渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳的初步選型

馬東陽(yáng) 賀象 郭青林

摘要：本文對(duì)國(guó)際現(xiàn)有的螺旋槳產(chǎn)品進(jìn)行了較為全面的梳理，從功率等級(jí)、槳葉材料、螺旋槳轉(zhuǎn)速及直徑、變距方式和安裝形式等方面對(duì)各型螺旋槳的特點(diǎn)進(jìn)行了歸類分析。基于某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，經(jīng)綜合分析，給出了螺旋槳的初步選型建議，為其他型號(hào)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)配裝螺旋槳提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：渦槳發(fā)動(dòng)機(jī);螺旋槳;初步選型

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)是以螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的力量來(lái)作為飛機(jī)前進(jìn)的動(dòng)力。且由于螺旋槳技術(shù)的不斷進(jìn)步，螺旋槳飛機(jī)在高亞聲速飛行時(shí)的推進(jìn)效率也大大提高，噪聲水平已大幅度下降，其乘坐舒適性基本與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，。

本文從某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求出發(fā)，梳理了國(guó)際上現(xiàn)有的螺旋槳產(chǎn)品，并結(jié)合某型號(hào)的具體要求，提出了初步的螺旋槳選型意見(jiàn)。

一、國(guó)際現(xiàn)有螺旋槳產(chǎn)品的梳理分析

（一）功率等級(jí)

為了確定螺旋槳的功率等級(jí)，本文將配裝發(fā)動(dòng)機(jī)功率為1500kW以下的螺旋槳稱為小功率螺旋槳，功率為1500kW以上的螺旋槳稱為大功率螺旋槳。美國(guó)哈策爾（HARTZELL）、歐洲MT所產(chǎn)品主要為小功率螺旋槳，主要裝機(jī)對(duì)象為PT6A系列和TPE331系列發(fā)動(dòng)機(jī)。作為世界最重要的大功率螺旋槳供應(yīng)商之一，英國(guó)道蒂的螺旋槳產(chǎn)品應(yīng)用于PW150系列發(fā)動(dòng)機(jī)，配裝發(fā)動(dòng)機(jī)的功率等級(jí)達(dá)到3700kW以上。俄羅斯Aerosila的產(chǎn)品功率覆蓋范圍較廣，美法合資Figeac Ratier所列出的產(chǎn)品主要為大功率螺旋槳，被應(yīng)用于C130和P–3C等知名機(jī)型。

（二）槳葉材料

目前，螺旋槳槳葉主要包括實(shí)心葉片或復(fù)合材料空心葉片兩種類型。從美國(guó)哈策爾（HARTZELL）和歐洲MT的產(chǎn)品可以看出，800～1626kW功率的螺旋槳采用實(shí)心葉片。而英國(guó)道蒂3000kW級(jí)的螺旋槳采用復(fù)合材料制成的葉片。

（三）螺旋槳轉(zhuǎn)速及直徑

小功率等級(jí)的螺旋槳具有轉(zhuǎn)速高和直徑小的特點(diǎn)，800kW～1500kW功率的螺旋槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍為1552～2200rpm，直徑為2.25～3.6m。大功率等級(jí)螺旋槳的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在1300以下，直徑在3.6m以上。

（四）變距方式

從美國(guó)哈策爾（HARTZELL）和歐洲MT的產(chǎn)品可以看出，800～1626kW功率的螺旋槳采用“彈簧+單油路”的變距方式。而英國(guó)道蒂3000kW級(jí)的螺旋槳采用雙油路變距方式。

（五）安裝形式

螺旋槳的安裝形式主要包括共軸和偏置兩種，主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的減速器功率輸出形式。減速器功率同軸式輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)，具有徑向尺寸小和軸向尺寸長(zhǎng)的特點(diǎn);減速器功率偏置式輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸短，但是迎風(fēng)面積較大。

二、某型發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳的選型意見(jiàn)

某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)為單轉(zhuǎn)子雙軸結(jié)構(gòu)，由2級(jí)離心壓氣機(jī)、回流環(huán)型燃燒室、1級(jí)燃?xì)鉁u輪和1級(jí)自由渦輪等組成，設(shè)計(jì)功率約為1300kW，采用雙通道全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)（FADEC）。結(jié)合裝機(jī)平臺(tái)需求，對(duì)螺旋槳直徑的要求約為3m。為確定其總體設(shè)計(jì)方案，需開(kāi)展螺旋槳的初步選型。

（一）槳葉材料

為了有效地控制槳葉制造及維護(hù)在總成本中的占比，作為功率小于1500kW的某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，建議優(yōu)先選擇鋁合金實(shí)心槳葉。

（二）變距機(jī)構(gòu)及安裝形式

雙油路變距機(jī)構(gòu)可以有效地避免彈簧力不夠所引起的變距滯后情況，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。考慮到裝配和維護(hù)的需求，槳距控制器（PCU）等附件必須安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)外部。同時(shí)，槳距控制器中的油路必須與槳軸同軸，且為了防止兩個(gè)油路發(fā)生竄油，供油段的長(zhǎng)度必須大于2倍的活塞行程，導(dǎo)致雙油路變距機(jī)構(gòu)只能適用于減速器功率偏置式輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)，且要求減速器后方具有較大的附件布局空間，嚴(yán)重限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)。而某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)流道較短，即使采用偏置式安裝，仍然不能提供足夠的安裝空間，因此只能采用“彈簧+單油路”的變距方式。

（三）控制系統(tǒng)

螺旋槳的控制系統(tǒng)可以采用電子控制和機(jī)械液壓控制兩種形式。采用螺旋槳電子控制系統(tǒng)，可以與發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)典型飛行狀態(tài)下的槳發(fā)自動(dòng)匹配，包括地慢、起飛、爬升、巡航和空慢等狀態(tài)。而采用機(jī)械液壓控制系統(tǒng)，不同狀態(tài)下的槳發(fā)匹配全靠人工耦合實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述分析結(jié)果，結(jié)合國(guó)際上的現(xiàn)有產(chǎn)品情況，建議某型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)照哈策爾（HARTZELL）的M11693NS、HC–B5MA–5A和M11692NS等型號(hào)開(kāi)展螺旋槳的選型，并提出螺旋槳電子控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳槳距及工作狀態(tài)的閉環(huán)控制。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文梳理了國(guó)際上現(xiàn)有的螺旋槳產(chǎn)品情況，并從功率等級(jí)、槳葉材料、轉(zhuǎn)速、直徑、變距方式和安裝形式的角度開(kāi)展了綜合分析和比較。根據(jù)螺旋槳功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，從槳葉材料、變距機(jī)構(gòu)、安裝形式和控制系統(tǒng)方面，結(jié)合某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求，提供了螺旋槳的初步選型意見(jiàn)。

參考文獻(xiàn)

羅安陽(yáng)，周輝華，申余兵.航空渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2013（5）：1–5.

藍(lán)瓊.兩類渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的差異[J].中國(guó)科技信息，2015（9）：40–41.