齿轮传动涡轮电扇发动机以及涡轮螺旋桨和桨扇发动机解析陈光谈航发38

  20世纪90年代后期，美国普惠公司提出了研发用减速器驱动电扇的PW8000高涵道比（涵道比为10.0）涡轮电扇发动机。

  为什么低压涡轮要经过减速器来驱动电扇呢？这是因为其时在大推力、大涵道比的涡扇发动机中，电扇均由低压涡轮直接驱动，一般在电扇转子后还装有3~5级增压压气机转子，以添加发动机的总增压等到内在的空气流量。

  这种规划具有一个固有的缺陷，那就是增压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下作业，使得发动机级数加多。

  这是因为在高涵道比涡轮电扇发动机中，电扇直径很大，电扇转子转速低，因为电扇(加上增压压气机)是由低压涡轮直接驱动的，因而使增压压气机、低压涡轮均作业在低于它们的最佳作业转速下，因而为到达发动机整体的规划的基本要求，只得添加增压压气机及低压涡轮的级数。

  在三转子发动机中，电扇、中压压气机、高压压气机均在最佳转速下作业，因而使它的级数比双转子发动机的少。

  如果在双转子发动机中，在低压涡轮、增压压气机与电扇间装一个减速器，首要使前二者作业于它们的最佳转速，然后经过减速器，将转速降低到电扇的最佳转速来驱动电扇作业，这样这三个部件均作业于最佳转速下，天然使级数削减。

  现在现役大型涡扇发动机中，尚没有选用减速器来传动电扇的。这是因为这种减速器需在高的输入转速(10000 转/分左右)、高的传动功率(30000~40000 kW以上)下安全、可靠地作业，在现有的技能条件下，是十分难作到的。

  普.惠公司于80年代出资3.5亿美元，展开了一项用于传动电扇的减速器的展开、研讨作业，现在已获得突破性的展开，研发成了一台传动功率为23860 kW (32000马力)、减速比约为3:1(输入转速9160转/分，输出转速3250转/分)的减速器（图6-10）。

  据普惠公司称，该减速器具有体积小(外径仅为0.457米)、分量轻(约640公斤, 即每100马力重0.98公斤)、可靠性高、传动功率高达99.5%等特色。

  传动功率高，不只功率丢失小，而且用于冷却、光滑齿轮传动装置的滑油温升仅为27℃，大幅度削减了用于冷却滑油的散热器的体积。这种减速器已被PW8000选用作为传动它的电扇的减速器，使PW8000成为大推力级发动机中第一种选用齿轮传动电扇的发动机。

  往后，跟着大功率、高转速的减速器逐渐趋于完善，减速器传动电扇的高涵道比涡轮电扇发动机也将会得到展开。

  早年面的介绍能够精确的看出，涡轮螺旋桨发动机是归纳了涡轮喷气式和活塞式发动机的长处，又克服了这两种发动机的一些缺乏，适用于中速飞翔的一种功能优秀的发动机。

  其主要特色在于，和涡轮喷气发动机相同比活塞式结构相对比较简单，没有往复运转零件、振荡小；单位分量发生的功率大，具有活塞式发动机省油的特色，且运用火油，较活塞式发动机更为经济；

  具有涡轮喷气式发动机功率大、体积小的特色，单台功率可比最大的航空活塞式发动机大数倍。

  装涡轮螺旋桨发动机的飞机，飞翔高度低（5000米以下）、飞翔速度慢（600～800公里/小时），这是涡轮螺旋桨发动机的缺陷。

  判别涡轮螺旋桨发动机的功能好坏的根据是：功重比（发动机功率/发动机分量）越大，耗油率越小，其功能越好；反之则差。

  尽管涡轮螺旋桨发动机在低速飞翔时，有较低的耗油率，经济性好，但跟着飞翔速度的添加，螺桨功率将变低，耗油率则添加。

  在上世纪70年代后期，航空界开端大力研发新式的、称为“桨扇”的发动机，以缓解其时面对的石油危机对航空运送业带来的冲击。

  桨扇发动机望文生义，它是一种既具有涡轮螺旋桨发动机耗油低、又具有涡轮电扇发动机适于高速飞翔特色的发动机。为了使桨扇发动机适于高亚音速飞翔（即飞翔速度大于800~900公里/小时），需展开新式的螺旋桨。

  新式螺旋桨由两个旋转方向相反的螺旋桨在一起作业，螺旋桨的桨叶较多（一般为6～8片），每片桨叶形状较宽，曲折然后掠呈马刀形。

  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，但大于涡轮电扇发动机的电扇直径。

  初期规划时，两排螺旋桨的叶片数一般均选用8片，但前、后排叶片对气流的扰动会激起较大的噪声，在后来的规划中的将两排叶片取不同的片数。

  图6-18为美国通用电气公司与法国公营航空发动机研讨制作公司协作研发的GE36桨扇发动机，因为螺旋桨（或称电扇）外不像高涵道比涡轮电扇发动机有一个外涵机匣，因而又称此种发动机为“无涵道电扇（UDF）发动机”。

  因为桨扇发动机噪声、振荡及减速器功能差，特别是没有外涵机匣，运用安全性没有确保等问题未能得到很好的处理，加之国际燃油的价格不只没有如想像那样飞涨，反而有回落的趋势，因而在西方国家一向未将其投入到正常的运用中。例如，美国通用电气公司与法国公营航空发动机研讨制作公司虽为研发GE90一起出资了10亿美元，也不得不抛弃而置之不理。

  可是前苏联坚持不懈地展开将桨扇发动机应用到军用运送机上的研发作业，而且已获得了较好的成果。

  安-70是前苏联于1988年开端研发的、选用桨扇发动机为动力的中程军用运送机，这种发动机集涡桨发动机的高经济性和曾经只要涡扇发动机才能够做到的高速度功能等长处于一身。

  其时给安-70定下的规划目标是，要能够运送陆军部队一切类型的机动配备，速度快，经济性好，能够在低等级水泥跑道和长600～900米的土质跑道上起降，能够全天候全地域运用，机组人数为 2～3人等。

  安-70最大载重47吨。其规范运送使命是带着20～35吨的物资、或300名带着随身兵器的战士、或206名伤病员，从简易机场起飞，以 750公里/小时的巡航速度飞翔，航程可到达3800～7400公里。这个航程足以从英国本乡飞到沙特阿拉伯，或从澳大利亚飞到大部分南太平洋区域。图6-19为在机场逗留的安-70。

  在苏联崩溃后，由俄罗斯和乌克兰两国联手持续研发，1995年12月16日在基辅进行了首飞。

  尽管后来屡遭波折，但研发作业一向紧锣密鼓地进行着，1997年开端的4年间，第2架试飞的安-70在各式各样的气候和地域条件下完成了很多的试飞科目，成果证明安-70的整体规划是成功的，所测功能也都到达了规划要求。

  并屡次在国际性航展（包含2000年11月在我国珠海航展）前进行了飞翔扮演，给人们留下了深刻印象。它是国际上第一种成功运用桨扇发动机的飞机。

  安-70所装的四台D-27桨扇发动机（图6-20）单台功率为10400 kW（14150马力），由乌克兰扎巴罗热“前进”发动机规划局、俄罗斯中心巴拉诺夫航空发动机制作研讨所和茹科夫斯基空气流体动力学研讨所联合研发。

  发动机的燃油耗费率极低，在巡航状态下只要0.174公斤／千瓦小时，以最大巡航速度飞翔时，其油耗与现代运送机上运用的涡喷射动机比较要低20％至30％。

  与D-27发动机匹配的CB-27同轴对转螺桨电扇由全复合材料制成，直径4.5米。每副螺桨电扇由同轴串在一起、转向相反的两个螺桨电扇组成，前面一个8片桨叶，后边一个6片桨叶。

  这种规划能够轻松又有用推迟气流别离（桨叶失速），且噪声小，其推动功率高达90％。桨叶成半圆形，展弦比小，厚度薄，呈后掠形，能够有显着效果地推迟桨尖呈现激波。尽管CB-27螺桨电扇的桨盘直径只要一般螺旋桨的一半，但其功率载荷是现代高效螺旋桨功率载荷的5倍。

  因为选用耗油率较低的桨扇发动机，安-70运用经济性特别好，省油、航程远是它的一个显著特色。

  例如，相同载货20吨，安-70的航程为7400公里，伊尔－76（前苏联于上世纪70年代中研发成功的功能较好的中、长途军、民用运送机，共出产了900余架）为7000公里，而前者仅耗油40吨，后者则需求耗油80吨，其航程还差400公里。