两类涡轮螺旋桨发动机的差异

蓝 琼

两类涡轮螺旋桨发动机的差异

蓝 琼

根据航空发动机原理，结合发动机使用经验，本文对单轴式涡桨发动机及自由涡轮式涡桨发动机进行了对比，分析两类涡桨发动机各自的优势。

纵观航空发动机的发展历程，最先出现的是活塞发动机，活塞发动机使人类第一次真正实现了飞天梦。发动机功率大致与飞行速度的三次方成正比，因此随着飞机速度的提高，飞行阻力随速度平方增大，所需的发动机功率迅速增加，从而导致发动机重量迅速增大，无法满足飞机对重量的限制。另一方面，当飞行速度接近800km/h时，螺旋桨的桨尖速度已接近声速，形成激波和振动会导致螺旋桨工作不稳定，效率急剧下降。1939年9月27日，随着装有燃气涡轮喷气发动机的飞机在德国首次试飞成功，航空燃气涡轮发动机给人类带来了飞行速度上的质的飞越。航空发动机技术不断发展，时至今日，航空燃气涡轮发动机已分出许多类型，性能也较70几年前大有提高。现有航空燃气涡轮发动机的主要类型有：涡喷发动机、涡扇发动机、涡桨发动机、涡轴发动机及桨扇发动机等。

涡桨发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同，是以螺旋桨旋转时所产生的推力或拉力作为飞机前进的动力。同活塞发动机+螺旋桨相比，涡桨发动机有许多优点。首先，它的功率更大，功重比也大，最大功率可超过10000 HP，功重比为4以上，而活塞发动机最大不过三四千马力，功重比为2左右。其次，由于减少了运动部件，尤其是没有做往复运动的活塞，涡桨发动机的稳定性好，噪声小，寿命长，维修费用也较低。而且，由于核心部分采用燃气发生器，涡桨发动机的适用高度和速度范围都要比活塞发动机高得多。在耗油方面，二者相差不多，但涡桨发动机所使用的煤油要比活塞发动机的汽油便宜。目前最有代表性的涡桨发动机有单轴式与自由涡轮式两种。

单轴式涡桨发动机指的是螺旋桨与压气机共用同一驱动轴，由于螺旋桨需要在较低的转速下旋转，在驱动轴与螺旋桨之间配有减速齿轴箱，不同的发动机配备不同减速比的齿轴箱。单轴式涡桨发动机的基本结构如图1所示。

而在自由涡轮式涡桨发动机中，螺旋桨的驱动涡轮与压气机的驱动涡轮是不一样的，而且两个涡轮之间没有机械连接。驱动螺旋桨的涡轮一般被称为自由涡轮或动力涡轮，自由涡轮由燃气来推动，再经减速齿轴箱减速后带动螺旋桨。自由涡轴式涡桨发动机的基本结构如图2所示。

两类涡桨发动机各有优劣，下面将简单的对其进行对比分析。

图1　单轴式涡桨发动机基本结构

图2　自由涡轮式涡桨发动机基本结构

图3　单轴发动机常规结构

尺寸重量

在同等输出轴功率级别下，由于增加了自由涡轮，自由涡轮发动机要比单轴发动机重10％左右。而在外形尺寸上，单轴发动机有更大的优势。图1为单轴发动机的基本结构，在工程设计制造时，发动机厂家会把减速齿轴箱布置在压气机的前上方或前下方，一方面可以减少发动机的轴向尺寸，另一方面也方便发动机进行道的设计。如图3所示。

自由涡轮发动机的常规结构如图4所示。

图4　自由涡轮发动机常规结构

效率及响应速度

由于自由涡轮是由燃气驱动的，与燃气发生器没有机械连接，因此，自由涡轮发动机的效率要比单轴发动机的稍低，同时，对比图3及图4可知，自由涡轮发动机的压气机布置在发动机后端，空气从进气道进入后需转180°才能进入压气机，导致进气损失偏大。反映到燃油经济性上，在输出轴功率相当的前提下，自由涡轮发动机的燃油消耗率（SFC，lb/shp/h）较单轴发动机的高约6％～10％。另一方面，由于自由涡轮是靠燃气驱动的，因此在飞行员想改变发动机状态时，自由涡轮发动机将会有一定的延迟，例如从慢车到最大起飞功率，飞行员完成推杆动作后，大概得经过3s左右发动机才能到达所需的最大起飞功率状态，在响应速度上，单轴发动机有着几乎无延迟的优势。

启动特性

在地面启动时，自由涡轮发动机所需的扭矩更小。这是因为自由涡轮在启动过程中仅需将燃气发生器转子（包括压气机及其涡轮）带动到点火转速，而单轴发动机在此过程中还需带动发动机前端的螺旋桨及减速齿轮箱。因此，在小飞机上，一般只需给自由涡轮发动机配备一块启动用的蓄电池而需要给单轴发动机配备两块。

在飞行中进行发动机再启动时，自由涡轮发动机的再启动包线更广。自由涡轮发动机在飞行中进行再启动时可有两种模式，风车启动及启动发电机启动，而单轴发动机只能通过风车启动。风车启动指的是，涡桨发动机空中熄火后，由于螺旋桨的旋转为风车状态，发动机转子也随螺旋桨一起转动，如飞行高度和速度在厂家允许的包线内，可根据需要进行点火启动。而空中的启动发电机启动与地面正常启动程序一样。

噪声及进气道设计

图3中单轴发动机的压气机在发动机前端，直接对着进气道，而图4中的自由涡轮发动机的压气机在发动机后端。因此如果单轴发动机进气道不进行消声设计，发动机运行时压气机的噪声将直接传到机体外。自由涡轮发动机在噪声控制方面显然要好于单轴发动机。

对于发动机进气道的设计，单轴发动机的进气道基本上已为发动机自带，而且由于该进气道位于减速齿轮箱的下方（或上方），齿轮箱工作时处于高温的滑油为进气的防冰提供了热量，但是由于压气机暴露在进气气流下，发动机对外来物损伤（FOD）的抵抗能力较弱。

涡轮维护性

自由涡轮发动机的涡轮维护性较单轴发动机的简便。

发动机厂家根据自由涡轮的位置，在两级涡轮（自由涡轮与压气机涡轮）之间设计成可方便拆卸的法兰连接，当发动机需要进行热部件检查时只需把发动机自由涡轮及前端的减速齿轮箱拆下即可，有时甚至不需要从飞机上拆下发动机。

发动机的安装及布置

在飞机生产厂家进行发动机选型时，除考虑发动机功率、功重比、燃油经济性、性能参数、安全可靠性等外，还需根据自身飞机空间限制选择合适的发动机。

单轴发动机在外形尺寸上具有较大的优势，这不仅仅是因为发动机的轴向及径向尺寸，还与发动机进、排气系统有关。进气系统在上文已有介绍，此处就不再赘述。

从图3可见，单轴发动机的排气段在发动机后端，在排气系统设计时有很多方案可选 ，可设计成单排气管或双排气管，排气方向也可根据需要进行选择。另外，由于排气管中可能产生火花或火星，从夜航时对飞行员视线的影响方面考虑，单轴发动机排气系统的设计显然更容易避开飞行员视线。

综合上述及工程使用经验，表1为单轴发动机与自由涡轮发动机的对比。

表1　

当然，两类发动机各有优劣，不仅取决于发动机结构特性，还与发动机的制造装配工艺有很大关系，在进行发动机选型时需要结合自身需要综合考虑各项因素，以选择最合适的发动机。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.09.009