在二戰(zhàn)結(jié)束前夕,德國施密特公司研發(fā)的ME262沖上歐洲上空,給予了噴火戰(zhàn)機最后致命一擊,雖然德國的敗局已定,但是ME262戰(zhàn)機的噴氣式發(fā)動機卻成為了二戰(zhàn)后航空動力的主要發(fā)展方向,ME262發(fā)動機采用的是軸流式渦噴發(fā)動機,其主要由最前端的壓氣機和后面核心的渦輪葉片組成,壓氣機將空氣壓縮后送入燃燒室內(nèi)與燃料混合燃燒產(chǎn)生高燃氣體,高燃氣體推動渦輪旋轉(zhuǎn)帶動最前面的壓氣機葉片旋轉(zhuǎn),并從尾部噴口噴出產(chǎn)生較大的反推力,這就是最簡單的渦噴發(fā)動機工作原理。 如果在渦噴發(fā)動機最前面的壓氣機組件前加裝一個尺寸較大的風扇,就構(gòu)成了渦扇發(fā)動機。最前端的風扇直接和壓氣機硬連接驅(qū)動,這樣就可以在提升壓氣機進氣效率的同時,將多余空氣從壓氣機外側(cè)噴出,既提升發(fā)動機推力的同時,外部涵道的空氣不經(jīng)過燃燒室內(nèi)部也降低了油耗,而且在保證足夠的輸出功率前提下,外涵道流過的冷空氣比內(nèi)部流過的熱空氣流量越多,發(fā)動機的推力就越大,經(jīng)濟性就越好。 雖然流過外涵道的冷空氣和流過內(nèi)部的熱空氣流量差值較大,發(fā)動機的推進效率就越高,但是內(nèi)外涵道差值不可能無限大,也就是說外涵道尺寸并不能無限提升,那么索性取消外部涵道,直接將最前端的風扇葉片暴露在外,就形成了渦槳發(fā)動機,這樣風扇葉片的尺寸可以盡可能的設(shè)計的更大,發(fā)動機的節(jié)油性也就越好。 但是尺寸更大的螺旋槳葉片直接暴露在外產(chǎn)生的空氣阻力也更大,導致飛行器的最大飛行速度受限,特別是螺旋槳葉片是通過變速器和發(fā)動機主軸直接連接的,葉片尺寸過長、槳尖線速度也就更高,很容易導致葉尖失速,繼而導致發(fā)動機推進效率直接為零,而且變速器的存在也使得葉片的轉(zhuǎn)速根本不能直接和主軸轉(zhuǎn)速保持一致,嚴重限制了渦槳發(fā)動機的推力提升。 解決這個問題最好的方式之一就是減少葉片的長度、增加葉片的數(shù)量,這樣在單位時間內(nèi)空氣穿過的葉片數(shù)量更多,流量也就越高、推力也就越大。但是發(fā)動機葉片數(shù)量增多后,帶來的正面空氣阻力更大了,航空器的最大飛行速度仍然受到很大的限制。 所以只能減少發(fā)動機葉片的尺寸來降低空氣阻力,但是葉片尺寸減少了單位時間內(nèi)通過的空氣流量也就少了很多,依然無法實現(xiàn)更大推力的輸出,所以最簡單的方式就是取消變速器,并增加螺旋槳葉片的數(shù)量,如果一副螺旋槳不夠,那就再前后串聯(lián)一副葉片,并且讓兩個發(fā)動機葉片旋轉(zhuǎn)方向相反,且前后槳葉數(shù)量不同、采用跨音速翼型設(shè)計、槳葉大幅度后掠,這樣就能夠提高葉尖失速的速度,讓航空器的飛行速度更快,且槳葉的旋轉(zhuǎn)速度更高,同時相向?qū)D(zhuǎn)也避免了前后葉片氣流的撞擊,噪音也更小。而且螺旋槳轉(zhuǎn)速可以提升到更大后,就可以取消變速器,讓螺旋槳直接和主軸硬連接,依靠主軸更高的轉(zhuǎn)速優(yōu)勢來提升螺旋槳葉片的轉(zhuǎn)速,繼而提升發(fā)動機的推力,而這種結(jié)構(gòu)的發(fā)動機就是槳扇發(fā)動機。 槳扇發(fā)動機的優(yōu)勢有多明顯呢? 相比渦扇發(fā)動機,槳扇發(fā)動機最大的優(yōu)勢就是同樣大的推力輸出,槳扇發(fā)動機有著更高的經(jīng)濟性優(yōu)勢,這是因為槳扇發(fā)動機的槳葉沒有外涵道包裹,內(nèi)外葉片的直徑差更大,和渦槳發(fā)動機一樣大部分推力都由外面的槳葉產(chǎn)生,所以經(jīng)濟性更好,同時前后串聯(lián)的對轉(zhuǎn)槳葉設(shè)計也使得其轉(zhuǎn)速更高、推力更大。反觀渦扇發(fā)動機由于有外殼的限制,最前面的風扇葉片直徑受到很大的限制,所以其外涵道貢獻的推力占比并沒有沒有外部限制的槳扇發(fā)動機大,經(jīng)濟性也就沒有槳扇發(fā)動機高。 相比同樣沒有外涵道限制的渦槳發(fā)動機而言,槳扇發(fā)動機特殊的槳葉設(shè)計使得其轉(zhuǎn)速更高,單位時間內(nèi)流過的空氣流量更高、且跨音速槳葉翼型設(shè)計使得其空氣阻力更小,搭載槳扇發(fā)動機的航空器最大飛行速度也更高,而且前后串聯(lián)對轉(zhuǎn)槳葉設(shè)計也使得最大輸出推力要比只有一副槳葉的渦槳發(fā)動機更大,所以槳扇發(fā)動機相比渦槳發(fā)動機飛行速度快、輸出推力更大。 就算是和渦噴發(fā)動機相比,由于所有推力都由最外面的串聯(lián)對轉(zhuǎn)槳葉提供,內(nèi)部的壓氣機和渦輪結(jié)構(gòu)只用于驅(qū)動最外面的槳葉高速對轉(zhuǎn),以最大巡航速度飛行時,其油耗要比同樣大推力的渦噴發(fā)動機低至少20%以上。 但是為什么槳扇發(fā)動機沒有得到市場廣泛應(yīng)用呢?說白了還是因為其技術(shù)復雜、且數(shù)量更多、轉(zhuǎn)速更高的槳葉沒有外部涵道的保護,相比渦扇發(fā)動機安全性差、噪音也更大,而民航市場和大部分軍用運輸機市場,更看重的是安全性和舒適的客艙環(huán)境,所以槳扇發(fā)動機雖然優(yōu)秀、但是沒有市場也只能淪為過客。 |
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