雷新国，周辉华，张　媛

（1.中国南方航空工业（集团）有限公司，湖南株洲412002；2.中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002）

我国民用涡轴发动机的发展研究

雷新国1，周辉华2，张媛1

（1.中国南方航空工业（集团）有限公司，湖南株洲412002；2.中国航空动力机械研究所，湖南株洲412002）

民用涡轴发动机的研制对通用直升机的发展至关重要。简要介绍了国内外现役民用直升机及配装涡轴发动机的发展情况，归纳总结了民用涡轴发动机发展的现状和技术特点。探讨分析了国外民用涡轴发动机的发展趋势和成功经验，并对我国民用涡轴发动机的发展需求、研制能力和现状进行了剖析，从完善社会配套体系、制定发展战略、深化国际合作和加强技术攻关等方面提出了针对性的发展思路和建议，可为解决直升机心脏受制于人、实现军民融合式发展提供参考和借鉴。

航空发动机；发展现状；技术特点；发展趋势；需求分析；研制能力；发展思路

1　引言

我国国民经济的快速发展和低空空域逐步开放等相关利好政策的出台，极大刺激了通用航空产业的发展。作为通用航空重要组成之一的民用直升机，则迎来了快速发展的黄金期。作为国内最主要的直升机生产商——中航直升机有限责任公司（以下简称中航工业直升机），近年来研制了一系列新一代的民用直升机，并形成了系列化发展的产品格局；以收购了美国恩斯特龙直升机公司的重庆通用航空产业集团有限公司（以下简称重庆通航）为代表的通用航空公司，也纷纷布局直升机产业，进行直升机的生产制造。此外，国外空客直升机公司、阿古斯塔·韦斯特兰公司、贝尔直升机公司等，积极抢占国内直升机市场。然而，作为直升机主要动力装置的涡轴发动机，却未能如直升机一样呈现百花齐放、同台竞技的格局，几乎仍被国外发动机生产商所垄断。如何发展我国自己的民用涡轴发动机，解决直升机心脏受制于人的现状，实现军民融合式发展的战略目标，是航空发动机行业应该思考的问题。

本文通过对国内民用直升机配装涡轴发动机的市场现状及其性能进行归纳分析，梳理出民用涡轴发动机的技术特点、发展趋势和未来市场需求；同时，根据我国涡轴发动机的研制能力和现状，提出一些初步的发展思路，以期为我国民用涡轴发动机的发展提供参考。

2　我国民用直升机的市场现状

统计表明，2011年我国民用直升机机队规模为272架，2012年增加到337架，2013年增加到390架［1］，2014年增加到524架［2］，机队规模快速增长。机队构成方面，居于主导地位的是进口直升机，其余则是我国自主研制或引进专利生产的直升机。以2012年度为例，我国民用直升机市场份额中空客占24%，罗宾逊占22%，西科斯基占24%，贝尔占13%，阿古斯塔·韦斯特兰占5%，俄罗斯直升机公司占5%，其他占7%［1］。部分典型机型及其配装涡轴发动机的基本信息如表1所示。

我国直升机制造商主要为中航工业直升机，以及一些通用航空企业如重庆通航等。中航工业直升机是我国从事直升机研制、营销、服务和运营的大型国有企业，生产了直8、直9、直11系列直升机，和AC310、AC301、AC311、AC312、AC313、AC352等民用直升机。重庆通航主要研制型号为480的4座轻型多用途直升机。部分国产典型机型及其配装涡轴发动机的基本信息如表2所示。

表1　部分国外直升机及其配装发动机的基本信息Table 1 The basic situation for part of the foreign helicopters and their engines

表2　部分国产直升机及其配装发动机的基本信息Table 2 The basic situation for part of the domestic helicopters and their engines

从表1、表2中可以看出，目前国内运营的直升机绝大部分采用国外厂商生产的涡轴发动机，仅少量国产直升机配装国产WZ8A/WZ8D型涡轴发动机。从整体规模上看，国内涡轴发动机的市场构成呈现国外发动机寡头垄断的态势，其中又以透博梅卡的涡轴发动机居多。这凸显了我国涡轴发动机产业发展的滞后与不足，涡轴发动机的发展远不能满足国民经济的发展需求，但同时也意味着面临的市场机遇巨大。

3　世界民用涡轴发动机的发展现状和技术特点

3.1发展现状

涡轴发动机通过不断改进改型和更新换代，已成功研制到第四代并开始陆续投入使用。目前，直升机市场上普遍采用的是第三代涡轴发动机，如普惠公司的PT6C-67C，通用电气公司的CT7-2A，透博梅卡公司的Makila-1A2等；仅少数直升机采用第四代涡轴发动机，如阿古斯塔·韦斯特兰公司的超山猫300系列直升机采用轻型直升机涡轮发动机公司的CTS800-4N，印度北极星多用途轻型直升机采用透博梅卡公司的Ardiden 1H等［3］。这些发动机在结构和性能上代表了当前涡轴发动机的先进水平，其主要技术参数如表3所示。

3.2技术特点

涡轴发动机从第三代发展到第四代，其典型技术特点为：

（1）进一步提高了循环参数，使发动机的性能大大提升。如压气机的总增压比提高到13～16；发动机的单位功率由第三代的220～240 kW/（kg·s-1）提高到第四代的280 kW/（kg·s-1）左右；耗油率由第三代的0.29～0.33 kg/（kW·h）降低到第四代的0.27～0.28 kg/（kW·h），已接近活塞发动机的耗油率水平［4］。

（2）涡轮进口温度提高到1 400～1 600 K，改善了发动机的循环热效率。

（3）新材料、新工艺、单元体结构的采用，发动机的可靠性和维修性进一步提高，同时降低了全寿命周期费用。

（4）完成了机械液压式控制系统向全权限数字式电子控制系统的升级换代，提高了发动机的控制能力和减轻了驾驶员的操作负荷。

（5）普遍采用进气防护装置。如CT7-2A和CTS800-4N装有整体式的粒子分离器，提高发动机的防沙能力。

4　国外涡轴发动机发展趋势及成功经验［5］

4.1发展趋势

涡轴发动机的发展，不仅受直升机技术发展趋势的影响，还在很大程度上取决于航空发动机的技术基础。为推动涡轴发动机的不断发展，美国和欧洲实施了一系列技术研究计划。以美国为例，美国先后实施了联合涡轮先进燃气发生器（JTAGG）计划，共用发动机（CEP）计划，小型重油发动机（SHFE）计划，先进、经济可承受的涡轮发动机（AATE）计划，美国陆军未来可承受涡轮发动机（FATE）计划，小型经济可承受的涡轮发动机（SATE）计划等，计划的简要内容见表4。这些研究计划的开展，极大地促进了涡轴发动机的技术进步，满足了新一代直升机对涡轴发动机的技术需求。

通过分析表4罗列出的技术研究计划可以看出，涡轴发动机将向低耗油率、高功重比、低研制成本、低维修成本等方向发展。为实现预期的技术目标，未来涡轴发动机的技术发展趋势主要为：

（1）进一步提高热力循环参数。提高压气机增压比和燃烧室出口温度，可以降低耗油率和提高单位功率。因此，未来涡轴发动机将采用新技术和新结构，进一步提高增压比和涡轮进口温度。

表3　典型涡轴发动机的主要技术参数Table 3 The main technical parameters of the typical turboshaft

为提高增压比，压气机将采用多级超跨声速轴流加离心组合式结构或采用双级离心压气机结构。特别是采用双级离心式压气机，转子稳定性好，零件数量少，便于维修，抗外物损伤能力强。为提高涡轮进口温度，多采用多通道强迫对流加气膜冷却的复合冷却方案，采用Lamilloy材料制造的超冷涡轮叶片，在提高隔热效果的同时减少冷却空气使用量。

表4　美国涡轴发动机的技术研究计划Table 4 The technology research plan of the turboshaft in the United States

（2）提高部件效率。采用三维有粘流场计算方法设计压气机和涡轮，减少气体流阻损失；采用刷式封严等新型封严结构和采用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。

（3）采用新材料和新结构。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。

（4）采用分布式控制系统。目前第三代涡轴发动机的控制系统主要为带机械液压备份的FADEC系统，第四代涡轴发动机多采用双余度FADEC系统。未来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。

4.2成功经验

纵观国外涡轴发动机的发展历程，其成功发展的途径主要有：

（1）自主研制，全谱系发展

为满足市场需求、抢占市场份额，各大涡轴发动机生产商均自主研制了一系列民用涡轴发动机，如Arriel系列、PT6B/C系列、Model 250-C系列等发动机。其中以透博梅卡公司最具代表性，其研制了Ar⁃rius、Arriel、TM333、Ardiden和Makila等系列发动机，功率覆盖范围350～1600 kW，在自主研制的基础上实现了产品的全谱系发展。

（2）改进改型，扩大使用范围

基于扩大发动机使用范围、降低研制成本和风险等因素考虑，各生产商均对典型涡轴发动机进行了改进改型，形成了产品的系列化发展。如普惠加拿大公司的PT6T系列发动机，是在PT6T-3发动机的基础上进行了结构改进和功率改进，形成了PT6T-3A、PT6T-3B、PT6T-3D、PT6T-6等发动机，极大地满足了多款直升机的动力需求。部分厂商在成熟的涡桨发动机平台上进行了桨改轴研制，如普惠加拿大公司在PT6A型涡桨发动机的基础上，成功研制出PT6B/C型系列涡轴发动机。

（3）核心机派生发展

为充分利用技术积累，在优良核心机基础上进行派生发展已经成为发动机生产商的共识。如莱康明公司（现霍尼韦尔国际公司）在T53发动机核心机的基础上，成功派生出T55、LTS101型系列发动机，并取得巨大的市场成功。

5　我国民用涡轴发动机需求分析

目前，我国民用直升机的保有量非常少，从国土面积、人口数量和GDP增长率三个方面考虑，我国的直升机保有量应接近或达到美国大约2万架的水平，因此未来我国直升机市场需求巨大。从细分市场角度考虑未来直升机的发展需求，在政府执法方面，武警、海警和公安警用直升机稳步增加；在政府公共服务领域，应急救援、电力作业等对直升机的需求也日益增加；在通航领域，海洋石油开采和农林作业的加快发展刺激了通用直升机的快速发展；另外，飞行培训、旅游观光等的蓬勃兴起，也进一步促进了直升机产业的发展。据中国科协、中国航空学会预测［6］，到2020年中国国内民用直升机机队将达到2 250架。考虑到单、双发和备份发动机，飞机和发动机按1：1.5配比，未来国内共需交付约3 000台民用涡轴发动机。

6　我国民用涡轴发动机的研制能力和现状

长期以来，我国民用涡轴发动机的发展十分缓慢。一是由于涡轴发动机具有技术难度大、研发周期长、资金投入多和市场准入门槛高等特点，造成我国涡轴发动机在技术性能状态、价格、品牌和服务支持等方面与国外差距较大，无法有效满足市场需求。二是受国民经济发展水平的制约，市场需求相对较少，导致需求牵引不足。由此致使我国民用涡轴发动机的发展相对落后，主要体现在发动机型号少、未能形成系列化，功率覆盖范围窄，性价比不高等。

我国现役民用涡轴发动机主要有WZ8A和WZ8D型等，其主要技术参数如表5所示。与国外机型相比较，存在油耗较高、首翻期和整机寿命过短、效率和可靠性较低等问题，造成发动机全寿命周期使用成本偏高，维修频繁，用户使用不便。同时，这两款发动机由于机型老旧，改进改型的可能性不大，未来将随着新型号的研制成功逐步退出市场。

目前，我国开展了一系列新型民用涡轴发动机的研制，其功率覆盖范围约为500～700 kW和1 000 ～1 200 kW，主要针对将成为我国未来直升机市场主要机型的1～3 t轻型直升机和6～10 t中型直升机的市场需求［6］。因此，新型涡轴发动机的研制成功，将极大提升我国民用涡轴发动机的研制能力和适航取证水平，满足国内主力民用直升机的动力需求，缓解国内民用涡轴发动机型号短缺的矛盾。

7　我国民用涡轴发动机的发展思路［7-9］

（1）建立和完善社会配套体系

国家出台相关优惠财政和税收政策，支持民用航空发动机社会配套体系的发展和完善，利用政策引导逐步形成以发动机主机厂为核心、配套企业围绕主机厂布局的产业集群模式。通过产业集群，发动机主机厂形成“小核心、大协作”的民机研制体系，通过专业化、集中化的产业链发展模式，增强民用涡轴发动机的市场竞争力。

（2）做好战略规划，处理好长期与短期的关系

民用涡轴发动机的发展是系统性工程，目前国家已将航空发动机和燃气轮机列为重大专项，可以说民用涡轴发动机面临历史上最好的发展机遇。各发动机制造商应根据直升机市场的未来发展需求及自身业务的能力和现状，制定好涡轴发动机发展的路线图，突出重点，进行差异化发展。可优先发展市场销量最好的1～3 t级轻型直升机和6～8 t级中型直升机配装的涡轴发动机，其他功率范围内的民用涡轴发动机，由于市场需求相对有限、产值不大，可作为一般发展或备选发展。

（3）进一步深化国际合作，快速提升研制能力

国际合作是研制新型民用航空发动机的必由之路。只有在开展国际合作的前提下，才能加快掌握部分核心技术及细节设计技术，提升我国民用涡轴发动机的研制和生产能力，通过新型号的研发和现有型号的改进改型，尽快满足国内市场需求，缩短我国与发达国家在涡轴发动机研制领域的差距。目前，我国已经与透博梅卡公司就涡轴发动机的研制建立了良好的合作关系，未来双方可进一步加强和扩展合作的深度与广度，逐步实现从引进技术进行批生产和市场营销的合作模式，向共同研制、分工生产的合作模式转变。

（4）开展延寿和可靠性工作，降低全寿命期成本

民用发动机对可靠性、寿命、维修性和成本有严格的要求。目前，我国的民用涡轴发动机如WZ8A/ WZ8D等，受材料基础和工艺技术的影响，与国外同量级发动机相比，在寿命、可靠性、成本等方面存在一定差距。为此，必须加大延寿和提高可靠性等技术的研究，提高发动机的性能状态和降低全寿命期成本，以减小国产发动机与同量级国外发动机的技术状态差距，增加国产发动机的市场竞争力。

表5　我国现役涡轴发动机的主要技术参数Table 5 The technical parameters of the turboshaft used by China

（5）加强科技投入，加大技术研发

我国民用涡轴发动机的发展途径，主要是以国际合作为主、自主研制为辅，这是我国现实国情下的必然选择，是符合民机研制发展的客观规律。然而必须意识到，现阶段开展的国际合作，由于核心技术受制于人，在谈判和后续合作中实质上处于被动地位，没有主动权。未来民用发动机的发展必须走上国际合作和自主研制并驾齐驱的道路，只有在独立自主研制基础上拥有自己的技术基础和专长，才能实现真正意义上的地位平等的国际合作。CFM国际公司的成功和宝马-罗罗公司的惨败就是最好的案例。

为此，我国必须加大对民用涡轴发动机的科研投入，利用航空发动机和燃气轮机国家重大专项的实施，开展一系列关键技术的研发和基础研究工作。在实现自主研发能力整体跨越发展的同时，率先突破并掌握几项核心技术，使之达到国际先进水平，并以此为基础，同国外企业开展涉及核心技术研发的新型号研制，以解决目前国际合作中核心技术受制于人的现状。

8　结束语

我国民用涡轴发动机市场竞争非常激烈，几乎被国外产品所垄断。从产品体系、技术性能、品牌和售后服务等诸多方面对比分析，我国差距十分明显。未来涡轴发动机将更广泛地采用新材料、新工艺和新结构，向低耗油率、高增压比和低成本等方向发展。为加快我国民用涡轴发动机的发展，一方面需进一步深化国际合作，利用国外的先进技术和已有机型，尽快研制出满足市场需求的新型涡轴发动机，提升研制能力；另一方面，加大科研投入，加大自主创新研究，借助国家重大专项的实施，开展一系列关键技术和基础理论的研究，解决核心技术受制于人的困境，实现国际合作和自主研发并驾齐驱的发展格局。

［1］ 褚世永.我国民用直升机市场现状［J］.国际航空，2014，（2）：45—46.

［2］ 中国大陆直升机数量2014年猛增34%，达到583架［EB/ OL］.http：//www.chinanews.com/mil/2015/03-16/7131142. shtml.

［3］ 林左鸣.世界中小型航空发动机手册［M］.北京：航空工业出版社，2012.

［4］ 方昌德.航空发动机的发展研究［M］.北京：航空工业出版社，2009.

［5］ 程荣辉，古远兴，黄红超，等.民用航空发动机核心机技术发展研究［J］.燃气涡轮试验与研究，2007，20（1）：1—7.

［6］ 李昊.世界民用直升机市场发展预测［J］.国际航空，2014，（2）：42—44.

［7］ 方昌德.航空发动机的发展前景［J］.航空发动机，2004，30（1）：1—5.

［8］ 张宝诚.航空发动机的现状和发展［J］.沈阳航空工业学院学报，2008，25（3）：6—10.

［9］ 陈光.航空发动机发展综述［J］.航空制造技术，2000，（6）：24—27.

The research of development of civil turboshaft engine

LEI Xin-guo1，ZHOU Hui-hua2，ZHANG Yuan1

（1.China South Aviation Industry Limited Corporation，Zhuzhou 412002，China；2.China Aviation Powerplant Research Institute，Zhuzhou 412002，China）

Civil turboshaft plays an important role in the development of general helicopter.The develop⁃ment situation of the helicopters and their engines around the world was analyzed，and the technical charac⁃teristics and development situation of the turboshaft engine were also summarized.The development trend and successful experience of foreign turboshaft were discussed，and the demands，development capacity and current situation of civil turboshaft development in China were investigated.The suggestions of develop⁃ment were proposed from different aspects as perfection of social supporting system，establishment of devel⁃opment strategy，deepening of international cooperation and enhancement of technical tackling，etc，so as to solve the difficulty of the manipulation of helicopter's engine and to provide

for the development combined both military and civilian aspects.

aero-engine；development status；technical characteristics；development trend；demandanalysis；research capacity；development strategies

V235.12

A

1672-2620（2016）04-0057-06

2015-09-22；

2015-11-25

雷新国（1982-），男，山西运城人，工程师，主要从事航空发动机的发展研究。