渦槳發動機螺旋槳的初步選型

馬東陽 賀象 郭青林

摘要：本文對國際現有的螺旋槳產品進行了較為全面的梳理，從功率等級、槳葉材料、螺旋槳轉速及直徑、變距方式和安裝形式等方面對各型螺旋槳的特點進行了歸類分析。基于某型渦槳發動機的特點，經綜合分析，給出了螺旋槳的初步選型建議，為其他型號渦槳發動機配裝螺旋槳提供了參考和借鑒。

關鍵詞：渦槳發動機;螺旋槳;初步選型

渦槳發動機是以螺旋槳旋轉時所產生的力量來作為飛機前進的動力。且由于螺旋槳技術的不斷進步，螺旋槳飛機在高亞聲速飛行時的推進效率也大大提高，噪聲水平已大幅度下降，其乘坐舒適性基本與渦扇發動機相當，。

本文從某型渦槳發動機的研制需求出發，梳理了國際上現有的螺旋槳產品，并結合某型號的具體要求，提出了初步的螺旋槳選型意見。

一、國際現有螺旋槳產品的梳理分析

（一）功率等級

為了確定螺旋槳的功率等級，本文將配裝發動機功率為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。美國哈策爾（HARTZELL）、歐洲MT所產品主要為小功率螺旋槳，主要裝機對象為PT6A系列和TPE331系列發動機。作為世界最重要的大功率螺旋槳供應商之一，英國道蒂的螺旋槳產品應用于PW150系列發動機，配裝發動機的功率等級達到3700kW以上。俄羅斯Aerosila的產品功率覆蓋范圍較廣，美法合資Figeac Ratier所列出的產品主要為大功率螺旋槳，被應用于C130和P–3C等知名機型。

（二）槳葉材料

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

（三）螺旋槳轉速及直徑

小功率等級的螺旋槳具有轉速高和直徑小的特點，800kW～1500kW功率的螺旋槳設計轉速范圍為1552～2200rpm，直徑為2.25～3.6m。大功率等級螺旋槳的設計轉速在1300以下，直徑在3.6m以上。

（四）變距方式

從美國哈策爾（HARTZELL）和歐洲MT的產品可以看出，800～1626kW功率的螺旋槳采用“彈簧+單油路”的變距方式。而英國道蒂3000kW級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，主要取決于發動機的減速器功率輸出形式。減速器功率同軸式輸出的發動機，具有徑向尺寸小和軸向尺寸長的特點;減速器功率偏置式輸出的發動機，結構緊湊，軸向尺寸短，但是迎風面積較大。

二、某型發動機螺旋槳的選型意見

某型渦槳發動機為單轉子雙軸結構，由2級離心壓氣機、回流環型燃燒室、1級燃氣渦輪和1級自由渦輪等組成，設計功率約為1300kW，采用雙通道全權限數字式電子控制系統（FADEC）。結合裝機平臺需求，對螺旋槳直徑的要求約為3m。為確定其總體設計方案，需開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在總成本中的占比，作為功率小于1500kW的某渦槳發動機，建議優先選擇鋁合金實心槳葉。

（二）變距機構及安裝形式

雙油路變距機構可以有效地避免彈簧力不夠所引起的變距滯后情況，但是其結構復雜，成本較高。考慮到裝配和維護的需求，槳距控制器（PCU）等附件必須安裝在發動機外部。同時，槳距控制器中的油路必須與槳軸同軸，且為了防止兩個油路發生竄油，供油段的長度必須大于2倍的活塞行程，導致雙油路變距機構只能適用于減速器功率偏置式輸出的發動機，且要求減速器后方具有較大的附件布局空間，嚴重限制了發動機的總體結構。而某渦槳發動機壓氣機流道較短，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

螺旋槳的控制系統可以采用電子控制和機械液壓控制兩種形式。采用螺旋槳電子控制系統，可以與發動機控制系統進行數據交流，能夠實現多個典型飛行狀態下的槳發自動匹配，包括地慢、起飛、爬升、巡航和空慢等狀態。而采用機械液壓控制系統，不同狀態下的槳發匹配全靠人工耦合實現。

根據上述分析結果，結合國際上的現有產品情況，建議某型發動機對照哈策爾（HARTZELL）的M11693NS、HC–B5MA–5A和M11692NS等型號開展螺旋槳的選型，并提出螺旋槳電子控制系統的開發需求，實現對螺旋槳槳距及工作狀態的閉環控制。

三、結束語

本文梳理了國際上現有的螺旋槳產品情況，并從功率等級、槳葉材料、轉速、直徑、變距方式和安裝形式的角度開展了綜合分析和比較。根據螺旋槳功能和結構特點及其對發動機的影響，從槳葉材料、變距機構、安裝形式和控制系統方面，結合某型渦槳發動機的研制需求，提供了螺旋槳的初步選型意見。

參考文獻

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