■ 王士奇/中國航發(fā)研究院 劉子娟/中國航發(fā)動研所

從1963年取得美國和加拿大的民用適航證，到2019年為PC-12 NGX飛機(jī)提供動力，作為普惠加拿大公司完全自主設(shè)計的第一型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，PT6系列已經(jīng)面世56年了，可謂是通用航空動力領(lǐng)域的“常青樹”，通過對PT6的研究，可為我國通用航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展提供借鑒。

PT6發(fā)動機(jī)研制歷程

1958年12月，普惠加拿大公司開始了373kW（500hp）級燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的研制。公司做出這一決定主要基于以下幾個原因：一是通用航空市場尤其是小型雙發(fā)運輸機(jī)對此級別的動力裝置有較大的需求，同時還存在軍用的可能性；二是普惠加拿大公司的投資預(yù)算有限，研發(fā)一型通用航空發(fā)動機(jī)的花費可能較??；三是當(dāng)時還很少有發(fā)動機(jī)公司重視這一潛在但尚未被開發(fā)的市場；四是潛在用戶比奇飛機(jī)公司對這個級別的渦槳發(fā)動機(jī)有明確的需求。

但直到1963年春，盡管在發(fā)動機(jī)研制上已花費了數(shù)百萬美元，普惠加拿大公司仍未獲得一份PT6發(fā)動機(jī)的正式訂單。這期間，普惠加拿大公司嘗試進(jìn)入美國的軍用直升機(jī)市場，參與競標(biāo)了美國陸軍的輕型偵察直升機(jī)項目，以及美國海軍的突擊支援直升機(jī)項目，但都以失敗而告終。此時，普惠加拿大公司意識到盡管自己是美國公司控股的企業(yè)，但作為加拿大的制造商，進(jìn)入美國軍方市場是非常困難的。所以，普惠加拿大公司不得不把精力集中到其他市場上。PT6項目的最初目標(biāo)，民用固定翼飛機(jī)動力市場，仍然很有潛力，普惠加拿大公司決定把主要精力放在這個市場上。

裝備PT6 E系列發(fā)動機(jī)的PC-12 NGX飛機(jī)

終于，普惠加拿大公司的PT6發(fā)動機(jī)在與萊康明公司的T53渦槳發(fā)動機(jī)、透博梅卡公司的巴斯坦和阿斯塔祖渦槳發(fā)動機(jī)、大陸公司的217型發(fā)動機(jī)的競爭中勝出。1963年7月14日，比奇飛機(jī)公司正式宣布研制“空中國王”90型公務(wù)機(jī)，將以兩臺功率為410kW（550hp）的PT6A-6型發(fā)動機(jī)為動力，該飛機(jī)于1964年1月24日首飛。普惠加拿大公司獲得了16臺PT6A-6發(fā)動機(jī)的訂單，這是公司歷史上的首個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)訂單。隨著“空中國王”在世界公務(wù)機(jī)市場上的暢銷，普惠加拿大公司的PT6也獲得了源源不斷的訂單，比奇飛機(jī)公司成為普惠加拿大公司最大的客戶。

PT6A發(fā)動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)時市場上活塞式發(fā)動機(jī)種類較多，盡管渦輪發(fā)動機(jī)的初始采購成本較高，但其長期使用成本則較活塞式發(fā)動機(jī)更低。例如，PT6的功率質(zhì)量比較活塞式發(fā)動機(jī)高，使得飛機(jī)在有效載荷、總質(zhì)量和飛行速度方面都會受益，飛機(jī)的載重能力的提高就將發(fā)動機(jī)初期的采購成本以及較高的燃油消耗量抵消掉了。普惠加拿大公司對此進(jìn)行研究的結(jié)果是，以渦輪發(fā)動機(jī)為動力的飛機(jī)能在更高的升限以更快的巡航速度飛行，其運營成本最終與活塞式發(fā)動機(jī)相近；另外，隨著飛機(jī)對快速、低噪聲、高可靠性的要求越來越高，普惠加拿大公司預(yù)測燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在高端公務(wù)機(jī)動力市場會逐漸取代活塞式發(fā)動機(jī)的地位。事實證明，普惠加拿大公司的預(yù)測十分正確。

1965年，當(dāng)時的美國民用航空委員會取消了小型支線客機(jī)運營的政策限制，使得支線客機(jī)在20世紀(jì)60年代迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。對普惠加拿大公司而言，這是拓展PT6發(fā)動機(jī)市場的一個難得的歷史機(jī)遇，普惠加拿大公司趁此機(jī)會迅速占領(lǐng)了小型支線客機(jī)市場。到20世紀(jì)60年代末，PT6A發(fā)動機(jī)已經(jīng)成為了支線客機(jī)和公務(wù)機(jī)渦槳發(fā)動機(jī)中的佼佼者。在PT6A渦槳發(fā)動機(jī)成功的基礎(chǔ)上，普惠加拿大公司又針對直升機(jī)市場相繼研發(fā)了PT6T雙體并聯(lián)渦軸發(fā)動機(jī)、PT6B/C單體渦軸發(fā)動機(jī)，并獲得了巨大成功。

PT6A渦槳發(fā)動機(jī)在支線客機(jī)和公務(wù)機(jī)市場上的巨大成功，一舉將普惠加拿大公司從活塞式發(fā)動機(jī)的許可生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的自行研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。其型號發(fā)展的寶貴經(jīng)驗，以及產(chǎn)品成功帶來的巨大利潤也讓普惠加拿大公司能夠迅速對其產(chǎn)品進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)改型，并針對不同的市場開發(fā)全新的產(chǎn)品?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有PT6A發(fā)動機(jī)的成功，就沒有今天的普惠加拿大公司。

PT6T雙體并聯(lián)式渦軸發(fā)動機(jī)

PT6發(fā)動機(jī)設(shè)計特點

普惠加拿大公司經(jīng)過市場研究確定研制PT6發(fā)動機(jī)之后，首先要面對的問題就是確定發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)布局。在確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和原則時，PT6目標(biāo)定位在低成本和低風(fēng)險上。為此，公司決定選擇相對保守的氣動設(shè)計和機(jī)械設(shè)計，以彌補部件試驗設(shè)備的不足帶來的不便。此外，從用戶角度考慮，設(shè)計人員將可靠性、耗油率、維修性、質(zhì)量、成本等作為重點考慮因素。為達(dá)到這些目標(biāo)，幾個重要的問題擺在了面前——發(fā)動機(jī)是采用自由渦輪式結(jié)構(gòu)，還是固定軸式結(jié)構(gòu)？是采用同心軸結(jié)構(gòu)，還是對置軸結(jié)構(gòu)？是采用組合壓氣機(jī)，還是雙級離心式壓氣機(jī)？

自由渦輪式與固定軸式

自由渦輪式和固定軸式（即單軸結(jié)構(gòu)）這兩種結(jié)構(gòu)各有利弊。固定軸式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于部件數(shù)量少，研制成本低，對油門桿操縱的響應(yīng)速度快，便于飛行員在緊急狀態(tài)下進(jìn)行控制。但固定軸式結(jié)構(gòu)的主要缺點是壓氣機(jī)、渦輪和傳動軸的載荷都取決于同一轉(zhuǎn)速條件，限制了發(fā)動機(jī)控制的靈活性和輸出功率的提高。

自由渦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于燃?xì)獍l(fā)生器可相對動力渦輪段獨立工作，因此可在輸出軸轉(zhuǎn)速低的條件下輸出非常高的功率，反之亦然；無須離合器，便于直升機(jī)動力的起動和加速；如果是渦槳型動力，則自由渦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是發(fā)動機(jī)功率轉(zhuǎn)速范圍寬，有助于在地面和飛行中降低螺旋槳噪聲，并且渦輪結(jié)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速的靈活性可使發(fā)動機(jī)適合匹配多種已有的螺旋槳設(shè)計，無須專門為發(fā)動機(jī)進(jìn)行價格昂貴的螺旋槳定制設(shè)計。由于當(dāng)時普惠加拿大公司尚未完全明確市場需求，故要考慮渦槳、渦軸兩種型號的共同特點，而自由式渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)在渦軸和渦槳型發(fā)動機(jī)上都特別適用。此外，自由渦輪式結(jié)構(gòu)所需要的起動功率較低，利于低溫條件下的操作。自由渦輪結(jié)構(gòu)最大的缺點則是比固定軸結(jié)構(gòu)的初始研制成本要高。

除了比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點之外，潛在客戶比奇飛機(jī)公司對自由渦輪結(jié)構(gòu)的偏向，也是普惠加拿大公司最終選擇該結(jié)構(gòu)的一大原因。比奇飛機(jī)公司認(rèn)為，當(dāng)發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)故障時，因為固定軸結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的所有內(nèi)部部件都連在一根軸上，風(fēng)車狀態(tài)時螺旋槳會給發(fā)動機(jī)帶來很大的扭矩，使得飛機(jī)一側(cè)的氣動阻力過大而造成尾部結(jié)構(gòu)失效。而同樣的故障對于自由渦輪結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)而言，因為只有少數(shù)發(fā)動機(jī)內(nèi)部部件連在螺旋槳軸上，螺旋槳帶來的扭矩小，飛行員試圖順槳時產(chǎn)生的氣動阻力也相對較小，不易引起結(jié)構(gòu)失效?；谝陨系目剂浚栈菁幽么蠊咀罱K決定采用自由渦輪式設(shè)計結(jié)構(gòu)。

對置軸與同心軸

在確定了自由渦輪結(jié)構(gòu)之后，就面臨著是選擇同心軸設(shè)計還是對置軸設(shè)計的問題。在同心軸發(fā)動機(jī)設(shè)計中，一根長的動力渦輪軸穿過壓氣機(jī)至發(fā)動機(jī)前端，通過減速齒輪箱帶動螺旋槳。這種發(fā)動機(jī)設(shè)計便于空氣流直接進(jìn)入進(jìn)氣道且直接從發(fā)動機(jī)后部排出，將壓力和性能損失減至最小。該設(shè)計方式的難點在于如何避免軸振動，以及如何解決高轉(zhuǎn)速、細(xì)長且要穿過燃?xì)獍l(fā)生器的軸的支承問題。

而對置軸設(shè)計將燃?xì)獍l(fā)生器軸置于發(fā)動機(jī)后端，并將動力渦輪軸置于發(fā)動機(jī)前端與之相對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)起來要相對簡單，但必須采用逆向的空氣流道形式，即進(jìn)氣道在發(fā)動機(jī)后端而不是前端，空氣流經(jīng)壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪，從發(fā)動機(jī)前端排出。對置軸式發(fā)動機(jī)設(shè)計的優(yōu)點是：壓氣機(jī)噪聲較低、進(jìn)氣道可用濾網(wǎng)保護(hù)以減少外物損傷、易于進(jìn)行維修檢查和部件更換等。缺點是使發(fā)動機(jī)體積和質(zhì)量增大，不夠緊湊。

最終，普惠加拿大公司的設(shè)計團(tuán)隊一致認(rèn)為同心軸設(shè)計對于自己的設(shè)計水平和經(jīng)驗而言風(fēng)險太大，最終決定采用對置軸設(shè)計。多年之后，已經(jīng)積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗，面向?qū)w積和質(zhì)量都非常敏感的直升機(jī)發(fā)動機(jī)市場，普惠加拿大公司設(shè)計的同樣為447kW（600hp）級別的PW200系列渦軸發(fā)動機(jī)就采用了同心軸設(shè)計。

組合壓氣機(jī)與雙級離心式壓氣機(jī)

在該功率范圍的渦槳/渦軸發(fā)動機(jī)要實現(xiàn)所需的壓比和流量，既可以采用軸流+離心組合式壓氣機(jī)，也可以采取雙級離心式壓氣機(jī)。一般來講，采用3級軸流式+1級離心式（3A+1C）的組合壓氣機(jī)的發(fā)動機(jī)的徑向尺寸更小，軸向尺寸更長，屬“瘦長”型布局；而采用雙級離心式壓氣機(jī)的發(fā)動機(jī)的徑向尺寸大、軸向尺寸更為緊湊，屬“矮胖”型布局。對于同等壓比的壓氣機(jī)來說，組合壓氣機(jī)的效率比雙級離心式壓氣機(jī)的效率更高。但是，3A+1C組合壓氣機(jī)的喘振裕度比離心壓氣機(jī)的小，需要可調(diào)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)+放氣裝置一起完成防喘控制，結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，零件數(shù)更多，導(dǎo)致可靠性較低。相比之下，雙級離心式壓氣機(jī)本身零件少，且喘振裕度大，不需要防喘放氣裝置或者僅設(shè)置放氣裝置即可滿足防喘要求；同時離心葉片較厚，抗外物損傷能力能強，可靠性更高。

PT6發(fā)動機(jī)采用組合壓氣機(jī)布局的原因主要是普惠加拿大公司當(dāng)時有限的技術(shù)儲備，從其母公司得到的技術(shù)援助也主要是軸流式壓氣機(jī)技術(shù)，并且當(dāng)時的雙級離心式壓氣機(jī)技術(shù)并不成熟，因此采用了效率更高、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、技術(shù)更為保守的組合壓氣機(jī)布局。

PT6發(fā)動機(jī)的型號發(fā)展

PT6發(fā)動機(jī)目前主要包含PT6A系列渦槳發(fā)動機(jī)和PT6B、PT6C、PT6T系列渦軸發(fā)動機(jī)，以及最新的PT6E系列渦槳發(fā)動機(jī)（參數(shù)詳見表1），另外還包括了一些工業(yè)及船用動力等非航空產(chǎn)品。

PT6A系列渦槳發(fā)動機(jī)的輸出功率覆蓋廣泛，從373 ～1417kW（500 ～1900hp），主要用于單發(fā)和雙發(fā)的固定翼飛機(jī)，適用于公務(wù)出行、航空運動、航空貨運等各種應(yīng)用場景。PT6A發(fā)動機(jī)共發(fā)展了70多個型別，用于180多個國家、7100多家用戶的120多種中小型軍民用固定翼飛機(jī)上，累計飛行超過4億小時，是PT6發(fā)動機(jī)中最成功的產(chǎn)品系列。

表1 幾款典型的PT6系列發(fā)動機(jī)基本參數(shù)

PT6E 發(fā)動機(jī)

PT6B系列為746kW（1000hp）級別的渦軸發(fā)動機(jī)，共有6個型別，累計飛行時間超過170萬小時。而PT6C系列的輸出功率覆蓋了1193 ～1491kW（1600 ～2000hp），主要用于中型直升機(jī)和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)。PT6C是首先采用雙通道全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)的PT6發(fā)動機(jī)，提高了燃油效率，減輕了飛行員的工作負(fù)擔(dān)。

PT6T為普惠加拿大公司獨創(chuàng)的雙體并聯(lián)式渦軸發(fā)動機(jī)，最初的PT6T-3型采用兩臺PT6A-34渦槳發(fā)動機(jī)的本體部分并聯(lián)，將兩臺發(fā)動機(jī)的輸出軸同時傳入同一個齒輪箱內(nèi)，再統(tǒng)一減速后輸出功率。這對齒輪箱和控制系統(tǒng)提出了很高的要求，既要齒輪質(zhì)量輕且堅固，又要承受較大載荷。同時，發(fā)動機(jī)本體和齒輪箱要使用相互獨立的滑油系統(tǒng)，以免發(fā)生故障時相互影響。PT6T雙體并聯(lián)式發(fā)動機(jī)的輸出功率為1350 ～1500kW，目前已經(jīng)生產(chǎn)了7250多臺，累計飛行時間將近4400萬小時。

在PT6A的基礎(chǔ)上，PT6E渦槳發(fā)動機(jī)在全球通用航空領(lǐng)域首次引入雙通道一體化電子螺旋槳與發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)，數(shù)字化程度和智能化程度大幅提高，大大簡化了發(fā)動機(jī)和螺旋槳控制系統(tǒng)的操作，降低了飛機(jī)的駕駛難度，提高了飛行的安全性。這款數(shù)字化連接的發(fā)動機(jī)通過監(jiān)控超過100個參數(shù)來支持對發(fā)動機(jī)、系統(tǒng)運行進(jìn)行預(yù)測性分析并提供主動維護(hù)計劃，這使得其大修間隔時間提高了43%，達(dá)到了5000h。同時，PT6E發(fā)動機(jī)采用了最新一代的單晶渦輪葉片，優(yōu)化了渦輪冷卻系統(tǒng)，輸出功率（相比PT6A-67P）提高了10%，達(dá)到895kW（1200hp），使得飛機(jī)能夠獲得更高的爬升率和飛行速度。

PT6系列發(fā)動機(jī)的成功之道

到目前為止，PT6系列發(fā)動機(jī)已經(jīng)累計交付超過51000臺，累計飛行時間總計超過4.5億小時，配裝超過140型飛機(jī)，用戶數(shù)量超過8000家，生產(chǎn)周期已接近60年，并且絲毫不見頹勢。根據(jù)其發(fā)動機(jī)產(chǎn)量、配裝飛機(jī)數(shù)量及生產(chǎn)期，PT6堪稱世界上最成功的小型燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機(jī)。

PT6發(fā)動機(jī)成功的因素是多方面的。

第一，也是最重要的一點，世界航空工業(yè)從第二次世界大戰(zhàn)后期開始了動力燃?xì)鉁u輪化的大潮，這個浪潮逐漸從軍用動力擴(kuò)展到民用動力，并在20世紀(jì)60年代滲透到了支線航空市場。并且在同一時期，支線航空市場的政府管制放松，支線航空工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，擴(kuò)大了PT6發(fā)動機(jī)的市場需求。

第二是其母公司普惠公司在技術(shù)上的支持和把關(guān)，以及信用上的背書。普惠加拿大公司在設(shè)計PT6發(fā)動機(jī)的前后，都與普惠公司進(jìn)行了大量技術(shù)上的溝通和交流，并從中受益良多。普惠公司在航空發(fā)動機(jī)界的名聲和地位也為推廣PT6發(fā)動機(jī)加分不少。

第三在于功率選擇上的正確決策，使得PT6發(fā)動機(jī)在當(dāng)時沒有同功率級別的競爭對手。1958年，135kW（250hp）左右的市場已經(jīng)被艾利遜公司的250型發(fā)動機(jī)牢牢占據(jù)，萊康明公司也早已公布了具有641kW（860hp）并有具有提升空間的T53發(fā)動機(jī)的設(shè)計細(xì)節(jié)，而373kW（500hp）級別的市場還處于空白狀態(tài)。

第四在于普惠加拿大公司與自由市場上的飛機(jī)公司建立了良好的溝通、合作關(guān)系。普惠加拿大公司不是設(shè)立在美國的公司，因此很難進(jìn)入美國的軍用發(fā)動機(jī)市場，在意識到這個問題之后，普惠加拿大公司便把重點放在了民用航空市場上，深耕支線客機(jī)、公務(wù)機(jī)以及民用直升機(jī)市場，避免了冷戰(zhàn)結(jié)束后軍用發(fā)動機(jī)市場劇烈萎縮造成的嚴(yán)重后果。