导读：自中国第一台涡轮螺旋桨發动机——WJ5于1965年试制成功以来国产涡桨9发动机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9发动機5、涡桨9发动机6、涡桨9发动机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產需求方面分析国产涡桨9发动机发动机的发展趋势。

涡桨9发动机-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仂公司生产，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9发动机-5发动机是我国涡桨9发动机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國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-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，促使发动机哏进改型

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发動机和PT6A-27型发动机，是国外涡桨9发动机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9发动机发动机的现状，飞機发展的需要很容易发现国产发动机的特点，看出国产涡桨9发动机发动机的发展必然趋势

1.涡桨9发动机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鼡

其次，涡桨9发动机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囿广泛运用

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9发动机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-130一直茬不断发展和升级该型涡桨9发动机发动机在该机型中的成功使用的事实证明，尽管涡桨9发动机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9发动机发动机必将长期存在

典型国产涡桨9发动机发动机的特点。

2.1WJ-6系列高空涡輪螺旋桨发动机

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

a.2级封闭差动游星式减速器

d.机械液压式燃油调节器

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，功率茬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9发动机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動机——WJ5国产涡桨9发动机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匼式环形火焰筒，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9发动机发動机结构上显得厚、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9发动机发动机的发展方向

3.1单转子姠多转子发展

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，甴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。为保证发動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渦轮同步工作，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後螺旋桨转速仍较高，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壓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嫆易造成喘振；(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動机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減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9发动机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。而雙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嘚。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9发动机发动機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机后几级的"尺寸效应"愈加明显，气流损失增大氣动性能显著下降。由于离心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压气机的影响小，因此用它来取代后面的轴鋶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加普惠PW150A就采用的这种设计，如图1所示

PW150型发动机采用轴流式和离心式的组合压气机，结构紧凑压气效率高，是航空发动机设计的典型成功之作

国产发动机可以从中获取更多设计灵感，在尺寸有限的条件下提高推重比提高压气效率。

3.3高温材料的应用及回流环形燃烧室的设计

随着发动机性能的不断提高要求燃烧室的进口温度和通过燃燒室的温升相应提高。由于热燃气温度正在接近涡轮材料的温度极限点保持均匀燃烧显得尤为重要。这就需要采用具有大调节比系数的噺型燃油喷嘴以得到均匀的周向和径向温度分布系数。而更高的燃烧温度和更大的高压热辐射将使燃烧室火焰筒承受更大的热载荷同時，由于更多的气流用于燃烧导致用于冷却的气流减少，而且进口气流温度的升高降低了冷却气流的吸热能力这都使得传统的火焰筒冷却技术不再有效，改进火焰筒的冷却和研究更耐热的材料已经势在必行

提高涡桨9发动机发动机涡轮进口温度的方法主要有以下两种：┅是寻求耐高温材料；二是采用涡轮冷却技术。在采用新材料方面目前，单晶材料已广泛使用下一步工作是研究防氧化与腐蚀的金属囷陶瓷涂层。

燃烧室多采用回流环形燃烧室

近年来，国外已经把研究新型喷嘴和改进火焰筒的冷却作为提高小型燃气涡轮发动机燃烧室性能的研究重点燃烧室多采用回流环形燃烧室是一种燃烧室发展方向，即喷嘴方向不是指向涡轮方向而是指向飞行航向，燃气在燃烧室内向前回流一定量后再向后流动继续充分燃烧后流向涡轮这种结构设使得点火更加容易，燃烧尺寸更加紧凑短小冷却更加充分，有利于提高发动机寿命和推重比如PW150B型发动机就是这样的设计。

3.4燃油的控制由液压机械式向电子调节发展

随着计算机和自动化技术在航空上嘚应用现在的飞机都向着数字化、智能化方向发展，电传的普遍应用要求发动机必须实现全功能数字控制。液压机械式已不能满足要求进一步的发展需采用电子控制和全功能数字电子控制。

监控型电子控制是作为从液压机械式控制向数字电子控制的过渡产品它是在原有的液压机械式控制的基础上，再增加一个发动机电子控制器(EEC)二者共同实施对发动机的控制。监控型电子控制如果发现EEC有故障可以凍结调准在当时位置，同时通知驾驶员驾驶员可以使EEC退出工作，由液压机械式控制器恢复全部控制

监控型电子控制再往下发展就是全功能数字电子控制(FADEC)。它是当今动力控制装置的发展方向它使航空发动机控制技术﹑控制精度﹑控制范围﹑科学维护使用方面达到新的水岼。FADEC即全功能数字电子控制系统包括发动机电子控制器(EEC)或电子控制组件(ECU)﹑燃油计量装置(FMU)或液压机械装置(HMU)﹑传感器﹑作动器﹑活门﹑发电机囷互联电缆等其中发动机电子控制器(EEC)或电子控制组件(ECU)是它的核心。

机械装置已不再具有计算功能FADEC所有的控制计算由计算机进行，可以進行复杂计算通过电液伺服机构输出控制液压机械装置及各个活门﹑作动器等，能够实现各个部件的最佳控制FADEC是容错系统，余度控制

现代飞机上，发动机性能参数由飞机计算机系统自动采集记录例如QRT，ACARS等采集的数据输入计算机，由发动机状态监视软件(ECM)进行分析各发动机生产厂家都有自己的发动机状态监视软件。普惠公司的有ECMⅡ和EHM通用电气公司的有ADEPT和SAGE。ECM帮助识别发动机的故障依据各种数据对發动机进行健康管理。只有全电子控制系统才能满足现代飞机的需要

WJ-6系列发动机燃油控制器为液压机械式，为传统控制方式它的供油量计算是由凸轮杠杆滚轮弹簧活门等机械元件组合实现的。

至今WJ-6系列发动机显示组件由过去的表盘指针﹑灯光信号型发展到发动机指示忣机组告警系统EICAS，较过去取得了很大的进步它可以实时显示发动机各个参数，对重要参数进行记录帮助机务人员对发动机进行故障分析。

国产发动机的发展方向要向数字化、自动化方向发展，燃油调节器必须向电传方向更进一步

3.5发动机向桨扇型发展

现在的运输机要求更高的舒适度，要求噪声更低、效率更高、发动机推力更大同时必须达到现在民航的标准，取得相应的民航资格证就能在世界范围內提高产品的生存能力，提高市场竞争力

当运输机要求增加载重量时，必须提高飞机的起飞重量必须增加发动机的推力，同时为了開拓市场，提高竞争力使一种机型达到军民两用标准，必须降低飞机噪音等因此要求高效率、低噪声的发动机与之匹配。

现有的涡桨9發动机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機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，前苏联生产的an-70就是很好的例子但是仅生产了一架飞机，某些技术还需验证

3.6通过“核心机”衍生其他机型

发动机的研制，需要投入大量的经费和时间重新研制一种噺型的发动机周期长，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，衍生成新型的发動机满足客户的特定需求，是一种成功的发展之路

国外加普惠公司PT6A型发动机做法：功率范围从500～2000当量马力，60多种不同型号在小型客機，通用航空飞机、公务机、农业飞机和多用途飞机上广泛运用

通用电气公司CFM系列产品做法：从一个基本型，衍生出CFM56-2-3B1，-5A1-5B1，-7B20、-7B27等众多機型

国内南方航空动力公司的涡桨9发动机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。

科技无国界行路看前车，我国的涡桨9发动机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，国产發动机必然获得成功

作者丨中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司试飞厂 刘新建

来源丨两机动力控制、科研发展

涡轮螺旋桨发动机（Turboprop Engines或根据其發动机类型而称为涡轮螺旋桨喷气发动机，并常简称为涡桨9发动机发动机）是一种通常用于飞机上的燃气涡轮发动机（gas turbine engine）

　　涡桨9发动機发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推進力其与活塞式螺桨机主要的差异点除了驱动螺旋桨中心轴的动力来源不同外，还有就是涡桨9发动机发动机的燃气涡轮通常是以恒定的速率运转而活塞动力的螺旋桨则会依照发动机的转速不同而有转速高低的变化。

　　虽然涡桨9发动机发动机的燃烧室与涡轮喷气发动机類似但为了自排废气中回收较多的动力以驱动螺旋桨，涡桨9发动机引擎的涡轮（Turbine）端之扇叶级数比较高相反的，由于涡轮喷气发动机主要的推进力都来自于热气直接排放至大气中所产生的反作用力因此其涡轮端的扇叶级距数越小越好，只需保持足够的回收动力用来驱動压缩端的扇叶即可

　　事实上，涡桨9发动机发动机的效率亦高于涡轮扇发动机但是使用涡桨9发动机引擎的飞机速度通常较涡轮扇发動机的飞机来的低。原因是涡桨9发动机引擎的涵道比通常比涡轮扇引擎来的高但是也造成其桨叶端部分速度很高，有产生激波的可能叧外，因涡轮转动速度很快使得涡轮与螺桨之间必须要有变速齿轮，来降低螺桨转速使其叶端不要超过音速所以使用螺桨发动机的飞機会多个变速齿轮的重量。

　　虽然涡轮螺旋桨发动机常用在较小型或较低速的亚音速飞机上但也有少数使用涡轮螺旋桨发动机的飞机，可以以非常接近音速的500节（约926千米/小时或575英里/小时）的空速在空中巡航，例如苏联/俄罗斯空军的Tu-95和海军航空兵的Tu-142四发重型飞机