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效率奇高的浆扇发动机为何只有一种飞机在用?

航空发动机分很多种,其中有一种,叫做浆扇发动机,它的耗油率很低,但是世界上目前只有一种运输机在用,这是为什么呢?其原理又是什么?

什么是核心机?

要想了解桨扇发动机的原理,我们得从“核心机”开始,虽然航空发动机种类很多,但是它们基本上都是由核心机演变而来的。

上图是“涡轮喷气发动机”,简称“涡喷发动机”。可以看到,它主要由5部分组成,其中,压气机、燃烧室和涡轮机是技术含量最高,同时也是最关键的3个部分。所以,人们又把“压气机、燃烧室和涡轮机”称为核心机。

把核心机做不同的改装,就成了不同种类的航空发动机。现在,我们就来“改装”一下。

上图是“涡轮风扇发动机”的简单示意图,简称“涡扇发动机”。可以看到,它是在核心机的基础上,也就是在压气机的前面加了一个大风扇得来的。

从图上可知,涡扇发动机有两个空气通道,这就涉及到了涵道的概念。军迷们对涵道比较了解,但大部分人还是不清楚,咱们就简单说说涵道,以及涵道比。

涡扇发动机的两个空气通道分别为中间的一个,喷出来的主要是高温燃气,而外面一圈的为第二个空气通道。喷出来的是温度相对较低的气流。

因此,如上图,里面的称为内涵道,外面的称为外涵道。而涵道比,就很容易理解了,它是外涵道与内涵道空气流量的比值。

通常有这样的规律,涵道比越大越省油,经济性就越好,高涵道比的发动机在低于音速(亚音速)时有非常好的能效,通常用于客机、运输机等。

既然涵道比越大越省油,那么我们很容易想到一个好办法,那就是把前面的风扇再继续做大一些,像下面这种:

上图是把核心机的轴延伸出来,外加一个变速齿轮,然后接上一个更大的风扇,于是,它成了“涡轮螺旋桨发动机”,简称“涡桨发动机”。比如下图的“C-130”大力神运输机,就是使用涡桨发动机。

还有我国的“运-8”运输机也是采用涡桨发动机。

以及俄罗斯的战略轰炸机“图-95”,同样也是采用涡桨发动机,等等。

虽然,涡桨发动机的燃油效率通常要高于涡轮风扇发动机,但是,使用涡桨发动机的飞机速度跟使用涡轮风扇发动机的飞机比起来,要低。原因有两点:

一是,涡桨发动机风扇的叶片比较大,这带来的后果是,转速不能太快。这不难理解,相同转速下,叶片越长,叶尖的速度就越大。如果不限制转速,当涡桨发动机的叶片接近音速时,就会导致音障的发生,产生的激波降低了发动机的效率。也正因此,绝大部分涡桨飞机的最佳速度通常在700千米每小时,但一些发动机设计新颖的飞机除外,比如俄罗斯的Tu-95和Tu-142重型飞机。可以接近音速飞行,大约926千米每小时。

二是,因为涡轮转速很快,如果比较大的螺旋桨直接按照这个转速旋转,估计会崩溃,所以涡轮与螺桨之间需要有一个变速齿轮,以此降低螺桨转速,使其叶端不超过音速。这个变速齿轮一是增加了重量,二是多少会带来一些功率上的损耗。

为了解决以上问题,即获得速度更快耗油率又很低的发动机,各航空大国从上个世纪就开始投入财力研制这样一种发动机,这就是浆扇发动机。

上图是浆扇发动机的动画示意图。燃油燃烧产生的动力绝大部分用来吹动后面的桨叶,这是浆扇发动机燃油经济很卓越的原因之一。本质上,我们可以把其看成是涵道比超高的涡轮喷气发动机。跟涡扇发动机相比,它少了变速齿轮,即少了一个减速器,结构更加紧凑。

浆扇发动机的叶片转速很高,这就要求其叶片短小,但叶片短小的话必然动力不足,为此,只有增加更多的叶片。所以,我们看到的浆扇发动机,大都是这样子。

上图是“安-70”运输机上使用的D-27浆扇发动机。“安-70”运输机由乌克兰与俄罗斯共同研制开发。这种飞机因为使用了浆扇发动机,推力足,同时燃油经济性好,与同类型的军用运输机相比,其货仓设计得更大,可以直接运载直升机等大型武器。

在接受乌克兰《航空时代》杂志采访时,负责研制“安-70”的设计局总经理别林斯基说,同样一批装备,安-70只需90架次就可以运完,而C-130J用50架次只能运完21%的装备,伊尔-76MD用60架次也只能运完62.5%的装备。这样一来,在需要快速反应的局部冲突中,只需动用安-70就能应付全部运输任务了,而C-130J和伊尔-76MD无法单独胜任,必须有更大的运输机提供支援。

优点与缺点

上世纪七八十年代,美、英、法等国家都开展了桨扇发动机的研究工作。而美国通用电气公司曾在一架飞机上,使用两种发动机进行对比试飞,结果,使用桨扇发动机时油耗下降了49%。虽然只是试验,现实中,浆扇发动机的油耗经济性难以高出这么多,但不管怎样,这告诉我们一个事实,浆扇发动机的油耗很小。装配浆扇发动机的安-70,其以最大巡航速度飞行时,油耗比现役运输机上使用的涡喷发动机要少20%~30%。

油耗经济性好,只是一方面,它的另一个优点是,推力大,能让飞机以更快速度飞行。

然而,万事万物都有两面性,同理,每一种发动机都有其优点,也必然会有其不足之处。浆扇发动机的最大缺点是,噪声比较大。这让其难以在客机上进行推广,因为航空公司追求的是低噪音,然后才是省油。

加上浆扇发动机研制较晚,跟其他种类的发动机相比,它在技术上还有待发展,还没有达到炉火纯青的地步,所以目前,只有安-70运输机使用浆扇发动机。

但是,不管浆扇发动机未来如何,我们都应该乐见其成,因为它代表了唯一,代表了发动机研制上的不同道路。

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