■ 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飛機提供動力，作為普惠加拿大公司完全自主設計的第一型燃氣渦輪發(fā)動機，PT6系列已經(jīng)面世56年了，可謂是通用航空動力領域的“常青樹”，通過對PT6的研究，可為我國通用航空發(fā)動機的發(fā)展提供借鑒。

PT6發(fā)動機研制歷程

1958年12月，普惠加拿大公司開始了373kW（500hp）級燃氣渦輪發(fā)動機的研制。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算有限，研發(fā)一型通用航空發(fā)動機的花費可能較?。蝗钱敃r還很少有發(fā)動機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公司對這個級別的渦槳發(fā)動機有明確的需求。

但直到1963年春，盡管在發(fā)動機研制上已花費了數(shù)百萬美元，普惠加拿大公司仍未獲得一份PT6發(fā)動機的正式訂單。這期間，普惠加拿大公司嘗試進入美國的軍用直升機市場，參與競標了美國陸軍的輕型偵察直升機項目，以及美國海軍的突擊支援直升機項目，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，民用固定翼飛機動力市場，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)動機的PC-12 NGX飛機

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

PT6A發(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

當時市場上活塞式發(fā)動機種類較多，盡管渦輪發(fā)動機的初始采購成本較高，但其長期使用成本則較活塞式發(fā)動機更低。例如，PT6的功率質(zhì)量比較活塞式發(fā)動機高，使得飛機在有效載荷、總質(zhì)量和飛行速度方面都會受益，飛機的載重能力的提高就將發(fā)動機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行研究的結(jié)果是，以渦輪發(fā)動機為動力的飛機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)動機相近；另外，隨著飛機對快速、低噪聲、高可靠性的要求越來越高，普惠加拿大公司預測燃氣渦輪發(fā)動機在高端公務機動力市場會逐漸取代活塞式發(fā)動機的地位。事實證明，普惠加拿大公司的預測十分正確。

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

PT6A渦槳發(fā)動機在支線客機和公務機市場上的巨大成功，一舉將普惠加拿大公司從活塞式發(fā)動機的許可生產(chǎn)轉(zhuǎn)變成為燃氣渦輪發(fā)動機的自行研發(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)品進行持續(xù)的改進改型，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

PT6發(fā)動機設計特點

普惠加拿大公司經(jīng)過市場研究確定研制PT6發(fā)動機之后，首先要面對的問題就是確定發(fā)動機的結(jié)構(gòu)布局。在確定設計標準和原則時，PT6目標定位在低成本和低風險上。為此，公司決定選擇相對保守的氣動設計和機械設計，以彌補部件試驗設備的不足帶來的不便。此外，從用戶角度考慮，設計人員將可靠性、耗油率、維修性、質(zhì)量、成本等作為重點考慮因素。為達到這些目標，幾個重要的問題擺在了面前——發(fā)動機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，還是雙級離心式壓氣機？

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速度快，便于飛行員在緊急狀態(tài)下進行控制。但固定軸式結(jié)構(gòu)的主要缺點是壓氣機、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)勢在于燃氣發(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)動機適合匹配多種已有的螺旋槳設計，無須專門為發(fā)動機進行價格昂貴的螺旋槳定制設計。由于當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)動機結(jié)構(gòu)在渦軸和渦槳型發(fā)動機上都特別適用。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。比奇飛機公司認為，當發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)故障時，因為固定軸結(jié)構(gòu)發(fā)動機的所有內(nèi)部部件都連在一根軸上，風車狀態(tài)時螺旋槳會給發(fā)動機帶來很大的扭矩，使得飛機一側(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)動機而言，因為只有少數(shù)發(fā)動機內(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?，普惠加拿大公司最終決定采用自由渦輪式設計結(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計還是對置軸設計的問題。在同心軸發(fā)動機設計中，一根長的動力渦輪軸穿過壓氣機至發(fā)動機前端，通過減速齒輪箱帶動螺旋槳。這種發(fā)動機設計便于空氣流直接進入進氣道且直接從發(fā)動機后部排出，將壓力和性能損失減至最小。該設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、細長且要穿過燃氣發(fā)生器的軸的支承問題。

而對置軸設計將燃氣發(fā)生器軸置于發(fā)動機后端，并將動力渦輪軸置于發(fā)動機前端與之相對應。這種結(jié)構(gòu)在機械結(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，即進氣道在發(fā)動機后端而不是前端，空氣流經(jīng)壓氣機、燃燒室和渦輪，從發(fā)動機前端排出。對置軸式發(fā)動機設計的優(yōu)點是：壓氣機噪聲較低、進氣道可用濾網(wǎng)保護以減少外物損傷、易于進行維修檢查和部件更換等。缺點是使發(fā)動機體積和質(zhì)量增大，不夠緊湊。

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

組合壓氣機與雙級離心式壓氣機

在該功率范圍的渦槳/渦軸發(fā)動機要實現(xiàn)所需的壓比和流量，既可以采用軸流+離心組合式壓氣機，也可以采取雙級離心式壓氣機。一般來講，采用3級軸流式+1級離心式（3A+1C）的組合壓氣機的發(fā)動機的徑向尺寸更小，軸向尺寸更長，屬“瘦長”型布局；而采用雙級離心式壓氣機的發(fā)動機的徑向尺寸大、軸向尺寸更為緊湊，屬“矮胖”型布局。對于同等壓比的壓氣機來說，組合壓氣機的效率比雙級離心式壓氣機的效率更高。但是，3A+1C組合壓氣機的喘振裕度比離心壓氣機的小，需要可調(diào)導葉機構(gòu)+放氣裝置一起完成防喘控制，結(jié)構(gòu)上更為復雜，零件數(shù)更多，導致可靠性較低。相比之下，雙級離心式壓氣機本身零件少，且喘振裕度大，不需要防喘放氣裝置或者僅設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)動機采用組合壓氣機布局的原因主要是普惠加拿大公司當時有限的技術(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技術(shù)，并且當時的雙級離心式壓氣機技術(shù)并不成熟，因此采用了效率更高、結(jié)構(gòu)更為復雜、技術(shù)更為保守的組合壓氣機布局。

PT6發(fā)動機的型號發(fā)展

PT6發(fā)動機目前主要包含PT6A系列渦槳發(fā)動機和PT6B、PT6C、PT6T系列渦軸發(fā)動機，以及最新的PT6E系列渦槳發(fā)動機（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，適用于公務出行、航空運動、航空貨運等各種應用場景。PT6A發(fā)動機共發(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上，累計飛行超過4億小時，是PT6發(fā)動機中最成功的產(chǎn)品系列。

表1 幾款典型的PT6系列發(fā)動機基本參數(shù)

PT6E 發(fā)動機

PT6B系列為746kW（1000hp）級別的渦軸發(fā)動機，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和傾轉(zhuǎn)旋翼機。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，提高了燃油效率，減輕了飛行員的工作負擔。

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，最初的PT6T-3型采用兩臺PT6A-34渦槳發(fā)動機的本體部分并聯(lián)，將兩臺發(fā)動機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的基礎上，PT6E渦槳發(fā)動機在全球通用航空領域首次引入雙通道一體化電子螺旋槳與發(fā)動機控制系統(tǒng)，數(shù)字化程度和智能化程度大幅提高，大大簡化了發(fā)動機和螺旋槳控制系統(tǒng)的操作，降低了飛機的駕駛難度，提高了飛行的安全性。這款數(shù)字化連接的發(fā)動機通過監(jiān)控超過100個參數(shù)來支持對發(fā)動機、系統(tǒng)運行進行預測性分析并提供主動維護計劃，這使得其大修間隔時間提高了43%，達到了5000h。同時，PT6E發(fā)動機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%，達到895kW（1200hp），使得飛機能夠獲得更高的爬升率和飛行速度。

PT6系列發(fā)動機的成功之道

到目前為止，PT6系列發(fā)動機已經(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，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)動機產(chǎn)量、配裝飛機數(shù)量及生產(chǎn)期，PT6堪稱世界上最成功的小型燃氣渦輪航空發(fā)動機。

PT6發(fā)動機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)后期開始了動力燃氣渦輪化的大潮，這個浪潮逐漸從軍用動力擴展到民用動力，并在20世紀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，擴大了PT6發(fā)動機的市場需求。

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

第三在于功率選擇上的正確決策，使得PT6發(fā)動機在當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)動機的設計細節(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公司建立了良好的溝通、合作關系。普惠加拿大公司不是設立在美國的公司，因此很難進入美國的軍用發(fā)動機市場，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、公務機以及民用直升機市場，避免了冷戰(zhàn)結(jié)束后軍用發(fā)動機市場劇烈萎縮造成的嚴重后果。