兩類渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的差異

藍(lán) 瓊

兩類渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)的差異

藍(lán) 瓊

根據(jù)航空發(fā)動機(jī)原理，結(jié)合發(fā)動機(jī)使用經(jīng)驗，本文對單軸式渦槳發(fā)動機(jī)及自由渦輪式渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行了對比，分析兩類渦槳發(fā)動機(jī)各自的優(yōu)勢。

縱觀航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程，最先出現(xiàn)的是活塞發(fā)動機(jī)，活塞發(fā)動機(jī)使人類第一次真正實現(xiàn)了飛天夢。發(fā)動機(jī)功率大致與飛行速度的三次方成正比，因此隨著飛機(jī)速度的提高，飛行阻力隨速度平方增大，所需的發(fā)動機(jī)功率迅速增加，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)重量迅速增大，無法滿足飛機(jī)對重量的限制。另一方面，當(dāng)飛行速度接近800km/h時，螺旋槳的槳尖速度已接近聲速，形成激波和振動會導(dǎo)致螺旋槳工作不穩(wěn)定，效率急劇下降。1939年9月27日，隨著裝有燃?xì)鉁u輪噴氣發(fā)動機(jī)的飛機(jī)在德國首次試飛成功，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)給人類帶來了飛行速度上的質(zhì)的飛越。航空發(fā)動機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，時至今日，航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)已分出許多類型，性能也較70幾年前大有提高?，F(xiàn)有航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的主要類型有：渦噴發(fā)動機(jī)、渦扇發(fā)動機(jī)、渦槳發(fā)動機(jī)、渦軸發(fā)動機(jī)及槳扇發(fā)動機(jī)等。

渦槳發(fā)動機(jī)的驅(qū)動原理大致上與使用活塞發(fā)動機(jī)作為動力來源的傳統(tǒng)螺旋槳飛機(jī)雷同，是以螺旋槳旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的推力或拉力作為飛機(jī)前進(jìn)的動力。同活塞發(fā)動機(jī)+螺旋槳相比，渦槳發(fā)動機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，它的功率更大，功重比也大，最大功率可超過10000 HP，功重比為4以上，而活塞發(fā)動機(jī)最大不過三四千馬力，功重比為2左右。其次，由于減少了運(yùn)動部件，尤其是沒有做往復(fù)運(yùn)動的活塞，渦槳發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性好，噪聲小，壽命長，維修費(fèi)用也較低。而且，由于核心部分采用燃?xì)獍l(fā)生器，渦槳發(fā)動機(jī)的適用高度和速度范圍都要比活塞發(fā)動機(jī)高得多。在耗油方面，二者相差不多，但渦槳發(fā)動機(jī)所使用的煤油要比活塞發(fā)動機(jī)的汽油便宜。目前最有代表性的渦槳發(fā)動機(jī)有單軸式與自由渦輪式兩種。

單軸式渦槳發(fā)動機(jī)指的是螺旋槳與壓氣機(jī)共用同一驅(qū)動軸，由于螺旋槳需要在較低的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，在驅(qū)動軸與螺旋槳之間配有減速齒軸箱，不同的發(fā)動機(jī)配備不同減速比的齒軸箱。單軸式渦槳發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

而在自由渦輪式渦槳發(fā)動機(jī)中，螺旋槳的驅(qū)動渦輪與壓氣機(jī)的驅(qū)動渦輪是不一樣的，而且兩個渦輪之間沒有機(jī)械連接。驅(qū)動螺旋槳的渦輪一般被稱為自由渦輪或動力渦輪，自由渦輪由燃?xì)鈦硗苿?，再?jīng)減速齒軸箱減速后帶動螺旋槳。自由渦軸式渦槳發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

兩類渦槳發(fā)動機(jī)各有優(yōu)劣，下面將簡單的對其進(jìn)行對比分析。

圖1　單軸式渦槳發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圖2　自由渦輪式渦槳發(fā)動機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圖3　單軸發(fā)動機(jī)常規(guī)結(jié)構(gòu)

尺寸重量

在同等輸出軸功率級別下，由于增加了自由渦輪，自由渦輪發(fā)動機(jī)要比單軸發(fā)動機(jī)重10％左右。而在外形尺寸上，單軸發(fā)動機(jī)有更大的優(yōu)勢。圖1為單軸發(fā)動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，在工程設(shè)計制造時，發(fā)動機(jī)廠家會把減速齒軸箱布置在壓氣機(jī)的前上方或前下方，一方面可以減少發(fā)動機(jī)的軸向尺寸，另一方面也方便發(fā)動機(jī)進(jìn)行道的設(shè)計。如圖3所示。

自由渦輪發(fā)動機(jī)的常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　自由渦輪發(fā)動機(jī)常規(guī)結(jié)構(gòu)

效率及響應(yīng)速度

由于自由渦輪是由燃?xì)怛?qū)動的，與燃?xì)獍l(fā)生器沒有機(jī)械連接，因此，自由渦輪發(fā)動機(jī)的效率要比單軸發(fā)動機(jī)的稍低，同時，對比圖3及圖4可知，自由渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)布置在發(fā)動機(jī)后端，空氣從進(jìn)氣道進(jìn)入后需轉(zhuǎn)180°才能進(jìn)入壓氣機(jī)，導(dǎo)致進(jìn)氣損失偏大。反映到燃油經(jīng)濟(jì)性上，在輸出軸功率相當(dāng)?shù)那疤嵯?，自由渦輪發(fā)動機(jī)的燃油消耗率（SFC，lb/shp/h）較單軸發(fā)動機(jī)的高約6％～10％。另一方面，由于自由渦輪是靠燃?xì)怛?qū)動的，因此在飛行員想改變發(fā)動機(jī)狀態(tài)時，自由渦輪發(fā)動機(jī)將會有一定的延遲，例如從慢車到最大起飛功率，飛行員完成推桿動作后，大概得經(jīng)過3s左右發(fā)動機(jī)才能到達(dá)所需的最大起飛功率狀態(tài)，在響應(yīng)速度上，單軸發(fā)動機(jī)有著幾乎無延遲的優(yōu)勢。

啟動特性

在地面啟動時，自由渦輪發(fā)動機(jī)所需的扭矩更小。這是因為自由渦輪在啟動過程中僅需將燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子（包括壓氣機(jī)及其渦輪）帶動到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速，而單軸發(fā)動機(jī)在此過程中還需帶動發(fā)動機(jī)前端的螺旋槳及減速齒輪箱。因此，在小飛機(jī)上，一般只需給自由渦輪發(fā)動機(jī)配備一塊啟動用的蓄電池而需要給單軸發(fā)動機(jī)配備兩塊。

在飛行中進(jìn)行發(fā)動機(jī)再啟動時，自由渦輪發(fā)動機(jī)的再啟動包線更廣。自由渦輪發(fā)動機(jī)在飛行中進(jìn)行再啟動時可有兩種模式，風(fēng)車啟動及啟動發(fā)電機(jī)啟動，而單軸發(fā)動機(jī)只能通過風(fēng)車啟動。風(fēng)車啟動指的是，渦槳發(fā)動機(jī)空中熄火后，由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)為風(fēng)車狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子也隨螺旋槳一起轉(zhuǎn)動，如飛行高度和速度在廠家允許的包線內(nèi)，可根據(jù)需要進(jìn)行點(diǎn)火啟動。而空中的啟動發(fā)電機(jī)啟動與地面正常啟動程序一樣。

噪聲及進(jìn)氣道設(shè)計

圖3中單軸發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)在發(fā)動機(jī)前端，直接對著進(jìn)氣道，而圖4中的自由渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)在發(fā)動機(jī)后端。因此如果單軸發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道不進(jìn)行消聲設(shè)計，發(fā)動機(jī)運(yùn)行時壓氣機(jī)的噪聲將直接傳到機(jī)體外。自由渦輪發(fā)動機(jī)在噪聲控制方面顯然要好于單軸發(fā)動機(jī)。

對于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的設(shè)計，單軸發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道基本上已為發(fā)動機(jī)自帶，而且由于該進(jìn)氣道位于減速齒輪箱的下方（或上方），齒輪箱工作時處于高溫的滑油為進(jìn)氣的防冰提供了熱量，但是由于壓氣機(jī)暴露在進(jìn)氣氣流下，發(fā)動機(jī)對外來物損傷（FOD）的抵抗能力較弱。

渦輪維護(hù)性

自由渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪維護(hù)性較單軸發(fā)動機(jī)的簡便。

發(fā)動機(jī)廠家根據(jù)自由渦輪的位置，在兩級渦輪（自由渦輪與壓氣機(jī)渦輪）之間設(shè)計成可方便拆卸的法蘭連接，當(dāng)發(fā)動機(jī)需要進(jìn)行熱部件檢查時只需把發(fā)動機(jī)自由渦輪及前端的減速齒輪箱拆下即可，有時甚至不需要從飛機(jī)上拆下發(fā)動機(jī)。

發(fā)動機(jī)的安裝及布置

在飛機(jī)生產(chǎn)廠家進(jìn)行發(fā)動機(jī)選型時，除考慮發(fā)動機(jī)功率、功重比、燃油經(jīng)濟(jì)性、性能參數(shù)、安全可靠性等外，還需根據(jù)自身飛機(jī)空間限制選擇合適的發(fā)動機(jī)。

單軸發(fā)動機(jī)在外形尺寸上具有較大的優(yōu)勢，這不僅僅是因為發(fā)動機(jī)的軸向及徑向尺寸，還與發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)有關(guān)。進(jìn)氣系統(tǒng)在上文已有介紹，此處就不再贅述。

從圖3可見，單軸發(fā)動機(jī)的排氣段在發(fā)動機(jī)后端，在排氣系統(tǒng)設(shè)計時有很多方案可選 ，可設(shè)計成單排氣管或雙排氣管，排氣方向也可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。另外，由于排氣管中可能產(chǎn)生火花或火星，從夜航時對飛行員視線的影響方面考慮，單軸發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計顯然更容易避開飛行員視線。

綜合上述及工程使用經(jīng)驗，表1為單軸發(fā)動機(jī)與自由渦輪發(fā)動機(jī)的對比。

表1　

當(dāng)然，兩類發(fā)動機(jī)各有優(yōu)劣，不僅取決于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特性，還與發(fā)動機(jī)的制造裝配工藝有很大關(guān)系，在進(jìn)行發(fā)動機(jī)選型時需要結(jié)合自身需要綜合考慮各項因素，以選擇最合適的發(fā)動機(jī)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.009