齿轮传动涡轮风扇发动机以及涡轮螺旋桨和桨扇发动机解析

陈光/文

齿轮传动的涡轮风扇发动机

20世纪90年代后期，美国普·惠公司提出了研制用减速器驱动风扇的PW8000高涵道比（涵道比为10.0）涡轮风扇发动机。

为什么低压涡轮要通过减速器来驱动风扇呢？这是因为当前在大推力、大涵道比的涡扇发动机中，风扇均由低压涡轮直接驱动，一般在风扇转子后还装有3~5级增压压气机转子，以增加发动机的总增压比及内涵的空气流量。

这种设计具有一个固有的缺点，那就是增压压气机、低压涡轮均未在它们的最佳转速下工作，使得发动机级数加多。

这是因为在高涵道比涡轮风扇发动机中，风扇直径很大，风扇转子转速低，由于风扇(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、低压涡轮均工作在低于它们的最佳工作转速下，因此为达到发动机总体的设计要求，只得增加增压压气机及低压涡轮的级数。

在三转子发动机中，风扇、中压压气机、高压压气机均在最佳转速下工作，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、增压压气机与风扇间装一个减速器，首先使前二者工作于它们的最佳转速，然后通过减速器，将转速降低到风扇的最佳转速来驱动风扇工作，这样这三个部件均工作于最佳转速下，自然使级数减少。

目前现役大型涡扇发动机中，尚没有采用减速器来传动风扇的。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、可靠地工作，在现有的技术条件下，是非常难作到的。

普.惠公司于80年代投资3.5亿美元，开展了一项用于传动风扇的减速器的发展、研究工作，目前已取得突破性的进展，研制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）。

图、普惠PW1000G齿轮传动发动机模型

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

传动效率高，不仅功率损失小，而且用于冷却、润滑齿轮传动装置的滑油温升仅为27℃，大大减少了用于冷却滑油的散热器的体积。这种减速器已被PW8000选用作为传动它的风扇的减速器，使PW8000成为大推力级发动机中第一种采用齿轮传动风扇的发动机。

今后，随着大功率、高转速的减速器逐步趋于完善，减速器传动风扇的高涵道比涡轮风扇发动机也将会得到发展。

图6-10、普·惠公司为齿轮传动发动机剖面图

涡轮螺旋桨发动机的特点

从前面的介绍可以看出，涡轮螺旋桨发动机是综合了涡轮喷气式和活塞式发动机的优点，又克服了这两种发动机的一些不足，适用于中速飞行的一种性能优良的发动机。

其主要特点在于，和涡轮喷气发动机一样比活塞式结构简单，没有往复运行零件、振动小；单位重量产生的功率大，具有活塞式发动机省油的特点，且使用煤油，较活塞式发动机更为经济；

具有涡轮喷气式发动机功率大、体积小的特点，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，飞行高度低（5000米以下）、飞行速度慢（600～800公里/小时），这是涡轮螺旋桨发动机的缺点。

判别涡轮螺旋桨发动机的性能好坏的依据是：功重比（发动机功率/发动机重量）越大，耗油率越小，其性能越好；反之则差。

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。

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音速飞行（即飞行速度大于800~900公里/小时），需发展新型的螺旋桨。

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。

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。

图、General Electric GE36

图6-18为美国通用电气公司与法国国营航空发动机研究制造公司合作研制的GE36桨扇发动机，由于螺旋桨（或称风扇）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”。

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。

图6-19、采用桨扇发动机的中程军用运输机安-70

但是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，这种发动机集涡桨发动机的高经济性和以前只有涡扇发动机才能达到的高速度性能等优点于一身。

当时给安-70定下的设计指标是，要能够运输陆军部队所有类型的机动装备，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，能够全天候全地域使用，机组人数为 2～3人等。

安-70最大载重47吨。其标准运输任务是携带20～35吨的物资、或300名携带随身武器的士兵、或206名伤病员，从简易机场起飞，以 750公里/小时的巡航速度飞行，航程可达到3800～7400公里。这个航程足以从英国本土飞到沙特阿拉伯，或从澳大利亚飞到大部分南太平洋地区。图6-19为在机场停留的安-70。

图6-20、D-27桨扇发动机

在苏联解体后，由俄罗斯和乌克兰两国联手继续研制，1995年12月16日在基辅进行了首飞。

虽然后来屡遭挫折，但研制工作一直紧锣密鼓地进行着，1997年开始的4年间，第2架试飞的安-70在各种气候和地域条件下完成了大量的试飞科目，结果证明安-70的总体设计是成功的，所测性能也都达到了设计要求。

并多次在国际性航展（包括2000年11月在我国珠海航展）上进行了飞行表演，给人们留下了深刻印象。它是世界上第一种成功使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“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。

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。

由于采用耗油率较低的桨扇发动机，安-70使用经济性特别好，省油、航程远是它的一个显著特点。

图、伊尔-76型运输机

例如，同样载货20吨，安-70的航程为7400公里，伊尔－76（前苏联于上世纪70年代中研制成功的性能较好的中、远程军、民用运输机，共生产了900余架）为7000公里，而前者仅耗油40吨，后者则需要耗油80吨，其航程还差400公里。