【长知识】国外公务机航空发动机研制规律和途径
导读：
六届年度亚洲公务航空大会及展览会今天在上海虹桥国际机场公务机基地拉开帷幕。据悉，亚洲公务航空大会及展览会是由美国国家公务航空协会（NBAA）、上海机场集团（SAA）、亚洲公务航空协会（AsBAA）联合主办的公务航空展会。本届展会共吸引了170多家国内外品牌参展，创历届新高，并展出飞机35架。那公务机航空发动机研制规律和途径，今天小编带你来看看。
公务机市场巨大的发展潜力和商业效益，吸引了众多航空公司关注，与之密切相关的公务机动力制造业也在稳步发展。国际上几大航空发动机制造商根据公务机动力的特点，相继推出了多个系列的涡桨、涡扇发动机，基本覆盖了各类大、中、轻型公务机动力推力量级。对各个推力量级公务机发动机的性能参数、基本结构形式进行了分析和对比，并根据分析结果对公务机发动机的发展规律进行了归纳，提出了我公务机发动机研制发展建议。
目前，公务机市场主要为四个国家的飞机制造商占据：巴西(巴西航空工业公司)、加拿大(庞巴迪宇航集团)、法国(达索飞机制造公司、索卡塔公司)和美国(赛斯纳飞机公司、日蚀飞机制造公司、湾流航宇公司、豪克-比奇飞机公司、利尔喷气机公司、派珀飞机公司)。公务机按价格、航程、客舱容积等可分为轻型、中型、大型和超大型公务机四类(表1)。
其动力装置大多来自普惠加拿大、GE、罗罗、威廉姆斯国际和霍尼韦尔等几大航空发动机制造公司。以下就应用最为广泛、仍在生产中的几类公务机发动机进行介绍和分析。
1涡桨发动机
涡桨发动机结构简单，油耗低，起飞推力大，用在公务机上可很好地体现其经济性；但受螺旋桨限制，飞行速度较慢，一般为800km/h左右。表2示出了常用的PT6A系列涡桨发动机的主要参数。
PT6A系列涡桨发动机，由3级轴流(个别型号4级)和1级离心组成的混合式压气机、回流环形燃烧室、单级燃气发生器涡轮、单级(个别型号为2级)自由涡轮等部件组成。采用的管式扩压器性能优良、结构紧凑，能满足气动设计要求；同时采用三维粘性流程序设计，可提高压气机的稳定裕度。
该发动机设计的独特之处在于：空气进口增压室位于发动机后部，涡轮和排气部分位于发动机前端。空气进入压气机后经几次气流转向依次进入燃烧室、涡轮，最后经尾喷管排出。尽管经过大量改进、改型，但PT6A各型别的基本结构和径向尺寸一直保持不变。通过对材料和热端部件进行改良，提高了发动机功率、涡轮前温度，降低了油耗。PT6A的功率覆盖范围扩大到349～1279kW。
以PT6A为代表的涡桨发动机曾独霸公务机市场，但涡扇发动机的进入对涡桨发动机形成了极大挑战。涡扇公务机对涡桨公务机的最大优势，在于发动机推重比大、飞行速度快。但涡桨发动机通过不断改进，以较低的耗油率(第四代涡桨发动机的耗油率达到了0.25kg/(h·kW)左右)和使用成本与涡扇发动机抗衡。
2涡扇发动机
2.1轻型公务机发动机
轻型公务机最大起飞质量在5000~10000kg，多采用双发结构。发动机起飞推力在800~1500daN，这个推力范围的涡扇发动机基本被PW500系列及FJ44系列发动机覆盖。表3为常见几种轻型公务机用涡扇发动机的主要参数。
2.1.1 JT15D
JT15D是普惠加拿大公司研制的中等涵道比小型涡扇发动机（图1）。在JT15D的研制中，普惠加拿大公司利用美国普惠公司JT9D发动机上的研制经验，和该公司对高增压比离心压气机长期研究的成果，缩短了研制周期。为满足发动机推力提高10%左右的要求，在JT15D-1定型之前，普惠加拿大公司就开始了JT15D-4发动机的改型设计工作。改型中充分利用了JT15D-1在试验中积累的经验，既增大了推力，又减少了零部件数，并且使JT15D-1与JT15D-4两型发动机有较多的通用零部件。
JT15D的1级离心式压气机增压比可达到6，叶轮出口采用高效率的管式扩压器，效率可保持在0.777。该发动机有2级低压涡轮，第1级采用整体铸造。JT15D-5采用了无叶冠风扇、回流环形燃烧室、耐热钢外套及镍基合金联焰管。
2.1.2 PW500
PW500系列发动机是普惠加拿大公司研制的大涵道比涡扇发动机，由1级轴流式风扇(整体叶盘、宽弦钛合金叶片)、2级轴流加1级离心组合式压气机、回流环形燃烧室、1级轴流高压涡轮、2级轴流低压涡轮和固定面积尾喷管(强制混合排气)组成。PW545A采用耐磨的铝/Kevlar风扇机匣以减少叶尖间隙，高压涡轮叶片为耐高温单晶MAR-M427合金。
2.1.3 PW600
1998年，普惠加拿大公司经市场研究并与潜在飞机制造商协商后得出，市场急需445~1110daN推力级的涡扇发动机，及利用相同核心机派生的涡桨发动机。1999年6月，PW600发动机研究开始启动。
PW600的风扇采用了先进的激波管理设计；两级压气机结构紧凑、高效、部件数量少；自由涡轮，叶片带冠；高效混合器，噪声小；双通道双余度FADEC。图2为PW610F剖面图。
2.1.4 FJ44
FJ44系列发动机为威廉姆斯国际公司与罗罗公司合作研制。罗罗公司负责制造高低压涡轮盘、转子叶片和涡轮轴，威廉姆斯国际公司则负责总体设计和其余部件的设计制造。
为降低成本并提高可靠性，FJ44设计时特别强调简化结构和减少零件数，如采用了机械加工的整体钛合金压气机转子，2级轴流式低压涡轮和1级轴流式高压涡轮均采用整体叶盘结构等措施。该发动机结构包括:环形直接进气装置、1级轴流式整体钛合金风扇、1级轴流式低压压气机和1级离心式高压压气机、折流环形燃烧室(采用甩油盘喷射燃油)、1级轴流式高压涡轮和2级轴流式低压涡轮、内外涵分开排气的尾喷管。
2.1.5 TFE731
TFE731-20是TFE731新系列中的型别。其改进包括采用尺寸更小的TFE731-5型风扇、新的高压压气机、高压涡轮和齿轮箱，加装FADEC。
2.1.6 HF120
HF120由美国GE公司和日本本田公司(GE-Honda)联合研制，以本田公司的HF118为基础。在寻求燃油效率高、耐久性好、排放低及噪声小等新标准的同时提高推力，重新设计了HF118发动机，推出了推力在445~1557daN之间的HF120系列发动机。HF120改进主要包括：风扇借鉴了在GE90-115B和GEnx发动机上已得到验证的后掠大流量、宽弦、弯掠风扇叶片设计;对高压压气机重新设计，以增大流量和提高效率；高压涡轮采用GE公司的先进单晶材料，且涡轮叶片采用三维气动设计技术。
2.2中型公务机涡扇发动机
中型公务机最大起飞质量在10000~20000kg，多采用双发结构。发动机起飞推力在2000~3500daN，该推力范围的涡扇发动机基本被PW300系列、TFE731系列及AE3007系列发动机覆盖。表4为常见几种中型公务机用涡扇发动机的主要参数。
2.2.1 PW300系列
PW300系列发动机为双转子、中等涵道比涡扇发动机，由普惠加拿大公司和德国MTU公司联合研制，主要针对高速、低成本、跨陆飞行的公务机。PW300系列发动机的风扇、压气机、高压和低压涡轮设计，分别参考了JT15D、PT6和PW100发动机的设计。PW306A为主要的推力增长型，加大了风扇直径，改进了热端部件的材料和喷管。
PW300系列的风扇采用了先进的激波管理技术，电子控制可调进口导流叶片和引气阀直流燃烧室采用了TALON(先进低氮氧化物排放)技术和发散冷却技术，噪声较小的高效混合器。
2.2.2 HTF7000系列
HTF7000系列发动机（曾用名AS900)是LF500系列发动机的后继产品，采用4级轴流低压压气机、1级离心式高压压气机、多孔发散冷却燃烧室、2级高压涡轮、3级低压涡轮及双通道FADEC。
2.2.3 TFE731系列
TFE731是霍尼韦尔公司研制的一种齿轮传动的双转子涡扇发动机，研制计划始于1969年。发动机核心技术来自该公司成熟的TPE331涡桨发动机，低压部件技术来自GTCP660辅助动力装置。考虑到发动机外廓尺寸、重量和复杂性等因素，总体结构上选择了齿轮传动风扇的双转子方案。
为降低噪声，不采用进口导流叶片，增大了风扇转子与静子叶片间的轴向距离，选择最佳的转子与静子叶片数目搭配，并在风扇进口机匣敷设消声材料。发动机基本结构包括：皮托管式进气装置、1级轴流式风扇、4级轴流式低压压气机和1级离心式高压压气机、回流环形燃烧室(12个径向安装气动雾化喷嘴，切向喷油)、1级轴流高压涡轮(整体机匣)、3级轴流低压涡轮(对开机匣、盘式转子)、固定喷口面积尾喷管。
2.2.4 AE3000系列
AE3000系列发动机是艾利逊公司(现并人罗罗美国公司)研制的中小推力双转子轴流式涡扇发动机，采用：宽弦风扇叶片，Kevlar包容系统，14级轴流式高压压气机，T406发动机的高耐久性、低污染设计的环形燃烧室，16个气动雾化喷嘴，双路电容器放电点火，多孔发散冷却，3级轴流式低压涡轮，2级轴流式高压涡轮，双通道双余度FADEC系统。
2.3大型公务机涡扇发动机
大型公务机最大起飞质量在16000~33000kg，多采用双发结构，发动机起飞推力在2700~6000daN。表5为几种常见大型公务机用涡扇发动机的主要参数。
2.3.1 PW307A
PW307A是PW300系列中的一型。其燃烧室容积有所减小，但核心机流量加大，改进了高、低压涡轮和高效喷射混合器，振动和噪声减小。采用直流高热容强度环形燃烧室，降低了污染物排放。
2.3.2 CFE738
CFE738由CFE公司——GE公司和加雷特发动机公司(现霍尼韦尔公司)联合成立研制，始于1987年6月。CFE738发动机利用了GE公司为美国陆军现代技术验证机发动机(MTDE)计划发展的GE27涡轴发动机的核心机，而1级风扇和3级低压涡轮则吸取了TFE731系列发动机的技术和经验。
发动机由1级轴流式风扇、级轴流加1级离心组合式压气机(整体叶盘结构)、环形燃烧室(15个气动雾化燃油喷嘴)、2级轴流高压涡轮和3级轴流低压涡轮组成，采用FADEC控制。
2.3.3 CF34系列
CF34是由GE公司的军用型TF34改型的大涵道比民用涡扇发动机，其总体结构与TF34发动机基本相同。为满足美国FAA适航条例要求，CF34发动机（图3）采用了：Kevlar纤维增强风扇包容环和防火的陶瓷纤维绝缘罩，单元体结构设计（8个单元体，提高了发动机的维修性）和气膜冷却技术。
CF34-3B为CF34-3A1的改进型，正常起飞推力与CF34-3A相同，但爬升和巡航推力增加。在不提高发动机涡轮进口温度条件下提高推力，重新设计了压气机和可调进口导流叶片。此外，还改善了高压和低压涡轮的叶尖间隙控制；燃烧室为环形；火焰筒由Hastelloy X镍基合金锻件经机械加工制成，以获得低的污染和燃油消耗率。
2.3.4泰系列
泰是英国罗罗公司研制的一种中等涵道比低噪声涡扇发动机。其核心机采用斯贝MK555的高压转子；燃烧室用Transply发散冷却材料制造，改善了燃烧组织，降低了排气污染，使冷却空气用量减少了2/3；风扇采用高效、宽弦、无凸台的叶片；低压压气机和低压涡轮部件采用RB211成熟技术设计。
由于低压涡轮采用了低的级负荷和轴向速度并验证了环量分布规律，使效率增加4%。外涵、混合器和喷管都敷设有消声材料，精选了转子与静子叶片数比，加大了轴向间隙，增加了低压涡轮叶片数目，减小了叶片出口气流尾迹能量，使噪声降低了7dB。
2.4公务机涡扇发动机发展特点
中小型公务机发动机具有中小型涡扇发动机结构简单、紧凑等特点，普遍采用了涡扇发动机中的成熟技术。如：小展弦比掠形风扇叶片(如HF120)、纤维增强机匣（如PW500)、高温单晶涡轮叶片（如HF120、PW500)、整体钛合金压气机/风扇转子(如TFE731、FJ44)、涡轮整体叶盘(如PW500、CFE738)、对转涡轮（如HF120)、燃油空气雾化喷嘴（如TFE731、AE3000)、发散冷却(如AE3000)、齿轮传动风扇（如TFE731)、叶尖间隙控制(如PW500、CF34)、消声材料(如泰系列)等先进技术，以提高性能、降低排放并增加可靠性和耐久性。
随着中小型涡扇发动机技术的不断革新，适当增大涵道比、采用更先进的材料和结构以提高热力循环效率，使耗油率逐步降低(AE3007的耗油率降到了0.34kg/(daN.h))，在耗油率参数上已经可以与涡桨发动机一较高下。通过不断改进部件性能与结构，提高发动机功率与降低耗油率，派生出一系列发动机产品。如PW300系列发动机，功率范围覆盖了中型、超中型和大型公务机；TFE731系列发动机，功率范围也覆盖了轻型和中型公务机。
3结束语
(1)涡桨发动机曾独霸公务机动力市场，但涡扇发动机的进人对涡桨发动机形成极大挑战。从高端公务机开始，越来越多的公务机采用涡扇发动机，公务机发动机市场逐渐被涡扇发动机占领。近些年，涡扇发动机的投人逐渐加大，涡桨发动机的研制和生产逐渐减少，市场占有率进一步萎缩，在不远的将来极有可能会退出公务机市场。
(2)中小型公务机发动机具有中小型涡扇发动机结构简单、紧凑等特点，普遍采用了涡桨/涡轴发动机中的成熟技术。如：轴流式和离心式组合压气机布局，回流环形燃烧室等。离心式压气机的单级增压比高，可达到6~7，大幅提高了循环效率，或在同等效率下减少了级数和质量。离心式压气机均采用冋流环形燃烧室与之匹配，回流燃烧室对进口流场不敏感，并可缩短压气机和涡轮之间的轴向长度，且还具有燃烧充分、油气混合均匀及排气污染低等优点，非常适合带离心压气机的中小型公务机涡扇发动机。
(3)公务机用中小型涡扇发动机普遍采用派生改进发展的方式。在整体结构不变的情况下，不断改进、优化部件性能，改变发动机的涵道比对推力进行调整以满足用户和市场需求。这种研制方式，降低了研制风险，缩短了研制周期，拓宽了产品在公务机动力市场中的应用范围。
（作者：周军，陈玉洁，沈虹 中国燃气涡轮研究院）
来源：《燃气涡轮试验与研究》2014年4期
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