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如今涡扇发动机技术已经很成熟,为何还有部分飞机使用螺旋桨发动

电脑版   2020-11-26 12:02  

如今涡扇发动机技术已经很成熟,为何还有部分飞机使用螺旋桨发动机?:说起来你可能不信,因为低亚音速下“螺旋桨”(涡桨)飞机更省油。现如今固定翼飞机使用的

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说起来你可能不信,因为低亚音速下“螺旋桨”(涡桨)飞机更省油。

现如今固定翼飞机使用的“螺旋桨”飞机已经不是以前那种星形活塞发动机驱动的螺旋桨飞机了,而是涡桨发动机。实际上涡桨发动机和涡扇喷气发动机用的是同一个热端,核心机都是一个涡轮发动机。


星形发动机在二战期间是各国螺旋桨发动机的标配,如今已经没有多少企业在研究,基本退出历史舞台;我们现在看到的螺旋桨发动机其实是涡桨发动机,原理和星形发动机有本质区别,几乎相当于模拟电路和数字电路的差别。下图是涡桨发动机结构:

涡桨发动机工作原理示意图,桨叶和涡轮发动机输出轴通过齿轮传动;

喷气式发动机从二战面世到现在,已经发展出了4个变体:涡轮喷气发动机、涡扇发动机、涡桨发动机和涡轴发动机。涡扇和涡桨的区别在于涡扇发动机依靠风扇旋转+尾喷口喷气获得推力,而涡桨发动机几乎只依赖涡桨旋转产生的推力,尾端喷气贡献的推力较小或者几乎没有。涡扇发动机进气道用的是一个叶片较多的大直径风扇,且有外涵道,外涵道(即内涵道到进气道风扇末端的这段距离)和内涵道比值通常小于1(bypass ratio),外涵道外部由一个外壳罩起来,外涵道用风扇划动空气产生推力,内涵道通过喷出高速的废气产生推力;而涡桨发动机,用的是桨形叶片,叶片瓣数少,通过减速齿轮与涡轮发动机相连,将废气推动燃气涡轮产生的动能输出转换为桨扇的动能,划动空气产生推力;而内涵道的废气几乎不产生推力。

涡轮风扇发动机

涡桨发动机,没有涡扇发动机那样的外壳形成外涵道

在低亚音速速模式下,燃气推动涡轮产生的主要能量都用来驱动桨叶旋转,从而产生推力。由桨叶尺寸较大,在低速模式下可以产生较大推力。为了使废气热能和动能尽量都转化为桨叶的动能,其燃气涡轮级数较涡轮喷气和涡扇喷气发动机要多,当废气排出时,反作用力已经非常小了。高效的推力转化能力使涡桨发动机的油耗较低。而当速度升高时,桨叶尖端首先超过音速,产生激波;空气此时无法附着在桨叶表面。桨叶将发生失速,使推力不升反降。

涡桨发动机与其他类型燃气涡轮的发动机对比,可见在低亚音速段效率高于任何一种发动机,超过一定速度后效率开始下降

所以为了尽量延迟桨叶尖端达到音速,需要在发动机输出轴和桨叶间加一级减速齿轮。根据减速齿轮的形式,可以导致两种涡桨发动机的形态,一种桨叶与涡轮同轴,一种是非同轴:

涡桨发动机可采用1组桨叶,也可采用2组对旋的桨叶

从以上特征我们知道,涡桨发动机十分适合用于起飞重量大,要求经济型,同时对最大速度要求不高的大型固定翼飞机使用。比如我们的运-8、运-9运输机、欧洲的AM400中型运输机、俄罗斯的图-95轰炸机和安-12,用的都是涡桨发动机。

这里值得拿出来一说的是俄罗斯的图-95轰炸机。它的涡桨发动机与其他的不同,其采用了比较巧妙的工作模式,在低速模式下,工作在涡桨发动机状态,即能量转化为桨叶的动能;而在高速状态,发动机转换为涡喷模式,桨叶停止旋转,仅靠喷出的废气产生推力。

被F-16拦截的Tu95,此时桨叶转速非常非常慢,肉眼可见,靠的是涡轮喷气产生推力

涡桨发动机还有个比较像的兄弟,叫桨扇发动机。桨扇发动机与涡桨发动机最大的不同是其没有减速齿轮,涡轮发动机输出轴与桨扇直接相连,因此桨扇的转速非常高,这要求其外形设计与涡桨不同,一半采用2个对旋的桨扇与涡轮同轴安装。在低速时。桨扇发动机相当于一个外涵道无限大的涡扇发动机。在低速时与涡桨发动机表现相同,高速时则与涡扇发动机的表现几乎相同。这种发动机兼顾了涡桨的经济性和涡扇的高速性能。不过目前世界上唯一投入使用的桨扇发动机就是D-27,搭载在安-70运输机上。

安-70桨扇发动机

通用研制的实验型号桨扇发动机

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回答这个问题前,首先得纠正一下,现代飞机上使用的螺旋桨发动机可未必都是二战时期的那种活塞式发动机,而是涡桨发动机。涡桨发动机其核心机其实就是一台涡喷发动机,只不过不再是向后方喷口喷射高速高压高温气体来获取反作用的推力,而是通过驱动后部的涡轮叶片,将其转化成为旋转机械能输出,配合前端的减速齿轮来带动螺旋桨旋转,从而实现推力的产生。

涡桨发动机+螺旋桨这样的动力系统和涡扇发动机动力系统相比,各有各的特点和专长,都算是现代航空发动机,这一点和技术落后并没什么关系。

涡桨发动机+螺旋桨由于需要通过螺旋桨来产生推力,而螺旋桨的性能受到桨尖马赫数的限制,因此这种动力系统更适合于低速飞行;况且螺旋桨的推力产生机理是基于空气动力学,气动效率方面在同等推力条件下,涡桨发动机的燃油消耗要小于涡喷或涡扇发动机。

正因为如此,涡桨发动机+螺旋桨的动力系统在当今领域中,主要应用在三种机型上:

1、支线客机或者大载客量的通航客机,这是涡桨发动机在民用领域最为主流的应用机型,可以发挥涡桨发动机好维护、省油的特性,又可以满足动力需求,毕竟涡桨发动机的动力输出强度远高于活塞发动机。典型支线客机应用产品比如国产的新舟60;

通航类客机应用案例比如美国塞斯纳公司的208B“大篷车”飞机。

2、中型运输机;这是涡桨发动机在军用飞机领域的主流应用方式,一般都是集中在双发/四发的中型、轻型运输机上,比如C-130、安-24等机型。低速推力输出大,油耗相对更低,有利于提高运输机的航程。

3、大型远程轰炸机。

在轰炸机上的应用,涡桨发动机如今和涡扇发动机相比,并不占优势,但是在上个世纪五十年代,轰炸机应用涡桨发动机主要是为了降低油耗,延长航程。最经典的应用案例就是图-95轰炸机了。不过现在轰炸机基本上都是涡扇动力为主了。

——问题就回答到这里了——

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(图片来自互联网公开图片,如侵则删。

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同样是螺旋桨飞机,但是内涵却大不一样。二战的螺旋桨飞机用的是活塞发动机,也叫作行星或者星形发动机,这种发动机类似于现代汽车的多缸式发动机,一般都有4个以上的活塞,多的可达8个左右,其原理和汽车发动机类似,不同的活塞有不同的行程节奏,带动螺旋桨叶旋转。


但是这种经典的发动机并不能产生更大的推力,在二战之后由于技术的发展已经进入极限,其能量转化率低的特点暴露无遗,如果继续使用,那么带动一架100多吨的运输机,恐怕发动机的个头得两三层楼那么大了,显然已经进入了边际效应区和死胡同。现代螺旋桨发动机则是一种叫做涡桨发动机的螺旋桨发动机。


现代涡桨发动机本质上也是一台燃气涡轮发动机,一般都是使用涡喷发动机改造,原本得涡喷发动机是利用燃烧室内得高温气体排出产生推力,而涡桨发动机不同,虽然都是涡轮发动机,但是他等于把燃烧室内产生得能量转化为了桨叶转动得能量,由于桨叶旋转得动力方式可以通过增加桨叶的长度或者改变设计来提高推力,因此飞机可以获得比涡轮本身产生的推力更大的推力。


涡桨发动机比涡喷发动机的低速性能更好,飞行更加平稳,全程也更加省油,有利于将军用飞机的航程半径提高,在那些不是很追求速度的飞机上,则可以保证飞机在低速状态下的平稳度,有利于以此发展反潜飞机、巡逻飞机、警戒飞机、预警飞机和轰炸机、运输机等机种,典型的例子就是俄罗斯的图95熊式轰炸机和我国的高新系列电子战机。

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谢邀!

准备好一大堆资料和图片回答一下这个问题,重在参与、不求名利……

当代航空工业发展和技术运用讲究“物实”、军民用运输机机体大小不同使用也不一样。

以军用运输机为例分战术运输机和战略运输机之分。战争虽然是典型的消耗一切资源的、战争经济学也必须考量一番。以当今飞机的动力分涡喷发动机、涡扇发动机以及涡桨发动机三大类。

涡轮螺旋桨发动机最经济。中短程运输机都采用此类发动机。涡轮螺旋桨发动机燃油消耗低、经济性强、对低速运输机更加实用。甚至于像欧盟联合研发的中远程运输机“M400”运输机也采用4 发涡桨式发动机作为动力最佳选项。

战术运输机大多数都是选择经济实惠的涡轮螺旋桨发动机。

典型的像:An2/运5轻型运输机、美国的“C130-大力士”运输机、安12/y12/运9运输机。欧洲的“M400”/俄罗斯/乌克兰的安70以及将来的中国“运30”运输机、不可比取替……

涡轮轴发动机为动力的运输机/民用客机将越来越受欢迎和推广。










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现在螺旋桨大多由涡桨发动机驱动,用什么发动机要结合飞机的速度和需要的动力,在低速情况下螺旋桨推进效率最高,但是在高速中高速涡扇会好一些,如果要把飞机开到1马赫以上那就得选涡喷或者冲压发动机了。

同等条件下,飞机推进效率和参与推进的空气质量成正比。螺旋桨飞机可以让更多空气参与到推进过程中,涡扇次之,涡喷最小。但是,飞机一旦达到高速,螺旋桨推进横截面过大风阻更大反而影响了飞机推进效率。还有飞机一旦超音速,气体的很多参数造成的影响将会反转,比如在亚音速情况下流体速度和通道横截面积成反比,而超音速情况下确恰恰相反。

所以,并不是螺旋桨已经过时了,而是飞机需要一个什么动力或者什么杨的速度,才选什么样的推进方式。




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现代航空动力主要是涡桨发动机和涡扇发动机,其次是活塞式螺旋桨发动机。

涡轮螺旋桨发动机和涡轮喷气发动机/涡轮风扇发动机使用相同的燃烧和发电概念:燃烧燃料使涡轮旋转。

喷气发动机的涡轮最大化加热空气由喷口部分产生向后的推力推动飞机前进。

涡轮螺旋桨发动机的高速涡轮带动齿轮组件,以较低的速度驱动大功率螺旋桨反作用于空气产生推力。



比起纯喷气发动机,涡轮螺旋桨发动机更受青睐的主要原因是涡轮螺旋桨发动机在比喷气发动机在更慢的飞行速度下提供更大的功率和更高的效率。



这就引出了一个问题,为什么飞机机身是为功能或目标设计的,因此具有特定的形状,然后决定了它的空气动力学(从而决定了最佳速度)。商用客机是为相对较轻的负载和大量的座位空间而设计的,对速度有一定的要求,但对燃油效率有明确的考虑。打算运载大截面货物的飞机不能以更快的速度飞行,因此涡轮螺旋桨发动机将更合适。



除了涡轮螺旋桨发动机的经济优势外,特别是对于较小的飞机和较短的航程,涡轮螺旋桨发动机比喷气式发动机噪音小,由于高温冶金,成本低于喷气发动机(材料成本和维护)和燃料消耗对有效载荷的环境化学影响最小。

相比之下,由往复式活塞驱动的飞机发动机在技术上更简单,购买成本更低,但噪音比涡轮发动机更大,效率也更低,尤其是随着飞机尺寸的增加,情况更严重。欧美通用航空的普通民用飞机使用活塞式螺旋桨发动机较多,既有一定的航速,也具备经济性。

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英国MetroVick公司1943年发明涡扇发动机的时候就得出了一个至今适用的真理:

同样燃油消耗率下,以较慢的速度向后推动更多的空气,获得的推力,必定大于以较快的速度向后推动更少的空气。

1944年超级马林设计论证了一架垂直起降战斗机,技术报告No.4040。

No.4040采用的仅仅是一个活塞式的格里芬61发动机,尚不是涡桨发动机(尽管同一个项目里也考虑了涡桨),格里芬61的发动机功率现实中最高跑到2200马力上下,当时超级马林公司采用的是2500马力的估测值,使用直径19英尺的2x4叶共轴反转螺旋桨,静态推力(static thrust,即俗称的拉力)达到15000磅力,66.72kN。

这是一个什么概念?

1台2500马力的活塞发动机,提供的静态推力,和鹞式的原型机霍克西德利P.1127“红隼”所使用的飞马5发动机,一模一样!

推力一样的情况下,活塞发动机比涡扇发动机的燃油消耗率低得多。

Pegasus 5发动机,最大推力15000磅力时,燃油消耗率约0.76lb/lbf/hr,计算得1小时耗油11400磅;

格里芬61发动机,估测最高功率2500马力时,燃油消耗率0.50lb/hp/hr,计算得1小时耗油1250磅。

同样推力下,耗油量相差近一个数量级。

以上。

当然,图表里也可以看到——静止时15000磅的静态推力,随着速度增加,下降得多快。

BTW,这是韦斯特兰WE-02垂直起降客机

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螺旋桨不是低级地代名词,相反很多时候螺旋桨比涡扇发动机好用,首先用螺旋桨的飞机现在分为两种,一种是用活塞发动机的,这个简单皮实耐用,便宜,家用或者农业用的比较多。还有一种是涡桨发动机,其实这个和涡扇发动机差不多,只是把风扇做大了放在了最外面,这种飞机的好处时省油。

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再次纠正中国专家因无知而产生的错误叫法,这已经成为一个国家的悲哀,中国科技有很多牛头不对马嘴,还没有入门。比如,log分明是递数,硬是扭曲为对数。

一战以后,世界只有轴喷,没有涡喷。涡喷得有涡管、一种渐开式结构,如耳形。进一步,得有离心式压气机。无论专家多权威,敢叫涡喷都是外行人。

釆用什么类型发动机与使用效率有关,任何效率,脱离使用条件都是瞎扯淡。理论上,喷气速度与飞行速度越接近,使用效率越高。客机正常速度0.8马赫,并不适用于轴喷,更适合桨叶。

选用轴喷,主要出于结构简单,免维护时间也更长,加之噪音小一些。但效率略低。悲哀的是,囯内叫螺旋桨为涡浆。仍然不知道这个涡从何来。

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在低速低空,螺旋桨飞机更省油,涡轮喷气发动机作为喷气引擎,大涵道比涡轮风扇发动机应用于民航,适用飞行范围与螺旋桨飞机相当,但是价格昂贵,适用于大飞机。螺旋桨飞机适用于,短途的支线客机,公务机等。

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