董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展綜述

董彥非，黃 明，李瑞琦

(西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院，西安 710077)

在介紹通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)概念和分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總結(jié)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的特點(diǎn)；分析不同類型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，指出單純某一固定類型發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法保證在較寬速度范圍內(nèi)高的推進(jìn)效率；最后，針對(duì)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，并提出發(fā)展建議。

通用航空；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)；燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)

1 通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其特點(diǎn)

1.1 通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)類型

2003年5月1日施行的《中華人民共和國(guó)通用航空飛行管制條例》對(duì)通用航空的定義為：“除軍事、警務(wù)、海關(guān)緝私飛行和公共航空運(yùn)輸飛行以外的航空活動(dòng)，包括從事工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)、礦業(yè)、建筑業(yè)的作業(yè)飛行和醫(yī)療衛(wèi)生、搶險(xiǎn)救災(zāi)、氣象探測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、遙感測(cè)繪、教育訓(xùn)練、文化體育、旅游觀光等方面的飛行活動(dòng)”。由此可知，通用航空基本涵蓋了除定期客、貨航班以外的所有民用航空活動(dòng)[1]。

由于通用航空用途廣泛，通用飛機(jī)的構(gòu)型、特點(diǎn)也千差萬(wàn)別。從飛機(jī)類型上可以分為固定翼飛機(jī)和旋翼飛行器(主要指直升機(jī)，多旋翼目前主要用于無(wú)人機(jī))兩大類。固定翼飛機(jī)按照發(fā)動(dòng)機(jī)類型主要可以分為活塞式飛機(jī)、渦槳式飛機(jī)和噴氣式飛機(jī)。直升機(jī)按照所用發(fā)動(dòng)機(jī)類型可以分為活塞式直升機(jī)和渦軸式直升機(jī)。

美國(guó)通用航空制造商協(xié)會(huì)(General Aviation Manufacturers Association，GAMA)通常按照發(fā)動(dòng)機(jī)類型和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量對(duì)通用飛機(jī)進(jìn)行分類，分別為單發(fā)活塞式、多發(fā)活塞式、渦槳式和噴氣式公務(wù)機(jī)[2]。除了少數(shù)公務(wù)機(jī)尺寸比較大以外，通用飛機(jī)多數(shù)屬于中小型飛機(jī)。

按照用途分類，GAMA將符合美國(guó)聯(lián)邦航空條例(FAR)91部的通用航空使用類型分為私人飛行、公務(wù)飛行、企業(yè)飛行、教練飛行、航空應(yīng)用、航空觀測(cè)、其他空中巡視類飛行、吊掛飛行、其他作業(yè)類飛行、航空觀光、航空醫(yī)療救助及其他。將按照FAR 135部運(yùn)營(yíng)方式劃分通勤類和商業(yè)租用的使用類型分為飛行出租、航空旅行和航空醫(yī)療救助。

在我國(guó)，2007年2月14日起施行的《通用航空經(jīng)營(yíng)許可管理規(guī)定》(CCAR-135TR-R3)第五條規(guī)定，通用航空經(jīng)營(yíng)用途劃分為以下四類(見(jiàn)表1)：

表1 國(guó)內(nèi)通用航空用途分類

續(xù)表1

分類經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目范圍丙類飛機(jī)播種、空中施肥、空中噴灑植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、空中除草、防治農(nóng)林業(yè)病蟲害、草原滅鼠、防治衛(wèi)生害蟲、航空護(hù)林、空中拍照航空俱樂(lè)部使用限制類適航證的航空器和輕于空氣的航空器從事私用飛行駕駛執(zhí)照培訓(xùn)、航空運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練飛行、航空運(yùn)動(dòng)表演飛行、個(gè)人娛樂(lè)飛行

通用航空飛機(jī)因其用途范圍大，為滿足不同需要使用的動(dòng)力裝置也多種多樣。目前使用最多的通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍屬于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(渦扇主要用于公務(wù)機(jī)、渦槳和渦噴用于亞聲速固定翼飛機(jī)、渦軸用于中型以上直升機(jī))和活塞式內(nèi)燃機(jī)(低速和亞聲速固定翼飛機(jī)、小型直升機(jī))兩大類。這兩類發(fā)動(dòng)機(jī)都屬于熱機(jī)，把燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。

1.2 發(fā)展特點(diǎn)

通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來(lái)，一直在發(fā)展進(jìn)步中，但是由于通用航空本身的獨(dú)有特點(diǎn)，使得通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)很多與民航運(yùn)輸以及軍用航空不同的特點(diǎn)。

總體而言，通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用類型最全面，從活塞、渦噴、渦扇、渦槳、渦軸乃至槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)等都是通用航空飛機(jī)選用的對(duì)象；從尺寸或者推力(功率)大小上看，通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)是以中小型為主。具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1.2.1 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)占統(tǒng)治地位

從航空發(fā)動(dòng)機(jī)的角度來(lái)講，民航運(yùn)輸和軍用航空的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)是絕對(duì)的主流；而通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)則是活塞型、渦輪螺旋槳型和渦輪風(fēng)扇型并存，而且活塞型發(fā)動(dòng)機(jī)是主流；渦輪風(fēng)扇型主要用于公務(wù)機(jī)，性能先進(jìn)，安全舒適，價(jià)格較貴，已生產(chǎn)的機(jī)型有30多種，在研的10多種。

GAMA通用航空統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)中指出，2016年全球生產(chǎn)通用飛機(jī)2262架，其中，活塞式飛機(jī)1019架，占45%；渦輪式飛機(jī)(GAMA的統(tǒng)計(jì)中將渦槳式飛機(jī)與噴氣式飛機(jī)合稱為渦輪式飛機(jī))1243架，其中渦槳式飛機(jī)582架，噴氣式公務(wù)機(jī)661架[2]。2006-2016年全球通用飛機(jī)產(chǎn)量先是下降，尤其是2008-2009年全球金融危機(jī)時(shí)急劇下跌，然后從2011年開始緩慢回升。2006-2016年全球通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 2006-2016年全球通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量(架)

從表2的數(shù)據(jù)可以看出，固定翼通用航空飛機(jī)中，活塞式飛機(jī)總計(jì)占比一直高于渦槳式飛機(jī)，以及噴氣式公務(wù)機(jī)?；钊桨l(fā)動(dòng)機(jī)具有油耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、使用維護(hù)費(fèi)用低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；而其對(duì)飛行速度的限制又是多數(shù)通用航空飛行活動(dòng)所不需要的。很顯然，活塞式飛機(jī)的統(tǒng)治地位還將持續(xù)下去。

具體到我國(guó)，截止到“十二五”末，我國(guó)通用航空注冊(cè)飛機(jī)4511架，其中90%以上采用的都是活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，主要形式為小功率的氣冷水平對(duì)缸發(fā)動(dòng)機(jī)。航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)目前被幾大發(fā)動(dòng)機(jī)公司所占領(lǐng)，大陸航空、萊康明、林巴賀和龐巴迪。

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低，易于維護(hù)，可以滿足很多類型通用航空飛機(jī)的需求，所以目前500馬力以下的小功率活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仍在通航飛機(jī)，無(wú)論是固定翼有人機(jī)或無(wú)人機(jī)，還是中小型直升機(jī)上大量使用，數(shù)量上占據(jù)統(tǒng)治地位。

1.2.2 渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)占比提高

與航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)具有尺寸小、重量輕、振動(dòng)小、推進(jìn)效率高和功率重量比大等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優(yōu)越；與渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它又具有耗油率低和起飛推力大的優(yōu)點(diǎn)。渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率可超過(guò)10000馬力(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不超過(guò)4000馬力)，功重比為4以上(活塞發(fā)動(dòng)機(jī)不超過(guò)2)，由于減少了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的部件，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、噪音小、工作壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低。但因螺旋槳特性的限制，裝渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)的飛行速度一般不超過(guò)800km/h。所以，在大型遠(yuǎn)程旅客機(jī)和運(yùn)輸機(jī)上，它已被高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所取代，但在中小型運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)和通用飛機(jī)上仍有廣泛的應(yīng)用[3]。

此外，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)配裝飛機(jī)后還具備以下綜合優(yōu)勢(shì)：一是螺旋槳特性(含滑流增升、反槳)、飛機(jī)機(jī)翼構(gòu)型決定了渦槳飛機(jī)較強(qiáng)的地面起飛/著陸性能，可以大幅度縮短起飛/著陸距離(在同樣載荷條件下，與渦扇飛機(jī)相比，起飛滑行距離可減少30%以上)。二是較低的燃?xì)馀欧艤囟瓤梢源蠓冉档蚇OX、噪聲排放及紅外輻射。三是適中的熱力循環(huán)參數(shù)帶來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)成本效益。

正是由于具有以上諸多優(yōu)勢(shì)，安裝渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)占比逐步提高。根據(jù)表2中GAMA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2006年開始，渦槳飛機(jī)生產(chǎn)量在通用航空固定翼飛機(jī)生產(chǎn)總量中的占比穩(wěn)步提高，從2006年的10.2%一直提高到2013年的27.4%，此后一直穩(wěn)定在20%以上。

1.2.3 發(fā)展前景廣闊

2012年7月，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見(jiàn)》，明確指出：加大低空空域管理改革的力度，大力發(fā)展通用航空。2015年，《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》提出：拓展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)空間。加快完善水利、鐵路、公路、水運(yùn)、民航、通用航空、管道、郵政等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。完善能源安全儲(chǔ)備制度。國(guó)務(wù)院《中國(guó)制造2025》強(qiáng)調(diào)：“大力發(fā)展航空航天制造業(yè)，推進(jìn)干支線飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)和通用飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化”。

2016年5月17日，國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》)，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)通用航空業(yè)發(fā)展作出了具體的部署?！兑庖?jiàn)》提出，到2020年，建成500個(gè)以上通用機(jī)場(chǎng)，基本實(shí)現(xiàn)地級(jí)以上城市擁有通用機(jī)場(chǎng)或兼顧通用航空服務(wù)的運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)。通用航空器達(dá)到5000架以上，年飛行量200萬(wàn)小時(shí)以上，培育一批具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的通用航空企業(yè)。通用航空器研發(fā)制造水平和自主化率有較大提升，國(guó)產(chǎn)通用航空器在通用航空機(jī)隊(duì)中的比例明顯提高。通用航空業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模超過(guò)1萬(wàn)億元，初步形成安全、有序、協(xié)調(diào)的發(fā)展格局。

顯而易見(jiàn)，作為通用航空核心內(nèi)容之一的航空發(fā)動(dòng)機(jī)也必將隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)展前景廣闊。

2 應(yīng)用范圍與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)從誕生至今，除了結(jié)構(gòu)上有變化外，其原理和應(yīng)用范圍基本沒(méi)有改變，反倒是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)從原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用范圍等方面變化明顯。

2.1 不同類型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)自誕生以來(lái)，主流類型一直是以下四類：渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)。這四種類型發(fā)動(dòng)機(jī)雖然發(fā)展時(shí)間有先后之分，但是并沒(méi)有嚴(yán)格意義上的先進(jìn)和落后，主要區(qū)別在于各自的適用范圍。

圖1為渦噴、渦扇和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率隨馬赫數(shù)的變化關(guān)系圖[4-6]。圖中顯示：

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率最高，但是僅限于亞聲速范圍，速度到跨聲速范圍時(shí)，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)效率急劇降低。渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在跨聲速階段推進(jìn)效率高于渦槳和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，而且涵道比B越大，推進(jìn)效率越高，這也是民航飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的原因。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)1.0以下推進(jìn)效率很低，但是超聲速以后效率快速升高，遠(yuǎn)超渦槳和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 不同類型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)效率隨馬赫數(shù)的變化

通用航空飛行器可以根據(jù)自己的任務(wù)定位，確定飛行速度范圍，進(jìn)而確定合理的發(fā)動(dòng)機(jī)類型。但從圖1可知，單純某一固定類型發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法保證在較寬速度范圍內(nèi)高的推進(jìn)效率。對(duì)于工作速度范圍較寬的飛行器，除了根據(jù)任務(wù)需求和經(jīng)濟(jì)型折衷外，還可以考慮結(jié)合不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。如當(dāng)前正在研究的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(Variable Cycle Engine，VCE)，通過(guò)改變一些發(fā)動(dòng)機(jī)部件的幾何形狀、尺寸或位置，來(lái)調(diào)節(jié)其熱力循環(huán)參數(shù)(如涵道比、空氣流量和渦輪進(jìn)口溫度等)，改變發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工作模式(高推力或低油耗)使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種飛行情況下都能工作在最佳狀態(tài)，有較高的推進(jìn)效率[7-9]。

2.2 活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)是隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求變化發(fā)展而進(jìn)步的。圖2展示了活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)發(fā)展。

圖2 活塞發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展

2.2.1 多級(jí)增壓技術(shù)開始廣泛應(yīng)用

由于活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)隨著海拔的升高，空氣密度降低、溫度降低、導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量減小，空燃比下降，壓縮終點(diǎn)溫度降低，使得燃燒過(guò)程惡化，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，熱負(fù)荷增大、排溫升高，造成航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性下降。

通過(guò)增壓技術(shù)可以提高空氣密度，高效恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高空性能，滿足飛機(jī)8km以上的使用要求。增壓器包括單級(jí)高壓比技術(shù)、多機(jī)增壓系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、多級(jí)增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)及控制技術(shù)、高空條件下的系統(tǒng)可靠性技術(shù)等。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的二級(jí)增壓系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行了大量的研究，其中，以美國(guó)、德國(guó)為代表已開發(fā)了相對(duì)較為成熟的二級(jí)增壓系統(tǒng)甚至三級(jí)增壓系統(tǒng)。我國(guó)在二級(jí)增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制方面，通過(guò)在不同海拔仿真模擬實(shí)驗(yàn)，其極限工作高度達(dá)到8～9km。而美國(guó)研制了帶有三級(jí)渦輪增壓系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)，其飛行高度可以達(dá)到24km。實(shí)踐證明，多級(jí)增壓系統(tǒng)是有效提升高空汽油機(jī)使用升限的重要途徑。

2.2.2 航空重油發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸成為活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主流

航空重油的燃料供應(yīng)有保障，通用性強(qiáng)，其比能量高于汽油，運(yùn)輸和存儲(chǔ)更加安全，而且?guī)u輪增壓，高空性能優(yōu)越，燃燒效率提高，可大大提升輕型飛機(jī)的性能，成為世界航空大國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)類型[10-11]。航空重油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需進(jìn)一步提高輕量化前提下的可靠性技術(shù)、增壓匹配技術(shù)和噴霧燃燒技術(shù)。

2.2.3 低成本活塞發(fā)動(dòng)機(jī)需求旺盛

美國(guó)等航空發(fā)達(dá)國(guó)家提出的“先進(jìn)通用航空運(yùn)輸計(jì)劃”等設(shè)想指出未來(lái)通用航空將平民化，認(rèn)為小飛機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)是高速交通運(yùn)輸?shù)牡谒拇胃锩?。該設(shè)想的基礎(chǔ)之一是低成本。相對(duì)于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，作為通用航空主力的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)雖然具有成本優(yōu)勢(shì)，但是還要通過(guò)設(shè)計(jì)和制造進(jìn)一步降低成本，減少采購(gòu)與維修費(fèi)用，掃除通用航空發(fā)展的障礙。

2.3 燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)通用航空使用的各種類型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)、產(chǎn)品發(fā)展的方向上基本一致，繼續(xù)朝高可靠性、高安全性、良好維護(hù)性、低使用成本的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著石油資源減少以及環(huán)保壓力的不斷增大，人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性等方面更加重視[3,6-13]。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.3.1 熱力循環(huán)參數(shù)

通過(guò)進(jìn)一步提高壓氣機(jī)增壓比和渦輪前燃?xì)鉁囟?，降低耗油率和提高單位功率，使?jīng)濟(jì)可承受性提高數(shù)倍。

2.3.2 氣動(dòng)設(shè)計(jì)

采用三維有粘流場(chǎng)計(jì)算方法、非定常設(shè)計(jì)、流動(dòng)控制、主動(dòng)間隙控制、高效冷卻等設(shè)計(jì)壓氣機(jī)和渦輪，減少氣體流阻損失，達(dá)到部件效率提高、穩(wěn)定工作邊界擴(kuò)大、良好的性能保持、壽命更長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和零件數(shù)少的要求。采用刷式封嚴(yán)等新型封嚴(yán)結(jié)構(gòu)和主動(dòng)間隙控制技術(shù)縮小葉尖間隙，減少空氣泄露，提高壓氣機(jī)和渦輪效率。

2.3.3 總體結(jié)構(gòu)

2000kW以下渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)將傾向于雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(即單轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器+動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子)，壓氣機(jī)為軸流+離心組合式，采用多級(jí)動(dòng)力渦輪(即自由渦輪)以求得到最佳的效率。2000kW以上的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸向三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)展(雙轉(zhuǎn)子燃?xì)獍l(fā)生器+動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)子)，采用單元體設(shè)計(jì)和“視情”維護(hù)概念，簡(jiǎn)化外場(chǎng)維護(hù)保障要求，降低全壽命期使用成本等。

2.3.4 新材料和材料改進(jìn)

新型復(fù)合材料的應(yīng)用和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為大幅減輕發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量提供了可能。壓氣機(jī)采用金屬基復(fù)合材料不僅減輕了質(zhì)量，同時(shí)也可提高葉片切線速度；燃燒室和渦輪部件采用陶瓷基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料，在提高部件耐高溫性能的同時(shí)減輕了質(zhì)量。整體葉盤、整體葉環(huán)、對(duì)轉(zhuǎn)渦輪等新結(jié)構(gòu)的采用，也大大減輕了部件質(zhì)量。雙金屬、陶瓷、低導(dǎo)熱性熱障涂層和復(fù)合材料等技術(shù)的逐步應(yīng)用，將大幅提高渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、壽命及可靠性。

2.3.5 控制系統(tǒng)

未來(lái)全權(quán)限數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(Full Authority Digital Engine Control，F(xiàn)ADEC)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是采用分布式控制系統(tǒng)。與目前的集中式系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的控制能力和可靠性，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和質(zhì)量。同時(shí)采用光電敏感元件、高溫電子設(shè)備和靈活的控制邏輯?？刂葡到y(tǒng)的重量將大幅度減輕，環(huán)境適應(yīng)性將進(jìn)一步增強(qiáng)。

2.3.6 航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件3D打印

3D打印逐步實(shí)用化，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面復(fù)雜、零件眾多、葉盤鍛造加工工序紛繁復(fù)雜等要求。如通用電氣(GE)公司與斯奈克瑪合作采用3D打印LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，將其耐久性提高了4倍，燃油效率提高15%，重量降低25%。同時(shí)，GE公司還通過(guò)3D打印了一臺(tái)轉(zhuǎn)速達(dá)33000 RPM的小型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)將打印大型發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)。

2.3.7 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(VCE)

VCE逐漸成熟。下一代可轉(zhuǎn)換的渦噴/渦扇/沖壓/渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)在不同速度范圍內(nèi)達(dá)到高的推進(jìn)效率，在降低耗油率的同時(shí)，在提高飛機(jī)飛行速度等方面取得突破性進(jìn)展。

2.3.8 減速器

重載、高速、高效、輕質(zhì)是其發(fā)展目標(biāo)。其中新結(jié)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)/零件(如面齒輪)、軸承/齒輪軸一體化設(shè)計(jì)、超高強(qiáng)度傳動(dòng)零件新材料和復(fù)合材料機(jī)匣等是研究方向。此外，國(guó)外已開始研究噴氣旋翼和翼尖噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)及液壓傳動(dòng)減速系統(tǒng)。

2.3.9 螺旋槳

先進(jìn)風(fēng)扇氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)將逐步應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高渦槳飛機(jī)在高速飛行條件下的性能。螺旋槳的結(jié)構(gòu)由鋁合金大梁、玻璃鋼外殼結(jié)構(gòu)發(fā)展到碳纖維大梁、泡沫填充、玻璃鋼外殼結(jié)構(gòu)，成形工藝有預(yù)浸料層鋪和編織外殼整體注射成形，從而使螺旋槳重量大幅度減輕。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著通用航空的發(fā)展需要，通航發(fā)動(dòng)機(jī)要在保證性能的前提下朝著輕量化，環(huán)境友好化和智能化發(fā)展。針對(duì)通用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議和思考。

大力發(fā)展重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著國(guó)家的重視和投入加大，我國(guó)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)逐步得到提升。但是在航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，由于缺乏足夠的重視和投入，人才短缺，缺乏自主創(chuàng)新，技術(shù)遠(yuǎn)落后于航空發(fā)達(dá)國(guó)家，嚴(yán)重制約了通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須提高對(duì)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)作用的認(rèn)識(shí)，大力發(fā)展重油活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，為通用航空發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。

大力推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型?；诔墒斓陌l(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)或者核心機(jī)改進(jìn)改型是周期短、見(jiàn)效快的一種研制模式，是世界各航空大國(guó)普遍采用的模式。我們要在保證新研型號(hào)的同時(shí)，大力發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)改型，包括不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的改型。如在結(jié)構(gòu)上相近的渦槳和渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，在成熟渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上“軸改槳”快速發(fā)展渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)就是一種常見(jiàn)的方式。

通過(guò)軍民融合與體制機(jī)制改革，整合各行業(yè)資源優(yōu)勢(shì)，形成相對(duì)獨(dú)立的協(xié)作研發(fā)機(jī)制。借鑒航空發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，集中力量，形成拳頭，優(yōu)化資源配置，促進(jìn)專業(yè)化協(xié)作。避免無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)航空動(dòng)力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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[責(zé)任編輯、校對(duì)：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

陜西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2016JM1014)；陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)課題(16JK1396)；通用航空工程技術(shù)中心基金(XHY-2016084)

董彥非(1970-)，男，河南開封人，教授，博士，主要從事航空裝備仿真與效費(fèi)分析研究。