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航空发动机技术发展史

时间:2017-10-23 20:31来源:超天才网 作者:中国航空

2、涡轮螺旋桨发动机

涡轮螺桨发动机的驱动原理大致上与使用活塞发动机作为动力来源的传统螺旋桨飞机雷同,是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的推进力。燃气驱动涡轮高速旋转并发出一定功率,动力涡轮的前轴穿过核心机转子,通过压气机前的减速器驱动螺旋桨。涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨拉力占飞机推力的90%,排气推力不超过10%。

1942年,英国开始研制世界上第一台涡桨发动机曼巴。该机装在海军“塘鹅”舰载反潜飞机上。以后,英国、美国和前苏联陆续研制出多种涡桨发动机,如达特、T56、AI-20和AI-24。这些涡桨发动机的耗油率低,起飞推力大,装备了一些重要的运输机和轰炸机。美国在1956年服役的涡桨发动机T56/501,装于C-130运输机、P3-C侦察机和E-2C预警机。它的功率范围为2580~4414 kW,有多个军民用系列,出口到50多个国家和地区,是世界上生产数量最多的涡桨发动机之一,至今还在生产。前苏联的HK-12M的最大功率达11000kW,用于图-20"熊"式轰炸机、安-22军用运输机和图-114民用运输机。终因螺旋桨在吸收功率、尺寸和飞行速度方面的限制,在大型飞机上涡轮螺旋桨发动机逐步被涡轮风扇发动机所取代,但在中小型运输机和通用飞机上仍有一席之地。

 

涡轮螺桨发动机结构图

涡轮螺桨发动机非常适合在亚音速和环境恶劣下使用,其实运输机用涡扇也是亚音速,速度差不多的,但涡扇对跑到要求严格些,但涡扇推重比可以做的越来越大,螺旋桨不行。

螺旋桨发动机的优势如下:

其一是低空性能好,螺旋桨的性能会随高度增加而快速衰减,但是在低空时,空气密度大,螺旋桨工作效率高,因而对提高飞机起降能力有很大帮助,对于强调短距起降的C130战术运输机来说,这是个很大的优势。

其二是机场适应性好。由于螺旋桨发动机没有巨大的进气道,对跑道上的杂物不敏感,因而在野战机场甚至平坦空地起降时发动机不会吸入异物损坏。

其三是短途飞行经济性好。这一点也部分来自第一条,即螺旋桨动力低空性能优秀,飞机在爬升阶段油耗低,因而在中短途飞行时总油耗比较低,但是航程大到一定程度,由于高空巡航时螺旋桨效率大幅度减低,经济性又不突出了。目前看法是螺旋桨动力在1000公里以内航程时经济性优势明显,1500公里航程后基本持平,航程大于2500公里后,涡扇经济性优于螺旋桨动力,而C130作为一种中短程战术运输机,航程要求不是太高,螺旋桨动力较为合适,对于那些对航程要求比较大的运输机来说,则基本都选择涡扇了,比如C5、C17。

其四是螺旋桨发动机实现反推简单。通过调整桨叶角度实现反浆反推,可以大幅度缩短降落跑道长度,这对前线运输机来说也是很重要的,涡扇发动机的反推效率没螺旋桨高,实现起来难度也大一些。

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,涡桨发动机也有自身的缺点,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。

其原因有两点:

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。这是由于相同转速下,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700km/h,但一些发动机设计新颖的飞机除外,比如俄罗斯的图-95和图-142重型飞机。可以接近音速飞行,大约926km/h.

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。这个变速齿轮增加了整体发动的重量,多少会带来一些功率上的损耗。

3、涡轮风扇发动机

涡轮风扇发动机的设计理念是把涡轮螺桨发动机的螺桨包入机匣内的,防止在螺桨翼尖处产生声障的一种设计创新。

涡扇发动机的发展从民用发动机开始的。世界上第一台涡扇发动机是1959年定型的英国康维,推力为5730daN,用于VC-10、DC-8和波音707客机。涵道比有0.3和0.6两种,耗油率比同时期的涡喷发动机低10%~20%。1960年,美国在JT3C涡喷发动机的基础上改型研制成功JT3D涡扇发动机,推力超过7700daN,涵道比1.4,用于波音707和DC-8客机以及军用运输机。

 
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