03.01 槳扇發動機是一種怎樣結構的航空發動機?

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圖注:安-70運輸機使用的D-27漿扇發動機

槳扇發動機本質上還是渦輪噴氣發動機的變種。我們都知道渦輪式航空發動機雖然衍生出了多種結構的發動機,但最核心部分是相同的,就是由壓氣機組件、燃燒室和燃氣渦輪組件組成的核心機。

在核心機的基礎上,如果在壓氣機組件前面增加一個風扇,就成了渦扇發動機。可以在提高進氣效率的同時,將部分空氣通過外涵道向後推,能有效提高發動機的工作效率和推力,在功率保證的前提下,外涵道越大,推力的提升效率也就越高,發動機也越省油。但是外涵道不能無限增加,那就乾脆不要外涵道,直接把大風扇(螺旋槳)裝在涵道外面,就有了渦槳發動機。

圖注:槳扇發動機工作示意圖

不過,渦槳發動機省油是省油了,但由於螺旋槳葉片太大,氣動阻力大,導致飛機的速度上不去。而且渦槳發動機的螺旋槳是通過變速器與核心機的主軸連接的,難以提高轉速(事實上就是能提高也不能增加太多,還存在著槳尖失速問題)。所以,就取一個折中的做法,減小螺旋槳的尺寸,取消變速器,將螺旋槳與核心機主軸直接連接,這樣不僅可以降低氣動阻力、提高螺旋槳轉速,還避免了槳尖失速問題。不過,螺旋槳尺寸變小後,往後扇動的空氣量就不足了。怎麼辦?簡單,增加螺旋槳的葉片數量,如果一副螺旋槳不夠,那就再加一副。所以,我們看到的槳扇發動機都有兩副螺旋槳。鑑於這種發動機的結構、動力屬性和經濟效益都介於渦槳發動機和渦扇發動機之間,便被稱為槳扇發動機。

圖注:通用公司研製的槳扇發動機


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說起槳扇發動機,就不得不提到安70運輸機。 安70是由烏克蘭安東諾夫航空科學技術聯合體(原安東諾夫設計局)設計製造的四引擎戰術運輸機,也是世界上載重最大的渦輪槳扇運輸機。

安-70最獨特而先進之處是它的4臺進步Д-27發動機和CV-27對轉槳扇。槳扇發動機是界乎於螺旋槳和渦輪風扇噴氣發動機之間的一種新穎的高亞音速空氣動力推進方式,其特點是通過噴氣發動機驅動大翼面的多片槳葉,獲得比傳統螺旋槳或噴氣發動機更好的推進性能,尤其在提高效率、節省燃油方面效果顯著。單臺Д-27發動機功率為10440千瓦,由雙轉子燃氣發生器和CV-27雙排槳扇組成的先進槳扇發動機。CV-27槳扇直徑4.49米,一臺發動機上的槳扇共14葉,佈局獨特,分前後兩組,前面一組8葉,後面6葉;兩組槳葉工作時反轉。槳葉氣動外形獨特,呈彎月狀,類似於潛艇的大傾角槳葉,具有極高的推進效率。

安-70總重達47噸,能飛行8000公里。載重能力與美國C-141運輸機相近。速度750千米/小時(接近螺旋槳驅動的飛機的速度極限),可執行各種高度的空投任務,能空投重達20噸的單件物品,也可以運載300名全副武裝的士兵或206名傷病員。安-70能夠空載在200米長的機場跑道上起降,還可以運載20噸重的有效載荷在的600~700米的野戰跑道上起降。綜合性能相當優異,經濟效益也不錯,可惜因種種原因項目研發已經中止。


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槳扇發動機就是渦槳發動機的有一種變形版本,在外觀上最直接的不同就是它的螺旋槳在發動機的後邊而不是渦槳發動機那樣在前邊,這時候槳葉就不再作為壓縮空氣設備使用了,進入燃燒室的空氣依然依靠壓縮機提供,而燃燒室的渦輪葉片還要負責帶動外邊的槳葉。這種設計的好處是省略了傳統渦槳發動機的一些關鍵部件,大大降低了各種成本是經濟性更好的航空發動機。

在渦槳發動機上壓縮機和槳葉之間依靠“減速器”和“聯動軸”聯動,質量笨重生產困難雖然節省了燃油開支卻增加了維護成本,而槳葉直接連接在燃燒室的渦輪葉片上就完全沒有以上考慮了;更重要的是渦輪葉片的轉速遠比壓縮機葉片快,在沒有減速器的情況下槳葉可以轉動的更快,進而產生更大的推力,根據能量守恆原理沒有減速器就沒有能量浪費,因此槳扇發動機更加省油。很多軍迷不知道渦槳、槳扇發動機的誕生都是英國思路的產物。

最早的噴氣式發動機生產國是英國和德國,德國拿出了ME262噴氣戰機、英國拿出了流星噴氣戰機。兩者發動機存在很大區別,雖然基本的結構都是“燃燒室”加上“渦輪葉片”,但是德國側重於增加渦輪葉片的數量進而增加推力,這樣的設計使得發動機很狹長;而英國設計側重於增加發動機渦輪的尺寸,也就是增大燃燒室的直徑來提高推力,發動機越來越胖。德國的設計思路在今天早已經不再流行,因為它的推力提高空間十分有限。


而英國人的設計思路大受歡迎,戰後的技術人員先是在發動機前面增加空氣壓縮機提高進氣量來增加推力,後來又通過擴大涵道比增加推力,後者和英國航空發動機發展思路如出一轍,並最終推動渦槳發動機的誕生,渦槳發動機雖然沒有增加渦輪葉片的直徑,卻增加了壓縮機的直徑效果都是一樣的,而槳扇發動機就是為了彌補渦槳發動機槳葉不能無限擴大的弊端,在提高螺旋槳的轉速上進一步提高推力,因此還算是英國噴氣發動機家族的一員。


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槳扇發動機是一種介於渦扇發動機和渦槳發動機之間的發動機形式,其目標是將前者的高速性能和後者的經濟性結合起來。

槳扇發動機的結構由燃氣發生器和一副螺槳風扇(因為實在無法給這個又像螺旋槳又像風扇的部件起個名字,只好叫它螺槳風扇)組成。螺槳風扇由渦輪驅動,無涵道外殼,裝有減速器,從這些來看它有一點像螺旋槳;但它的直徑比普通螺旋槳小,葉片數目也多(一般有6~8葉),葉片又薄又寬,而且前緣後掠,這些又有些類似於風扇葉片。

由於無涵道外殼,槳扇發動機的涵道比可以很大。以正在研究中的一種發動機為例,當飛行馬赫數為0.8時,帶動的空氣流量約為內涵空氣流量的100倍,相當於涵道比為100,這是渦扇發動機所望塵莫及的,將其應用於飛機上,可將高空巡航耗油率較目前高涵道、比渦扇發動機降低15%左右。

同渦槳發動機相比,槳扇發動機的可用速度又高很多,這是由它們葉片形狀不同所決定的。普通螺旋槳葉片的葉型厚度大以保證強度,彎度大以保證升力係數。從剖面來看,這種葉型實際上就是典型的低速飛機的機翼剖面形狀,它在低速情況下效率很高,但一旦接近聲速,效率就急劇下降,因此裝有渦槳發動機的飛機速度限制在馬赫數0.6~0.65左右;而槳扇發動機的葉片既寬且薄、前緣尖銳並帶有後掠的葉型,類似於超聲速機翼的剖面形狀,這種葉型的超聲速性能就要好得多,在飛行馬赫數為0.8時仍有良好的推進效率,是目前新型發動機中最有希望的一種。


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槳扇發動機是一種渦輪發動機,英文名稱為Propfan,其結構類似於渦扇發動機,但是沒有風扇涵道。風扇位於發動機短艙外部,由渦輪直接驅動,這和渦扇發送機相似。在外形上看,槳扇發動機和渦槳發動機類似,但是渦槳發動機的螺旋槳由渦輪通過減速器帶動,槳扇和渦輪之間沒有減速器。

世界上最早的槳扇發動機是Metrovick F.5型,能輸出4710磅,早在1946年便已問世。然而技術和效率的滯後導致槳扇發動機始終無法商業應用。通用電氣在F404軍用渦扇的基礎上研發出了GE36,其為實驗飛機提供動力,雖然也沒有進行商業化運營,但是其新技術的應用被擴展到後續的發動機中。在實際應用中,槳扇發動機和渦扇發動機的速度和性能相近,經濟效益和渦槳發動機類似。

由於槳扇發動機和渦輪之間缺乏減速器,槳扇的螺旋槳轉速非常高,所以螺旋槳的葉片形狀和渦槳發動機的螺旋槳有較大迥異。有的槳扇發動機甚至採用雙渦輪雙層槳結構,雙層槳轉動方向相反,能夠很大程度上提升效率。槳扇發動機結構類似於渦扇發動機,還沒有風扇涵道,所以槳扇發動機也被稱為無限高涵道比的渦扇發動機。

槳扇發動機的研發並未止步,例如2017年賽峰集團便展示了而開放式轉子的樣機模型。安-70是唯一使用槳扇的飛機,其搭載了4具Progress D-27 槳扇發動機,發動機由伊夫琴科-進步設計局負責研製。其前螺旋槳有8個,後螺旋槳有6個。可以保障飛機的巡航速度達到750公里/小時,而設計最高時速更是達到850公里/小時,這足以和C-17媲美。


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槳扇發動機又被稱為無涵道風扇發動機,即可以看做帶先進高速螺旋槳的渦輪螺旋槳發動機,也可以看做去除外涵道的高涵道比渦扇發動機。是一種結和螺旋槳發動機耗油率低和渦扇發動機飛的快優點的發動機。



槳扇發動機的有效涵道比為25-60.比起渦扇發動機大大超出,在第三次石油危機之時,但伊拉克佔領科威特,遭受國際制裁,石油價格飛漲,槳扇發動機流行一時,後來隨著石油價格的穩定,槳扇發動機的缺點因被人所拋棄。



槳扇發動機最大的缺點就是噪音,民航公司對噪音是要求極嚴的,因此很難在客機上推廣,而且螺旋槳可能從發動機上飛出,不利於安全。因此只有被裝在運輸機上才可能。


本前槳扇發動機只有安70上所用的Cv27槳扇發動機,。


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