[科普中国]-螺旋桨-风扇技术

简介

螺旋桨风扇发动机是一种介于涡轮风扇发动机和涡轮螺旋桨发动机之间的一种发动机形式，其目标是将前者的高速性能和后者的经济性结合起来。

按有无涵道，可分为开式转子和涵道转子两类；按有无减速器，可分为带减速器和无减速器两类；按涵道比值大小，可分为涵道比为40~50或更高的桨扇发动机以及涵道比为20左右的超高涵道比桨扇发动机。安装在飞机尾部的螺旋桨风扇发动机为推进式的，安装在机翼前部的为拉进式的。由螺旋桨风扇、减速器(涡轮直接带动的无减速器)、压气饥、燃烧室、涡轮及喷管等组成。螺旋桨风扇是先进的超音速叶型、大后掠、短宽犁的多桨叶的推进器，分为带桨罩的和不带桨罩的、单排的及双排对转的。

螺旋桨风扇发动机是由涡轮螺旋桨发动机发展而来的，它融合了先进的螺旋桨技术与现代的涡轮风扇技术，兼具涡桨和涡扇发动机两者的优点，经济性好，燃料消耗率比现代涡轮风扇发动机低20%以上，适于高亚音速(马赫数为0.8~0.9)飞行。此种发动机的研制始于20世纪70年代，90年代取得重大进展，如乌克兰研制的D-27型螺旋桨风扇发动机已于1994年底在安-70运输机上进行试飞。其后发展迅速。可供民用客机选用的螺旋桨风扇发动机有GE.36UDF和PW-Allison-578DX、HK-93等。1

螺旋桨风扇发动机的结构原理螺旋桨风扇发动机由燃气发生器和一副螺旋桨-风扇(桨扇)组成。桨扇由涡轮驱动，无涵道外壳，装有减速器，从这些来看它有一点像螺旋桨；但是它的直径比普通螺旋桨小。叶片数目也多(一般有6~8叶)，叶片又薄又宽，而且前缘后掠，这些又有些类似于风扇叶片。其结构原理如右图所示。

根据涡轮风扇发动机的原理，在飞行速度不变的情况下，涵道比越高，推进效率就越高，因此现代新型不加力涡轮风扇发动机的涵道比越来越大，已经接近了结构所能承受的极限；而去掉了涵道的涡轮螺旋桨发动机尽管效率较高，但由于螺旋桨的速度限制无法应用于马赫数0.8~0.95的现代高亚声速大型宽体客机，应用螺旋桨风扇技术的螺旋桨风扇发动机的概念则应运而生。

由于无涵道外壳，螺旋桨风扇发动机的涵道比可以很大，达到100，这是涡轮风扇发动机所望尘莫及的，将其应用于飞机上，可将高空巡航耗油率较目前高涵道比轮风扇发动机降低15%左右。

同涡轮螺旋桨发动机相比，螺旋桨风扇发动机的可用速度又高很多，这是由它们叶片形状不同所决定的。普通螺旋桨叶片的叶型厚度大以保证强度，弯度大以保证升力系数，从剖面来看，这种叶型实际上就是典型的低速飞机的机翼剖面形状，它在低速情况下效率很高，但一旦接近声速，效率就急剧下降，因此装有涡轮螺旋桨发动机的飞机速度限制在马赫数 0.6~0.65左右；而螺旋桨-风扇的既宽且薄、前缘尖锐并带有后掠的叶型则类似于超声速机翼的剖面形状，这种叶型的跨声速性能就要好得多。在飞行速度为马赫数0.8时仍有良好的推进效率，是目前新型发动机中最有希望的一种。

当然，螺桨风扇发动机也有其缺点，由于转速较高，产生的振动和噪声也较大，这对舒适性有严格要求的客机来讲是一个难题。另外，暴露在空气中的螺旋桨-风扇的气动设计也是目前研究的难点所在。2

HK-93桨扇发动机HK-93桨扇发动机生产厂商为俄罗斯国营萨马拉“劳动”科研生产联合体，装机对象为伊尔-96M和图-204旅客机。HK-93是当今世界上最大的一种桨扇发动机。其三转子齿轮传动对转涵道桨扇方案是在中央航空流体力学研究院、中央航空发动机研究院和一些飞机设计局的参与下，对燃油效率、起飞推力级和发动机在飞机上的布局等进行了大量的研究基础上提出来的。

发动机参数研究开始于1985年，研究结果表明，两级对转涵道桨扇的推进效率比开式桨扇和单级高涵道比涡扇发动机高出7%。1988年开始初步设计，1989年12月，第一台发动机(包括燃气发生器和桨扇)投入试验。此时已积累近600 h的高压转子和燃气发生器运转试验。至1991年8月1日共积累1 300 h部件和整机试验，1993年又达到2 500 h。飞行试验计划于1994年在伊尔-76飞机上装一台HK-93发动机开始进行。发动机的定型后批生产计划于1997年开始。

HK-93发动机的研制吸取了该设计局以前的许多发动机的技术和经验，如HK-12涡桨发动机的大功率减速器。NK-321加力涡扇发动机的风扇传动方案、HK-62开式桨扇、HK-63涵道桨扇和HK-110开式桨扇验证机及其AB-90型桨叶的经验。

为了达到排气污染和噪声标准，在研制中进行了大量试验。该联合体在1987~1992年对燃烧室进行了920次试验，采用双区多喷嘴燃烧室方案，1994年HK-93的氧化氮排放量低于国际民航组织的标准25%。在消声方面，采用适度的叶片切线速度和级压比、宽弦长马刀形叶片、大的叶片排间轴向距离和消声内衬等措施。试验结果表明这些措施是有效的。2