涡桨发动机控制技术演变及趋势
国外涡桨发动机控制技术的发展
国外涡桨发动机控制技术的发展陈怀荣;王曦【摘要】Development situation of turboprop engine in western countries was overviewed, and several key technologies related with the control system of turboprop engine were analyzed, including working parameters, features, performance, propeller model, design method of control system, fault diagnosis technology of different types of turboprop engines and so on. The adaptive fuel control logic and implementation method of the hydro-mechanical control system of Garret early YT76 single spool turboprop engine were mainly analyzed. In addition, the development process of Pratt&Whitney Canada three-spool turboprop engine from the first generation of supervisory digital electronic control with mechanical back up system of PW120 engine to the dual channel full authority digital eletronic control system of PW150 engine was selective analyzed. These efforts are intended to provide a clear idea for the technological development of domestic turboprop engine control system.%概述了国外涡桨发动机的发展状况，分析了涡桨发动机控制系统相关的若干关键技术，包括不同类别涡桨发动机的工作参数、特点、性能、螺旋桨模型、控制系统设计方法、故障诊断技术等。
2023年涡桨发动机行业市场发展现状
2023年涡桨发动机行业市场发展现状涡桨发动机是一种能够提供强劲推力的发动机，被广泛应用于航空、航海、能源等领域。
它以高效、可靠、快速启动和节能环保等特点受到市场的青睐。
在目前的市场背景下，涡桨发动机行业市场发展现状主要表现在以下几个方面。
一、市场规模逐年扩大近年来，涡桨发动机行业市场规模逐年扩大。
据《2019年中国航空涡桨发动机市场研究报告》显示，2018年中国民用飞机涡桨发动机市场规模达到93.46亿元，同比增长30.2%；而到2023年，预计市场规模将增长至225.27亿元。
这主要得益于我国航空、航海、能源等领域的快速发展，带动了涡桨发动机需求的不断增长。
二、技术进步不断促进市场发展随着涡桨发动机技术不断进步，市场发展也得到不断促进。
目前，国内外涡桨发动机制造商已经开发出多种高性能、高效能的涡桨发动机，如美国普惠发动机公司的PW1100G-JM系列、我国航空动力涡轴发动机等。
这些发动机具有推力大、噪音小、燃油经济性较好等特点，受到市场的广泛关注和采用。
三、环保要求推动发动机结构升级随着全球环保要求的提高，涡桨发动机行业也在加速结构升级。
为满足环保、降低污染，各大制造商正在研发更加高效稳定、更加环保的涡桨发动机。
比如，欧洲制造商RAR-E Rolls-Royce所研制的技术，能够让发动机在起飞、转弯等高耗能场景下实现零废气排放；某些型号的汉阳涡桨发动机也能始终保持净空状态，将废气循环利用，达到节能环保的目的。
四、市场竞争格局逐渐形成涡桨发动机行业市场竞争逐渐明显。
在国内，涡桨发动机市场目前主要由航空发动机集团、航发动力等企业垄断，他们的技术和专业性非常高，对小型公司形成了很大的市场差距。
在国外，美国的普惠、通用电气等公司仍然占据着较大市场份额。
总结起来，当前涡桨发动机行业市场发展现状呈现出市场规模持续扩大、技术进步带动发展、环保要求推动结构升级以及市场竞争逐渐形成等主要特点，未来仍然需要注重创新、不断加强技术研发，继续提高产品品质和技术水平，为行业发展注入新的动力。
涡桨发动机控制技术演变及趋势
涡 桨 发 动 机， 油 耗 低 至 0.21kg/(kW·h)，
T56 20 世纪 50 年代 机械液压（发动机和螺旋桨两个独立控制器） 美国艾利逊公司
单发最大功率 8200kW，最大飞行速度
WJ6 20 世纪 70 年代 机械液压（发动机和螺旋桨两个独立控制器） 中国航发南方
760km/h，最大起飞质量 141t。
涡桨 发 动 机 在 最 高 可 达 700km/ h的亚声速飞行速度范围内 的经济性远远超过相应推力
一般的涡喷、涡扇发动机，其控制系 统无论从外观、质量、附件数量，还 是具体功能均发生了深刻的变革。
AI-20 单转子涡桨发动机、普惠加拿 大 公 司 50 年 代 研 制 的 PT6A 单 转 子 涡桨发动机、美国艾利逊公司（1994
等 级 的 涡 喷 和 涡 扇 发 动 机， 因 而 是 亚
年被罗罗公司收购）在 20 世纪 40 年
声速飞机尤其是运输机的主要动力装 结构形式演变
代末期研制的 T56 单转子涡桨发动
置。例如，我国的“新舟”60，配装了 如 表 1 所 示， 许 多 20 世 纪 80 年 代 机 等 ；自 20 世 纪 80 年 代 中 期 以 来，
最大起飞质量 13.7t ；美国中型运输机 C-130J 配装了 4 台罗罗公司的 AE2100D3 涡 桨 发 动 机， 起 飞 油 耗 0.25kg/(kW·h)， 单发起飞功率 3424kW，最大飞行速度 621km/h，最大起飞质量 70.3t ；欧洲的 A400M 运 输 机， 装 备 了 4 台 TP400-D6
渐从机械液压式进入了数字电子控 制。涡桨发动机控制系统的被控对象 包含了发动机和螺旋桨，因而相对于
AE2100 20 世纪 90 年代 数字电子（发动机和螺旋桨共用一个控制器） 英国罗罗公司
涡桨发动机技术发展综述
涡桨发动机技术发展综述摘要：本文概述了涡桨发动机的技术优势及其发展历程，基于目前的技术发展情况，分析了涡桨发动机未来的发展趋势，指出研制出可靠性更高、全寿命期成本更低的涡桨发动机是未来的发展趋势。
关键词：涡桨发动机；发展历程；未来趋势引言涡轮螺旋桨(简称涡桨)发动机是一种通过驱动螺旋桨产生拉力或推力的航空发动机，其一般应用于飞行中低速飞行的飞机，由于其主要依靠螺旋桨对空气做功产生推力或拉力，其不适用与高空高速飞机。
相对于航空活塞式发动机，涡轮螺旋桨发动机热力循环参数更高，其功重比更大，产生的振动更小、飞行速度更快；相对与涡喷和涡扇发动机，由于涡轮螺旋桨发动机螺旋桨的转速不宜过高，其结构上增加了减速器用以降低螺旋桨转速，同时由于螺旋桨具有更高的推进效率，故其耗油率更低、起飞推力更大。
正是由于涡轮螺旋桨发动机出色的经济性，其越来越受到各国的重视，是未来民用飞机、运输发动机及无人机的理想动力。
1发展历程到目前为止，根据发动机的性能指标，涡桨发动机的发展历程可大致分为四代。
第一代涡桨发动机是指上世纪70年代以前进行生产的，主要包括Dart、PT6A系列涡桨发动机、TPE331系列的早期型号、NK-4以及AI-20等型号的涡桨发动机；第二代涡桨发动机是指上世纪70年代末期到80年代初期研制生产的，主要包括PW100系列早期型号、CT7-5和TPE331-14/15等型号的涡桨发动机；第三代涡桨发动机是指上世纪90年代以后投入使用的涡桨发动机，主要包括AE2100、TPE351-20和PW150A涡桨发动机；第四代涡桨发动机指2011年以后投产的先进涡桨发动机TP400-D6。
1.1第一代涡桨发动机第一代涡桨发动机的热力循环参数相对较低，其具有结构简单的特点，但耗油率相对较高。
其压气机结构多种多样，囊括有轴流式、离心式和轴流+离心式组合等多种形式，其动力输出方式主要采用单转子涡轮输出方式，第一代涡桨发动机的总增压比在10以下，涡轮叶片基本采用非冷却叶片，涡轮前温度相对较低，一般在1300K以下，耗油率相对较高一般在0.35～0.41kg/(KW.h)之间。
国外涡桨发动机的发展_周辉华
0 概述涡轮螺旋桨（简称涡桨）发动机是一种主要依靠螺旋桨产生的拉力或推力驱动飞机的航空动力装置，非常适合中等飞行速度（400～800km/h ）的飞机使用。
与航空活塞式发动机相比，涡桨发动机具有功重比大、迎风面积小、振动小等优点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；与涡轮喷气和涡扇发动机相比，它又具有耗油率低、起飞推力大等优点。
涡桨发动机的这些特点对于往返于中小型机场甚至简易机场的短、中程运输飞机和通用飞机来说是非常适宜的。
自20世纪50年代起，世界各国纷纷发展了以涡桨发动机和涡扇发动机为动力的中型运输机，其后因涡桨发动机高速性能不理想，市场逐渐被涡扇发动机挤占。
近年来，由于燃油价格飙升，涡桨飞机的经济性优势更为凸显出来，同时随着螺旋桨设计、制造技术的进步，涡桨飞机在高亚声速国外涡桨发动机的发展摘 要:以航空发动机的技术性能为重点，通过对比、分析涡桨发动机的发展历程、发展现状，发展途径和发展计划，预测其未来的技术发展趋势并整理出成功的发展经验，为我国涡桨发动机的发展提供参考。
Abstract: Focusing on the technical performance characteristics of aero-engine,this article analyzes the development status, approach,trend,experience of turbo-propeller engines, and provides reference for the turbo-propeller engine research.关键词：涡桨发动机；发展现状；发展途径；发展趋势；发展经验Keywords: turbo-propeller engine ；development status ；development approach ；development trend ；development experienceThe Development Prospect of Turbo -Propeller Engines周辉华/中航工业航空动力机械研究所飞行时的推进效率大大提高，涡桨飞机重新受到军民用户的青睐，其市场开始逐渐复苏，涡桨发动机也被誉为“明天的绿色动力”、“支线飞机的脊梁”。
新一代高效涡桨发动机的研究与开发
新一代高效涡桨发动机的研究与开发随着现代社会的飞速发展，飞行器发动机已经成为航空工业中的核心技术之一。
飞行器发动机对于飞行器的性能、安全和可靠性起着至关重要的作用。
在过去几十年中，航空发动机领域已经取得了许多重大的进展，但是在燃油经济性、噪声、环保等方面仍然存在着一些问题。
为了解决这些问题，高效涡扇发动机应运而生。
本文将介绍新一代高效涡扇发动机的研究与开发。
一、高效涡扇发动机技术高效涡扇发动机是一种结构简单、性能优良的发动机。
该发动机具有高燃油经济性、低噪声、低排放和高可靠性等特点。
与传统的涡扇发动机相比，高效涡扇发动机具有更高的推进效率、更好的航程和更大的载荷能力。
二、高效涡扇发动机的研究与开发在高效涡扇发动机的研究与开发过程中，必须解决一系列关键技术问题。
这些问题包括：1、先进材料的研发。
高效涡扇发动机需要具有高温、高压、抗腐蚀和高强度的材料。
2、气动布局的优化。
气动布局对于发动机的性能、燃油经济性和功率输出至关重要。
3、燃烧方式的优化。
优化的燃烧方式可以提高发动机的燃油经济性和低噪声性能。
4、高速高压气体的稳定控制。
高效涡扇发动机在运行时需要在高速高压气体环境下保持稳定的工作状态。
针对这些问题，研究人员一直在开展大量的研究工作。
现在，高效涡扇发动机已经成为国内外航空工业的重要领域之一。
三、高效涡扇发动机的应用高效涡扇发动机在民用和军用领域都有广泛的应用。
在民用领域，高效涡扇发动机可以用于商业飞行和货运飞行。
在军用领域，高效涡扇发动机可以用于战斗机、侦察机、运输机、早期预警机等各种型号的飞机。
高效涡扇发动机的研究和制造是一个重要的战略任务。
它可以提高国家的战略威慑能力，改善民用航空运输和促进国家经济发展。
在未来，高效涡扇发动机将会有更广阔的应用前景。
研究人员将继续探索和创新，开发出更加先进、更加高效、更加环保的涡扇发动机。
在此，我们期望更多的人们关注这一领域的发展，为新一代高效涡扇发动机的研发和制造做出贡献。
飞机涡轮发动机的工作原理及发展趋势
飞机涡轮发动机的工作原理及发展趋势随着现代航空业的发展，人们越来越依赖飞机作为主要的交通工具。
而飞机涡轮发动机就是飞机的“心脏”，它的工作原理对飞机的性能和安全至关重要。
本文将介绍飞机涡轮发动机的工作原理及发展趋势。
1. 涡轮发动机的工作原理涡轮发动机是通过燃料燃烧产生高温高压气体推动涡轮叶片旋转，进而压缩和加速空气、从而产生推力。
涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和高压涡轮组、低压涡轮组组成。
压气机将空气不断压缩，使其温度和压力不断升高。
燃烧室内加入燃料燃烧产生高温高压气体，这些气体在高压涡轮组上推动涡轮叶片旋转，进而压缩和加速空气，从而产生推力。
低压涡轮组同样由叶片旋转所驱动，进一步压缩空气，进而产生更大的推力，以驱动飞机飞行。
2. 涡轮发动机的发展历程涡轮发动机的历史可以追溯到二战前夕，当时的喷气发动机颠覆了以往的发动机原理和性能表现，成为了当时空军竞争的焦点。
二战结束后，航空领域的发展使得喷气发动机成为了主流。
但是随着时间的推移，涡轮发动机性能有了进一步的提高和创新，在技术、性能和经济方面均得到了进一步提升。
20世纪50年代后期，航空业出现了新一代高涌动涡扇发动机，如PW2000系列发动机。
这种新式发动机加入了更多的创新元素，用多级涡轮代替了之前单级涡轮的结构，使得发动机的效率得到了大幅提升。
应用于新一代客机的PW4000系列发动机，采用带涡扇的加力喷气发动机结构，同时包含了数字化电子控制系统和自适应探测器，使得整体性能比上一代发动机提高了50%以上。
近年来，电力输出率、燃油消耗率和排放等方面的创新也为涡轮发动机带来了更多的优势，许多航空公司已经开始使用这些新式发动机。
3. 涡轮发动机的发展趋势未来，涡轮发动机的重点将集中在提高效率和减少排放。
为此，航空公司和飞机制造商越来越多地采用更加绿色和可持续的技术。
一些最新技术，如混合动力发动机、电动发动机等，将更好地实现减少噪音、燃油消耗和排放。
其中，混合动力技术结合了燃油机和电机的优点，并通过良好的系统控制算法来轻松实现提高燃油效率、减少排放和减少噪音等目标。
涡桨飞机动力系统发展趋势
的动力系统分为两部分 ： 发动机 和螺旋桨 ， 螺旋 桨包括桨叶 、 桨毂、 定试验 ， 次年完成发动机性能试飞 ， １ ９ ８ ０ ￣初 经航定委批准ＷＪ ５ Ａ发
从２ ０ 世纪６ ０ 年代后期开始 ， 随着 涡扇发动机 的迅猛 发展 ， 涡桨 射 。 此外涡桨式 民用飞机与涡扇飞机相 比， 更为经济 ， 安全 。 涡桨 发
发动机在大型远程 民用客机 和运输机 上逐步被 大涵道 比涡扇发动 动机结 构简 单， 易于 制造 与维 护 ； 在使用方面 ， 在５ ０ ０ － ６ ０ ０ 公里航 线 机取代 ， 但是 由于 涡桨发动机的诸多优点 ： 如在低速情 况下 ， 其效率 上 ， 涡桨飞机每座运营成本 比涡喷飞机低３ ５ ％。 除此之外 ， 涡桨飞机
式。 这三类发动机原理及技术平 台大致相 同， 均是靠燃气推动 涡轮 发飞机水轰５ 上。 在ＷＪ ５ 甲发动机基础上又改型ＷＪ ５ 甲 Ｉ， 以满足 支 叶片使空气加压燃烧 ， 其主要区别在 于推力产生的方式不 同。 涡桨 线客机Ｙ７ 的需 求 。
发动机的主要功率输 出方式为螺旋桨的轴功率， 而尾部管喷出的燃 与ｗＪ ５ 发动 机研制同时 ， 海军于１ ９ ６ ９ 年８ 月提 出研制涡桨型发 气推力极小 ， 只 占总推力的５ ％ 左右， 为 了驱动大功率的螺旋桨 ， 涡轮 动机作为水 轰５ （ Ｓ Ｈ－ ５ ） 飞机动力装置 的任务。 经论证， 决定在ＷＪ ５ 发 级数一般为２ － ６ 级。涡桨飞机的航速一般小于９ ０ ０ Ｋｍ／ ｈ， 普遍应用 动 机基础上 重新设 计涡 轮部件 ， 改 型后 的发动机编号为 涡桨５甲
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涡桨发动机控制技术演变及趋势
摘要：涡桨发动机是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的动力。
且
由于螺旋桨技术的不断进步，螺旋桨飞机在高亚声速飞行时的推进效率也大大提高，噪声水平已大幅度下降，其乘坐舒适性基本与涡扇发动机相当。
发动机在最
高可达700km/h的亚声速飞行速度范围内的经济性远远超过相应推力等级的涡喷
和涡扇发动机，因而是亚声速飞机尤其是运输机的主要动力装置。
关键词：涡桨发动机；控制；发展
1 国际现有螺旋桨产品的梳理分析
1.1 功率等级
为了确定螺旋桨的功率等级，本文将配装发动机功率为1500kW以下的螺旋
桨称为小功率螺旋桨，功率为1500kW以上的螺旋桨称为大功率螺旋桨。
美国哈
策尔（HARTZELL）、欧洲MT所产品主要为小功率螺旋桨，主要装机对象为PT6A
系列和TPE331系列发动机。
作为世界最重要的大功率螺旋桨供应商之一，英国
道蒂的螺旋桨产品应用于PW150系列发动机，配装发动机的功率等级达到
3700kW以上。
俄罗斯Aerosila的产品功率覆盖范围较广，美法合资FigeacRatier
所列出的产品主要为大功率螺旋桨，被应用于C130和P–3C等知名机型。
1.2 桨叶材料
目前，螺旋桨桨叶主要包括实心叶片或复合材料空心叶片两种类型。
从美国
哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率的螺旋桨采
用实心叶片。
而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用复合材料制成的叶片。
1.3 螺旋桨转速及直径
小功率等级的螺旋桨具有转速高和直径小的特点，800kW～1500kW功率的螺旋桨设计转速范围为1552～2200rpm，直径为2.25～3.6m。
大功率等级螺旋桨的
设计转速在1300以下，直径在3.6m以上。
1.4 变距方式
从美国哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率
的螺旋桨采用“弹簧+单油路”的变距方式。
而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用双
油路变距方式。
1.5 安装形式
螺旋桨的安装形式主要包括共轴和偏置两种，主要取决于发动机的减速器功
率输出形式，见图1和图2。
减速器功率同轴式输出的发动机，具有径向尺寸小
和轴向尺寸长的特点；减速器功率偏置式输出的发动机，结构紧凑，轴向尺寸短，但是迎风面积较大。
图1 共轴式安装图2 偏置式安装
2 结构形式演变
如表1所示，许多20世纪80年代以前研制的涡桨发动机的控制系统采用了
机械液压式结构，如苏联伊伏琴科设计局40年代末期研制的AI-20单转子涡桨发
动机、普惠加拿大公司50年代研制的PT6A单转子涡桨发动机、美国艾利逊公司（1994年被罗罗公司收购）在20世纪40年代末期研制的T56单转子涡桨发动机等；自20世纪80年代中期以来，涡桨发动机基本采用数字电子控制系统实现对
发动机和螺旋桨的控制（详见表1）。
表1世界典型涡桨发动机控制系统结构形式
由表1还可以看出，采用机械液压式控制系统的涡桨发动机，一般有独立的燃油泵调节器控制，由独立的桨距调节器控制螺旋桨。
使用数字电子式控制系统的涡桨发动机有两种控制形式：一种是发动机和螺旋桨分别由各自电子控制系统控制；另一种是近年来的一个发展趋势——发动机和螺旋桨由同一个数字电子控制器控制。
实际上，涡桨发动机这种结构形式的变化，还带来了飞行员操纵方式的极大便利。
在机械液压时代，一些涡桨发动机需要采用发动机油门杆、螺旋桨选速杆以及功率杆，分别调节发动机燃油流量、螺旋桨转速以及发动机功率。
而进入数字电子控制时代后，由于控制逻辑和功能可通过软件轻松实现，因而涡桨发动机的操纵得到了简化。
一些涡桨发动机，如PW127和PW150等，去掉了油门杆，仅利用选速杆和功率杆，即可调节发动机和螺旋桨的全部工作状态；另一些涡桨发动机，如D27、AE2100和TP400-D6等，则在此基础上更进一步，仅使用一个操纵杆，实现了对发动机和螺旋桨的完全控制。
从3个操纵杆到一个操纵杆的改变，显著减少了需要调整的结构，大大降低了飞行员的工作强度，更有利于飞机的安全。
3 功能演变
机械液压装置固有的弱点使之无法刻画复杂形式的控制、限制和保护规律，故机械液压时代的涡桨发动机的控制系统功能较为简单。
对于发动机而言，其燃油调节器的功能一般具有基于离心飞重结构的转速恒定控制、基于波纹管的飞行高度修正和机械的止动限制等功能。
对于螺旋桨而言，其控制系统一般具有基于离心飞重结构的桨速超转保护控制、转速恒定控制以及桨距控制功能。
数字电子控制天然的优点使之可以非常方便地利用软件编程实现多模态的复杂回路的控制，以及温度、扭矩、压力等的限制和保护功能，更重要的是可以实现对控制系统附件，尤其是传感器的故障诊断功能，在有限的机械结构中实现功能的倍增。
同时，还可以在几小时内快捷地调整控制规律和参数，以适应发动机的调整，而无须像机械液压时代一样必须改变控制系统机械机构，需要几个月才能实现控制规律的调整。
此外，随着数字电子控制的深入应用，涡桨发动机的燃油调节功能和螺旋桨控制功能还朝着综合化的趋势发展，其控制功能更为复杂、更能发挥螺旋桨和发动机的整体性能。
同时，使用了数字电子技术的航空涡桨发动机控制系统的性能也越来越好。
以发动机转速控制精度为例，机械液压时代的转速稳态控制精度为1%～2%，到了数字电子控制时代的精度提高到0.5%；而现在由于故障诊断健康管理等功能的需求，先进涡桨发动机的稳态转速控制精度已达0.1%，以便能准确识别发动机的故障征兆。
4 发展趋势
当前许多运输机通常选用涡桨发动机为动力，相当多的发动机虽然采用了数字电子式控制系统，但仍然使用双操纵控制方式，飞行员的工作负荷较重。
一旦一台发动机出现故障，飞行员的劳动强度更会雪上加霜，易发生重大恶性事故。
近年来，多起涡桨飞机重大事故，多与复杂的操纵有关。
因此，全面实现单操纵杆控制方式，进一步简化发动机的操纵，降低飞行员的工作负荷，是今后涡桨发动机控制技术的发展的一个重要方向。
当前，涡桨发动机技术方兴未艾，正朝着更高效、更高速的方向发展，出现了诸如TP400-D6这样采用“马刀形”螺旋桨的发动机，以利于在高速飞行的同时保持较高的工作效率。
作为涡桨发动机的最新形式，能够高速高效工作同时又消除
了陀螺力矩效应的桨扇发动机越来越引起飞机设计师的关注。
这种发动机通常使用双排对转螺旋桨，在控制系统的作用下，通过行星差动减速器将发动机提供的功率分配给前后排螺旋桨，实现对转以消除陀螺力矩，并同时降低噪声水平。
因而，差动双排螺旋桨与发动机的综合控制技术是未来发展的又一重要方向。
5 结语
本文梳理了国际上现有的螺旋桨产品情况，根据螺旋桨功能和结构特点及其对发动机的影响，基于多螺旋桨相位差控制的噪声抑制技术成为当前航空涡桨发动机，尤其民用涡桨发动机，需要具备的重要特征，这对相位与转速的测量和控制技术提出了更高的要求。
参考文献：
[1]罗安阳，周辉华，申余兵.航空涡轮螺旋桨发动机发展现状与展望[J].航空科学技术，2013（5）：1–5.。