上一篇游記中介紹了自己乘坐越南航空ATR-72的感受,在網友留言中學習到,原來這種飛機並不是我認為很老久的螺旋槳飛機,而是使用的是渦槳式發動機,換句話說,這也是渦輪發動機的一種。
其實噴氣式發動機也分渦輪噴氣(渦噴)發動機、渦輪風扇(渦扇)發動機和渦輪螺旋槳(渦槳)發動機。渦噴發動機把燃燒后的高速氣體直接噴出,由於出發動機的氣體也很快,所以熱效率較低——動能都被噴出去了。
而渦扇發動機就是為了提高熱效率的改進:氣體不是直接被噴出,而是通過內涵道推動風扇轉動,再由風扇轉動產生的氣體(流經外涵道)來推動飛機。
為了提高熱效率,就得不斷加大風扇直徑(加大外涵道直徑,或稱“加大涵道比”),最終,風扇大到發動機都放不下了,只好挪到外邊——這就成了渦槳發動機。某種意義上來講,渦槳發動機就是一個涵道比非常大的渦扇發動機。
渦槳發動機由螺旋槳和燃氣發生器組成,螺旋槳由渦輪帶動。由於螺旋槳的直徑較大,轉速要遠比渦輪低,只有大約1000轉/分,為使渦輪和螺旋槳都工作在正常的范圍內,需要在它們之間安裝一個減速器,將渦輪轉速降至十分之一左右后,才可驅動螺旋槳。這種減速器的負荷重,結構復雜,制造成本高,它的重量一般相當於壓氣機和渦輪的總重,作為發動機整體的一個部件,減速器在設計、制造和試驗中占有相當重要的地位。
渦槳發動機的螺旋槳后的空氣流就相當於渦輪風扇發動機的外涵道,由於螺旋槳的直徑比發動機大很多,氣流量也遠大於內涵道,因此這種發動機實際上相當於一台超大涵道比的渦輪風扇發動機。
盡管工作原理近似,但渦槳發動機和渦扇發動機在產生動力方面卻有着很大的不同,渦槳發動機的主要功率輸出方式為螺旋槳的軸功率,而尾噴管噴出的燃氣推力極小,只占總推力的5%左右,為了驅動大功率的螺旋槳,渦輪級數也比渦扇發動機要多,一般為2~6級。
同活塞式發動機加螺旋槳相比,渦槳發動機有很多優點。首先,它的功率大,功重比(功率/重量)也大,最大功率可超過10000馬力,功重比為4以上;而活塞式發動機最大不過三四千馬力,功重比2左右。其次,由於減少了運動部件,尤其是沒有做往復運動的活塞,渦槳發動機運轉穩定性好,噪音小,工作壽命長,維修費用也較低。而且,由於核心部分采用燃氣發生器,渦槳發動機的適用高度和速度范圍都要比活塞式發動機高很多。在耗油率方面,二者相差不多,但渦槳發動機所使用的煤油要比活塞式發動機的汽油便宜。
由於涵道比大,渦槳發動機在低速下效率要高於渦扇發動機,但受到螺旋槳效率的影響,它的適用速度不能太高,一般要小於900km/h。目前在中低速飛機或對低速性能有嚴格要求的巡邏、反潛或滅火等類型飛機中的到廣泛應用。
再摘抄一篇“大家航空”博客里面的文章:
一、什么是渦槳飛機
螺旋槳飛機,是指空氣通過螺旋槳將發動機的功率轉化為推進力的飛機。而裝有渦輪式發動機的螺旋槳飛機則被稱為渦輪螺旋槳飛機(簡稱:渦槳飛機)。
二、渦槳飛機發展歷程
1930年英國人惠特爾發明了第一台渦輪噴氣發動機,靠噴管高速噴出的燃氣產生反作用推力。渦輪噴氣發動機很快便以其強大的動力、優異的高速性能取代了老式活塞式發動機,成為戰斗機的首選動力裝置,並開始在其他飛機中得到應用。
隨着噴氣技術的發展,渦輪噴氣發動機的缺點也越來越突出,主要是在低速下耗油量大,效率較低,使飛機的航程變得很短。盡管這對於執行防空任務的高速戰斗機並不十分嚴重,但用在對經濟性有嚴格要求的亞音速民用運輸機上卻是不可接受的。
隨着航空燃氣渦輪技術的進步,人們在渦輪噴氣發動機的基礎上,又發展了多種發動機,如根據能量輸出形式的不同,有渦輪螺旋槳發動機、渦輪風扇發動機、渦輪軸發動機和螺槳風扇發動機等。
三、渦槳飛機與同類飛機的主要區別
目前,世界飛機主要選用渦輪螺旋槳式(渦槳)、渦輪噴氣式(渦噴)及渦輪風扇式(渦扇)發動機作為其動力裝置,這三類發動機工作原理及技術平台大致相同,都是靠燃氣推動渦輪葉片使空氣加壓燃燒的,其主要區別在於發動機的能量輸出形式不同,推力產生的方式不同。
主要靠渦輪帶動發動機外部槳葉攪動空氣的叫渦輪螺旋槳式,普遍應用於支線飛機及通用飛機領域(ATR、龐巴迪、新舟系列等);完全靠燃氣噴出反作用力推動的叫渦輪噴氣式,如現代戰斗機及部分大型客機(舊蘇聯的為代表);半靠噴氣半靠渦輪帶動發動機內部扇葉攪動空氣的叫渦輪風扇式,如現在普遍使用的歐美大型客機(波音、空客等)。
上述三種發動機通過外部特征也易於觀察:渦槳發動機最明顯,有螺旋槳(它與活塞式的區別是可看到顯著的進氣排氣口);渦噴發動機細長,戰斗機的后半身機身主要是它。還有一些大型飛機把它埋進翼根(如轟六),或垂尾根(如多種3發大型客機);渦扇發動機短粗,結構上相當於在渦噴外套了一個大整流風扇,在機場經常可以明顯觀察到扇葉的轉動。
四、渦槳飛機的優勢
民用客機主要選用渦輪螺旋槳式與渦輪風扇式兩類發動機。與渦扇飛機相比,渦槳飛機主要具有經濟性好、乘坐安全、舒適及更為環保等優點。
——更為經濟。主要體現在制造成本、使用成本和運營維護成本三方面。渦槳發動機通常比渦噴發動機構造簡單,易於制造與維護;使用方面,在500~600公里航線上,渦槳飛機每座運營成本較渦噴飛機低35%;而在500公里以內的航線上,渦槳飛機每座運營成本較渦噴飛機低40%以上。隨着近年燃油價格的持續走高,渦槳飛機燃油成本優勢明顯,已經受到越來越多支線航空運營商的青睞。
——更為安全。首先,渦槳飛機與渦扇飛機同處當代先進飛機行列,其設計與研制技術平台相同,制造工藝與材料選用相同,適航標准完全一致;其次,渦槳飛機速度較渦扇飛機低,機翼面積較大,起降性能好,飄降成功率高;由於渦扇飛機追求高速化,一般機翼面積較小,導致起飛速度高。一般說來,渦槳飛機除可以在標准的水泥跑道起降外,還能在土跑道、砂石跑道、草地機場及有雪覆蓋的跑道上起降,更為安全可靠。
——更為舒適。對乘客來講,飛機在爬升和降落階段,感覺會不太舒服。渦槳飛機爬升到有利巡航高度(4000~6000米)的時間較短,同樣從有利巡航高度下降到機場的時間也較短;渦扇飛機由於其有利巡航高度高(10000米)的特點,乘客在飛機起降階段不舒適感持續的時間相對較長。與此同時,由於渦槳飛機巡航高度相對較低,機艙所承受的內外壓力差也較低,更接近於地面狀態,乘客很少會產生耳鳴、頭暈等難受之感,所以說渦槳飛機乘坐更為舒適。
——更為環保。由於渦槳飛機耗油率低,在起飛、着陸及正常飛行中所產生的二氧化碳、一氧化碳及二氧化硫等排放物比同樣座級的渦扇飛機少,更為環保。
由於渦槳飛機具有諸多優勢,在現代支線航空和大部分通用航空運輸領域占有重要地位。