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PT6发动机发展历史
1958年12月，普惠加拿大公司开始开发373kW（500hp）燃气涡轮发动机。 公司做出这一决定主要出于以下原因：一是通用航空市场尤其是小型双发运输机对该级别动力装置的需求较大，同时也存在军用的可能性； 第二，普惠加拿大公司投资预算有限，研发通用航空发动机的成本可能比较小； 第三，当时很少有发动机公司关注这个有潜力但尚未开发的市场； 第四，潜在用户比奇飞机公司对这个级别的涡轮机不感兴趣。 对螺旋桨发动机有明显的需求。
配备 PT6 E 系列发动机的 PC-12 NGX 飞机
但直到1963年春天，尽管在发动机开发上花费了数百万美元，普惠加拿大公司还没有收到PT6发动机的正式订单。 在此期间，普惠加拿大公司尝试进入美国军用直升机市场，参与了美国陆军轻型侦察直升机项目和美国海军突击支援直升机项目的竞标，但均以失败告终。 此时，普惠加拿大公司意识到，虽然是美国公司控股的公司，但作为加拿大制造商，想要进入美国军工市场是非常困难的。 因此，普惠加拿大公司不得不将精力集中在其他市场上。 PT6项目最初的目标——民用固定翼飞机动力市场仍然具有巨大潜力，加拿大普惠公司决定将主要精力集中在这个市场上。
最终，加拿大普惠公司的PT6发动机在与莱康明T53涡轮螺旋桨发动机、透博梅卡公司和涡轮螺旋桨发动机以及大陆集团217型发动机的竞争中获胜。 1963年7月14日，比奇飞机公司正式宣布开发“空中国王”90公务机，该飞机将配备两台PT6A-6发动机，功率为410kW（550hp）。 该飞机于 1964 年 1 月 24 日发射。今天首飞。 普惠加拿大公司收到了 16 台 PT6A-6 发动机的订单，这是该公司历史上的第一个燃气涡轮发动机订单。 随着“空中国王”在世界公务机市场的热销，普惠加拿大公司的PT6也获得了源源不断的订单，比奇飞机公司也成为了普惠加拿大公司的最大客户。
当时市场上有多种类型的活塞发动机。 虽然涡轮发动机的初始购买成本较高，但其长期运行成本低于活塞发动机。 例如，PT6的功率质量高于活塞发动机，这将有利于飞机在有效载荷、总质量和飞行速度方面的优势。 飞机载重量的增加抵消了发动机的初始购买成本和较高的燃油消耗。 。 加拿大普惠公司的一项研究结果是，涡轮发动机驱动的飞机可以在更高的高度和更快的巡航速度飞行，而且其运营成本最终与活塞发动机相似； 此外，随着飞机变得越来越复杂，对速度、低噪音和高可靠性的要求也越来越高。 普惠加拿大公司预测，燃气涡轮发动机将在高端公务机动力市场逐渐取代活塞发动机。 事实证明普惠加拿大公司的预测是相当正确的。
PT6A发动机内部结构示意图
1965年，当时的美国民航委员会取消了对小型支线客机运营的政策限制，迎来了20世纪60年代支线客机快速发展的机遇。 对于加拿大普惠公司来说，这是一次难得的拓展PT6发动机市场的历史机遇。 加拿大普惠公司正是利用这一契机航空发动机中国卡在哪，迅速占领了小型支线客机市场。 到 20 世纪 60 年代末，PT6A 发动机已成为支线客机和公务机涡轮螺旋桨发动机的领导者。 在PT6A涡桨发动机成功的基础上，加拿大普惠公司又针对直升机市场相继开发了PT6T双体并联涡轴发动机和PT6B/C单体涡轴发动机，并取得了巨大成功。
PT6T双并列涡轴发动机
PT6A涡轮螺旋桨发动机在支线客机和公务机市场的巨大成功，使加拿大普惠公司从活塞发动机的许可生产转向燃气涡轮发动机的内部研发、生产和销售。 其在模型开发方面的宝贵经验以及产品成功带来的巨额利润船舶电子与信息设备保养，也让普惠加拿大公司能够迅速对其产品进行不断的改进和修改，并针对不同市场开发新产品。 可以毫不夸张地说，没有PT6A发动机的成功，就没有普惠加拿大公司的今天。
PT6发动机设计特点
加拿大普惠公司通过市场调研决定开发PT6发动机后，首先要面临的问题就是确定发动机的结构布局。 PT6在确定设计标准和原则时，以低成本、低风险为目标。 为此，该公司决定选择相对保守的空气动力学设计和机械设计，以弥补部件测试设备缺乏带来的不便。 此外，从用户的角度来看，设计者将可靠性、油耗、可维护性、质量、成本等作为重点考虑因素。 为了实现这些目标，摆在面前的几个重要问题是发动机应该采用自由涡轮结构还是定轴结构？ 是同心轴结构还是异轴结构？ 应该是组合压缩机还是两级离心压缩机？
自由涡轮式和定轴式
自由涡轮式和固定轴式（即单轴结构）两种结构各有优缺点。 定轴结构的优点包括部件数量少、开发成本低、对油门杆操作的响应速度快，使飞行员在紧急情况下更容易控制。 但定轴结构的主要缺点是压气机、涡轮和传动轴的载荷均取决于同一转速条件，限制了发动机控制的灵活性和输出功率的提高。
自由涡轮结构的优点是燃气发生器可以独立于动力涡轮部分工作，因此在输出轴转速较低的情况下可以输出非常高的功率，反之亦然； 不需要离合器，有利于直升机动力的启动和加速； 如果对于涡桨动力来说，自由涡轮结构的优点是发动机具有较宽的功率转速范围，有利于降低地面和飞行中的螺旋桨噪声，而且涡轮结构输出转速的灵活性使得发动机适合匹配各种现有的螺旋桨设计。 ，无需专门为发动机进行昂贵的定制设计螺旋桨。 由于加拿大普惠公司当时还没有完全确定市场需求，因此需要考虑涡轮螺旋桨和涡轮轴两种型号的共同特征，而自由式涡轮发动机结构特别适合涡轮轴和涡轮螺旋桨发动机。 另外，自由涡轮结构需要较低的启动功率，有利于低温条件下的运行。 自由涡轮结构的最大缺点是初期开发成本高于固定轴结构。
除了对比两种结构的优缺点外，潜在客户比奇飞机公司对自由涡轮结构的偏爱也是普惠加拿大公司最终选择该结构的一大原因。 比奇飞机公司认为，当发动机在高速时出现故障时，由于定轴结构发动机的所有内部部件都连接在一根轴上，螺旋桨在风车状态下会给发动机带来很大的扭矩，使飞机不稳定。 侧面气动阻力过大，导致尾部结构失效。 自由涡轮结构发动机也会出现同样的故障。 由于发动机内部只有少数零件与螺旋桨轴相连，螺旋桨带来的扭矩较小，飞行员尝试顺桨时产生的气动阻力也较小，不易造成结构性故障。 基于以上考虑，加拿大普惠公司最终决定采用自由涡轮机设计结构。
对置轴和同心轴
确定自由涡轮结构后，我们面临着选择同心轴设计还是对置轴设计的问题。 在同轴发动机设计中，长动力涡轮轴穿过压缩机到达发动机前端，并通过减速箱驱动螺旋桨。 这种发动机设计有利于气流直接进入进气道并直接从发动机后部流出，从而最大限度地减少压力和性能损失。 这种设计方法的难点在于如何避免轴振动以及如何解决穿过气体发生器的高速细长轴的支撑问题。
对置轴设计将燃气发生器轴置于发动机后端，将动力涡轮轴相应置于发动机前端。 这种结构机械实现起来比较简单，但必须采用反向气流通道形式，即进气通道位于发动机的后端而不是前端。 空气流经压气机、燃烧室和涡轮，从发动机前端排出。 。 对轴式发动机设计的优点是：压气机噪音较低，进气管道可以通过过滤器保护以减少异物损坏，并且易于维护、检查和部件更换。 缺点是发动机体积和质量增大，不够紧凑。
最终，普惠加拿大公司的设计团队一致认为同心轴设计对于他们的设计水平和经验来说风险太大船用柴油机，最终决定采用对置轴设计。 经过多年的积累，积累了丰富的设计经验。 面对对体积和质量非常敏感的直升机发动机市场，加拿大普惠公司设计的PW200系列涡轴发动机同样为447kW（600hp），采用同心轴设计。
组合压缩机和两级离心压缩机
为了达到该功率范围内涡轮螺旋桨/涡轮轴发动机所需的压力比和流量，可以使用轴流+离心组合压缩机或两级离心压缩机。 一般来说，采用3级轴流+1级离心（3A+1C）组合压气机的发动机，径向尺寸较小，轴向尺寸较长，属于“细长”布局； 而两级压缩机离心式压缩机的发动机径向尺寸较大，轴向尺寸较紧凑，属于“短而肥”的布局。 对于相同压力比的压缩机，组合式压缩机的效率高于两级离心式压缩机。 但3A+1C组合式压缩机的喘振裕度小于离心式压缩机。 需要可调导叶机构+泄放装置来完成防喘振控制。 结构较复杂，零件数量较多，导致可靠性较低。 相比之下，两级离心式压缩机本身零件较少，喘振裕度较大。 不需要防喘振泄压装置或只需泄压装置即可满足防喘振要求。 同时，离心叶片较厚，能抵抗外力。 具有较强的物体破坏能力和更高的可靠性。
PT6发动机之所以采用组合式压气机布局，主要是由于当时加拿大普惠公司的技术储备有限。 从其母公司得到的技术援助主要是轴流压缩机技术，当时还没有两级离心压缩机技术。 尚不成熟，因此采用效率更高、结构更复杂、技术更保守的组合式压缩机布局。
PT6发动机型号开发
PT6发动机目前主要包括PT6A系列涡桨发动机和PT6B、PT6C、PT6T系列涡轴发动机，以及最新的PT6E系列涡桨发动机（参数见表1），还包括工业、船用动力等部分非航空产品。 。
表1 几种典型PT6系列发动机的基本参数
PT6A系列涡轮螺旋桨发动机具有较宽的输出功率范围，从373到（500）。 主要应用于单发、双发固定翼飞机，适用于商旅、航空运动、航空货运等多种应用场景。 已研发70余种型号的PT6A发动机，应用于180多个国家的120多架中小型军用和民用固定翼飞机、7100多家用户，累计飞行时间超过4亿小时。 它是PT6发动机中最成功的产品。 系列。
PT6B系列为746kW()级涡轴发动机，共有6个型号，累计飞行时间超过170万小时。 PT6C系列输出功率覆盖1193~（1600~），主要用于中型直升机和倾转旋翼机。 PT6C是第一款采用双通道全权限数字电子控制（FADEC）系统的PT6发动机，提高了燃油效率并减少了飞行员的工作量。
PT6T 是加拿大普惠公司原创的双体并联涡轮轴发动机。 最初的PT6T-3型号采用两台PT6A-34涡轮螺旋桨发动机的机身部分并联，两台发动机的输出轴同时传输到同一个变速箱。 内，然后统一减速后的输出功率。 这对变速箱和控制系统提出了很高的要求。 齿轮必须轻且坚固，但也必须承受大负载。 同时，发动机本体和变速箱必须采用独立的油路系统，避免出现故障时相互影响。 PT6T双体并联发动机的输出功率为1350~。 迄今为止已生产超过7250架，累计飞行时间近4400万小时。
PT6E涡桨发动机在PT6A的基础上，在全球通用航空领域首次引入双通道集成电子螺旋桨和发动机控制系统。 数字化、智能化程度大幅提高，大大简化了发动机和螺旋桨控制系统的操作，降低了飞机的驾驶难度，提高了飞行的安全性。 这款数字连接发动机支持发动机和系统运行的预测分析，并通过监控 100 多个参数提供主动维护计划，从而将大修间隔延长 43% 至 5,000 小时。 同时，PT6E发动机采用最新一代单晶涡轮叶片，优化涡轮冷却系统，输出功率（相比PT6A-67P）提高10%，达到895kW（），让飞机实现更高的爬升率和飞行速度。
PT6E发动机
PT6系列发动机的成功
截至目前，PT6系列发动机已累计交付超过51000台，总飞行时间超过4.5亿小时，搭载机型超过140种，用户超过8000家。 生产周期已接近60年航空发动机中国卡在哪，并无衰退迹象。 从发动机产量、装备飞机数量和生产周期来看，PT6堪称世界上最成功的小型燃气轮机航空发动机。
PT6 发动机的成功有很多因素。
首先，也是最重要的，世界航空业在二战后期掀起了动力燃气轮机化浪潮。 这股浪潮逐渐从军事力量扩展到民用力量，并于20世纪60年代渗透到支线航空市场。 。 而同期，政府对支线航空市场的监管放松，支线航空业快速发展，扩大了PT6发动机的市场需求。
二是其母公司普惠公司的技术支持和控制，以及信用背书。 加拿大普惠公司在设计PT6发动机前后与普惠公司进行了大量的技术沟通和交流，并从中受益匪浅。 普惠公司在航空发动机行业的声誉和地位也为PT6发动机的推广加分不少。
三是功率选择上的正确决策，使得PT6发动机在当时同功率级别没有竞争对手。 1958年，135kW（250hp）左右的市场被艾里逊250发动机牢牢占据。 莱康明此前已经公布了641kW（860hp）的T53发动机的设计细节，还有改进的空间，而373kW（500hp）级别的市场仍是空白。
四是加拿大普惠公司与自由市场的飞机公司建立了良好的沟通合作关系。 普惠加拿大公司并不是在美国成立的公司，因此很难进入美国军用发动机市场。 意识到这个问题后，普惠加拿大公司将目光聚焦在民航市场，重点发展支线客机、公务机和民用直升机市场，避免了寒潮结束后军用发动机市场急剧萎缩带来的严重后果。战争。
（王士奇，中国航天发展研究院，工程师，从事航空发动机综合性能研究）
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