渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)史

文/錢(qián)錕 李怡然

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)史

文/錢(qián)錕 李怡然

起源

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作最早可追溯到二戰(zhàn)之前，早在1930年，英國(guó)皇家空軍技術(shù)軍官弗朗克·惠特爾爵士（ Frank Whittle）就率先提出了渦輪噴氣式推進(jìn)的概念，從而被公認(rèn)為“現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)之父”?；萏貭柕膰姎馐桨l(fā)動(dòng)機(jī)理念先進(jìn)，但是推進(jìn)效率非常低下，名不見(jiàn)經(jīng)傳的匈牙利工程師雅各·簡(jiǎn)德拉斯克（Gy rgy Jendrassik）在惠特爾的研究基礎(chǔ)之上，提出了一個(gè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)概念——渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，他的思路是：若噴氣式飛機(jī)的飛行速度一定，要提高噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率，就要盡量加大噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流量（即簡(jiǎn)單理解為在同等發(fā)動(dòng)機(jī)功率的條件下盡量推動(dòng)更多的空氣），這樣就可降低噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度和飛行速度的差值，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率。如能在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上裝一副由渦輪驅(qū)動(dòng)的螺旋槳就可以有效加大噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面，大幅增加噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流量，并能降低噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度，從而顯著提高噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率，這就是今天的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的最初雛形，按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的觀點(diǎn)看，也可將渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)理解為外涵道（或者說(shuō)涵道比）無(wú)限大的渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

雅各·簡(jiǎn)德拉斯克根據(jù)自己的研究成果，于1937年設(shè)計(jì)了世界上第一種渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)CS-1，并用自己的名字給新發(fā)動(dòng)機(jī)命名，據(jù)推算CS-1功率達(dá)到294千瓦。1940年，雅各·簡(jiǎn)德拉斯克的CS-1渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了地面試車(chē)，并計(jì)劃裝在匈牙利國(guó)產(chǎn)Varga RMI-1 X/H型雙發(fā)偵察/轟炸機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。但隨著二戰(zhàn)的爆發(fā)，匈牙利被綁上納粹德國(guó)的戰(zhàn)車(chē)，CS-1渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展被迫取消。

世界上第一種渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)CS-1

萌芽

二戰(zhàn)中，渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)得到了迅猛的發(fā)展，在1945年二戰(zhàn)結(jié)束前夕，德國(guó)已經(jīng)有13種噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了飛行，其中發(fā)展最為成熟、走得最遠(yuǎn)的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也被公認(rèn)為是現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)鼻祖的就是容克斯公司的Jumo-004發(fā)動(dòng)機(jī)，Jumo-004是世界上最早投入使用的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，也是最早使用的軸流式噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。世界上第一種投入實(shí)戰(zhàn)的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me-262所使用的就是Jumo-004發(fā)動(dòng)機(jī)。在整個(gè)戰(zhàn)爭(zhēng)期間，德國(guó)一共生產(chǎn)了6000余臺(tái)各型Jumo-004發(fā)動(dòng)機(jī)，用以裝備Me-262戰(zhàn)斗機(jī)，AR-234轟炸機(jī)，GO-229飛翼機(jī)，Ta-183戰(zhàn)斗機(jī)等。

二戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)和蘇聯(lián)的戰(zhàn)后第一代戰(zhàn)斗機(jī)所使用的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)都是以Jumo-004為藍(lán)本進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

Jumo-004發(fā)動(dòng)機(jī)是革命性的，但是缺點(diǎn)也十分突出：使用壽命短（Jumo-004B-1為20小時(shí)）、推進(jìn)效率低、油耗大（Me-262的最大航程只有區(qū)區(qū)1000千米，作戰(zhàn)半徑400千米左右）。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了Me-262戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)效能發(fā)揮。為了克服這些問(wèn)題，德國(guó)工程師開(kāi)始在Jumo-004的基礎(chǔ)上研究渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)方案，最主要的改進(jìn)措施是將Jumo-004的1級(jí)渦輪變成2級(jí)渦輪，并降低渦輪的轉(zhuǎn)速（從8700轉(zhuǎn)/分降低到5000轉(zhuǎn)/分），并通過(guò)減速齒輪使兩個(gè)渦輪的轉(zhuǎn)速不同，并驅(qū)動(dòng)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)速較快的渦輪用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，而轉(zhuǎn)速較慢的渦輪通過(guò)減速齒輪減速后用于驅(qū)動(dòng)兩副對(duì)轉(zhuǎn)的螺旋槳，這樣不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體推進(jìn)效率，還通過(guò)降低轉(zhuǎn)速減小了渦輪的磨損，延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。其他改進(jìn)措施還包括將Jumo-004的壓氣機(jī)級(jí)數(shù)從8級(jí)增加到11級(jí)，以此來(lái)提升壓氣機(jī)的空氣壓縮效率，同時(shí)還將Jumo-004的燃燒室數(shù)量從6個(gè)增至8個(gè)來(lái)提升燃料的燃燒效率等。通過(guò)以上改進(jìn)，德國(guó)空軍的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)Jumo-022誕生了。

Jumo-022是德國(guó)空軍夢(mèng)寐以求的革命性發(fā)動(dòng)機(jī)，功率達(dá)到3677千瓦。但隨著德國(guó)的戰(zhàn)敗，蘇聯(lián)全盤(pán)接收了Jumo-022的技術(shù)資料和研制人員，蘇聯(lián)庫(kù)茲涅佐夫設(shè)計(jì)局（Kuznetsov）將Jumo-022放大，研制出了11032千瓦的NK-12巨型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，并成功應(yīng)用于圖-95“熊”戰(zhàn)略轟炸機(jī)、安-22軍用運(yùn)輸機(jī)和圖-114民用運(yùn)輸機(jī)上。

而位于烏克蘭的伊伏琴柯設(shè)計(jì)局（Ivchenko）則繼續(xù)改進(jìn)Jumo-022，并研制出了安-12運(yùn)輸機(jī)（運(yùn)8）上使用的Al20（渦槳6）發(fā)動(dòng)機(jī)，Al20發(fā)動(dòng)機(jī)的縮小版就是安-24（運(yùn)7）上使用的Al24（渦槳5）。

德國(guó)空軍的另一個(gè)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目是戴姆勒·奔馳公司的DB·021項(xiàng)目，DB·021渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)源于亨克爾公司的HeS-011渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，即利用HeS-011的渦輪驅(qū)動(dòng)一幅六葉螺旋槳，來(lái)提高推進(jìn)效率。DB·021可大幅提升德國(guó)空軍噴氣式作戰(zhàn)飛機(jī)的性能。一旦DB·021研制成功，Me-262在飛行速度不大幅下降的前提下，航程可提升2倍以上，作戰(zhàn)半徑能夠提高到近1000千米。在DB·021投產(chǎn)前，德國(guó)工程師就計(jì)劃在Me-262的基礎(chǔ)上發(fā)展多種先進(jìn)渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)作戰(zhàn)飛機(jī)，包括先進(jìn)的高空戰(zhàn)斗機(jī)、截?fù)魴C(jī)、海上巡邏機(jī)、中程轟炸機(jī)、對(duì)地攻擊機(jī)、多用途偵察機(jī)等，同時(shí)Me-262的作戰(zhàn)效能也將大幅提升，但這些圖紙飛機(jī)都隨著納粹德國(guó)的快速崩潰而灰飛煙滅。

現(xiàn)代噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)鼻祖——容克斯公司的Jumo-004（上）和現(xiàn)代渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)鼻祖——容克斯公司的Jumo-022（下）

容克斯公司Jumo-022的異國(guó)后代NK-12巨型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)

DB·021渦輪螺旋槳?jiǎng)恿χ鼗鹆負(fù)魴C(jī)

DB·021渦輪螺旋槳?jiǎng)恿Ω呖諔?zhàn)斗機(jī)

DB·021渦輪螺旋槳?jiǎng)恿χ谐剔Z炸機(jī)

DB·021渦輪螺旋槳?jiǎng)恿Ｉ涎策墮C(jī)

DB·021渦輪螺旋槳?jiǎng)恿Χ嘤猛緜刹鞕C(jī)

成長(zhǎng)

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)在民用飛機(jī)上的成功應(yīng)用最初興起于戰(zhàn)后的英國(guó)，1942年，英國(guó)開(kāi)始研制本國(guó)第一臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)羅爾斯·羅伊斯的RB·50“遄達(dá)”（Trent），RB·50的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在“德溫特”（Derwent）離心式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（格洛斯特“流星”戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力）轉(zhuǎn)軸前端裝上由渦輪和減速齒輪盒驅(qū)動(dòng)的5葉螺旋槳（直接來(lái)自“超級(jí)海噴火”戰(zhàn)斗機(jī)的螺旋槳），堪稱(chēng)噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合的怪胎。RB·50于1944年6月首次運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)633小時(shí)試車(chē)后于1945年9月20日安裝在格羅斯特“流星”戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行了試飛，并進(jìn)行了298小時(shí)飛行試驗(yàn)，最終研制成功。

RB·50是世界上第一種投入使用的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展的RB·53更是在商業(yè)上大獲成功，而以RB·53為動(dòng)力的維克斯公司“子爵”飛機(jī)成為了世界上第一架渦輪螺旋槳?jiǎng)恿蜋C(jī)。RB·53渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)天生就具有眾多優(yōu)點(diǎn)：功率大、功重比大、功重比高。另外由于減少了運(yùn)動(dòng)部件，尤其是沒(méi)有做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞，渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好、噪聲小、工作壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用也較低，而且渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的適用高度范圍和適用速度范圍都要比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)高很多。因此“子爵”飛機(jī)和同期的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)客機(jī)（例如美國(guó)道格拉斯公司的DC-6、DC-7以及波音公司的波音377）相比，優(yōu)勢(shì)明顯?！白泳簟憋w機(jī)速度更快，可達(dá)每小時(shí)576千米；“子爵”飛機(jī)可飛得更高，使巡航高度處在平流層，讓旅客乘坐更舒適。這兩大優(yōu)勢(shì)使“子爵”投入使用后很受歡迎，就連中國(guó)也于1963年購(gòu)買(mǎi)了6架。

RB·50可以說(shuō)是噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和活塞螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合的怪胎

在格羅斯特“流星”戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行試飛的RB·50（右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)，順槳狀態(tài)）

渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理示意圖

普惠加拿大公司的PW150渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)

興起

20世紀(jì)60年代，因螺旋槳在最大功率、尺寸和飛行速度方面的限制，在大型飛機(jī)上渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)逐步被渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)所取代，但在中小型運(yùn)輸機(jī)和通用飛機(jī)上仍有一席之地。

與航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)相比，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)具有功重比大、迎風(fēng)面積小、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著飛行高度的增加，其性能更為優(yōu)越；與渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它又具有耗油率低、起飛推力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的這些特點(diǎn)對(duì)于往返于中小型機(jī)場(chǎng)甚至簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)的短、中程運(yùn)輸飛機(jī)和通用飛機(jī)（飛行速度400～800千米/時(shí)）來(lái)說(shuō)是非常適宜的。

其中加拿大普惠公司的PT6A發(fā)動(dòng)機(jī)是典型代表，40年來(lái)，這個(gè)功率范圍350～1100千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)系列已發(fā)展出30多個(gè)改型，用于144個(gè)國(guó)家的近百種飛機(jī)，共生產(chǎn)了3萬(wàn)多臺(tái)。

而美國(guó)早在1956年就裝備了自己的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)T56/501，用于C-130運(yùn)輸機(jī)、P-3C反潛巡邏機(jī)和E-2C預(yù)警機(jī)，并大獲成功。T56/501系列渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)至今共生產(chǎn)了17000多臺(tái)，出口到50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。

在20世紀(jì)70—80年代，由于爆發(fā)了兩次石油危機(jī)，使得布倫特原油價(jià)格從1969年的11美元/桶暴漲到1981年的53美元/桶，這使得對(duì)能源價(jià)格極度敏感的航空公司的運(yùn)營(yíng)成本居高不下，而經(jīng)濟(jì)省油的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)再次獲得航空業(yè)界的青睞，并掀起了一陣性能上介于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)之間的“槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)熱”。一些著名的發(fā)動(dòng)機(jī)公司都在不同程度上進(jìn)行了試驗(yàn)，其中GE公司的無(wú)涵道風(fēng)扇（UDF）GE36曾進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，GE公司在同一架雙發(fā)麥道商用飛機(jī)MD81的尾部同時(shí)吊掛上GE36槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)和常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，使用不同的兩種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比試飛，結(jié)果，使用槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，飛機(jī)的油耗下降了49%，對(duì)比試飛結(jié)果非常驚人。

漿扇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是噪聲比較大。這讓其難以在客機(jī)上進(jìn)行推廣，因?yàn)楹娇展臼紫茸非蟮氖堑驮肼暎缓蟛攀鞘∮?。所以截至目前只有?70這一種運(yùn)輸機(jī)使用了槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的單位重量推力油耗（TSFC）是所有種類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)中最小的，經(jīng)濟(jì)性最好。而槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的TSFC介于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)之間

羅羅公司正在研究的兩轉(zhuǎn)子開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

空客公司的下一代150座單通道飛機(jī)A30X設(shè)計(jì)方案，開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)方案（下）和常規(guī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案（上）并駕齊驅(qū)

未來(lái)

而在能源價(jià)格大幅波動(dòng)的今天，渦槳飛機(jī)在支線(xiàn)飛機(jī)市場(chǎng)上仍有自己的一席之地。近年來(lái)，歐洲ATR公司和加拿大龐巴迪公司生產(chǎn)的ATR系列和Q系列渦槳?jiǎng)恿χЬ€(xiàn)客機(jī)的市場(chǎng)份額逐年上升，并有侵蝕噴氣式支線(xiàn)客機(jī)市場(chǎng)份額之勢(shì)。其原因就是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的單位重量推力油耗（TSFC）是所有種類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)中最小的，經(jīng)濟(jì)性最好。

渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的TSFC很小，效率高，但是使用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)飛行速度低（700千米/時(shí)以下，或者馬赫數(shù)0.65以下），原因是渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的葉片比較大，轉(zhuǎn)速不能太快，如果渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片接近聲速，就會(huì)導(dǎo)致聲障的發(fā)生，產(chǎn)生的激波會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。因此，一旦使用渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)飛行速度達(dá)到馬赫數(shù)0.65，其燃油效率便會(huì)急劇下降。

為了降低螺旋槳轉(zhuǎn)速，渦輪與螺旋槳之間需要有一個(gè)變速齒輪，使其葉端不超過(guò)聲速，這個(gè)變速齒輪一是增加了重量，二是帶來(lái)一些功率上的損耗。為了解決這個(gè)問(wèn)題，即獲得速度更快耗油率又很低的發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)GE、英國(guó)羅羅以及法國(guó)斯奈克瑪公司正在積極開(kāi)發(fā)“開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)”（槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)髦稱(chēng)呼），其應(yīng)用前景也不容小覷。

由于開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑小于渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的螺旋槳，但是又大于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇，因此在性能上可兼顧轉(zhuǎn)速和效率。開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片短小、葉片密度大，每片葉片的前后緣都設(shè)計(jì)成彎曲帶后掠角，可以很高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，它減少了變速齒輪，即少了一個(gè)減速器，結(jié)構(gòu)更加緊湊、效率更高。因此，開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的TSFC甚至比渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)還要高。本質(zhì)上，也可以把開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)看成是涵道比超高的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。使用開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)飛行速度較高（900千米/時(shí)以上，或者馬赫數(shù)0.8以上），適用于大型干線(xiàn)商用飛機(jī)。

例如，英國(guó)羅羅公司正在研究的兩轉(zhuǎn)子/三轉(zhuǎn)子開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率不僅比現(xiàn)有150座單通道客機(jī)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（CFM56系列）提高30%之多，而且和下一代150座單通道客機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（CFM公司的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)和普惠公司的GTF齒扇發(fā)動(dòng)機(jī)）相比，開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率仍然要高10%左右。因此，開(kāi)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)仍然是未來(lái)商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

編輯：趙靜蕊