一般来说,现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比是有着不断加大的趋势的。因为对于涡轮风扇发动机来说,若飞行速度一定,要提高飞机的推进效率,也就是要降低排气速度和飞行速度的差值,需要加大涵道比;而同时随着发动机材料和结构工艺的提高,许用的涡轮前温度也不断提高,这也要求相应地增大涵道比。对于一架低速(500~600km/h)的飞机来说,在一定的涡轮前温度下,其适当的涵道比应为50以上,这显然是发动机的结构所无法承受的。
为了提高效率,人们索性便抛去了风扇的外涵壳体,用螺旋桨代替了风扇,便形成了涡轮螺旋桨发动机,简称涡桨发动机。涡轮螺旋桨发动机由螺旋桨和燃气发生器组成,螺旋桨由涡轮带动。由于螺旋桨的直径较大,转速要远比涡轮低,只有大约1000转/分,为使涡轮和螺旋桨都工作在正常的范围内,需要在它们之间安装一个减速器,将涡轮转速降至十分之一左右后,才可驱动螺旋桨。这种减速器的负荷重,结构复杂,制造成本高,它的重量一般相当于压气机和涡轮的总重,作为发动机整体的一个部件,减速器在设计、制造和试验中占有相当重要的地位。
涡轮螺旋桨发动机的螺旋桨后的空气流就相当于涡轮风扇发动机的外涵道,由于螺旋桨的直径比发动机大很多,气流量也远大于内涵道,因此这种发动机实际上相当于一台超大涵道比的涡轮风扇发动机。
尽管工作原理近似,但涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机在产生动力方面却有着很大的不同,涡轮螺旋桨发动机的主要功率输出方式为螺旋桨的轴功率,而尾喷管喷出的燃气推力极小,只占总推力的5%左右,为了驱动大功率的螺旋桨,涡轮级数也比涡轮风扇发动机要多,一般为2~6级。
同活塞式发动机+螺旋桨相比,涡轮螺旋桨发动机有很多优点。首先,它的功率大,功重比(功率/重量)也大,最大功率可超过10000马力,功重比为4以上;而活塞式发动机最大不过三四千马力,功重比2左右。其次,由于减少了运动部件,尤其是没有做往复运动的活塞,涡轮螺旋桨发动机运转稳定性好,噪音小,工作寿命长,维修费用也较低。而且,由于核心部分采用燃气发生器,涡轮螺旋桨发动机的适用高度和速度范围都要比活塞式发动机高很多。在耗油率方面,二者相差不多,但涡轮螺旋桨发动机所使用的煤油要比活塞式发动机的汽油便宜。
由于涵道比大,涡轮螺旋桨发动机在低速下效率要高于涡轮风扇发动机,但受到螺旋桨效率的影响,它的适用速度不能太高,一般要小于900km/h。目前在中低速飞机或对低速性能有严格要求的巡逻、反潜或灭火等类型飞机中的到广泛应用。
虽然这些现代的螺旋桨飞机使用的还是传统的螺旋桨,但却完全不同于二战之前的那种老式活塞式螺旋桨飞机,这些驱动螺旋桨的动力早已不是那种往复式活塞发动机了,都是不折不扣的涡轮发动机,比那些老式的星型活塞式航空发动机要功率大得多,功重比更是远远超过那些老式航空发动机,而且它有专门的名称,叫做涡桨发动机。
涡桨发动机脱胎于喷气式飞机上使用的涡喷发动机,只不过把燃烧产生的动力全部用于驱动动力涡轮做功,通过减速箱带动螺旋桨罢了。
和喷气式发动机比起来,涡桨发动机有许多优点。首先这种发动机的能源利用率比较高,油耗比喷气发动机省很多。其次就是这种发动机的拉力很大,尤其是在地面和低空,其产生的推进力要远远超过喷气发动机。还有一点就是这种发动机可以通过配装可调螺距的螺旋桨来达到自由变换推力甚至是反推的效果,比普通喷气发动机灵活很多。
涡桨发动机在运行时不容易发生吞鸟和吸入地面杂物的情况也是它的优点之一。
这种类型的发动机比较明显的缺点就是飞行速度较慢,高空性能也比较差。我们都知道随着海拔高度的增加,空气也会越来越稀薄,螺旋桨在稀薄的空气中运转效率要迅速降低,这也是二战时驼峰航线的飞机老是失事的主要原因之一。空气太稀薄了,螺旋桨的运行效率下降得很厉害,飞机要想飞得更高就得拼命地增加发动机的功率,而那些二战的老式运输机本身发动机功率就有限,活塞式发动机本身高空性能也差,再加上战时拼命地往飞机上装物质,以至于飞机严重超载,飞行高度跌得更严重,飞机被迫在喜马拉雅山沟里兜圈子,遇到一些横风和凸起的山峰时很容易失事。大致了解了涡桨发动机的性能特点和优缺点之后我们再回头看那些涡桨运输机就不难理解设计师的苦心了。
一般来说,现代不加力涡轮风扇发动机的涵道比是有着不断加大的趋势的。因为对于涡轮风扇发动机来说,若飞行速度一定,要提高飞机的推进效率,也就是要降低排气速度和飞行速度的差值,需要加大涵道比;而同时随着发动机材料和结构工艺的提高,许用的涡轮前温度也不断提高,这也要求相应地增大涵道比。对于一架低速(500~600km/h)的飞机来说,在一定的涡轮前温度下,其适当的涵道比应为50以上,这显然是发动机的结构所无法承受的。
因为这样的节省钱还节省力。
涡轮螺旋桨发动机油耗低,经济性好。
涡轮螺旋桨发动机油耗低,经济性好。