Turbo-prop engine
第8.1节 概述
Introduction
涡轮螺桨发动机将燃气发生器产生的大部分可用功通过涡轮、减速器和空气螺桨传给通过螺桨的大量空气，使螺桨产生拉力。其余一小部分可用功以燃气动能的形式从尾喷管喷出，产生反作用推力。由于提高了推进效率，具有相同燃气发生器的涡轮螺桨发动机在低速飞行时比涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机具有更大的推力。
为了克服涡轮喷气发动机在低速飞行时推进效率低的缺点，涡轮螺桨发动机在20世纪50年代初期就得到了发展。但是，由于当时设计的空气螺桨不适宜于在高亚声速飞行时使用，60年代以来，涡轮螺桨发动机被涡轮风扇发动机所代替。70年代世界能源危机中，一些国家开展了称为桨扇的新型螺桨的研究，它由二个旋转方向相反的螺桨一起工作，桨叶较多，叶片较宽，弯曲而后掠呈马刀形，可适应于高亚声速飞行。后来由于颤振与噪声问题未获解决，而能源危机有
所缓解，暂停了研制工作。仅俄罗斯于1994年研制成的D-27桨扇发动机试飞成功。
涡轮螺桨发动机中最简单的是单轴式涡轮螺桨发动机(图8.1.1)。这种结构简单的单轴式涡轮螺桨发动机很难使同一根轴上的压气机、涡轮和螺桨的工作协调一致。这种涡轮螺桨发动机在起动时需要功率较大的起动机，而且起动时间较长。
图 8.1.1 单轴式涡轮螺桨发动机
另一种结构方案是具有自由涡轮的方案，自由涡轮在单独的轴上，用以传动螺桨(图8.1.2)，这种涡轮螺桨发动机称为分轴式涡轮螺桨发动机，与单轴式涡轮螺桨发动机相比，发动机起动时只需功率较小的起动装置。这种具有自由涡轮的涡轮螺桨发动机在加速过程中，燃气发生器的转速上升快，而驱动螺桨的自由涡扇转速上升却较慢。
图 8.1.2 具有自由涡轮的分轴式涡轮螺桨发动机
燃气涡轮的转速一般在10000转/分左右，甚至更高。而螺桨的转速一般在1500转/分左右，甚至更低。为了协调涡轮和螺桨的转速，必须采用减速器，减速器的传动比一般为10～
16。取决于螺桨和涡轮各自的设计转速。
由于螺桨设计的原因，涡轮螺桨发动机只适用于亚声速飞行，使用涡轮螺桨发动机的飞机其飞行速度一般仅为700公里/小时左右。
思考题:
⑴比较涡轮螺桨发动机与涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机的优缺点。
第8.2节 涡轮螺桨发动机的分类
Kinds of turbo-prop engine
涡轮螺桨发动机分类 | ||
类型 | 图形 | 发展说明 |
单轴式涡轮螺桨发动机 | 为简化结构，螺桨通过减速器与燃气发生器连在同一轴上。 | |
分轴式涡轮螺桨发动机 | 为提高非设计状态下的效率，连接螺桨的动力涡轮不与燃气发生器相连接。 | |
一、单轴式涡轮螺桨发动机
单轴式涡轮螺桨发动机只有一个转子，螺桨通过减速器与燃气发生器连在同一轴上，如图8.2.1所示。
图8.2.1 单轴式涡轮螺桨发动机
单轴式涡轮螺桨发动机的主要优点是结构简单。其缺点是在非设计状态下工作时效率较低，当发动机从设计状态降低功率时，随着燃气发生器供油量减少，可以有下列 两种处理方法。
①保持螺桨桨矩不变，发动机转速随供油量减少而下降，螺桨转速随之下降。这样处理时，压气机特性图上共同工作线的走向比较合理，但螺桨转速下降后，桨矩角不一定能与当时飞机飞行速度相适应，使螺桨效率下降。
②若螺桨桨矩可调使燃气发生器转速保持不变，压气机特性图上共同工作点将延等转速线下降，使压气机增压比迅速下降，燃气发生器的热效率也随之降低。
二、分轴式涡轮螺桨发动机
为了避免单轴式涡轮螺桨发动机的缺点，采用分轴式涡轮螺桨发动机，如图8.2.2所示。螺桨通过减速器直接与动力涡轮相连接。连接螺桨的动力涡轮不与燃气发生器相连接故又称为“自由涡轮”。 其优点是：采用变矩螺桨以后，可以根据飞行速度和动力涡轮的功率自动调节桨矩，保持螺桨转速不变。燃气发生器的工作不受螺桨转速的约束。
图8.2.2 分轴式涡轮螺桨发动机
这种分轴式涡轮螺桨发动机的燃气发生器一般采用单轴式燃气发生器。若为了提高燃气发生器的性能可以采用双轴式燃气发生器，那末连同驱动螺桨的轴，共有三根旋转轴。如图8.2.3所示。
图8.2.3 具有双轴式燃气发生器的分轴式涡轮螺桨发动机
目前功率为2000kw或2000kw以下的涡轮螺桨发动机，其空气流量都低于10kg/s，对于小流量的燃气发生器，采用离心式压气机是比较合理的，特别是压气机的出口高压部分采用离心式压气机，可以避免轴流式压气机叶片短小、效率低和结构复杂等缺点。
图8.2.4 具有离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机
图8.2.5 具有双级离心式压气机的分轴式涡轮螺桨发动机
思考题:
⑴为了简化结构，是否可以将螺桨通过减速器与双轴式燃气发生器的低压轴相连接？
第8.3节 涡轮螺桨发动机的性能指标
Performance parameters of turbo-prop engine
涡轮螺桨发动机的性能指标 | ||
性能指标 | 表示方法 | |
功率 | 用Ppr表示螺桨轴功率，其单位是千瓦kW | 用当量功率Pe表示 |
耗油率 | 用sfcpr表示按轴功率计算的耗油率，其单位是kg•kW-1•h-1 | 按当量功率计算的耗油率sfce |
涡轮螺桨发动机的功率和耗油率有二种表示方法：
①分别用Ppr表示螺桨轴功率，其单位是千瓦kW；用F表示燃气喷射产生的反作用推力，其
单位是拾牛daN。用sfcpr表示按轴功率计算的耗油率，其单位是kg•kW-1•h-1。发动机
式中 wpr—每公斤空气产生的螺桨功。
②用当量功率Pe以及按当量功率计算的耗油率sfce表示。
当量功率的定义是：假设涡轮螺桨发动机的全部推进功率都是由螺桨产生，相当于产生全部推进功率的螺桨功率称为当量功率，用Pe表示
式中 ηpr—螺桨效率。
在飞行条件下，当量功率可按上式决定。当发动机在地面静止条件下工作时，确定当量功率必须分别测量螺桨功率和反作用推力，并按下列近似关系式进行换算：
在发展涡轮螺桨发动机的早期对换算系数曾作过规定，在地面静止条件下工作时，认为1公制马力的螺桨轴功率相当于1.1公斤力的尾喷管反作用推力。因此，上式中换算系数Be可表示为：
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