我國民用渦軸發動機的發展研究

雷新國，周輝華，張　媛

（1.中國南方航空工業（集團）有限公司，湖南株洲412002；2.中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

我國民用渦軸發動機的發展研究

雷新國1，周輝華2，張媛1

（1.中國南方航空工業（集團）有限公司，湖南株洲412002；2.中國航空動力機械研究所，湖南株洲412002）

民用渦軸發動機的研制對通用直升機的發展至關重要。簡要介紹了國內外現役民用直升機及配裝渦軸發動機的發展情況，歸納總結了民用渦軸發動機發展的現狀和技術特點。探討分析了國外民用渦軸發動機的發展趨勢和成功經驗，并對我國民用渦軸發動機的發展需求、研制能力和現狀進行了剖析，從完善社會配套體系、制定發展戰略、深化國際合作和加強技術攻關等方面提出了針對性的發展思路和建議，可為解決直升機心臟受制于人、實現軍民融合式發展提供參考和借鑒。

航空發動機；發展現狀；技術特點；發展趨勢；需求分析；研制能力；發展思路

1　引言

我國國民經濟的快速發展和低空空域逐步開放等相關利好政策的出臺，極大刺激了通用航空產業的發展。作為通用航空重要組成之一的民用直升機，則迎來了快速發展的黃金期。作為國內最主要的直升機生產商——中航直升機有限責任公司（以下簡稱中航工業直升機），近年來研制了一系列新一代的民用直升機，并形成了系列化發展的產品格局；以收購了美國恩斯特龍直升機公司的重慶通用航空產業集團有限公司（以下簡稱重慶通航）為代表的通用航空公司，也紛紛布局直升機產業，進行直升機的生產制造。此外，國外空客直升機公司、阿古斯塔·韋斯特蘭公司、貝爾直升機公司等，積極搶占國內直升機市場。然而，作為直升機主要動力裝置的渦軸發動機，卻未能如直升機一樣呈現百花齊放、同臺競技的格局，幾乎仍被國外發動機生產商所壟斷。如何發展我國自己的民用渦軸發動機，解決直升機心臟受制于人的現狀，實現軍民融合式發展的戰略目標，是航空發動機行業應該思考的問題。

本文通過對國內民用直升機配裝渦軸發動機的市場現狀及其性能進行歸納分析，梳理出民用渦軸發動機的技術特點、發展趨勢和未來市場需求；同時，根據我國渦軸發動機的研制能力和現狀，提出一些初步的發展思路，以期為我國民用渦軸發動機的發展提供參考。

2　我國民用直升機的市場現狀

統計表明，2011年我國民用直升機機隊規模為272架，2012年增加到337架，2013年增加到390架［1］，2014年增加到524架［2］，機隊規模快速增長。機隊構成方面，居于主導地位的是進口直升機，其余則是我國自主研制或引進專利生產的直升機。以2012年度為例，我國民用直升機市場份額中空客占24%，羅賓遜占22%，西科斯基占24%，貝爾占13%，阿古斯塔·韋斯特蘭占5%，俄羅斯直升機公司占5%，其他占7%［1］。部分典型機型及其配裝渦軸發動機的基本信息如表1所示。

我國直升機制造商主要為中航工業直升機，以及一些通用航空企業如重慶通航等。中航工業直升機是我國從事直升機研制、營銷、服務和運營的大型國有企業，生產了直8、直9、直11系列直升機，和AC310、AC301、AC311、AC312、AC313、AC352等民用直升機。重慶通航主要研制型號為480的4座輕型多用途直升機。部分國產典型機型及其配裝渦軸發動機的基本信息如表2所示。

表1　部分國外直升機及其配裝發動機的基本信息Table 1 The basic situation for part of the foreign helicopters and their engines

表2　部分國產直升機及其配裝發動機的基本信息Table 2 The basic situation for part of the domestic helicopters and their engines

從表1、表2中可以看出，目前國內運營的直升機絕大部分采用國外廠商生產的渦軸發動機，僅少量國產直升機配裝國產WZ8A/WZ8D型渦軸發動機。從整體規模上看，國內渦軸發動機的市場構成呈現國外發動機寡頭壟斷的態勢，其中又以透博梅卡的渦軸發動機居多。這凸顯了我國渦軸發動機產業發展的滯后與不足，渦軸發動機的發展遠不能滿足國民經濟的發展需求，但同時也意味著面臨的市場機遇巨大。

3　世界民用渦軸發動機的發展現狀和技術特點

3.1發展現狀

渦軸發動機通過不斷改進改型和更新換代，已成功研制到第四代并開始陸續投入使用。目前，直升機市場上普遍采用的是第三代渦軸發動機，如普惠公司的PT6C-67C，通用電氣公司的CT7-2A，透博梅卡公司的Makila-1A2等；僅少數直升機采用第四代渦軸發動機，如阿古斯塔·韋斯特蘭公司的超山貓300系列直升機采用輕型直升機渦輪發動機公司的CTS800-4N，印度北極星多用途輕型直升機采用透博梅卡公司的Ardiden 1H等［3］。這些發動機在結構和性能上代表了當前渦軸發動機的先進水平，其主要技術參數如表3所示。

3.2技術特點

渦軸發動機從第三代發展到第四代，其典型技術特點為：

（1）進一步提高了循環參數，使發動機的性能大大提升。如壓氣機的總增壓比提高到13～16；發動機的單位功率由第三代的220～240 kW/（kg·s-1）提高到第四代的280 kW/（kg·s-1）左右；耗油率由第三代的0.29～0.33 kg/（kW·h）降低到第四代的0.27～0.28 kg/（kW·h），已接近活塞發動機的耗油率水平［4］。

（2）渦輪進口溫度提高到1 400～1 600 K，改善了發動機的循環熱效率。

（3）新材料、新工藝、單元體結構的采用，發動機的可靠性和維修性進一步提高，同時降低了全壽命周期費用。

（4）完成了機械液壓式控制系統向全權限數字式電子控制系統的升級換代，提高了發動機的控制能力和減輕了駕駛員的操作負荷。

（5）普遍采用進氣防護裝置。如CT7-2A和CTS800-4N裝有整體式的粒子分離器，提高發動機的防沙能力。

4　國外渦軸發動機發展趨勢及成功經驗［5］

4.1發展趨勢

渦軸發動機的發展，不僅受直升機技術發展趨勢的影響，還在很大程度上取決于航空發動機的技術基礎。為推動渦軸發動機的不斷發展，美國和歐洲實施了一系列技術研究計劃。以美國為例，美國先后實施了聯合渦輪先進燃氣發生器（JTAGG）計劃，共用發動機（CEP）計劃，小型重油發動機（SHFE）計劃，先進、經濟可承受的渦輪發動機（AATE）計劃，美國陸軍未來可承受渦輪發動機（FATE）計劃，小型經濟可承受的渦輪發動機（SATE）計劃等，計劃的簡要內容見表4。這些研究計劃的開展，極大地促進了渦軸發動機的技術進步，滿足了新一代直升機對渦軸發動機的技術需求。

通過分析表4羅列出的技術研究計劃可以看出，渦軸發動機將向低耗油率、高功重比、低研制成本、低維修成本等方向發展。為實現預期的技術目標，未來渦軸發動機的技術發展趨勢主要為：

（1）進一步提高熱力循環參數。提高壓氣機增壓比和燃燒室出口溫度，可以降低耗油率和提高單位功率。因此，未來渦軸發動機將采用新技術和新結構，進一步提高增壓比和渦輪進口溫度。

表3　典型渦軸發動機的主要技術參數Table 3 The main technical parameters of the typical turboshaft

為提高增壓比，壓氣機將采用多級超跨聲速軸流加離心組合式結構或采用雙級離心壓氣機結構。特別是采用雙級離心式壓氣機，轉子穩定性好，零件數量少，便于維修，抗外物損傷能力強。為提高渦輪進口溫度，多采用多通道強迫對流加氣膜冷卻的復合冷卻方案，采用Lamilloy材料制造的超冷渦輪葉片，在提高隔熱效果的同時減少冷卻空氣使用量。

表4　美國渦軸發動機的技術研究計劃Table 4 The technology research plan of the turboshaft in the United States

（2）提高部件效率。采用三維有粘流場計算方法設計壓氣機和渦輪，減少氣體流阻損失；采用刷式封嚴等新型封嚴結構和采用主動間隙控制技術縮小葉尖間隙，減少空氣泄露，提高壓氣機和渦輪效率。

（3）采用新材料和新結構。新型復合材料的應用和新結構設計，為大幅減輕發動機質量提供了可能。壓氣機采用金屬基復合材料不僅減輕了質量，同時也可提高葉片切線速度；燃燒室和渦輪部件采用陶瓷基復合材料、碳/碳復合材料，在提高部件耐高溫性能的同時減輕了質量。整體葉盤、整體葉環、對轉渦輪等新結構的采用，也大大減輕了部件質量。

（4）采用分布式控制系統。目前第三代渦軸發動機的控制系統主要為帶機械液壓備份的FADEC系統，第四代渦軸發動機多采用雙余度FADEC系統。未來FADEC系統的發展趨勢是采用分布式控制系統。與目前的集中式系統相比，分布式控制系統可以提高發動機的控制能力和可靠性，降低控制系統的復雜性和質量。

4.2成功經驗

縱觀國外渦軸發動機的發展歷程，其成功發展的途徑主要有：

（1）自主研制，全譜系發展

為滿足市場需求、搶占市場份額，各大渦軸發動機生產商均自主研制了一系列民用渦軸發動機，如Arriel系列、PT6B/C系列、Model 250-C系列等發動機。其中以透博梅卡公司最具代表性，其研制了Ar?rius、Arriel、TM333、Ardiden和Makila等系列發動機，功率覆蓋范圍350～1600 kW，在自主研制的基礎上實現了產品的全譜系發展。

（2）改進改型，擴大使用范圍

基于擴大發動機使用范圍、降低研制成本和風險等因素考慮，各生產商均對典型渦軸發動機進行了改進改型，形成了產品的系列化發展。如普惠加拿大公司的PT6T系列發動機，是在PT6T-3發動機的基礎上進行了結構改進和功率改進，形成了PT6T-3A、PT6T-3B、PT6T-3D、PT6T-6等發動機，極大地滿足了多款直升機的動力需求。部分廠商在成熟的渦槳發動機平臺上進行了槳改軸研制，如普惠加拿大公司在PT6A型渦槳發動機的基礎上，成功研制出PT6B/C型系列渦軸發動機。

（3）核心機派生發展

為充分利用技術積累，在優良核心機基礎上進行派生發展已經成為發動機生產商的共識。如萊康明公司（現霍尼韋爾國際公司）在T53發動機核心機的基礎上，成功派生出T55、LTS101型系列發動機，并取得巨大的市場成功。

5　我國民用渦軸發動機需求分析

目前，我國民用直升機的保有量非常少，從國土面積、人口數量和GDP增長率三個方面考慮，我國的直升機保有量應接近或達到美國大約2萬架的水平，因此未來我國直升機市場需求巨大。從細分市場角度考慮未來直升機的發展需求，在政府執法方面，武警、海警和公安警用直升機穩步增加；在政府公共服務領域，應急救援、電力作業等對直升機的需求也日益增加；在通航領域，海洋石油開采和農林作業的加快發展刺激了通用直升機的快速發展；另外，飛行培訓、旅游觀光等的蓬勃興起，也進一步促進了直升機產業的發展。據中國科協、中國航空學會預測［6］，到2020年中國國內民用直升機機隊將達到2 250架。考慮到單、雙發和備份發動機，飛機和發動機按1：1.5配比，未來國內共需交付約3 000臺民用渦軸發動機。

6　我國民用渦軸發動機的研制能力和現狀

長期以來，我國民用渦軸發動機的發展十分緩慢。一是由于渦軸發動機具有技術難度大、研發周期長、資金投入多和市場準入門檻高等特點，造成我國渦軸發動機在技術性能狀態、價格、品牌和服務支持等方面與國外差距較大，無法有效滿足市場需求。二是受國民經濟發展水平的制約，市場需求相對較少，導致需求牽引不足。由此致使我國民用渦軸發動機的發展相對落后，主要體現在發動機型號少、未能形成系列化，功率覆蓋范圍窄，性價比不高等。

我國現役民用渦軸發動機主要有WZ8A和WZ8D型等，其主要技術參數如表5所示。與國外機型相比較，存在油耗較高、首翻期和整機壽命過短、效率和可靠性較低等問題，造成發動機全壽命周期使用成本偏高，維修頻繁，用戶使用不便。同時，這兩款發動機由于機型老舊，改進改型的可能性不大，未來將隨著新型號的研制成功逐步退出市場。

目前，我國開展了一系列新型民用渦軸發動機的研制，其功率覆蓋范圍約為500～700 kW和1 000 ～1 200 kW，主要針對將成為我國未來直升機市場主要機型的1～3 t輕型直升機和6～10 t中型直升機的市場需求［6］。因此，新型渦軸發動機的研制成功，將極大提升我國民用渦軸發動機的研制能力和適航取證水平，滿足國內主力民用直升機的動力需求，緩解國內民用渦軸發動機型號短缺的矛盾。

7　我國民用渦軸發動機的發展思路［7-9］

（1）建立和完善社會配套體系

國家出臺相關優惠財政和稅收政策，支持民用航空發動機社會配套體系的發展和完善，利用政策引導逐步形成以發動機主機廠為核心、配套企業圍繞主機廠布局的產業集群模式。通過產業集群，發動機主機廠形成“小核心、大協作”的民機研制體系，通過專業化、集中化的產業鏈發展模式，增強民用渦軸發動機的市場競爭力。

（2）做好戰略規劃，處理好長期與短期的關系

民用渦軸發動機的發展是系統性工程，目前國家已將航空發動機和燃氣輪機列為重大專項，可以說民用渦軸發動機面臨歷史上最好的發展機遇。各發動機制造商應根據直升機市場的未來發展需求及自身業務的能力和現狀，制定好渦軸發動機發展的路線圖，突出重點，進行差異化發展。可優先發展市場銷量最好的1～3 t級輕型直升機和6～8 t級中型直升機配裝的渦軸發動機，其他功率范圍內的民用渦軸發動機，由于市場需求相對有限、產值不大，可作為一般發展或備選發展。

（3）進一步深化國際合作，快速提升研制能力

國際合作是研制新型民用航空發動機的必由之路。只有在開展國際合作的前提下，才能加快掌握部分核心技術及細節設計技術，提升我國民用渦軸發動機的研制和生產能力，通過新型號的研發和現有型號的改進改型，盡快滿足國內市場需求，縮短我國與發達國家在渦軸發動機研制領域的差距。目前，我國已經與透博梅卡公司就渦軸發動機的研制建立了良好的合作關系，未來雙方可進一步加強和擴展合作的深度與廣度，逐步實現從引進技術進行批生產和市場營銷的合作模式，向共同研制、分工生產的合作模式轉變。

（4）開展延壽和可靠性工作，降低全壽命期成本

民用發動機對可靠性、壽命、維修性和成本有嚴格的要求。目前，我國的民用渦軸發動機如WZ8A/ WZ8D等，受材料基礎和工藝技術的影響，與國外同量級發動機相比，在壽命、可靠性、成本等方面存在一定差距。為此，必須加大延壽和提高可靠性等技術的研究，提高發動機的性能狀態和降低全壽命期成本，以減小國產發動機與同量級國外發動機的技術狀態差距，增加國產發動機的市場競爭力。

表5　我國現役渦軸發動機的主要技術參數Table 5 The technical parameters of the turboshaft used by China

（5）加強科技投入，加大技術研發

我國民用渦軸發動機的發展途徑，主要是以國際合作為主、自主研制為輔，這是我國現實國情下的必然選擇，是符合民機研制發展的客觀規律。然而必須意識到，現階段開展的國際合作，由于核心技術受制于人，在談判和后續合作中實質上處于被動地位，沒有主動權。未來民用發動機的發展必須走上國際合作和自主研制并駕齊驅的道路，只有在獨立自主研制基礎上擁有自己的技術基礎和專長，才能實現真正意義上的地位平等的國際合作。CFM國際公司的成功和寶馬-羅羅公司的慘敗就是最好的案例。

為此，我國必須加大對民用渦軸發動機的科研投入，利用航空發動機和燃氣輪機國家重大專項的實施，開展一系列關鍵技術的研發和基礎研究工作。在實現自主研發能力整體跨越發展的同時，率先突破并掌握幾項核心技術，使之達到國際先進水平，并以此為基礎，同國外企業開展涉及核心技術研發的新型號研制，以解決目前國際合作中核心技術受制于人的現狀。

8　結束語

我國民用渦軸發動機市場競爭非常激烈，幾乎被國外產品所壟斷。從產品體系、技術性能、品牌和售后服務等諸多方面對比分析，我國差距十分明顯。未來渦軸發動機將更廣泛地采用新材料、新工藝和新結構，向低耗油率、高增壓比和低成本等方向發展。為加快我國民用渦軸發動機的發展，一方面需進一步深化國際合作，利用國外的先進技術和已有機型，盡快研制出滿足市場需求的新型渦軸發動機，提升研制能力；另一方面，加大科研投入，加大自主創新研究，借助國家重大專項的實施，開展一系列關鍵技術和基礎理論的研究，解決核心技術受制于人的困境，實現國際合作和自主研發并駕齊驅的發展格局。

［1］ 褚世永.我國民用直升機市場現狀［J］.國際航空，2014，（2）：45—46.

［2］ 中國大陸直升機數量2014年猛增34%，達到583架［EB/ OL］.http：//www.chinanews.com/mil/2015/03-16/7131142. shtml.

［3］ 林左鳴.世界中小型航空發動機手冊［M］.北京：航空工業出版社，2012.

［4］ 方昌德.航空發動機的發展研究［M］.北京：航空工業出版社，2009.

［5］ 程榮輝，古遠興，黃紅超，等.民用航空發動機核心機技術發展研究［J］.燃氣渦輪試驗與研究，2007，20（1）：1—7.

［6］ 李昊.世界民用直升機市場發展預測［J］.國際航空，2014，（2）：42—44.

［7］ 方昌德.航空發動機的發展前景［J］.航空發動機，2004，30（1）：1—5.

［8］ 張寶誠.航空發動機的現狀和發展［J］.沈陽航空工業學院學報，2008，25（3）：6—10.

［9］ 陳光.航空發動機發展綜述［J］.航空制造技術，2000，（6）：24—27.

The research of development of civil turboshaft engine

LEI Xin-guo1，ZHOU Hui-hua2，ZHANG Yuan1

（1.China South Aviation Industry Limited Corporation，Zhuzhou 412002，China；2.China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

Civil turboshaft plays an important role in the development of general helicopter.The develop?ment situation of the helicopters and their engines around the world was analyzed，and the technical charac?teristics and development situation of the turboshaft engine were also summarized.The development trend and successful experience of foreign turboshaft were discussed，and the demands，development capacity and current situation of civil turboshaft development in China were investigated.The suggestions of develop?ment were proposed from different aspects as perfection of social supporting system，establishment of devel?opment strategy，deepening of international cooperation and enhancement of technical tackling，etc，so as to solve the difficulty of the manipulation of helicopter's engine and to provide

for the development combined both military and civilian aspects.

aero-engine；development status；technical characteristics；development trend；demandanalysis；research capacity；development strategies

V235.12

A

1672-2620（2016）04-0057-06

2015-09-22；

2015-11-25

雷新國（1982-），男，山西運城人，工程師，主要從事航空發動機的發展研究。