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>汽车>>正文

如今涡扇发动机技术已经很成熟了,为何还有部分飞机使用螺旋桨发动机?

原标题:如今涡扇发动机技术已经很成熟了,为何还有部分飞机使用螺旋桨发动机?

涡扇和涡桨都使用核心机提供动力输出

这就是英文称呼中都有“turbo”的原因

在涡轮发动机核心机中,空气被压缩

然后燃料在压缩空气中被点燃

点火产生的能量使涡轮机转动并产生推力

涡轮机的转动能够驱动发动机前部的压气机和其他有用的负荷

核心机示意(下图)

第一台喷气发动机是涡轮喷气发动机

这是一种简单的只有核心机的涡轮发动机(如上图)

从涡轮的排气中产生所有推力

但是由于所有空气都通过整个涡轮机

且都必须混合燃料燃烧

所以?#21152;?#25928;率低下

解决?#26728;?#23601;是涡轮风扇发动机(下图)

涡扇发动机中涡轮机主要驱动发动机前部进气道的风扇

大多数发动机的涡轮机直接驱动风扇

一般至少有两个单独的轴使进气道风扇比核心机的内芯旋转得更慢

风扇周围有一个整流罩,引导空气进入风扇

一部分空气进入核心机的涡轮机,其余部分绕过核心机

在高涵道比发动机中

大部分空气通过风扇后进入外涵道

并提供大部分的推力

在涡轮螺旋桨发动机中(上图)

核心机主要驱动发动机前部的螺旋桨

螺旋桨周围没有整流罩

只有一部分空气进入核心机

螺旋桨一般转速低于核心机

通过减速机构与核心机相连

一般有两个轴

其中高压轴驱动压气机,低压轴驱动螺旋桨

与涡扇发动机相比

涡桨飞机在飞行速度低于725 km / h时效?#39318;?#39640;

因为螺旋桨的射流速度相?#36234;?#20302;

现代涡桨飞机的飞行速度?#36127;?#19982;小型支线喷气式客机相同

但是涡轮喷气发动机可以在高海拔地区飞行

以提高速度和燃料效率

而螺旋桨飞机则有较低的升限

?#36824;?#19982;涡扇发动机上的风扇相比

螺旋桨尺寸更大

可以用更小的涡轮机驱动以推动更多的空气

高涵道比的涡扇发动机的整流罩

使其在高速飞行下比开放式的螺旋桨性能更好

但却限制了风扇的?#23548;食?#23544;

由于涡桨发动机拥有更低的航速

所以可以具备短距起飞和降落能力

很多运输机,特种救援飞机,消防飞机都使用的是涡桨发动机

比如下面举例的空客A400M和我国的AG600

以下?#21069;?#24230;百科中对涡桨发动机与其他发动机的比较

涡桨,涡扇,涡喷在速度和?#21152;?#32463;济性方面的比较(下图)

推力?#21152;?#27604;和涵道比的关系(下图)

涵道比越大发动机?#21152;?#36234;经济

涡桨发动机在低航速和油耗方面很有优势

活塞式发动机_百度百科

活塞式发动机的气缸有各种各样的排列方式(下图)

Mitsubishi A6M Zero二战时期的日本零式战斗机(星形活塞式发动机)

Dirk H.R. Spennemann, The wreck of an Mitsubishi A6M 'Zero" Fighter on the Japanese Airbase on Taroa, Maloelap Atoll-- A Photo Essay(下图)

零时战斗机的残骸

位于马绍尔群?#28023;?#39532;洛埃拉普?#26041;?#30340;Taroa岛

二战时期的日本空军基地

P-51野马战斗机的梅林发动机(V形12缸)

Packard V-1650 Merlin

T14阿玛塔坦克是X形发动机

H?#25105;?#23601;是水平对置发动机

最出名的是德国保时捷和日本斯巴鲁

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_current_production_certified_light_aircraft

链接为:当前通用航空?#29616;?#29983;产的轻型飞机目录

其中比较多见的L. O-360是?#27597;?#27700;平对置发动机(下图)

https://en.wikipedia.org/wiki/Lycoming_O-360

题主能看到的现如今主流或者新建造入列的外观上是螺旋桨的中大型飞机

大多都是涡桨发动机,而非活塞式发动机

而涡桨发动机的构造基本上又和涡轮喷气发动机一样

单轴式涡桨发动机_百度百科

涡桨发动机原理示意图(下图)

Turboprop - Wikipedia(涡轮螺旋桨词条配图)

左侧为GE T64螺旋桨,中间为齿轮箱,?#20063;?#20026;涡轮核心机

桨扇发动机示意图(下两张图)

举?#36947;得?/span>

空客A400M军用运输机的涡桨发动机(下图)

(螺旋桨下红色扁平的进气口)

我国AG600两栖飞机涡桨发动机(下图)

(螺旋桨桨毂周围及下方的进气口)

俄罗斯图95轰炸机涡桨发动机(下图)

(同轴反转涡桨发动机)

安70运输机的D27三轴反转桨扇发动机

(目前世界?#25103;?#24441;的仅有的桨扇发动机?#36947;?/span>

General Electric GE36 (通用电气GE36桨扇发动机)

Douglas MD-81 UDF (GE36)PropfanDemonstrator - Farnborough, September 1988(下图)(仅是测试?#25945;ǎ?/span>

桨扇发动机看起来好像很不错

但是为什么没有流行起来呢?

Whatever happened to propfans?

该文章阐述

桨扇发动机的研制是在当年?#22270;?#39129;升的大背景下产生的

桨扇发动机的最大优点是节省?#21152;?/span>

后来?#22270;?#36300;入低位,航空公司肯定不愿意在?#21152;?#25928;率方面赌博

所以项目逐渐被取消

"If fuel were at a buck or so a gallon, they'd be clamouring." Ron Welsch, GE's former manager of commercial ops

“如果加油量大约是一加仑,他们就会吵着要。” 通用电气公司前商业运营经理Ron Welsch。

下图涡桨发动机和桨扇发动机

下图涡扇发动机和大涵道比涡扇发动机

A - B - digivideofestmenyek.com

总而言之

涡扇,涡桨,涡轴,桨扇发动机看似外观区别很大

?#23548;识?#26159;涡轮发动机的?#30001;?#29256;本,可以归为一大类

和活塞式发动机不同

单独比较涡桨和活塞式发动机

两者的区别在于驱动螺旋桨转动的动力来源不同

且大部分涡桨发动机的螺旋桨以恒定速度运转

而活塞式发动机的螺旋桨则会依照发动机的转速不同

而有转速高低的变化

每种航空发动机的应用领域各有区别,并不完全重合

所以即便涡扇发动机很成熟

其他发动机也依然会得?#25509;?#29992;和发展

补充:

其他涡桨发动机?#36947;?/span>

涡桨发动机主要靠螺旋桨旋转推动空气产生推力

而涡轮机主要为螺旋桨提供动力

螺旋桨的轴和涡轮机的轴并不相连

而是通过减速齿轮把动力传递到螺旋桨上

也就是说螺旋桨和涡轮机不同轴

桨扇发动机的螺旋桨则和涡轮机是同心轴

涡扇发动机的风扇和涡轮机也是同心轴

现代涡扇发动机内一般都有至少两根同心轴

以实现同轴上的不同转速

所以风扇转速低于涡轮机的转速

只?#36824;?#26728;扇发动机没有涡扇发动机的整流罩

简单说

桨扇发动机相当于没有整流罩的大涵道比涡扇发动机

拥有极限涵道比的库兹涅佐夫NK-93涡扇发动机(下图)

开发?#21152;?988年,但由于缺钱而进?#22815;?#24930;

后由于经济原因,该项目于2009年中期停止

2008年5月18日,首次在伊尔76上测试飞行

(这不就是风扇换成大螺旋桨再套个罩)

关于涡轴发动机

?#36947;得?/span>

S-65/H-53A/D Sea Stallion

美国西科?#22815;?#20844;司“海种马”直升机

通过示意图可以到

三台涡轴发动机如何通过传动轴向主旋翼和尾旋翼输出动力

下图为主旋翼下方的gear box(变速箱/齿轮箱)实物

上图为示意图

CH-53的General Electric T64涡轴发动机

以T-64核心机为基础发展的有涡轴版本和涡桨版本两种(下图)

可见涡轴和涡桨在很多方面具有很高的相似性

https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-T64.pdf

涡轴发动机和涡桨发动机的区别

涡轴发动机核心机主要由两个部分组成:

'gas generator' & 'power section'

“气体发生器”和“动力部分”。

气体发生器包括压缩机,带有点火器和燃料喷嘴的燃烧室,以及一层或多层涡轮。

动力部分包括额外的涡轮,齿轮减速?#20302;?#21644;动力输出轴。

气体发生器产生热膨胀气体以驱动动力部分。

在如今大多数涡轴发动机和涡桨发动机的设计中

气体发生器和动力部分是机械分离的

因此可以适应不同的条件拥有不同转速

被称为free power turbine“自由动力涡轮机”

?#27604;?#22312;涡桨发动机中

动力部分的涡轮和气体发生器可以是一体的

所?#28304;?#36825;方面来看

涡轴发动机和涡桨发动机的核心机部分差异很小

涡轴的总体布局类似于涡桨发动机

主要区别在于

涡桨发动机在结构设计上?#26800;?#21644;支撑由旋转螺旋桨所产生的推力负荷

因为螺旋桨只连接发动机,而不用?#26800;?#20854;他负荷,比如说机身重量

而涡轴发动机通常先驱动变速箱

变速箱和机体结构紧密相连并?#26800;?#25152;产生的所有负载

比如说机身的重量和旋转螺旋桨所产生的升力等

(前面T64那又大又粗的gear box)

?#36824;?#22312;?#23548;?#20013;,就像前面提到的T-64发动机

许多类似的发动机?#21152;?#26377;涡桨和涡轴两种版本

可见其中的差异很小

以下三张图很好的展示了gas generator和power section两部分

其中蓝色部分为气体发生器

气体发生器部分有?#32422;?#30340;涡轮机turbine

其中黄色部分为动力部分

Power output shaft就是动力输出轴

在气体发生器的涡轮机外侧拥有并不相连的涡轮机

由此可见

直升机上用的涡轴发动机相对于涡桨发动机而言

设计时需要考虑整体布局的复杂程度更高

以下图片中气体流动方向可以参考前面的PT6A

只?#36824;齈T6A是倒置,但他们都是离心式发动机

而大多数涡扇发动机都是轴流式发动机

Ardiden 1H / 1U - 1000-3000ch涡轮轴发动机 / 300kg + / 直升机 by Safran Helicopter Engines | AeroExpo

Arriel 1S1 - 0- 1000ch涡轮轴发动机 / 300kg + / 直升机 by Safran Helicopter Engines | AeroExpo

RTM322 02/8 - 1000-3000ch涡轮轴发动机 / 300kg + / 直升机 by Safran Helicopter Engines | AeroExpo

文章来源:翼知堂

本文转载自:航空制造网

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