低油耗高功率 桨扇发动机为什么那么牛?

    核心提示:虽然涡轮螺旋桨发动机在低速飞行时,有较低的耗油率,经济性好,但随着飞行速度的增加,螺桨效率将变低,耗油率则增加。


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D-27桨扇发动机

虽然涡轮螺旋桨发动机在低速飞行时,有较低的耗油率,经济性好,但随着飞行速度的增加,螺桨效率将变低,耗油率则增加。

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1981年在NASA的路易斯研究中心实验桨扇发动机

在上世纪70年代后期,航空界开始大力研制新型的、称为“桨扇”的发动机,以缓解当时面临的石油危机对航空运输业带来的冲击。桨扇发动机顾名思义,它是一种既具有涡轮螺旋桨发动机耗油低、又具有涡轮风扇发动机适于高速飞行特点的发动机。为了使桨扇发动机适于高亚声速飞行(即飞行速度大于800-900公里/小时),需发展新型的螺旋桨。

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桨扇发动机由于螺旋桨直径较大,不适于安装在下单翼飞机下方。

新型螺旋桨由两个旋转方向相反的螺旋桨在一起工作,螺旋桨的桨叶较多(一般为6~8片),每片桨叶形状较宽,弯曲而后掠呈马刀形。桨扇发动机的螺旋桨直径小于涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨直径,但大于涡轮风扇发动机的风扇直径。

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初期设计时,两排螺旋桨的叶片数一般均采用8片,但前、后排叶片对气流的扰动会激起较大的噪声,在后来的设计中的将两排叶片取不同的片数。由于桨扇外不像高涵道比涡轮风扇发动机有一个外涵机匣,因此又称此种发动机为“无涵道风扇(UDF)发动机”。

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无涵道风扇(UDF)发动机剖面图

由于桨扇发动机噪声、振动及减速器性能差,特别是没有外涵机匣,使用安全性没有保证等问题未能得到很好的解决,加之世界燃油的价格不仅没有如想像那样飞涨,反而有回落的趋势,因而在西方国家一直未将其投入使用。例如,美国通用电气公司与法国国营航空发动机研究制造公司虽为研制GE90共同投资了10亿美元,也不得不放弃而束之高阁。

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装配车间里的GE 90发动机

但是俄罗斯(前苏联)始终不懈地开展将桨扇发动机应用到军用运输机上的研制工作,并且已取得了较好的结果。安-70是前苏联于1988年开始研制的、采用桨扇发动机为动力的中程军用运输机,其所装的四台D-27桨扇发动机单台功率为10400kW(14150马力),由乌克兰扎巴罗热“进步”发动机设计局、俄罗斯中央巴拉诺夫航空发动机制造研究所和茹科夫斯基空气流体动力学研究所联合研制。

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安装4台D-27桨扇发动机的安-70

该发动机的燃油消耗率极低,在巡航状态下只有0.174公斤/千瓦·小时。以最大巡航速度飞行时,其油耗与现代运输机上使用的涡喷发动机相比要低20%至30%。

与D-27发动机匹配的CB-27同轴对转螺桨风扇由全复合材料制成,直径4.5米。每副螺桨风扇由同轴串在一起、转向相反的两个螺桨风扇组成,前面一个8片桨叶,后面一个6片桨叶。这种设计可以有效延缓气流分离(桨叶失速),且噪声小,其推进效率高达90%。桨叶成半圆形,展弦比小,厚度薄,呈后掠形,能够有效延缓桨尖出现激波。虽然CB-27螺桨风扇的桨盘直径只有普通螺旋桨的一半,但其功率载荷是现代高效螺旋桨功率载荷的5倍。


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95919000:2017-12-12 12:38:37