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陈光谈航发:天空的“电风扇”——涡桨发动机在支线客机中的应用

日期:2017-08-10 来源:微信@航空之家 护眼模式:

  

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  涡桨式发动机被广泛应用于支线客机中,由于其庞大的螺旋桨又被人戏称“电风扇”,这次就介绍几款涡桨式发动机在支线客机中的应用。

  支线客机发动机发展

  由于支线客机型号多,且其载客量与航程相差较大,因而用于它的发动机品种不一,型号也多。

  一般在小于40座的飞机中,基本采用涡轮螺旋桨发动机(简称涡桨发动机),仅有个别飞机采用涡扇发动机;

  在大于40座的飞机中,约60%采用涡桨发动机,40%采用涡扇发动机,且涡扇发动机多用于载客量较大的飞机与新研制的支线客机中。

  

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  支线客机的涡桨发动机

  2.1 涡桨发动机主要参数

  下图列出用于支线客机的几种涡桨发动机参数。

  

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  支线客机的涡桨发动机主要参数

  由上表可以看出,支线客机用涡桨发动机功率级小的为500~1000kW左右,大的在1000~2000kW 左右,最大的AE2100功率为3000kW;其耗油率最低为0.25kg·(kW·h)-1;

  用得最多的有:PT6发动机系列(6型)、PW100发动机系列(9型)、TPE331发动机系列(4型)及 AE2100发动机(3型)。

  对几种涡桨发动机的分析

  PT6系列

  

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  PT6发动机系列是由3级轴流(个别型号为4级)1级离心组成的混合式压气机、回流式燃烧室、单级燃气发生器涡轮、单级(个别型号为2级)动力涡轮和游星齿轮式减速器等组成的涡桨发动机,是加拿大普惠公司于1958年开始研制的。

  它的第一个型号 PT6A 6于1963年取得适航证,到1990年4月取得适航证的PT6A64(图1),在将近30年的时间内,发展了近20余个型号。

  在发动机结构基本不变、外径尺寸不变和长度略有增加的条件下,功率由第一个型号的505kW,发展到功率最大的达到1062kW,增加了一倍多。

  同时,耗油率还降低了8.4%。该型号系列发动机被95种轻型飞机(行政机、农林用飞机和支线客机等)选用,到1994年初,已交付24800余台,是一种比较成功的发动机系列。

  但由于它设计时间早,采用的先进技术较少,且由于它的功率小,部件尺寸小,尺寸效应对性能的影响较大,因此与后来发展的一些发动机相比,耗油率显得较高。 

  

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  图1、PT6A 65发动机结构图

  2.2.2 PW100系列

  

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  PW100发动机系列是加拿大普惠公司于1979 年开始研制的,其第1,2个型号 PW115 和PW120于1983年取得适航证。

  为了降低耗油率,它的燃气发生器采用了双转子结构,低、高压气机均为单级离心式,分别由单级低压、单级高压涡轮驱动;双级动力涡轮的传动轴由燃气发生器中穿过,因此它是一种三转子结构的涡桨发动机,如图2所示。目前已发展了近10个型号,功率由1127kW到1589kW。

  发动机型号名称的后二位数字,表征发动机以百马力为单位的起飞功率级。例如,PW120,表示该型发动机起飞功率约为 2000马力(1492kW)。

  PW100的燃气发生器的压气机,由 PT6 的混合式改为双级离心式,这也是20 世纪80年代后期涡桨、涡轴发动机发展的趋势。例如,目前最先进的涡轴发动机 MTR390(欧洲)、T800(美国)均采用了这种形式。

  由于在部件设计中采用了较多的先进技术,使部件效率有所提高,加上循环参数也较高,因此PW100的耗油率比PT6的低16%左右,与其他用于支线客机的涡桨发动机相比,也毫不逊色。

  

  图2、 PW100发动机方案简图

  2.2.3 TPE331

  

  TPE331 发动机系列是原美国加雷特航空研究公司于20 世纪50 年代后期开始研制的。

  它是由双级离心式压气机、回流式燃烧室和3级涡轮组成的单轴式涡桨发动机。

  此系列发动机中前后共发展了11个型号,第1个型号于1965年取得适航证,功率最大型号 TPE33112(20世纪70年代末期取得适航证)与于20世纪70 年代初期取得适航证的 5 型相比,功率提高了1.54倍,耗油率降低了13%,已交付了12700多台发动机。

  由于在发展中不断改进设计,发动机的耗油率及寿命均有明显改进,因此使发动机的使用成本与初期相比,已降低18%~25%。

  由上述三个发动机系列的发展可以看出,采用在性能较好的燃气发生器的基础上,通过不断改进部件性能与结构,以提高发动机功率与降低耗油率,发展系列发动机(即衍生改进发展方式),是一种十分有效的发展途径。 这种发展方式在干线客机用的大发动机中也是被广泛采用的。

  2.2.4 AE2100

  

  AE2100 是原美国艾利逊公司(现艾利逊公司已与罗·罗公司合并)为新一代高速支线客机研制的涡桨发动机,由 T406涡轮轴发动机衍生而成,是支线客机用的发动机中功率最大的,也是最新发展的轴流式涡桨发动机。

  它由14级轴流式压气机、常规的环形燃烧室、双级气冷式燃气发生器涡轮和双级动力涡轮组成的双转子发动机(见图3)。发动机装有2套FADEC用以控制发动机与螺旋桨。起飞功率为3100~3460kW,耗油率为0.249kg/(kW·h)-1,是耗油率最低的涡桨发动机。它已于1993年4月23日取得适航证。

  

  图3、 AE2100涡轮螺旋桨发动机外形图

  AE2100既可用于载客 50~70 名的高速支线客机 Saab2000,也可用于军用运输机C  130J。它的第1个型号 AE2100A 用于载客50名的Saab2000,并于1994年投入使用,起飞功率为3100kW。它的最后一个生产型型号 AE2100D2,用于军用运输机 C  27J,并于1999年投入使用,起飞功率3460kW。

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