涡桨飞机动力系统的发展历史及发展现状，整理出成功的发展经验及对未来涡桨飞机动力系统的发展趋势做出展望，以此为我国涡桨发动机的发展及航空发动机产业的快速发展提供理论参考。
　　【关键词】 涡桨飞机动力系统 涡桨发动机 发展历史 发展趋势
　　从20世纪60年代后期开始，随着涡扇发动机的迅猛发展，涡桨发动机在大型远程民用客机和运输机上逐步被大涵道比涡扇发动机取代，但是由于涡桨发动机的诸多优点：如在低速情况下，其效率远高于涡扇发动机和喷气式发动机，安全性高、对飞机场要求低、成本低等，所以仍然在中小型运输机和通用飞机上得到广泛应用。尤其是近年来，由于油价飙升，涡桨飞机的经济性更突出其优势，同时，随着涡桨飞机动力系统的设计、制造技术水平的发展，涡桨飞机在高亚声速飞行时的推进效率大大提高，重新受到军用及民用市场的青睐，得到了进一步的长足发展。
　　1 基本概念和特点
　　1.1 基本概念
　　目前，飞机主要动力有三类涡桨式、涡轮喷气式及涡轮螺旋桨式。这三类发动机原理及技术平台大致相同，均是靠燃气推动涡轮叶片使空气加压燃烧，其主要区别在于推力产生的方式不同。涡桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率，而尾部管喷出的燃气推力极小，只占总推力的5%左右，为了驱动大功率的螺旋桨，涡轮级数一般为2-6级。 涡桨飞机的航速一般小于900km/h，普遍应用于支线飞机及通用飞机领域（atr、庞巴迪、新舟系列等）。WwW.11665.COM涡桨飞机的动力系统分为两部分：发动机和螺旋桨，螺旋桨包括桨叶、桨毂、防冰系统和操纵系统。涡桨发动机如图1所示。
　　1.2 特点和优势
　　燃油消耗率低：适用于中速长距离飞行。旅客机、运输机、海岸巡逻机和反潜机大多为涡轮螺旋桨飞机。涡桨发动机相比涡喷涡扇寿命长：运输机飞行状态平稳，不做特技飞行，且起降次数少，多用涡桨发动机的巡航状态，因而其零部件的应力变化频率小，不易出现疲劳损伤。如阿依-20m涡桨发动机翻修寿命为4000多小时，而涡喷-13仅为200小时，al-311f仅为300小时。更为环保：其有较低的燃气排放温度可以大幅度的降低产生，及减小噪声排放、红外线辐射。此外涡桨式民用飞机与涡扇飞机相比，更为经济，安全。涡桨发动机结构简单，易于制造与维护；在使用方面，在500-600公里航线上，涡桨飞机每座运营成本比涡喷飞机低35%。除此之外，涡桨飞机不但可以在标准的水泥跑道上起降外，还能在土跑道，砂石跑道、草地机场及有雪覆盖的跑道上起降，更为安全可靠。
　　2 我国涡桨发动机发展历史
　　中国涡桨发动机的研制是从测绘仿制开始。1965年株洲航空发动机厂开始试制wj5（仿an-24），其起飞当量功率1874kw，1年后完成100h试车，1968年转由哈尔滨航空发动机厂继续研制，在1977年 1 月定型，投入批生产。后来哈尔滨航空发动机厂又与沈阳发动机设计研究所等单位合作，在wj5发动机基础上改进改型，设计出wj5甲发动机，在1980年1月设计定型，起飞功率提高到2315kw，装在四发飞机水轰5上。在wj5甲发动机基础上又改型wj5甲ⅰ，以满足支线客机y7的需求 。
　　与wj5发动机研制同时，海军于1969年8月提出研制涡桨型发动机作为水轰5（sh-5）飞机动力装置的任务。经论证，决定在wj5发动机基础上重新设计涡轮部件，改型后的发动机编号为涡桨5甲（wj5a），起飞状态的当量功率提高442kw。1978年通过设计定型鉴定试验，次年完成发动机性能试飞，1980年初经航定委批准wj5a发动机设计定型，装用wj5a发动机的sh-5飞机于1985年投入使用。研制阶段生产了10台发动机用于台架试验和试飞，台架试验约2050h。
　　由于wj5发动机在高温、高原环境条件下起飞功率不足，影响y7飞机在高温、高原地区使用。为改善y7飞机的性能，在y7飞机换发论证会上决定研制wj5ai发动机取代wj5发动机作为y7飞机的动力装置。wj5ai发动机的主要特点是将wj5a降低起飞功率使用，同时吸收wj5发动机在研制、生产和使用过程中所进行的设计改进成果，从而提高发动机工作可靠性、延长工作寿命，而且wj5ai发动机的温度特性有了明显改善。wj5ai的改型工作是从1979年底开始，1982年7月通过中国民航总局、空军、海军和航空工业部组织的技术鉴

定。为降低wj5ai发动机燃油消耗率，改善其经济性，东安发动机制造公司和沈阳航空发动机研究所合作，请美国通用电气公司（ge公司）进行技术咨询，在wj5ai基础上重新设计涡轮部件，经改型设计形成wj5e发动机。1987年5月，中国政府批准这一合作工程项目实施，同年8月，与ge公司签订的技术咨询合同经批准正式生效。次年底完成了图纸设计，1990年9月完成样机装配和试验。经测试证明，wj5e发动机的性能达到了改善经济性和预期目的。随后，两次通过ccar33部规定的150h持久试验，并完成了ccar33部规定的型号合格审定验证项目。1993年7月由飞行试验研究院完成了型号合格审定试飞，同年12月经中国民用航空总局批准，wj5e发动机取得型号合格证。wj5e发动机是中国首台按照中国民用航空规章第33部（ccar33）航空发动机适航标准进行适航符合性审定的涡轮螺旋桨型航空发动机。
　　1982年wj5e发动机设计定型并投入批生产，装于双发的y7飞机上。与此同时，还试制成功了wj6发动机，涡桨-6系列发动机是我国涡桨发动机的典型代表，是中国株洲南方航空动力公司生产，除此之外还有涡桨-5，由哈尔滨120厂生产，起飞功率达到3124kw，装于支线客机y8上。wj9是株洲航空发动机研究所以wz8a发动机为技术基础进行改型设计的小型涡桨发动机，起飞功率为500kw，耗油率为0.354kg/kw·h，于1996年取得适航证，装于双发支线客机y12上。 　　国产中小型运输机主要安装的发动机为涡桨发动机，涡桨发动机在结构上较欧美国家发动机显得略微厚重，附件多，安装和维修工作量大，燃油调节采用液压机械式，在高原启动困难，使用寿命较欧美同类产品短。
　　3 国内外涡桨发动机发展趋势
　　3.1 国外涡桨飞机动力系统发展趋势
　　国外涡桨飞机动力系统的未来发展主要着重在动力系统的性能、结构形式、控制系统、部件及螺旋桨的材质性能上。
　　（1）在结构工艺方面，随着材料科学的发展，逐步应用高性能的材料和改进新工艺，将会使下一代涡桨飞机动力系统更加轻便，寿命更长，安全系数更高，可靠性更好。在结构方面，2000kw以下涡桨发动机将采用轴流与离心组合式压气机转子，采用1级燃气发生器涡轮，2级或3级自由涡轮，以此追求最佳效率。2000kw以上的涡桨发动机将采用双转子多级轴流压气机（如tp400-d6发动机）或轴流及离心组合压气机（如d27发动机），支撑结构采用两支点5轴承，做到零部件总数更小。（2））在气压机方面，中小型航空压气机的发展应始终将重点放在增加压缩比，改善效率水平。涡桨发动机压气机的发展趋势是逐步提高效率，扩大喘振边界、提高寿命、使结构简单，零件减少。（3））在螺旋桨方面，涡桨飞机的动力系统主体是发动机，但螺旋桨也是其重要的组成部分。上世纪70年代美国、英国和苏联等国家先后开始研制复合材料螺旋桨，研制出的产品各有千秋，在设计、制造工艺、检测和试验等方面都有着成熟的经验。由铝合金大梁、玻璃钢外壳结构逐步发展到纤维大梁、泡沫填充、玻璃钢外壳结构。成型工艺也发展成整体浇注成型，推动了螺旋桨技术向轻质、机械性能好，寿命长，高效的方向发展。（4）在控制系统方面，从用于涡桨发动机的气动和液压式、模拟电子机械液压混合式燃油调节器过渡到全权数字式电子控制系统。同时，采用光电敏感元件、高温电子设备和灵活的控制逻辑。控制系统的重量将减小50%，环境温度将提高110%～120%。20世纪90年代以后，随着计算机技术的发展，航空发动机控制又进入到了所谓的综合阶段。在这个阶段，航空发动机普遍使用双通道fadec，控制装置有了包括对航空发动机的故障诊断、健康管理在内的机载诊断功能，并具备了复杂的多变量综合控制功能。
　　3.2 国内涡桨飞机动力系统的发展趋势
　　（1）单转子向多转子发展，单转子发动机的缺陷有：启动困难，负荷大；必须设置压气机放气调整装置，易造成喘振；发动机尺寸相对较大。国外先进的涡桨发动机普遍采用的是多转子，双转子和三转子的设计，通过改变工作叶轮进口处气流相对速度的方向从而达到防喘目的，因此国内发动机想进一步前进，必须向多转子方向发展。（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较高的总增压比，以获得较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机后几级的“尺寸效应”愈加明显，气流损失增大，气动性能显著下降。由于离心式压气机的转子结构刚性更好、抗外物能力更强，尺寸效应对离心式压气机的影响小，因此，用它来取代后面的轴流压气机是有利的，在极小尺寸情况下，有必要采用离心压气机系统。（3）通过“核心机”衍生其他机型，重新研制一种新型的发动机周期长，难度大，可能会出现众多难以预计的故障和屏障。在一种成熟的核心机的基础上，通过局部改变，衍生成新型的发动机，满足客户的特定需求，是一种成功的发展之路。国内南方航空动力公司的涡桨6系列发动机做法：核心机不变，改变燃油量，提高涡轮前温度，改变传动及附件，形成新的机型。（4）材料上的突破，材料是工业的基础，发动机也不例外。而且发动机对材料的要求更苛刻。正在应用的先进材料高温合金是铁基、镍基和钴基高温合金的总称，又称超合金。铁基合金使用温度一般比镍基合金低，可做中温使用的零部件，如700℃以下使用的涡轮盘。镍基合金用来制造受力苛刻的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室等，在先进的发动机中，镍基合金占总重量的一半。钴基合金因其具有良好的抗热腐蚀性能和抗冷热疲劳性能广泛用作导向叶片。（5）发动机向桨扇型发展，随着世界经济复苏，新能源开始应用，涡扇飞机自身条件相比较涡桨飞机具有先天的优势，因此在大力发展短途涡桨支线飞机的同时，必须在国内支线飞机市场日趋开放的今天，做好多种型号的民用涡扇支线飞机的研制准备。现有的涡桨发动机已不能适应各型号飞机的需求，采用涡扇发动机或者桨扇发动机成为发展趋势，涡扇发动机经证明可以很好的降低噪声，飞机在中高速飞行中比较经济，对提高飞机的飞行速度十分有益。桨扇型发动机是现在各国正在加紧研发的新型发动机，它不但具有很好的低速性能，而且具有涡扇发动机的高空性能，比装涡轮风扇发动机的飞机省油25%～40%，是目前国际上研发方向之一。
　　4 结语
　　综上所述，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。科技无国界，行路看前车，我国的涡桨发动机应该在一种可靠的核心机基础上，不断发展，形成新的发动机，满足不同飞机的需求。立足国情，慎思笃行，学以致用。提炼和升华自身产业技术，聚满天星成一团火，集点滴成大海，加强行业交流，相互促进，国产发动机必然获得成功。
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