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共轴反桨涡扇发动机和普通涡扇发动机的区别?为什么和桨扇发动机看起来相似度很高? 第1页

  

user avatar   zheng-ji-bo-36 网友的相关建议: 
      

鉴于很多原因,这个问题本身问的不太对。共轴反桨是一种结构形式,共轴反桨涡扇发动机就是采用共轴反桨结构的涡扇发动机,跟普通涡扇发动机的区别就是采用了共轴反桨结构(……)。

所以这么问问题是不太对的,我得掰开来把这个问题重新捋一捋。

首先,什么叫桨扇发动机。

对于桨扇发动机,Propfan Engine,现在严格来说都没有一个准确的定义,各个国家以及发动机企业实体都提出过不一样的计划:

美国有NASA提出的Advanced Turboprop Project(ATP),结构形式上采用齿轮驱动的单转桨扇,相对保守,基本是在现有涡桨发动机的基础上对螺旋桨进行改进;有GE公司提出的Unducted Fan(UDF),有叫开式转子(OpenRotor),这个方案相比于NASA提出的方案更为激进。该方案的结构形式为动力涡轮直接驱动后置的双排对转桨扇。与上一个方案相比,该方案省去了齿轮减速器,不仅减轻了发动机的质量,也避免了减速箱经常需要大修的问题。

丄丄GE公司的UDF发动机丄丄

苏联也对桨扇发动机进行了相关研究,使用了齿轮传动减速器,并且也是惟一一次将桨扇发动机投入使用的。RR公司也有类似的研究。

丄丄苏联在An-70上使用的桨扇发动机丄丄

丄丄RR公司提出的桨扇发动机结构丄丄

桨扇发动机有一种定义,是欧洲航空安全局提出的,现在WIKI百科也采用该定义:

桨扇发动机(英语:Propfan)是一种涡轮发动机,类似于涡扇发动机,但没有风扇涵道。风扇置于发动机短舱之外。和涡扇发动机类似,风扇由涡轮直接带动。在外观上,桨扇发动机和涡桨发动机很相似,但涡桨发动机螺旋桨是由涡轮通过减速器带动的,桨扇和涡轮之间则无减速器。

这样的说法有一定的道理,不能说错(欧洲航空安全局提出的,也轮不到我说错),也仿佛区分了涡桨发动机、涡扇发动机和桨扇发动机之间的区别,但根据上面介绍的若干个现有的桨扇发动机计划,可以知道上面的定义是片面的。

我更倾向于从涵道比和叶片叶型的角度来说明桨扇发动机,也就是用所谓的“ultra-high-bypass (UHB) turbofan”来描述桨扇发动机的特征——巨大的桨叶,先进的叶型,因为桨扇发动机的本质是希望有更高的涵道比,同时有更好的高速性能。这么说吧,如果你未来看到一台发动机有超大的风扇一样的东西——或者说插满了歪七扭八叶片的螺旋桨,都可以算作是桨扇发动机。

然后,我要回答的是,为什么会有同轴反桨这种结构。

同轴反桨,coaxial contra-rotating,这个概念首先需要强调一下,并不是指的高低压转子对转,而是指的传统意义上的转静子对转(对转之后就不存在静子的概念了,只有内转子和外转子的概念)。

这种结构在涡扇发动机里有什么好处?

要知道,压气机、涡轮要实现一定的效率,那么相邻两组叶片之间的相对转动速度是有一定的要求的。原来的发动机结构,是一级转子一级静子,静子不动,那么就意味着转子的速度一定低不了,但是如果两者之间相对转动,显然内外转子的绝对速度就可以降低很多,这个是很好理解的。

那么有人就要说了,转子转动速度高就高吧,为什么非要降低呢?

固然,转子速度高了,也会给转子自身的结构带来很多麻烦,比如说超多阶临界之类的问题,但是最主要的问题不在这里,而出现在风扇上。要知道,风扇跟压气机、涡轮连着,有着一样的转速,但是由于直径巨大,其叶尖的速度极高,一旦超过了音速,无论是效率还是安全性,都堪忧的很,所以导致了风扇叶片直径不能做大,而且最好有个环包着。但是问题是为了追求良好的节油性能,又需要较大的风扇直径(较大的涵道比),而且最好不要包容的环才好,这样的矛盾就促成了对转转子概念的出现。

所以对转转子在涡扇发动机进化的道路上,有着十分重要的意义。

接着,涡扇/涡桨/桨扇发动机之间的关系是什么样的?

回到刚刚,虽然对转转子被钦定,认为是一种提高涡扇发动机涵道比和效率的解决途径,但是,对转转子没有给自己念诗,而是谦虚了一把,说我这结构太复杂了,不值当,不如另请高明吧,所以一种古老的结构,齿轮传动减速结构装上了涡扇发动机,转子依旧转得快,但是用传动系统减速了,这就可以了,而这种发动机,也就是所谓的GT发动机——齿轮传动涡扇发动机。因此,在涡扇发动机的基础上,GE和PW两家公司在两种不同的结构形式指导下,扮演了自己的老角色:GE作死,上了对转转子发动机的计划;PW等死,上了GT发动机的计划。

而当涡扇发动机一再地要提高涵道比以提高效率的时候,我们的老朋友,拥有超高涵道比(这个概念其实不太恰当,不过暂且这么用吧)、良好的耗油率的涡桨发动机,也在为了自己的高速性能而头疼,积极地为了提高桨叶的高速性能而努力攀登着,爬到一半的时候回过神来一想,不对呀,怎么我的桨叶做的越来越像风扇叶片?扭头一看,发现涡扇发动机也在身边,看着自己在叨咕:“齿轮传动+超大的风扇叶片+没有包容环,我怎么越来越像涡桨发动机?”

所以究竟是从涡扇进化出了桨扇,还是涡桨进化出了桨扇呢?

正所谓技术发展,殊途同归,诚不我欺也。

再次回到问题上来,在普及了上述知识后,我认真回答一下:对转转子是桨扇发动机的一种解决方案,但是不是唯一方案;涡扇发动机/涡桨发动机在前进的道路上傻傻分不清楚;拥有对转转子的涡扇发动机你可以说他是进化版的涡扇发动机,也可以说是桨扇发动机,无所谓,你只要知道,这特么很牛逼,就可以了。

---------------The End------------------------

另,文中大部分观点是个人观点,纯熟YY,无专业机构背书,只图一笑耳。




  

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