摘要：涡轮螺旋桨（简称涡桨）发动机是一种主要依靠螺旋桨产生的拉力或推力驱动飞机的航空动力装置，具有耗油率低、单位功率大、起飞推力大、推进效率高、对飞机场要求低、使用成本低等优点，在军用中小型运输机、支线客机和通用飞机等领域有着广泛的应用前景。随着螺旋桨设计、制造技术的进步，涡桨飞机在高亚声速飞行时的耗油率进一步降低，推进效率大大提高，涡桨发动机因此被誉为“明天的绿色动力”。本文主要介绍了涡桨发动机产品和技术概念，并分析涡桨发动机特点、优势和市场需求情况，以及在与传统大 涵道比涡扇发动机、齿轮传动风扇发动机等对比的基础上，对涡桨发动机的未来发展进行了预测。
关键词：涡桨发动机；发展现状；市场需求；发展趋势
1 基本概念和特点
1.1 基本概念
涡桨动力飞机的推进原理与传统的活塞动力飞机大致相同，都是以螺旋桨旋转时所产生的力作为飞机前进的推进力，但是涡桨发动机驱动螺旋桨的动力来自燃气涡轮发动机，并且其螺旋桨通常以恒定的速率运转，而活塞发动机的螺旋桨转速是变化的。但是，由于螺旋桨特性的限制，装涡桨发动机的飞机飞行速度一般不超过900km/h。涡桨发动机的工作原理与传统的涡扇发动机相近，涡桨发动机驱动螺旋桨后的空气流相当于涡扇发动机的外涵道，由于螺旋桨的直径比普通涡扇发动机的大很多，空气流量也远大于内涵道，因此涡桨发动机实际上相当于超大涵道比的涡扇发动机[1]。但涡桨发动机和涡扇发动机在产生动力方面却有很大不同，涡桨发动机输出驱动螺旋桨的轴功率，尾喷管喷出的燃气产生的推力只占总推力的5%左右，为驱动大功率的螺旋桨，涡轮级数也比涡扇发动机要多。
1.2 特点和优势
与活塞发动机相比，涡桨发动机具有尺寸小、重量轻、振动小、推进效率高和功率重量比大等优点，涡桨发动机的最大功率可超过10000马力（活塞发动机不超过4000马力），功重比为4以上（活塞发动机不超过2），由于减少了往复运动的部件，涡桨发动机的运转稳定性好、噪音小、工作寿命长、维修费用低。与涡扇发动机相比，涡桨发动机具有耗油率低和起飞推力大的优点，因此被广泛用于运输机、轰炸机和教练机的动力。
2 发展现状
2.1 产品发展现状
在军用涡桨发动机领域，美国T56/501系列发动机和前苏联AI-20系列发动机都可称得上举足轻重。T56发动机于1956年投入使用，配装于C-130系列运输机、P-3系列侦察机和E-2系列预警机等多型飞机。经过不断改进改型，功率从2580kW发展到4414kW，共发展了4个军用产品系列和3个产品系列，目前已生产了17000多台，在该发动机基础上发展的AE2100发动机目前仍是最先进的大功率涡桨发动机之一。前苏联的AI-20发动机，装备安东诺夫设计局多个系列的运输机，出口到多个国家和地区。目前，伴随着欧洲A400M运输机的交付，8000kW级的TP400-D6发动机开始正式服役。
在涡桨发动机领域，加拿大普惠公司的PT6A系列发动机无论是生产数量还是产值，都当之无愧为行业领导者。短短40年间，PT6A系列发动机已发展出数十个型别，功率范围涵盖350～1100kW，被144个国家的近百种飞机选做动力，目前已生产了30000多台。另外，加拿大普惠公司的PW100系列涡桨发动机是世界涡桨支线客机的主要动力，产品功率覆盖了2000～4000kW级，最新型号为PW150发动机。
国外成功的涡桨发动机都遵循了系列化的发展道路，在基本保持发动机结构形式的情况下，通过不断嵌入新技术，以较低的代价获得系列化的产品。如PT6A发动机在基本不改变外廓尺寸的条件下，采用最新技术，提高发动机的循环参数和部件效率，从而提高产品的综合性能。
涡桨发动机产品研发的另一个重要特征是军民融合发展。大部分军用涡桨飞机不追求高机动性，其动力装置相对于其他类型的航空发动机，易于进行型改进。
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2.2 技术发展现状
到目前为止，国外已经成功发展了四代涡桨发动机。第一代是指20世纪70年代以前投产的，主要有达特、PT6A系列和TPE331系列的早期型号、AI-20等型号的发动机；第二代是指20世纪70年代末或80年代初期研制的，主要有PW100系列早期型号和TPE331-14/15等型号的发动机；第三代是指20世纪90年代以后投入使用的发动机，主要有AE2100和PW150A；第四代的典型代表是欧洲的TP400-D6涡桨发动机。
第一代涡桨发动机循环参数水平较低，结构比较简单，耗油率高。压气机有轴流、离心和组合多种形式，主要采用单转子固定涡轮输出方式，发动机总增压比低于10，涡轮一般采用非冷却结构、涡轮前温度一般不超过1300K，耗油率在0。35～0。41kg/（kW•h）之间，单位空气流量功率在140～200kW/（kg/s）之间。
第二代涡桨发动机循环参数有较大幅度提高，结构基本采用自由涡轮形式，耗油率较第一代降低了15%左右。发动机总增压比范在11～16，涡轮前温度提高到1300K左右，耗油率达到0。29～0。32kg/（kW•h）之间，单位空气流量功率在170～240kW/（kg/s）之间。
第三代涡桨发动机主要是在第二代发动机基础上继续提高发动机热力循环参数或采用新技术（冷却、数控、三维气动设计技术等）、新材料、新工艺进行改进改型，发动机总增压比达到13～20，涡轮前温度达到1500K左右，耗油率在0。25～0。31kg/（kW•h）之间，单位空气流量功率230～290kW/（kg/s）之间。
第四代涡桨发动机的总增压比超过20，涡轮前温度达到1600K左右，发动机耗油率降低到0。21～0。27kg/（kW•h），单位空气流量功率280kW/（kg/s）以上。
虽然涡桨发动机目前的市场前景不十分明朗，但各大发动机厂家和研究机构始终没有停止先进涡桨发动机及其技术的发展。
3 技术发展展望
3.1 在性能方面，压比将达到22～26，涡轮前温度将达到1600～1900K，耗油率将降到0。2kg/（kW•h），经济可承受性则可提高数倍。
3.2 在总体结构方面，2000kW以下涡桨发动机将倾向于双转子结构（即单转子燃气发生器+动力涡轮转子），压气机为轴流+离心组合式，采用多级动力涡轮（即自由涡轮）以求得到最佳的效率；2000kW以上的涡桨发动机逐渐向三转子结构发展（双转子燃气发生器+动力涡轮转子），采用单元体设计和“视情”维护概念，简化外场维护保障要求，降低全寿命期使用成本等。
3.3 在气动设计方面，采用逐渐成熟的新技术，如全三维黏性、非定常设计、流动控制、主动间隙控制、高效冷却等，以达到部件效率提高、稳定工作边界扩大、良好的性能保持、寿命更长、结构简单和零件数少的要求。
3.4 在新材料和材料改进方面，双金属、陶瓷、低导热性热障涂层和复合材料等技术的逐步应用，将大幅提高涡桨发动机的性能、寿命及可靠性。
3.5 控制系统方面，具备故障诊断健康管理和多变量综合控制功能的发动机/螺旋桨全权限数字式电子控制系统全面应用。
4 结束语
综上所述，涡桨发动机在未来亚声速运输类飞机上的应用前景巨大。国外先进大涵道比涡扇发动机有逐渐向涡桨发动机构型、性能靠近的趋势给我们以启示：是否可以直接以涡桨发动机为基础，通过提高燃气发生器的性能和发展新构型的涡桨发动机途径实现在运输类飞机上先进动力技术的赶超。
参考文献：
[1]罗安阳，周辉华，申余兵。航空涡轮螺旋桨发动机发展现状与展望[J]。航空科学技术，2013（05）：4-8。
论文作者:聂通
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/6
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