渦槳發動機典型結構特點及發展分析

覃華斌 唐偉員 譚元球

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

渦槳發動機是一種通過由動力渦輪發出功率驅動螺旋槳，使螺旋槳產生拉力（或推力）的航空動力裝置，由于耗油率低，中低速性能好，渦槳發動機被廣泛應用在支線客機、軍民用運輸機和通用飛機上。

隨著現代科技的發展，大量先進氣動/結構設計技術、新材料、新工藝等在發動機上得以應用，發動機將向著高熱力循環參數、高可靠性、低成本方向發展，應用范圍更加廣闊。

1.發展現狀

渦槳發動機有“綠色動力”的美譽，自1942年英國成功研制第一臺渦槳發動機以來，渦槳發動機已有近80年的發展歷史，早期由于渦槳發動機振動噪聲大等缺點，其應用市場受到渦噴渦扇發動機的擠壓，隨著螺旋槳設計制造技術的進步，渦槳飛機在高亞音速飛行時的推進效率大大提高，噪聲水平大幅度下降，乘坐舒適性也得以改善，渦槳發動機逐漸在軍民用運輸機上大量使用，如美國C-130“大力神”運輸機（AE2100發動機），空客軍用中型運輸機A400M（TP400-D6發動機）等，同時還廣泛用在支線客機、初/中級教練機和偵察/攻擊無人機的動力[1-2]。

隨著技術的進步，渦槳發動機不斷發展，目前已發展至第四代，發動機熱力循環參數有了較大提高，總增壓比超過20，渦輪前溫度達1700K以上，耗油率可降至0.25 kg/（kW·h）甚至更低[3]。典型渦槳發動機技術參數見表1。

表1 典型渦槳發動機情況

2.典型部件結構特點

中小型渦槳發動機流量小、轉速高，尺寸效應明顯，部件選型與渦噴渦扇發動機有所不同，發動機壓氣機較多地采用了軸流、離心或軸流-離心組合式結構形式，燃燒室較多地采用了回流和折流的結構形式，渦輪一般為軸流式。

2.1 壓氣機

壓氣機可分為軸流式、斜流式、離心式三種基本結構形式（見圖1），軸流式氣流流動方向與工作輪旋轉軸心線的方向基本一致，徑向速度非常小；斜流式是指氣流方向和旋轉軸成一傾斜角；離心式是指氣流方向沿著半徑方向或接近于半徑方向。

圖1 壓氣機示意圖

軸流式壓氣機單位迎風面積空氣流量大、效率高，缺點是單級增壓比低；離心式壓氣機單級增壓比高，穩定工作范圍廣，結構簡單、重量輕、轉子剛性好、維修性好，缺點是單位迎風面積的空氣流量小、效率相對較低。斜流壓氣機兼有軸流壓氣機的小迎風面積、高效率特性及離心壓氣機的單級增壓比高、工作穩定性好的特點。

2.2 燃燒室

燃燒室構型受上游壓氣機出口截面和下游高壓渦輪進口截面尺寸的影響，由于最后一級壓氣機多采用離心壓氣機，使得壓氣機部件出口徑向高度高于渦輪進口，這種進、出口布置使發動機燃燒室的結構形式更加多樣化。

通常機燃燒室有回流燃燒室、直流燃燒室、折流燃燒室三種結構形式，見圖2。

圖2 發動機燃燒室結構布局類型

隨著設計技術的不斷發展，燃燒室不斷向高溫升、高容熱強度以及長壽命等方向發展，主要特點如下：

（1）從單管燃燒室、環管燃燒室，發展到目前廣泛使用的環形燃燒室，結構越來越緊湊；

（2）使用更好的耐溫材料，如陶瓷基復合材料、隔熱涂層等，燃燒室壽命越來越高，先進渦槳燃燒室的使用壽命在10000h以上；

（3）從最初的對流冷卻、沖擊冷卻和氣膜冷卻，發展到發散冷卻、Z型環冷卻、各種復合冷卻（沖擊+氣膜、沖擊+發散、沖擊+Z型環以及浮動壁等）、多層孔板。

2.3 渦輪

渦輪部件工作環境惡劣、零件數多、加工制造工藝復雜，是影響發動機性能、可靠性、強度壽命的主要部件。渦輪多采用軸流結構，一般由燃氣渦輪和動力渦輪兩部分組成。通常燃氣渦輪葉片的均為冷卻式結構，內腔冷卻流路復雜（見圖3）。

圖3 渦輪工作葉片示意圖

渦輪大量應用復合傾斜葉片、復雜高效冷卻結構、被動間隙控制、刷式封嚴等先進設計技術；同時大量應用單晶材料、多聯冷卻導向葉片精密鑄造、導向器整體精密鑄造、深孔加工等先進材料和工藝技術。

2.4 減速器

減速器是渦槳發動機的特有部件，通過減速齒輪齒數的合理組合，匹配發動機轉子和螺旋槳/旋翼的轉速，使之在各自適合的轉速下工作。同時，減速器還可為飛機附件（如交流發電機、液壓泵等）和螺旋槳附件（如槳距控制單元等）提供必要的驅動力或安裝接口。

減速器的傳動形式多種多樣，如羅·羅公司的AE2100、GE公司的T56、歐洲的TP400-D6等發動機的減速器采用簡單+行星/星形傳動；普惠公司的PW100發動機減速器采用兩級兩路分流傳動；烏克蘭的D-27、俄羅斯的NK-12發動機減速器采用差動傳動。

按照減速器輸入/輸出布局，可分為同軸式和偏置式兩類。同軸式與偏置式各有優缺點：

（1）同軸式結構緊湊、尺寸小、重量輕，裝于發動機前端或后端，迎風面積小，裝于飛機頭部時，對飛機氣動性能影響較小。偏置式外廓尺寸大、重量重、迎風面積較大，不利于裝于飛機頭部，適合裝于飛機兩側機翼；

（2）同軸式外部空間有限，不利于排布飛機附件和螺旋槳附件。偏置式外部空間可為飛機附件和螺旋槳附件提供安裝空間；

（3）同軸式減速器上的螺旋槳離地間隙較小，槳葉直徑受到一定限制。采用上偏置式減速器，槳葉直徑可設計更大，能有效提供螺旋槳負載；

（4）同軸式采用多個星輪/行星輪，分流路徑更多，承載能力更大。

3.發展方向

與其他類型發動機的技術發展相似，未來渦槳發動機將向高性能（高壓比、高渦輪前溫度、低油耗）、高可靠性、低全壽命期成本發展。

3.1 部件技術發展

基于傳統構型發動機發動機，為獲得發動機更高的熱力循環參數，需要提高壓氣機和渦輪效率，提高壓比和渦輪前溫度，為此需要發展耐溫更高的材料（鎳/鋁金屬間化合物、陶瓷基復合材料），發展更先進的耐溫涂層及先進的冷卻方式等。

壓氣機：采用斜流加離心或雙級離心組合壓氣機，全三維黏性氣動設計，葉片盤采用重量輕、強度大、不易疲勞破壞、抗損傷能力強的非金屬復合材料，采用抗砂塵沖蝕涂層，氮化鈦涂層在T64、T700發動機上已得到大規模應用，并將推廣應用到新研GE38和HPW3000等多型發動機上。

燃燒室：采用先進材料、在火焰筒上等離子噴涂陶瓷，提高火焰筒耐高溫能力，美國NASA和軍方已合作研制出一種能承受1922K高溫的燃燒室火焰筒，通過金屬基體噴涂陶瓷的方式來解決耐高溫問題，比與傳統氣膜冷卻減少80%冷氣；采用先進燃油噴嘴，減少燃燒室積碳與冒煙。

渦輪：更高的進口溫度、更大的膨脹比、更少的級數。發展更加耐高溫的材料（鎳/鋁金屬間化合物、陶瓷基復合材料）、發展更有效的渦輪冷卻技術（蒸發冷卻）。

控制系統：全權數字式電子控制系統，采用光電敏感元件、高溫電子設備和靈活的控制邏輯；具有包括對航空發動機的故障診斷、健康管理在內的機載診斷功能，及復雜的多變量綜合控制功能（飛發一體化控制）。

3.2 新概念發動機

國外在進一步發展傳統渦軸發動機技術的同時，正在探索發展新概念發動機，如多點/全電發動機、開式轉子發動機等。

（1）全電發動機。全電發動機將全面優化發動機結構，從而改善性能、減輕重量、提高可靠性并降低壽命期費用。全電發動機以支承發動機轉子的非接觸式電磁軸承和發動機軸上安裝的內裝式整體起動/發電機為核心，配以分布式電子控制系統，為發動機各系統提供電力驅動。發動機可取消傳統的接觸式滾動軸承、潤滑系統和機械（液壓、氣壓）作動系統，大大減輕重量和復雜性，改善可靠性和維修性，降低成本。利用磁浮軸承可減少振動，并對葉尖間隙進行主動控制。

（2）脈沖爆震發動機。利用爆震燃燒室替代傳統發動機燃燒室，可實現發動機循環從定壓向定容的轉變，循環效率顯著提升，可大幅提高發動機單位功率，降低耗油率，同時由于爆震燃燒室自增壓特性可減少壓氣機、渦輪級數，提高功重比，滿足未來高性能直升機對動力裝置的需求。

（3） 開式轉子發動機。開式轉子發動機也稱槳扇發動機或無涵道風扇（UDF）發動機，是介于渦扇發動機和渦槳發動機之間的一種渦輪發動機，既可看作帶先進高速螺旋槳的渦槳發動機，又可看作無外涵道的超高涵道比渦扇發動機。槳扇發動機有著渦槳發動機優越的低速性能，而且比渦槳發動機飛得更快，同時又有堪比渦扇發動機的高速性能，比渦扇發動機省油25%～40%，是目前發動機的重要研究方向。

4.結語

隨著渦槳發動機應用市場的復蘇，世界各國紛紛加大渦槳發動機的研發投入，在不斷提高發動機熱力循環參數、經濟型、可靠性的同時，積極探索新技術、新概念發動機的預先研究工作。隨著現代科技的不斷進步，相信在不久的將來會有更多技術先進、應用范圍廣的渦槳發動涌現，進一步拓展渦槳發動機的應用領域。