噴氣式飛機出現70多年了,為何有一部分飛機還在使用「螺旋槳」?

2020-11-24 騰訊網

說起來你可能不信，在低亞音速下，「螺旋槳」（渦槳）飛機更省油。

現如今固定翼飛機使用的「螺旋槳」飛機已經不是以前那種星形活塞發動機驅動的螺旋槳飛機了，而是渦槳發動機。實際上渦槳發動機和渦扇噴氣發動機用的是同一個熱端，核心機都是一個渦輪發動機。

星形發動機在二戰期間是各國螺旋槳發動機的標配，如今已經沒有多少企業在研究，基本退出歷史舞臺；我們現在看到的螺旋槳發動機其實是渦槳發動機，原理和星形發動機有本質區別，幾乎相當於模擬電路和數字電路的差別。下圖是渦槳發動機結構：

渦槳發動機工作原理示意圖，槳葉和渦輪發動機輸出軸通過齒輪傳動；

噴氣式發動機從二戰面世到現在，已經發展出了4個變體：渦輪噴氣發動機、渦扇發動機、渦槳發動機和渦軸發動機。渦扇和渦槳的區別在於渦扇發動機依靠風扇旋轉+尾噴口噴氣獲得推力，而渦槳發動機幾乎只依賴渦槳旋轉產生的推力，尾端噴氣貢獻的推力較小或者幾乎沒有。渦扇發動機進氣道用的是一個葉片較多的大直徑風扇，且有外涵道，外涵道（即內涵道到進氣道風扇末端的這段距離）和內涵道比值通常小於1（bypass ratio），外涵道外部由一個外殼罩起來，外涵道用風扇划動空氣產生推力，內涵道通過噴出高速的廢氣產生推力；而渦槳發動機，用的是槳形葉片，葉片瓣數少，通過減速齒輪與渦輪發動機相連，將廢氣推動燃氣渦輪產生的動能輸出轉換為槳扇的動能，划動空氣產生推力；而內涵道的廢氣幾乎不產生推力。

渦輪風扇發動機

渦槳發動機，沒有渦扇發動機那樣的外殼形成外涵道

在低亞音速速模式下，燃氣推動渦輪產生的主要能量都用來驅動槳葉旋轉，從而產生推力。由槳葉尺寸較大，在低速模式下可以產生較大推力。為了使廢氣熱能和動能儘量都轉化為槳葉的動能，其燃氣渦輪級數較渦輪噴氣和渦扇噴氣發動機要多，當廢氣排出時，反作用力已經非常小了。高效的推力轉化能力使渦槳發動機的油耗較低。而當速度升高時，槳葉尖端首先超過音速，產生激波；空氣此時無法附著在槳葉表面。槳葉將發生失速，使推力不升反降。

渦槳發動機與其他類型燃氣渦輪的發動機對比，可見在低亞音速段效率高於任何一種發動機

所以為了儘量延遲槳葉尖端達到音速，需要在發動機輸出軸和槳葉間加一級減速齒輪。根據減速齒輪的形式，可以導致兩種渦槳發動機的形態，一種槳葉與渦輪同軸，一種是非同軸：

渦槳發動機可採用1組槳葉，也可採用2組對旋的槳葉

從以上特徵我們知道，渦槳發動機十分適合用於起飛重量大，要求經濟型，同時對最大速度要求不高的大型固定翼飛機使用。比如我們的運-8、運-9運輸機、歐洲的AM400中型運輸機、俄羅斯的圖-95轟炸機和安-12，用的都是渦槳發動機。

這裡值得拿出來一說的是俄羅斯的圖-95轟炸機。它的渦槳發動機與其他的不同，其採用了比較巧妙的工作模式，在低速模式下，工作在渦槳發動機狀態，即能量轉化為槳葉的動能；而在高速狀態，發動機轉換為渦噴模式，槳葉停止旋轉，僅靠噴出的廢氣產生推力。

渦槳發動機還有個比較像的兄弟，叫槳扇發動機。槳扇發動機與渦槳發動機最大的不同是其沒有減速齒輪，渦輪發動機輸出軸與槳扇直接相連，因此槳扇的轉速非常高，這要求其外形設計與渦槳不同，一般採用2個對旋的槳扇與渦輪同軸安裝。在低速時。槳扇發動機相當於一個外涵道無限大的渦扇發動機。在低速時與渦槳發動機表現相同，高速時則與渦扇發動機的表現幾乎相同。這種發動機兼顧了渦槳的經濟性和渦扇的高速性能。不過目前世界上唯一投入使用的槳扇發動機就是D-27，搭載在安-70運輸機上。

安-70槳扇發動機

通用研製的實驗型號槳扇發動機

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