兩類渦輪螺旋槳發動機的差異

藍 瓊

兩類渦輪螺旋槳發動機的差異

藍 瓊

根據航空發動機原理，結合發動機使用經驗，本文對單軸式渦槳發動機及自由渦輪式渦槳發動機進行了對比，分析兩類渦槳發動機各自的優勢。

縱觀航空發動機的發展歷程，最先出現的是活塞發動機，活塞發動機使人類第一次真正實現了飛天夢。發動機功率大致與飛行速度的三次方成正比，因此隨著飛機速度的提高，飛行阻力隨速度平方增大，所需的發動機功率迅速增加，從而導致發動機重量迅速增大，無法滿足飛機對重量的限制。另一方面，當飛行速度接近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致螺旋槳工作不穩定，效率急劇下降。1939年9月27日，隨著裝有燃氣渦輪噴氣發動機的飛機在德國首次試飛成功，航空燃氣渦輪發動機給人類帶來了飛行速度上的質的飛越。航空發動機技術不斷發展，時至今日，航空燃氣渦輪發動機已分出許多類型，性能也較70幾年前大有提高。現有航空燃氣渦輪發動機的主要類型有：渦噴發動機、渦扇發動機、渦槳發動機、渦軸發動機及槳扇發動機等。

渦槳發動機的驅動原理大致上與使用活塞發動機作為動力來源的傳統螺旋槳飛機雷同，是以螺旋槳旋轉時所產生的推力或拉力作為飛機前進的動力。同活塞發動機+螺旋槳相比，渦槳發動機有許多優點。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，而活塞發動機最大不過三四千馬力，功重比為2左右。其次，由于減少了運動部件，尤其是沒有做往復運動的活塞，渦槳發動機的穩定性好，噪聲小，壽命長，維修費用也較低。而且，由于核心部分采用燃氣發生器，渦槳發動機的適用高度和速度范圍都要比活塞發動機高得多。在耗油方面，二者相差不多，但渦槳發動機所使用的煤油要比活塞發動機的汽油便宜。目前最有代表性的渦槳發動機有單軸式與自由渦輪式兩種。

單軸式渦槳發動機指的是螺旋槳與壓氣機共用同一驅動軸，由于螺旋槳需要在較低的轉速下旋轉，在驅動軸與螺旋槳之間配有減速齒軸箱，不同的發動機配備不同減速比的齒軸箱。單軸式渦槳發動機的基本結構如圖1所示。

而在自由渦輪式渦槳發動機中，螺旋槳的驅動渦輪與壓氣機的驅動渦輪是不一樣的，而且兩個渦輪之間沒有機械連接。驅動螺旋槳的渦輪一般被稱為自由渦輪或動力渦輪，自由渦輪由燃氣來推動，再經減速齒軸箱減速后帶動螺旋槳。自由渦軸式渦槳發動機的基本結構如圖2所示。

兩類渦槳發動機各有優劣，下面將簡單的對其進行對比分析。

圖1　單軸式渦槳發動機基本結構

圖2　自由渦輪式渦槳發動機基本結構

圖3　單軸發動機常規結構

尺寸重量

在同等輸出軸功率級別下，由于增加了自由渦輪，自由渦輪發動機要比單軸發動機重10％左右。而在外形尺寸上，單軸發動機有更大的優勢。圖1為單軸發動機的基本結構，在工程設計制造時，發動機廠家會把減速齒軸箱布置在壓氣機的前上方或前下方，一方面可以減少發動機的軸向尺寸，另一方面也方便發動機進行道的設計。如圖3所示。

自由渦輪發動機的常規結構如圖4所示。

圖4　自由渦輪發動機常規結構

效率及響應速度

由于自由渦輪是由燃氣驅動的，與燃氣發生器沒有機械連接，因此，自由渦輪發動機的效率要比單軸發動機的稍低，同時，對比圖3及圖4可知，自由渦輪發動機的壓氣機布置在發動機后端，空氣從進氣道進入后需轉180°才能進入壓氣機，導致進氣損失偏大。反映到燃油經濟性上，在輸出軸功率相當的前提下，自由渦輪發動機的燃油消耗率（SFC，lb/shp/h）較單軸發動機的高約6％～10％。另一方面，由于自由渦輪是靠燃氣驅動的，因此在飛行員想改變發動機狀態時，自由渦輪發動機將會有一定的延遲，例如從慢車到最大起飛功率，飛行員完成推桿動作后，大概得經過3s左右發動機才能到達所需的最大起飛功率狀態，在響應速度上，單軸發動機有著幾乎無延遲的優勢。

啟動特性

在地面啟動時，自由渦輪發動機所需的扭矩更小。這是因為自由渦輪在啟動過程中僅需將燃氣發生器轉子（包括壓氣機及其渦輪）帶動到點火轉速，而單軸發動機在此過程中還需帶動發動機前端的螺旋槳及減速齒輪箱。因此，在小飛機上，一般只需給自由渦輪發動機配備一塊啟動用的蓄電池而需要給單軸發動機配備兩塊。

在飛行中進行發動機再啟動時，自由渦輪發動機的再啟動包線更廣。自由渦輪發動機在飛行中進行再啟動時可有兩種模式，風車啟動及啟動發電機啟動，而單軸發動機只能通過風車啟動。風車啟動指的是，渦槳發動機空中熄火后，由于螺旋槳的旋轉為風車狀態，發動機轉子也隨螺旋槳一起轉動，如飛行高度和速度在廠家允許的包線內，可根據需要進行點火啟動。而空中的啟動發電機啟動與地面正常啟動程序一樣。

噪聲及進氣道設計

圖3中單軸發動機的壓氣機在發動機前端，直接對著進氣道，而圖4中的自由渦輪發動機的壓氣機在發動機后端。因此如果單軸發動機進氣道不進行消聲設計，發動機運行時壓氣機的噪聲將直接傳到機體外。自由渦輪發動機在噪聲控制方面顯然要好于單軸發動機。

對于發動機進氣道的設計，單軸發動機的進氣道基本上已為發動機自帶，而且由于該進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氣的防冰提供了熱量，但是由于壓氣機暴露在進氣氣流下，發動機對外來物損傷（FOD）的抵抗能力較弱。

渦輪維護性

自由渦輪發動機的渦輪維護性較單軸發動機的簡便。

發動機廠家根據自由渦輪的位置，在兩級渦輪（自由渦輪與壓氣機渦輪）之間設計成可方便拆卸的法蘭連接，當發動機需要進行熱部件檢查時只需把發動機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上拆下發動機。

發動機的安裝及布置

在飛機生產廠家進行發動機選型時，除考慮發動機功率、功重比、燃油經濟性、性能參數、安全可靠性等外，還需根據自身飛機空間限制選擇合適的發動機。

單軸發動機在外形尺寸上具有較大的優勢，這不僅僅是因為發動機的軸向及徑向尺寸，還與發動機進、排氣系統有關。進氣系統在上文已有介紹，此處就不再贅述。

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

綜合上述及工程使用經驗，表1為單軸發動機與自由渦輪發動機的對比。

表1　

當然，兩類發動機各有優劣，不僅取決于發動機結構特性，還與發動機的制造裝配工藝有很大關系，在進行發動機選型時需要結合自身需要綜合考慮各項因素，以選擇最合適的發動機。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.009