PT6航空发动机设计特点

普惠加拿大公司经过市场研究确定研制PT6发动机之后，首先要面对的问题就是确定发动机的结构布局。在确定设计标准和原则时，PT6目标定位在低成本和低风险上。为此，公司决定选择相对保守的气动设计和机械设计，以弥补部件试验设备的不足带来的不便。此外，从用户角度考虑，设计人员将可靠性、耗油率、维修性、质量、成本等作为重点考虑因素。为达到这些目标，几个重要的问题摆在了面前——发动机是采用自由涡轮式结构，还是固定轴式结构？是采用同心轴结构，还是对置轴结构？是采用组合压气机，还是双级离心式压气机？

自由涡轮式与固定轴式

自由涡轮式和固定轴式（即单轴结构）这两种结构各有利弊。固定轴式结构的优点在于部件数量少，研制成本低，对油门杆操纵的响应速度快，便于飞行员在紧急状态下进行控制。但固定轴式结构的主要缺点是压气机、涡轮和传动轴的载荷都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。

自由涡轮结构的优势在于燃气发生器可相对动力涡轮段独立工作，因此可在输出轴转速低的条件下输出非常高的功率，反之亦然；无须离合器，便于直升机动力的起动和加速；如果是涡桨型动力，则自由涡轮结构的优点是发动机功率转速范围宽，有助于在地面和飞行中降低螺旋桨噪声，并且涡轮结构输出转速的灵活性可使发动机适合匹配多种已有的螺旋桨设计，无须专门为发动机进行价格昂贵的螺旋桨定制设计。由于当时普惠加拿大公司尚未完全明确市场需求，故要考虑涡桨、涡轴两种型号的共同特点，而自由式涡轮发动机结构在涡轴和涡桨型发动机上都特别适用。此外，自由涡轮式结构所需要的起动功率较低，利于低温条件下的操作。自由涡轮结构最大的缺点则是比固定轴结构的初始研制成本要高。

除了比较两种结构的优缺点之外，潜在客户比奇飞机公司对自由涡轮结构的偏向，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，当发动机在高转速下出现故障时，因为固定轴结构发动机的所有内部部件都连在一根轴上，风车状态时螺旋桨会给发动机带来很大的扭矩，使得飞机一侧的气动阻力过大而造成尾部结构失效。而同样的故障对于自由涡轮结构发动机而言，因为只有少数发动机内部部件连在螺旋桨轴上，螺旋桨带来的扭矩小，飞行员试图顺桨时产生的气动阻力也相对较小，不易引起结构失效。基于以上的考量，普惠加拿大公司最终决定采用自由涡轮式设计结构。

对置轴与同心轴

在确定了自由涡轮结构之后，就面临着是选择同心轴设计还是对置轴设计的问题。在同心轴发动机设计中，一根长的动力涡轮轴穿过压气机至发动机前端，通过减速齿轮箱带动螺旋桨。这种发动机设计便于空气流直接进入进气道且直接从发动机后部排出，将压力和性能损失减至最小。该设计方式的难点在于如何避免轴振动，以及如何解决高转速、细长且要穿过燃气发生器的轴的支承问题。

而对置轴设计将燃气发生器轴置于发动机后端，并将动力涡轮轴置于发动机前端与之相对应。这种结构在机械结构上实现起来要相对简单，但必须采用逆向的空气流道形式，即进气道在发动机后端而不是前端，空气流经压气机、燃烧室和涡轮，从发动机前端排出。对置轴式发动机设计的优点是：压气机噪声较低、进气道可用滤网保护以减少外物损伤、易于进行维修检查和部件更换等。缺点是使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自己的设计水平和经验而言风险太大，最终决定采用对置轴设计。多年之后，已经积累了丰富的设计经验，面向对体积和质量都非常敏感的直升机发动机市场，普惠加拿大公司设计的同样为447kW（600hp）级别的PW200系列涡轴发动机就采用了同心轴设计。

组合压气机与双级离心式压气机

在该功率范围的涡桨/涡轴发动机要实现所需的压比和流量，既可以采用轴流+离心组合式压气机，也可以采取双级离心式压气机。一般来讲，采用3级轴流式+1级离心式（3A+1C）的组合压气机的发动机的径向尺寸更小，轴向尺寸更长，属“瘦长”型布局；而采用双级离心式压气机的发动机的径向尺寸大、轴向尺寸更为紧凑，属“矮胖”型布局。对于同等压比的压气机来说，组合压气机的效率比双级离心式压气机的效率更高。但是，3A+1C组合压气机的喘振裕度比离心压气机的小，需要可调导叶机构+放气装置一起完成防喘控制，结构上更为复杂，零件数更多，导致可靠性较低。相比之下，双级离心式压气机本身零件少，且喘振裕度大，不需要防喘放气装置或者仅设置放气装置即可满足防喘要求；同时离心叶片较厚，抗外物损伤能力能强，可靠性更高。

PT6发动机采用组合压气机布局的原因主要是普惠加拿大公司当时有限的技术储备，从其母公司得到的技术援助也主要是轴流式压气机技术，并且当时的双级离心式压气机技术并不成熟，因此采用了效率更高、结构更为复杂、技术更为保守的组合压气机布局。 （王士奇，中国航发研究院，工程师，从事航空发动机总体性能研究）

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