渦輪螺旋槳發動機

通用电气T64涡桨发动机,左侧为螺旋桨,中间为减速器和附件,右侧为涡轮机

渦輪螺旋槳發動機(英語:Turboprop Engines,簡稱渦槳發動機[1])是一種驱动飛機螺旋桨的燃氣渦輪發動機。

涡桨发动机主要由进气道、减速器、压气机、燃烧室、涡轮及推进喷管等部分组成[2]。空气经进气道进入发动机后,首先在压气机中被压缩;随后,航空煤油在燃烧室内与压缩空气混合并燃烧,形成高温高压的燃气。该燃气在涡轮级中膨胀做功,在排气过程中释放能量,并最终经涡轮排出[3]。

涡轮产生的功一部分用于驱动压气机和发电机,另一部分经减速器传递,用以驱动螺旋桨以产生推力。与涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机不同,涡桨发动机输出的大部分功用于驱动螺旋桨,而排出气流所提供的推力仅占总推力的一小部分[3]。

技术

渦槳發動機工作示意图

涡桨发动机通过牺牲排气喷流所提供的推力来获取轴输出功,具体方式是在燃气膨胀过程中提取超出维持压气机功率的额外功率。由于在涡轮系统中发生了额外的气体膨胀,排气喷流中所剩余的动能会明显降低[4][5][6]。因此,排气喷流产生的推力通常仅约占发动机总推力的10%[7]。 在低空速的条件下,螺旋桨提供的推力占比较高;而随着空速的增加,螺旋桨推力在总推力中的占比逐渐降低[8]。涡桨发动机具有极高的涵道比,可达50–100[9][10]。但与涡轮风扇发动机相比,其涵道结构不如后者集中[11][12]。

普惠PT6是一款常見的渦槳發動機

螺旋桨通过减速器与涡轮相连,减速器将涡轮输出的高转速、低扭矩转换为适合螺旋桨工作的低转速、高扭矩[13]。根据动力传递结构的不同,涡桨发动机主要分为自由式涡轮和固定轴式两种基本构型。

在自由式涡轮发动机(如普惠PT6)中,驱动螺旋桨的动力涡轮与燃气发生器之间无刚性连接,可独立旋转;这种构型在螺旋桨受损时可保护燃气发生器,且有利于维修和地面启动[14]。相比之下,固定轴式发动机(如霍尼韦尔TPE331)的减速器、涡轮与燃气发生器共轴连接,结构更为紧凑[15]。

涡桨发动机通常采用类似于大型飞机活塞发动机的恒速螺旋桨,但其对控制系统的要求更高[3]。这是因为涡轮发动机对动力输入的反应较慢,所以螺旋桨需具有更大桨距调节范围,以实现推力的快速变化[16]。

螺旋桨通常具有两种模式:α模式用于飞行操作,β模式则用于地面操作。其还配备有多个螺旋桨调速器:主调速器、超速调速器和燃油限制调速器。调速器通常还会集成β模式的控制装置,以协调桨距变化与发动机输出[16]。

相比涡轮风扇发动机的小直径风扇,涡桨发动机的螺旋桨直径大,在低空速下能以较小速度加速大量空气,从而提高效率和降低油耗[17][18]。但当桨叶尖端气流接近音速时,其效率会急剧下降,因此涡桨发动机通常用于空速不超过0.6–0.7马赫的飞机[4][5][6]。

历史

涡轮螺旋桨发动机的发展源于20世纪20年代对高效压气机与燃气轮机的研究。1926年,艾伦·阿诺德·格里菲斯发表了关于轴流压气机设计的奠基性论文;随后,英国皇家航空研究院开展了基于轴流压气机驱动螺旋桨的相关研究。与此同时,弗兰克·惠特尔则致力于以离心式压气机为基础、主要依靠喷气的发动机方案[19]。

世界上最早的涡轮螺旋桨发动机由匈牙利工程师詹德拉西克·吉乔治设计并制造[20]。其在1930年代完成了多次实验性验证,但受限于当时的材料与燃烧技术,发动机未能进入实用阶段,且因战争原因于1941年终止[21][22]。

应用

C-130运输机是一种涡桨运输机

与涡轮风扇发动机相比,涡桨发动机在飞行速度低于约0.8马赫时效率较高,因为此时螺旋桨和排气喷流的速度相对较低[9]。现代涡轮螺旋桨客机的巡航速度与小型支线喷气客机接近,但每乘客平均燃油消耗量仅为后者的约三分之二[23]。

与活塞发动机相比,涡桨发动机具有更高的功率重量比和更强的可靠性,使其在短跑道起降和偏远地区飞行中具有明显优势,比如搭载涡桨发动机的飞机常用于丛林地区[24]。但其初始成本、维护费用和燃油消耗都相对较高。

比奇空中国王和超级空中国王是著名的涡桨公务机

涡桨发动机主要用于小型亚音速飞机,但也有少数用于高速和大型飞机,比如图波列夫Tu-114、图波列夫Tu-95、洛克希德L-188伊莱克特拉以及空中客车A400M运输机。

截至2017年,应用最广泛的涡轮螺旋桨客机包括:ATR 42/72、庞巴迪Dash 8 Q400、庞巴迪Dash 8 100/200/300系列、比奇1900、DHC-6双水獭以及萨博340[25]。公务机领域的代表机型有派珀PA-46 子午线、索卡达TBM、皮拉图斯PC-12、前进商务飞机 P.180 Avanti和比奇空中国王,全球共计约14311架[26]。

可靠性

涡轮螺旋桨飞机具有较高的可靠性。以澳洲运输安全局2012–2016年的统计为例:统计的总飞行时长超过了140万小时,其中观察到年均约发生83起事件,其中仅少数涉及发动机故障或计划外着陆,并造成轻微伤害[27]。


现役发动机

以下是现役涡桨发动机表格[28]:

制造商 国家 发动机型号 干重(千克) 起飞功率(千瓦) 主要应用机型
欧桨国际 多国联合 TP400-D6 1800 8203 空中客车A400M
通用电气 美国 CT7-5A 365 1294
通用电气 美国 CT7-9 365 1447 CASA/IPTN CN-235、Let L-610、萨博340、苏霍伊Su-80
通用电气 美国 / 捷克 H80系列[29] 200 550–625 Thrush Model 510、Let 410NG、Let L-410 Turbolet UVP-E、领航150、Nextant G90XT
通用电气 美国 T64-P4D 538 2535 G.222、德哈维兰加拿大DHC-5水牛、川崎P-2J
霍尼韦尔 美国 TPE331系列 150–275 478–1650 Aero/Rockwell Turbo Commander 680/690/840/960/1000、安东诺夫An-38、艾尔斯Thrush、捷流31/32、捷流41、CASA C-212 飛天車、塞斯纳441 Conquest II、多尼尔228、MQ-9收割者、格鲁曼Ag Cat、三菱MU-2、北美罗克韦尔OV-10野马、派珀PA-42夏安、RUAG 228NG,肖特SC-7空中货车、肖特巨嘴鸟、史威灵默林、费尔柴尔德梅特罗,HTT-40
霍尼韦尔 美国 LTP 101-700 147 522 空中拖拉机 AT-302、比亚乔P.166
阿维亚科尔(俄語:ОАО Авиако́р) 俄罗斯 NK-12MV 1900 11033 安东诺夫An-22、图波列夫Tu-95、图波列夫Tu-114
进步设计局 乌克兰 TV3-117VMA-SB2 560 1864 安东诺夫An-140
克里莫夫 俄罗斯 TV7-117S 530 2100 伊尔-112、伊尔-114
伊夫琴科-进步设计局 乌克兰 AI20M 1040 2940 安东诺夫An-12、安东诺夫An-32、伊尔-18
伊夫琴科-进步设计局 乌克兰 AI24T 600 1880 安东诺夫An-24、安东诺夫An-26、安东诺夫An-30
LHTEC 美国 LHTEC T800 517 2013 艾尔斯 LM200 Loadmaster(未投产)
鄂木斯克发动机制造设计局 俄罗斯 TVD-20 240 1081 安东诺夫An-3、安东诺夫An-38
普惠 加拿大 PT-6系列 149–260 430–1500 空中拖拉机AT-502,空中拖拉机AT-602、空中拖拉机AT-802、比奇99、比奇空中国王、比奇超级空中国王、比奇1900、T-6德州人II、塞斯纳208、塞斯纳425、德哈维兰加拿大DHC-6、运-12、巴西航空工业EMB 110、Let L-410、P.180 Avanti、皮拉图斯PC-6、皮拉图斯PC-12、派珀PA-42、派珀PA-46-500TP马利布·子午线、肖特360、索卡达TBM700、索卡达TBM850、索卡达TBM900、A-29超级巨嘴鸟
普惠 加拿大 PW120 418 1491 ATR 42-300/320
普惠 加拿大 PW121 425 1603 ATR 42-300/320、庞巴迪Dash 8 Q100
普惠 加拿大 PW123 C/D 450 1603 庞巴迪Dash 8 Q300
普惠 加拿大 PW126 C/D 450 1950 BAe ATP
普惠 加拿大 PW127 481 2051 ATR 72
普惠 加拿大 PW150A 717 3781 庞巴迪Dash 8 Q400
波兰国家航空工厂(PZL) 波兰 TWD-10B 230 754 PZL M28
雷宾斯克 俄罗斯 TVD-1500S 240 1044 苏霍伊Su-80
雷宾斯克 俄罗斯 TVD-1500V 220 1156
罗尔斯·罗伊斯 英国 达特 Mk 536 569 1700 HS 748、福克F27、维克斯子爵
罗尔斯·罗伊斯 英国 泰恩 21 1085 4500 G.222,布雷盖1150大西洋,C-160
罗尔斯·罗伊斯 英国 250-B17 88.4 313 富士T-7、Britten-Norman涡轮 Islander、O&N 塞斯纳210、Soloy 塞斯纳206、Propjet 比奇富豪
罗尔斯·罗伊斯 英国 AllisonT56 828–880 3424–3910 P-3猎户座、E-2鹰眼、C-2灰狗、C-130大力神
罗尔斯·罗伊斯 英国 AE2100A 715.8 3095 萨博2000
罗尔斯·罗伊斯 英国 AE2100J 710 3424 新明和US-2
罗尔斯·罗伊斯 英国 AE2100D2、D3 702 3424 C-27J斯巴达人、洛克希德·马丁C-130J超级大力神
土星科研生产联合体 俄罗斯 TAL-34-1 178 809
透博梅卡(赛峰直升机发动机公司) 法国 阿赫尤 1D 111 313 TB 31 Omega
透博梅卡(赛峰直升机发动机公司) 法国 阿赫尤 2F 103 376
瓦尔特 捷克 M601系列[30] 200 560 Let L-410、Comp Air 10 XL、Comp Air 7、艾尔斯Thrush、多尼尔Do 28、Lancair Propjet、Let Z-37T、Let L-420、米亚西舍夫M-101T、PAC FU-24 Fletcher、Progress Rysachok、PZL-106渡鸦、PZL-130小鹰、SM-92T Turbo Finist
瓦尔特 捷克 M602A 570 1360 Let L-610
瓦尔特 捷克 M602B 480 1500

参见

参考文献

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外部链接