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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?

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发表于 2020-7-20 21:35:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
转自:航空知识
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)
微信图片_20200720211036.jpg
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
所以燃油效率低下
解决方案就是涡轮风扇发动机(下图)

微信图片_20200720212037.jpg
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

微信图片_20200720212040.jpg
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时效率最高
因为螺旋桨的射流速度相对较低
现代涡桨飞机的飞行速度几乎与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
不过与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
但却限制了风扇的实际尺寸
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


以下是百度百科中对涡桨发动机与其他发动机的比较
微信图片_20200720212045.jpg
涡桨,涡扇,涡喷在速度和燃油经济性方面的比较(下图)

微信图片_20200720212053.jpg

推力燃油比和涵道比的关系(下图)
涵道比越大发动机燃油越经济
涡桨发动机在低航速和油耗方面很有优势


微信图片_20200720212056.jpg
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)
微信图片_20200720212059.jpg
Mitsubishi A6M Zero二战时期的日本零式战斗机(星形活塞式发动机)
微信图片_20200720212103.jpg


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
位于马绍尔群岛,马洛埃拉普环礁的Taroa岛
二战时期的日本空军基地
微信图片_20200720212107.jpg


P-51野马战斗机的梅林发动机(V形12缸)
微信图片_20200720212111.jpg


Packard V-1650 Merlin
微信图片_20200720212115.jpg


T14阿玛塔坦克是X形发动机
H形也就是水平对置发动机
最出名的是德国保时捷和日本斯巴鲁
https://en.wikipedia.org/wiki/Li ... fied_light_aircraft
链接为:当前通用航空认证生产的轻型飞机目录
其中比较多见的L. O-360是四缸水平对置发动机(下图)
https://en.wikipedia.org/wiki/Lycoming_O-360
微信图片_20200720212118.jpg


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)
微信图片_20200720212120.jpg
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,右侧为涡轮核心机
微信图片_20200720212123.jpg
桨扇发动机示意图(下两张图)
微信图片_20200720212125.jpg


微信图片_20200720212127.jpg


举实例说明
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)

微信图片_20200720212130.jpg

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)



微信图片_20200720212132.jpg


俄罗斯图95轰炸机涡桨发动机(下图)
(同轴反转涡桨发动机)



微信图片_20200720212135.jpg


安70运输机的D27三轴反转桨扇发动机
(目前世界上服役的仅有的桨扇发动机实例)



微信图片_20200720212137.jpg


微信图片_20200720212140.jpg


General Electric GE36 (通用电气GE36桨扇发动机)
Douglas MD-81 UDF (GE36)PropfanDemonstrator -  Farnborough, September 1988(下图)(仅是测试平台)



微信图片_20200720212142.jpg





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油价飙升的大背景下产生的
桨扇发动机的最大优点是节省燃油
后来油价跌入低位,航空公司肯定不愿意在燃油效率方面赌博
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
微信图片_20200720212145.jpg

下图涡扇发动机和大涵道比涡扇发动机

微信图片_20200720212149.jpg

A - B - digivideofestmenyek.com
微信图片_20200720212152.jpg
微信图片_20200720212155.jpg

微信图片_20200720212203.jpg


总而言之
涡扇,涡桨,涡轴,桨扇发动机看似外观区别很大
实际都是涡轮发动机的延伸版本,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到应用和发展

补充:
其他涡桨发动机实例
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
只不过桨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



微信图片_20200720212213.jpg


微信图片_20200720212216.jpg
拥有极限涵道比的库兹涅佐夫NK-93涡扇发动机(下图)
开发始于1988年,但由于缺钱而进展缓慢
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)
微信图片_20200720212218.jpg


微信图片_20200720212220.jpg


微信图片_20200720212223.jpg


微信图片_20200720212226.jpg


关于涡轴发动机
实例说明
S-65/H-53A/D Sea Stallion
美国西科斯基公司“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
微信图片_20200720212228.jpg


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


微信图片_20200720212232.jpg


微信图片_20200720212234.jpg


CH-53的General Electric T64涡轴发动机
微信图片_20200720212237.jpg


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
微信图片_20200720212240.jpg


https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-T64.pdf
微信图片_20200720212243.jpg


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,齿轮减速系统和动力输出轴。
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”
当然在涡桨发动机中
动力部分的涡轮和气体发生器可以是一体的
所以从这方面来看
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承担和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,而不用承担其他负荷,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承担所产生的所有负载
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)
不过在实践中,就像前面提到的T-64发动机
许多类似的发动机都拥有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
气体发生器部分有自己的涡轮机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
只不过PT6A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
微信图片_20200720212257.jpg


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


微信图片_20200720212259.jpg


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


微信图片_20200720212302.jpg


文章来源:翼知堂
本文转载自:航空制造网

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