國外公務(wù)機發(fā)動機研制規(guī)律和途徑

周軍，陳玉潔，沈虹

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

國外公務(wù)機發(fā)動機研制規(guī)律和途徑

周軍，陳玉潔，沈虹

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

公務(wù)機市場巨大的發(fā)展?jié)摿蜕虡I(yè)效益，吸引了眾多航空公司關(guān)注，與之密切相關(guān)的公務(wù)機動力制造業(yè)也在穩(wěn)步發(fā)展。國際上幾大航空發(fā)動機制造商根據(jù)公務(wù)機動力的特點，相繼推出了多個系列的渦槳、渦扇發(fā)動機，基本覆蓋了各類大、中、輕型公務(wù)機動力推力量級。對各個推力量級公務(wù)機發(fā)動機的性能參數(shù)、基本結(jié)構(gòu)形式進行了分析和對比，并根據(jù)分析結(jié)果對公務(wù)機發(fā)動機的發(fā)展規(guī)律進行了歸納，提出了我公務(wù)機發(fā)動機研制發(fā)展建議。

公務(wù)機；渦扇發(fā)動機；渦槳發(fā)動機；研制規(guī)律；研制途徑

1 引言

目前，公務(wù)機市場主要為四個國家的飛機制造商占據(jù)：巴西(巴西航空工業(yè)公司)、加拿大(龐巴迪宇航集團)、法國(達索飛機制造公司、索卡塔公司)和美國(賽斯納飛機公司、日蝕飛機制造公司、灣流航宇公司、豪克·比奇飛機公司、利爾噴氣機公司、派珀飛機公司)。公務(wù)機按價格、航程、客艙容積等可分為輕型、中型、大型和超大型公務(wù)機四類(表1)。其動力裝置大多來自普惠加拿大、GE、羅羅、威廉姆斯國際和霍尼韋爾等幾大航空發(fā)動機制造公司[1]。以下就應(yīng)用最為廣泛、仍在生產(chǎn)中的幾類公務(wù)機發(fā)動機進行介紹和分析。

表1 公務(wù)機的分類Table 1 Classes of business jets

2 渦槳發(fā)動機

渦槳發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，油耗低，起飛推力大，用在公務(wù)機上可很好地體現(xiàn)其經(jīng)濟性；但受螺旋槳限制，飛行速度較慢，一般為800 km/h左右。表2示出了常用的PT6A系列渦槳發(fā)動機的主要參數(shù)[2～4]。

表2 PT6A系列渦槳發(fā)動機的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of PT6A turboprop

PT6A系列渦槳發(fā)動機，由3級軸流(個別型號4級)和1級離心組成的混合式壓氣機、回流環(huán)形燃燒室、單級燃氣發(fā)生器渦輪、單級(個別型號為2級)自由渦輪等部件組成。采用的管式擴壓器性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)緊湊，能滿足氣動設(shè)計要求；同時采用三維粘性流程序設(shè)計，可提高壓氣機的穩(wěn)定裕度。該發(fā)動機設(shè)計的獨特之處在于：空氣進口增壓室位于發(fā)動機后部，渦輪和排氣部分位于發(fā)動機前端?？諝膺M入壓氣機后經(jīng)幾次氣流轉(zhuǎn)向依次進入燃燒室、渦輪，最后經(jīng)尾噴管排出[5]。盡管經(jīng)過大量改進、改型，但PT6A各型別的基本結(jié)構(gòu)和徑向尺寸一直保持不變。通過對材料和熱端部件進行改良，提高了發(fā)動機功率、渦輪前溫度，降低了油耗。PT6A的功率覆蓋范圍擴大到349～1 279 kW。

以PT6A為代表的渦槳發(fā)動機曾獨霸公務(wù)機市場，但渦扇發(fā)動機的進入對渦槳發(fā)動機形成了極大挑戰(zhàn)。渦扇公務(wù)機對渦槳公務(wù)機的最大優(yōu)勢，在于發(fā)動機推重比大、飛行速度快。但渦槳發(fā)動機通過不斷改進，以較低的耗油率(第四代渦槳發(fā)動機的耗油率達到了0.25 kg/(h·kW)左右)和使用成本與渦扇發(fā)動機抗衡。

3 渦扇發(fā)動機

3.1 輕型公務(wù)機發(fā)動機

輕型公務(wù)機最大起飛質(zhì)量在5 000～10 000 kg，多采用雙發(fā)結(jié)構(gòu)。發(fā)動機起飛推力在800～1 500 daN，這個推力范圍的渦扇發(fā)動機基本被PW500系列及FJ44系列發(fā)動機覆蓋。表3為常見幾種輕型公務(wù)機用渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)[2～4]。

表3 輕型公務(wù)機渦扇發(fā)動機主要參數(shù)Table 3 Main parameters of turbofans for light/ultra-light business jets

圖1 JT15D剖面圖Fig.1 Section of JT15D

3.1.1 JT15D

JT15D是普惠加拿大公司研制的中等涵道比小型渦扇發(fā)動機（圖1）。在JT15D的研制中，普惠加拿大公司利用美國普惠公司JT9D發(fā)動機上的研制經(jīng)驗，和該公司對高增壓比離心壓氣機長期研究的成果，縮短了研制周期。為滿足發(fā)動機推力提高10%左右的要求，在JT15D-1定型之前，普惠加拿大公司就開始了JT15D-4發(fā)動機的改型設(shè)計工作。改型中充分利用了JT15D-1在試驗中積累的經(jīng)驗[5]，既增大了推力，又減少了零部件數(shù)目，并且使JT15D-1與JT15D-4兩型發(fā)動機有較多的通用零部件。

JT15D的1級離心式壓氣機增壓比可達到6，葉輪出口采用高效率的管式擴壓器，效率可保持在0.777。該發(fā)動機有2級低壓渦輪，第1級采用整體鑄造。JT15D-5采用了無葉冠風扇、回流環(huán)形燃燒室、耐熱鋼外套及鎳基合金聯(lián)焰管。

3.1.2 PW500

PW500系列發(fā)動機是普惠加拿大公司研制的大涵道比渦扇發(fā)動機，由1級軸流式風扇(整體葉盤、寬弦鈦合金葉片)、2級軸流加1級離心組合式壓氣機、回流環(huán)形燃燒室、1級軸流高壓渦輪、2級軸流低壓渦輪和固定面積尾噴管(強制混合排氣)組成。PW545A采用耐磨的鋁/Kevlar風扇機匣以減少葉尖間隙，高壓渦輪葉片為耐高溫單晶MAR-M427合金。

3.1.3 PW600

1998年，普惠加拿大公司經(jīng)市場研究并與潛在飛機制造商協(xié)商后得出，市場急需445～1 110 daN推力級的渦扇發(fā)動機，及利用相同核心機派生的渦槳發(fā)動機。1999年6月，PW600發(fā)動機研究開始啟動。

PW600的風扇采用了先進的激波管理設(shè)計；兩級壓氣機結(jié)構(gòu)緊湊、高效、部件數(shù)量少；自由渦輪，葉片帶冠；高效混合器，噪聲??；雙通道雙余度FADEC。圖2為PW610F剖面圖。

圖2 PW610F剖面圖Fig.2 Section of PW610F

3.1.4 FJ44

FJ44系列發(fā)動機為威廉姆斯國際公司與羅羅公司合作研制。羅羅公司負責制造高低壓渦輪盤、轉(zhuǎn)子葉片和渦輪軸，威廉姆斯國際公司則負責總體設(shè)計和其余部件的設(shè)計制造。

為降低成本并提高可靠性，F(xiàn)J44設(shè)計時特別強調(diào)簡化結(jié)構(gòu)和減少零件數(shù)，如采用了機械加工的整體鈦合金壓氣機轉(zhuǎn)子，2級軸流式低壓渦輪和1級軸流式高壓渦輪均采用整體葉盤結(jié)構(gòu)等措施。該發(fā)動機結(jié)構(gòu)包括：環(huán)形直接進氣裝置、1級軸流式整體鈦合金風扇、1級軸流式低壓壓氣機和1級離心式高壓壓氣機、折流環(huán)形燃燒室(采用甩油盤噴射燃油)、1級軸流式高壓渦輪和2級軸流式低壓渦輪、內(nèi)外涵分開排氣的尾噴管[6]。

3.1.5 TFE731

TFE731-20是TFE731新系列中的型別。其改進包括采用尺寸更小的TFE731-5型風扇、新的高壓壓氣機、高壓渦輪和齒輪箱，加裝FADEC。

3.1.6 HF120

HF120由美國GE公司和日本本田公司(GE-Honda)聯(lián)合研制，以本田公司的HF118為基礎(chǔ)。在尋求燃油效率高、耐久性好、排放低及噪聲小等新標準的同時提高推力，重新設(shè)計了HF118發(fā)動機，推出了推力在445～1 557 daN之間的HF120系列發(fā)動機[7]。HF120改進主要包括：風扇借鑒了在GE90-115B和GEnx發(fā)動機上已得到驗證的后掠大流量、寬弦、彎掠風扇葉片設(shè)計；對高壓壓氣機重新設(shè)計，以增大流量和提高效率；高壓渦輪采用GE公司的先進單晶材料，且渦輪葉片采用三維氣動設(shè)計技術(shù)。

3.2 中型公務(wù)機渦扇發(fā)動機

中型公務(wù)機最大起飛質(zhì)量在10 000～20 000 kg，多采用雙發(fā)結(jié)構(gòu)。發(fā)動機起飛推力在2 000～3 500 daN，該推力范圍的渦扇發(fā)動機基本被PW300系列、TFE731系列及AE3007系列發(fā)動機覆蓋。表4為常見幾種中型公務(wù)機用渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)[2～4]。

3.2.1 PW300系列

PW300系列發(fā)動機為雙轉(zhuǎn)子、中等涵道比渦扇發(fā)動機，由普惠加拿大公司和德國MTU公司聯(lián)合研制，主要針對高速、低成本、跨陸飛行的公務(wù)機。PW300系列發(fā)動機的風扇、壓氣機、高壓和低壓渦輪設(shè)計，分別參考了JT15D、PT6和PW100發(fā)動機的設(shè)計[5]。PW306A為主要的推力增長型，加大了風扇直徑，改進了熱端部件的材料和噴管。

PW300系列的風扇采用了先進的激波管理技術(shù)，電子控制可調(diào)進口導(dǎo)流葉片和引氣閥，直流燃燒室采用了TALON(先進低氮氧化物排放)技術(shù)和發(fā)散冷卻技術(shù)，噪聲較小的高效混合器。

3.2.2 HTF7000系列

HTF7000系列發(fā)動機(曾用名AS900)是LF500系列發(fā)動機的后繼產(chǎn)品，采用4級軸流低壓壓氣機、1級離心式高壓壓氣機、多孔發(fā)散冷卻燃燒室、2級高壓渦輪、3級低壓渦輪及雙通道FADEC。

3.2.3 TFE731系列

TFE731是霍尼韋爾公司研制的一種齒輪傳動的雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機，研制計劃始于1969年。發(fā)動機核心技術(shù)來自該公司成熟的TPE331渦槳發(fā)動機，低壓部件技術(shù)來自GTCP660輔助動力裝置。考慮到發(fā)動機外廓尺寸、重量和復(fù)雜性等因素，總體結(jié)構(gòu)上選擇了齒輪傳動風扇的雙轉(zhuǎn)子方案。為降低噪聲，不采用進口導(dǎo)流葉片，增大了風扇轉(zhuǎn)子與靜子葉片間的軸向距離，選擇最佳的轉(zhuǎn)子與靜子葉片數(shù)目搭配，并在風扇進口機匣敷設(shè)消聲材料。發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)包括：皮托管式進氣裝置、1級軸流式風扇、4級軸流式低壓壓氣機和1級離心式高壓壓氣機、回流環(huán)形燃燒室(12個徑向安裝氣動霧化噴嘴，切向噴油)、1級軸流高壓渦輪(整體機匣)、3級軸流低壓渦輪(對開機匣、盤式轉(zhuǎn)子)、固定噴口面積尾噴管。

3.2.4 AE3000系列

AE3000系列發(fā)動機是艾利遜公司(現(xiàn)并入羅羅美國公司)研制的中小推力雙轉(zhuǎn)子軸流式渦扇發(fā)動機，采用：寬弦風扇葉片，Kevlar包容系統(tǒng)，14級軸流式高壓壓氣機，T406發(fā)動機的高耐久性、低污染設(shè)計的環(huán)形燃燒室，16個氣動霧化噴嘴，雙路電容器放電點火，多孔發(fā)散冷卻，3級軸流式低壓渦輪，2級軸流式高壓渦輪，雙通道雙余度FADEC系統(tǒng)[8]。

3.3 大型公務(wù)機渦扇發(fā)動機

大型公務(wù)機最大起飛質(zhì)量在16 000～33 000 kg，多采用雙發(fā)結(jié)構(gòu)，發(fā)動機起飛推力在2 700～6 000 daN。表5為幾種常見大型公務(wù)機用渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)[2～4]。

表4 中型公務(wù)機渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of turbofans for medium/super mid-size business jets

表5 大型公務(wù)機渦扇發(fā)動機的主要參數(shù)Table 5 Main parameters of turbofans for large business jets

3.3.1 PW307A

PW307A是PW300系列中的一型。其燃燒室容積有所減小，但核心機流量加大，改進了高、低壓渦輪和高效噴射混合器，振動和噪聲減小。采用直流高熱容強度環(huán)形燃燒室，降低了污染物排放。

3.3.2 CFE738

CFE738由CFE公司——GE公司和加雷特發(fā)動機公司(現(xiàn)霍尼韋爾公司)聯(lián)合成立研制，始于1987年6月。CFE738發(fā)動機利用了GE公司為美國陸軍現(xiàn)代技術(shù)驗證機發(fā)動機(MTDE)計劃發(fā)展的GE27渦軸發(fā)動機的核心機，而1級風扇和3級低壓渦輪則吸取了TFE731系列發(fā)動機的技術(shù)和經(jīng)驗。發(fā)動機由1級軸流式風扇、5級軸流加1級離心組合式壓氣機(整體葉盤結(jié)構(gòu))、環(huán)形燃燒室(15個氣動霧化燃油噴嘴)、2級軸流高壓渦輪和3級軸流低壓渦輪組成，采用FADEC控制。

3.3.3 CF34系列

CF34是由GE公司的軍用型TF34改型的大涵道比民用渦扇發(fā)動機，其總體結(jié)構(gòu)與TF34發(fā)動機基本相同。為滿足美國FAA適航條例要求，CF34發(fā)動機（圖3）采用了：Kevlar纖維增強風扇包容環(huán)和防火的陶瓷纖維絕緣罩，單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計(8個單元體，提高了發(fā)動機的維修性)和氣膜冷卻技術(shù)。

圖3 CF34Fig.3 CF34

CF34-3B為CF34-3A1的改進型，正常起飛推力與CF34-3A相同，但爬升和巡航推力增加。在不提高發(fā)動機渦輪進口溫度條件下提高推力，重新設(shè)計了壓氣機和可調(diào)進口導(dǎo)流葉片。此外，還改善了高壓和低壓渦輪的葉尖間隙控制；燃燒室為環(huán)形；火焰筒由Hastelloy X鎳基合金鍛件經(jīng)機械加工制成，以獲得低的污染和燃油消耗率。

3.3.4 泰系列

泰是英國羅羅公司研制的一種中等涵道比低噪聲渦扇發(fā)動機。其核心機采用斯貝MK555的高壓轉(zhuǎn)子；燃燒室用Transply發(fā)散冷卻材料制造，改善了燃燒組織，降低了排氣污染，使冷卻空氣用量減少了2/3；風扇采用高效、寬弦、無凸臺的葉片；低壓壓氣機和低壓渦輪部件采用RB211成熟技術(shù)設(shè)計。由于低壓渦輪采用了低的級負荷和軸向速度并驗證了環(huán)量分布規(guī)律，使效率增加4%。外涵、混合器和噴管都敷設(shè)有消聲材料，精選了轉(zhuǎn)子與靜子葉片數(shù)比，加大了軸向間隙，增加了低壓渦輪葉片數(shù)目，減小了葉片出口氣流尾跡能量，使噪聲降低了7 dB。

3.4 公務(wù)機渦扇發(fā)動機發(fā)展特點

中小型公務(wù)機發(fā)動機具有中小型渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點，普遍采用了渦扇發(fā)動機中的成熟技術(shù)。如：小展弦比掠形風扇葉片(如HF120)、纖維增強機匣(如PW500)、高溫單晶渦輪葉片(如HF120、PW500)、整體鈦合金壓氣機/風扇轉(zhuǎn)子(如TFE731、FJ44)、渦輪整體葉盤(如PW500、CFE738)、對轉(zhuǎn)渦輪(如HF120)、燃油空氣霧化噴嘴(如TFE731、AE3000)、發(fā)散冷卻(如AE3000)、齒輪傳動風扇(如TFE731)、葉尖間隙控制(如PW500、CF34)、消聲材料(如泰系列)等先進技術(shù)，以提高性能、降低排放并增加可靠性和耐久性。

隨著中小型渦扇發(fā)動機技術(shù)的不斷革新，適當增大涵道比、采用更先進的材料和結(jié)構(gòu)以提高熱力循環(huán)效率，使耗油率逐步降低(AE3007的耗油率降到了0.34 kg/(daN·h))，在耗油率參數(shù)上已經(jīng)可以與渦槳發(fā)動機一較高下。通過不斷改進部件性能與結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動機功率與降低耗油率，派生出一系列發(fā)動機產(chǎn)品。如PW300系列發(fā)動機，功率范圍覆蓋了中型、超中型和大型公務(wù)機；TFE731系列發(fā)動機，功率范圍也覆蓋了輕型和中型公務(wù)機。

4 結(jié)束語

(1)渦槳發(fā)動機曾獨霸公務(wù)機動力市場，但渦扇發(fā)動機的進入對渦槳發(fā)動機形成極大挑戰(zhàn)。從高端公務(wù)機開始，越來越多的公務(wù)機采用渦扇發(fā)動機，公務(wù)機發(fā)動機市場逐漸被渦扇發(fā)動機占領(lǐng)[9]。近些年，渦扇發(fā)動機的投入逐漸加大，渦槳發(fā)動機的研制和生產(chǎn)逐漸減少，市場占有率進一步萎縮，在不遠的將來極有可能會退出公務(wù)機市場。

(2)中小型公務(wù)機發(fā)動機具有中小型渦扇發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點，普遍采用了渦槳/渦軸發(fā)動機中的成熟技術(shù)。如：軸流式和離心式組合壓氣機布局，回流環(huán)形燃燒室等。離心式壓氣機的單級增壓比高，可達到6～7，大幅提高了循環(huán)效率，或在同等效率下減少了級數(shù)和質(zhì)量。離心式壓氣機均采用回流環(huán)形燃燒室與之匹配，回流燃燒室對進口流場不敏感，并可縮短壓氣機和渦輪之間的軸向長度，且還具有燃燒充分、油氣混合均勻及排氣污染低等優(yōu)點，非常適合帶離心壓氣機的中小型公務(wù)機渦扇發(fā)動機[10]。

(3)公務(wù)機用中小型渦扇發(fā)動機普遍采用派生改進發(fā)展的方式。在整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，不斷改進、優(yōu)化部件性能，改變發(fā)動機的涵道比對推力進行調(diào)整以滿足用戶和市場需求。這種研制方式，降低了研制風險，縮短了研制周期，拓寬了產(chǎn)品在公務(wù)機動力市場中的應(yīng)用范圍。

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Development Rule and Approaches of Aero-Engines for Overseas Business Jets

ZHOU Jun，CHEN Yu-jie，SHEN Hong
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The huge potential and promising profit of business jet market has attracted many airline compa?nies.Therefore the development of aero-engines for business jet is steadily progressing.According to the features of business jet powerplants,series of turboprop and turbofan engines were developed by aero-en?gine manufactures,covering thrust levels for light,medium and large business aircrafts.The performance parameters and basic constructers of those aero-engines were analyzed and compared to conclude the rule and suggestions were proposed for its development in China.

business aircraft；turbofan engines；turboprop；development rule；development approaches

V23

：A

：1672-2620(2014)04-0057-06

2014-02-21；

：2014-07-25

周軍(1977-)，男，四川內(nèi)江人，工程師，主要從事情報研究和信息化工作。