通用航空发动机发展综述

董彦非，黄 明，李瑞琦

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

通用航空发动机发展综述

董彦非，黄 明，李瑞琦

(西安航空学院 飞行器学院，西安 710077)

在介绍通用航空发动机的相关概念和分类的基础上，结合统计数据总结通用航空发动机发展的特点；分析不同类型航空发动机的应用范围，指出单纯某一固定类型发动机无法保证在较宽速度范围内高的推进效率；最后，针对通用航空发动机的技术发展趋势进行展望，并提出发展建议。

通用航空；航空发动机；活塞式发动机；燃气涡轮发动机

1 通用航空发动机及其特点

1.1 通用航空发动机类型

2003年5月1日施行的《中华人民共和国通用航空飞行管制条例》对通用航空的定义为：“除军事、警务、海关缉私飞行和公共航空运输飞行以外的航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业、矿业、建筑业的作业飞行和医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练、文化体育、旅游观光等方面的飞行活动”。由此可知，通用航空基本涵盖了除定期客、货航班以外的所有民用航空活动[1]。

由于通用航空用途广泛，通用飞机的构型、特点也千差万别。从飞机类型上可以分为固定翼飞机和旋翼飞行器(主要指直升机，多旋翼目前主要用于无人机)两大类。固定翼飞机按照发动机类型主要可以分为活塞式飞机、涡桨式飞机和喷气式飞机。直升机按照所用发动机类型可以分为活塞式直升机和涡轴式直升机。

美国通用航空制造商协会(General Aviation Manufacturers Association，GAMA)通常按照发动机类型和发动机数量对通用飞机进行分类，分别为单发活塞式、多发活塞式、涡桨式和喷气式公务机[2]。除了少数公务机尺寸比较大以外，通用飞机多数属于中小型飞机。

按照用途分类，GAMA将符合美国联邦航空条例(FAR)91部的通用航空使用类型分为私人飞行、公务飞行、企业飞行、教练飞行、航空应用、航空观测、其他空中巡视类飞行、吊挂飞行、其他作业类飞行、航空观光、航空医疗救助及其他。将按照FAR 135部运营方式划分通勤类和商业租用的使用类型分为飞行出租、航空旅行和航空医疗救助。

在我国，2007年2月14日起施行的《通用航空经营许可管理规定》(CCAR-135TR-R3)第五条规定，通用航空经营用途划分为以下四类(见表1)：

表1 国内通用航空用途分类

续表1

分类经营项目范围丙类飞机播种、空中施肥、空中喷洒植物生长调节剂、空中除草、防治农林业病虫害、草原灭鼠、防治卫生害虫、航空护林、空中拍照航空俱乐部使用限制类适航证的航空器和轻于空气的航空器从事私用飞行驾驶执照培训、航空运动训练飞行、航空运动表演飞行、个人娱乐飞行

通用航空飞机因其用途范围大，为满足不同需要使用的动力装置也多种多样。目前使用最多的通用航空发动机仍属于燃气涡轮发动机(涡扇主要用于公务机、涡桨和涡喷用于亚声速固定翼飞机、涡轴用于中型以上直升机)和活塞式内燃机(低速和亚声速固定翼飞机、小型直升机)两大类。这两类发动机都属于热机，把燃料化学能转换成机械能的设备。

1.2 发展特点

通用航空发动机自诞生以来，一直在发展进步中，但是由于通用航空本身的独有特点，使得通用航空发动机的发展呈现很多与民航运输以及军用航空不同的特点。

总体而言，通用航空发动机使用类型最全面，从活塞、涡喷、涡扇、涡桨、涡轴乃至桨扇发动机等都是通用航空飞机选用的对象；从尺寸或者推力(功率)大小上看，通用航空发动机特点是以中小型为主。具体表现为以下几点：

1.2.1 活塞发动机占统治地位

从航空发动机的角度来讲，民航运输和军用航空的涡轮风扇发动机是绝对的主流；而通用航空发动机则是活塞型、涡轮螺旋桨型和涡轮风扇型并存，而且活塞型发动机是主流；涡轮风扇型主要用于公务机，性能先进，安全舒适，价格较贵，已生产的机型有30多种，在研的10多种。

GAMA通用航空统计数据手册中指出，2016年全球生产通用飞机2262架，其中，活塞式飞机1019架，占45%；涡轮式飞机(GAMA的统计中将涡桨式飞机与喷气式飞机合称为涡轮式飞机)1243架，其中涡桨式飞机582架，喷气式公务机661架[2]。2006-2016年全球通用飞机产量先是下降，尤其是2008-2009年全球金融危机时急剧下跌，然后从2011年开始缓慢回升。2006-2016年全球通用航空固定翼飞机生产总量详细数据如表2所示。

表2 2006-2016年全球通用航空固定翼飞机生产总量(架)

从表2的数据可以看出，固定翼通用航空飞机中，活塞式飞机总计占比一直高于涡桨式飞机，以及喷气式公务机。活塞式发动机具有油耗低、结构简单、技术成熟、价格便宜、使用维护费用低以及寿命长等优点；而其对飞行速度的限制又是多数通用航空飞行活动所不需要的。很显然，活塞式飞机的统治地位还将持续下去。

具体到我国，截止到“十二五”末，我国通用航空注册飞机4511架，其中90%以上采用的都是活塞发动机，主要形式为小功率的气冷水平对缸发动机。航空活塞发动机市场目前被几大发动机公司所占领，大陆航空、莱康明、林巴贺和庞巴迪。

航空活塞发动机技术成熟，结构简单，使用成本低，易于维护，可以满足很多类型通用航空飞机的需求，所以目前500马力以下的小功率活塞发动机仍在通航飞机，无论是固定翼有人机或无人机，还是中小型直升机上大量使用，数量上占据统治地位。

1.2.2 涡桨发动机占比提高

与航空活塞式发动机相比，涡轮螺旋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，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；与涡轮喷气和涡轮风扇发动机相比，它又具有耗油率低和起飞推力大的优点。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。但因螺旋桨特性的限制，装涡轮螺旋桨发动机的飞机的飞行速度一般不超过800km/h。所以，在大型远程旅客机和运输机上，它已被高涵道比涡扇发动机所取代，但在中小型运输机、轰炸机和通用飞机上仍有广泛的应用[3]。

此外，涡桨发动机配装飞机后还具备以下综合优势：一是螺旋桨特性(含滑流增升、反桨)、飞机机翼构型决定了涡桨飞机较强的地面起飞/着陆性能，可以大幅度缩短起飞/着陆距离(在同样载荷条件下，与涡扇飞机相比，起飞滑行距离可减少30%以上)。二是较低的燃气排放温度可以大幅度降低NOX、噪声排放及红外辐射。三是适中的热力循环参数带来的发动机成本效益。

正是由于具有以上诸多优势，安装涡桨发动机的飞机占比逐步提高。根据表2中GAMA的统计数据，从2006年开始，涡桨飞机生产量在通用航空固定翼飞机生产总量中的占比稳步提高，从2006年的10.2%一直提高到2013年的27.4%，此后一直稳定在20%以上。

1.2.3 发展前景广阔

2012年7月，国务院正式发布《关于促进民航业发展的若干意见》，明确指出：加大低空空域管理改革的力度，大力发展通用航空。2015年，《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》提出：拓展基础设施建设空间。加快完善水利、铁路、公路、水运、民航、通用航空、管道、邮政等基础设施网络。完善能源安全储备制度。国务院《中国制造2025》强调：“大力发展航空航天制造业，推进干支线飞机、直升机、无人机和通用飞机产业化”。

2016年5月17日，国务院办公厅印发《关于促进通用航空业发展的指导意见》(以下简称《意见》)，对进一步促进通用航空业发展作出了具体的部署。《意见》提出，到2020年，建成500个以上通用机场，基本实现地级以上城市拥有通用机场或兼顾通用航空服务的运输机场。通用航空器达到5000架以上，年飞行量200万小时以上，培育一批具有市场竞争力的通用航空企业。通用航空器研发制造水平和自主化率有较大提升，国产通用航空器在通用航空机队中的比例明显提高。通用航空业经济规模超过1万亿元，初步形成安全、有序、协调的发展格局。

显而易见，作为通用航空核心内容之一的航空发动机也必将随着通用航空产业的蓬勃发展，迎来新的发展机遇，发展前景广阔。

2 应用范围与技术发展趋势

航空活塞式发动机从诞生至今，除了结构上有变化外，其原理和应用范围基本没有改变，反倒是燃气涡轮发动机从原理、结构、应用范围等方面变化明显。

2.1 不同类型燃气涡轮发动机的应用范围

航空燃气涡轮发动机自诞生以来，主流类型一直是以下四类：涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机。这四种类型发动机虽然发展时间有先后之分，但是并没有严格意义上的先进和落后，主要区别在于各自的适用范围。

图1为涡喷、涡扇和涡桨发动机推进效率随马赫数的变化关系图[4-6]。图中显示：

涡桨发动机的推进效率最高，但是仅限于亚声速范围，速度到跨声速范围时，涡桨发动机效率急剧降低。涡扇发动机在跨声速阶段推进效率高于涡桨和涡喷发动机，而且涵道比B越大，推进效率越高，这也是民航飞机的发动机普遍采用大涵道比发动机的原因。涡喷发动机在马赫数1.0以下推进效率很低，但是超声速以后效率快速升高，远超涡桨和涡扇发动机。

图1 不同类型燃气涡轮发动机推进效率随马赫数的变化

通用航空飞行器可以根据自己的任务定位，确定飞行速度范围，进而确定合理的发动机类型。但从图1可知，单纯某一固定类型发动机无法保证在较宽速度范围内高的推进效率。对于工作速度范围较宽的飞行器，除了根据任务需求和经济型折衷外，还可以考虑结合不同类型发动机优点的新型发动机。如当前正在研究的变循环发动机(Variable Cycle Engine，VCE)，通过改变一些发动机部件的几何形状、尺寸或位置，来调节其热力循环参数(如涵道比、空气流量和涡轮进口温度等)，改变发动机循环工作模式(高推力或低油耗)使发动机在各种飞行情况下都能工作在最佳状态，有较高的推进效率[7-9]。

2.2 活塞式航空发动机发展趋势

活塞式发动机是随着人们对发动机性能要求变化发展而进步的。图2展示了活塞发动机的技术发展。

图2 活塞发动机技术发展

2.2.1 多级增压技术开始广泛应用

由于活塞式航空发动机随着海拔的升高，空气密度降低、温度降低、导致进入缸内的空气量减小，空燃比下降，压缩终点温度降低，使得燃烧过程恶化，发动机动力性、经济性下降，热负荷增大、排温升高，造成航空发动机工作的可靠性下降。

通过增压技术可以提高空气密度，高效恢复发动机的功率，提高发动机的高空性能，满足飞机8km以上的使用要求。增压器包括单级高压比技术、多机增压系统一体化设计技术、多级增压系统调节及控制技术、高空条件下的系统可靠性技术等。

目前，国内外针对活塞式航空发动机的二级增压系统开发进行了大量的研究，其中，以美国、德国为代表已开发了相对较为成熟的二级增压系统甚至三级增压系统。我国在二级增压发动机的研制方面，通过在不同海拔仿真模拟实验，其极限工作高度达到8～9km。而美国研制了带有三级涡轮增压系统的无人机，其飞行高度可以达到24km。实践证明，多级增压系统是有效提升高空汽油机使用升限的重要途径。

2.2.2 航空重油发动机逐渐成为活塞式航空发动机的主流

航空重油的燃料供应有保障，通用性强，其比能量高于汽油，运输和存储更加安全，而且带涡轮增压，高空性能优越，燃烧效率提高，可大大提升轻型飞机的性能，成为世界航空大国重点发展的活塞式发动机类型[10-11]。航空重油活塞发动机的研制需进一步提高轻量化前提下的可靠性技术、增压匹配技术和喷雾燃烧技术。

2.2.3 低成本活塞发动机需求旺盛

美国等航空发达国家提出的“先进通用航空运输计划”等设想指出未来通用航空将平民化，认为小飞机运输系统是高速交通运输的第四次革命。该设想的基础之一是低成本。相对于燃气涡轮发动机，作为通用航空主力的活塞式发动机虽然具有成本优势，但是还要通过设计和制造进一步降低成本，减少采购与维修费用，扫除通用航空发展的障碍。

2.3 燃气涡轮航空发动机发展趋势

未来通用航空使用的各种类型燃气涡轮发动机在技术、产品发展的方向上基本一致，继续朝高可靠性、高安全性、良好维护性、低使用成本的方向发展。同时，随着石油资源减少以及环保压力的不断增大，人们对航空发动机的经济性等方面更加重视[3,6-13]。具体体现在以下几个方面：

2.3.1 热力循环参数

通过进一步提高压气机增压比和涡轮前燃气温度，降低耗油率和提高单位功率，使经济可承受性提高数倍。

2.3.2 气动设计

采用三维有粘流场计算方法、非定常设计、流动控制、主动间隙控制、高效冷却等设计压气机和涡轮，减少气体流阻损失，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。采用刷式封严等新型封严结构和主动间隙控制技术缩小叶尖间隙，减少空气泄露，提高压气机和涡轮效率。

2.3.3 总体结构

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。

2.3.4 新材料和材料改进

新型复合材料的应用和新结构设计，为大幅减轻发动机质量提供了可能。压气机采用金属基复合材料不仅减轻了质量，同时也可提高叶片切线速度；燃烧室和涡轮部件采用陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料，在提高部件耐高温性能的同时减轻了质量。整体叶盘、整体叶环、对转涡轮等新结构的采用，也大大减轻了部件质量。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。

2.3.5 控制系统

未来全权限数字发动机控制器(Full Authority Digital Engine Control，FADEC)系统的发展趋势是采用分布式控制系统。与目前的集中式系统相比，分布式控制系统可以提高发动机的控制能力和可靠性，降低控制系统的复杂性和质量。同时采用光电敏感元件、高温电子设备和灵活的控制逻辑。控制系统的重量将大幅度减轻，环境适应性将进一步增强。

2.3.6 航空发动机及其零部件3D打印

3D打印逐步实用化，满足航空发动机叶片型面复杂、零件众多、叶盘锻造加工工序纷繁复杂等要求。如通用电气(GE)公司与斯奈克玛合作采用3D打印LEAP发动机燃油喷嘴，将其耐久性提高了4倍，燃油效率提高15%，重量降低25%。同时，GE公司还通过3D打印了一台转速达33000 RPM的小型喷气发动机，未来将打印大型发动机整机。

2.3.7 变循环发动机(VCE)

VCE逐渐成熟。下一代可转换的涡喷/涡扇/冲压/涡轴发动机将会在不同速度范围内达到高的推进效率，在降低耗油率的同时，在提高飞机飞行速度等方面取得突破性进展。

2.3.8 减速器

重载、高速、高效、轻质是其发展目标。其中新结构传动机构/零件(如面齿轮)、轴承/齿轮轴一体化设计、超高强度传动零件新材料和复合材料机匣等是研究方向。此外，国外已开始研究喷气旋翼和翼尖喷气发动机及液压传动减速系统。

2.3.9 螺旋桨

先进风扇气动设计技术将逐步应用对转螺旋桨设计技术，以提高涡桨飞机在高速飞行条件下的性能。螺旋桨的结构由铝合金大梁、玻璃钢外壳结构发展到碳纤维大梁、泡沫填充、玻璃钢外壳结构，成形工艺有预浸料层铺和编织外壳整体注射成形，从而使螺旋桨重量大幅度减轻。

3 结语

随着通用航空的发展需要，通航发动机要在保证性能的前提下朝着轻量化，环境友好化和智能化发展。针对通用航空发动机的发展，提出以下几点建议和思考。

大力发展重油活塞式发动机。随着国家的重视和投入加大，我国燃气涡轮发动机技术逐步得到提升。但是在航空活塞发动机领域，由于缺乏足够的重视和投入，人才短缺，缺乏自主创新，技术远落后于航空发达国家，严重制约了通用航空产业的发展，必须提高对航空活塞发动机作用的认识，大力发展重油活塞式发动机，为通用航空发展提供坚实支撑。

大力推进航空发动机改进改型。基于成熟的发动机型号或者核心机改进改型是周期短、见效快的一种研制模式，是世界各航空大国普遍采用的模式。我们要在保证新研型号的同时，大力发展航空发动机改进改型，包括不同类型发动机的改型。如在结构上相近的涡桨和涡轴发动机，在成熟涡轴发动机平台上“轴改桨”快速发展涡桨发动机就是一种常见的方式。

通过军民融合与体制机制改革，整合各行业资源优势，形成相对独立的协作研发机制。借鉴航空发达国家的成功经验，集中力量，形成拳头，优化资源配置，促进专业化协作。避免无序竞争，促进航空动力行业的可持续发展。

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[责任编辑、校对：梁春燕]

Abstract：Firstly,this paper introduces the concept and classification of general aviation and general aviation engines;then it puts forward the characteristics of general aviation engine development in the light of statistical data,analyzes the application scope of different types of aircraft engines,and points out that only a fixed type of engines cannot guarantee high propulsive efficiency in a wide speed range.Finally,the paper predicts the development trend of general aviation engine technology,and brings forth the development proposal.

Keywords：general aviation;aero engine;piston engine;gas turbine engine

OverviewoftheDevelopmentofGeneralAviationEngines

DONGYan-fei,HUANGMing,LIRui-qi

(School of Aircraft,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

V23

A

1008-9233(2017)05-0008-06

2017-07-25

陕西省自然科学基金面上项目(2016JM1014)；陕西省教育厅自然科学专项课题(16JK1396)；通用航空工程技术中心基金(XHY-2016084)

董彦非(1970-)，男，河南开封人，教授，博士，主要从事航空装备仿真与效费分析研究。