国外公务机发动机研制规律和途径

周军，陈玉洁，沈虹

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

国外公务机发动机研制规律和途径

周军，陈玉洁，沈虹

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

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。

公务机；涡扇发动机；涡桨发动机；研制规律；研制途径

1 引言

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[1]。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。

表1 公务机的分类Table 1 Classes of business jets

2 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800 km/h左右。表2示出了常用的PT6A系列涡桨发动机的主要参数[2～4]。

表2 PT6A系列涡桨发动机的主要参数Table 2 Main parameters of PT6A turboprop

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[5]。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349～1 279 kW。

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0.25 kg/(h·kW)左右)和使用成本与涡扇发动机抗衡。

3 涡扇发动机

3.1 轻型公务机发动机

轻型公务机最大起飞质量在5 000～10 000 kg，多采用双发结构。发动机起飞推力在800～1 500 daN，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[2～4]。

表3 轻型公务机涡扇发动机主要参数Table 3 Main parameters of turbofans for light/ultra-light business jets

图1 JT15D剖面图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[5]，既增大了推力，又减少了零部件数目，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。

3.1.2 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。

3.1.3 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445～1 110 daN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。

图2 PW610F剖面图Fig.2 Section of PW610F

3.1.4 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[6]。

3.1.5 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。

3.1.6 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445～1 557 daN之间的HF120系列发动机[7]。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。

3.2 中型公务机涡扇发动机

中型公务机最大起飞质量在10 000～20 000 kg，多采用双发结构。发动机起飞推力在2 000～3 500 daN，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[2～4]。

3.2.1 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[5]。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。

3.2.2 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。

3.2.3 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。

3.2.4 AE3000系列

AE3000系列发动机是艾利逊公司(现并入罗罗美国公司)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[8]。

3.3 大型公务机涡扇发动机

大型公务机最大起飞质量在16 000～33 000 kg，多采用双发结构，发动机起飞推力在2 700～6 000 daN。表5为几种常见大型公务机用涡扇发动机的主要参数[2～4]。

表4 中型公务机涡扇发动机的主要参数Table 4 Main parameters of turbofans for medium/super mid-size business jets

表5 大型公务机涡扇发动机的主要参数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。

3.3.2 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、5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。

3.3.3 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。

图3 CF34Fig.3 CF34

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。

3.3.4 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7 dB。

3.4 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0.34 kg/(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。

4 结束语

(1)涡桨发动机曾独霸公务机动力市场，但涡扇发动机的进入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[9]。近些年，涡扇发动机的投入逐渐加大，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回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[10]。

(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。

[1]Alibrandi W.Aviation Gas Turbine Forecast[M].USA：Forecast International，2011.

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[10]陈光.先进技术在新型民用发动机中的应用[J].民航经济与技术，1997，(186)：21—23.

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

周军(1977-)，男，四川内江人，工程师，主要从事情报研究和信息化工作。