涡轮螺旋桨发动机产生的背景及其工作原理
陈光/文
涡轮喷气发动机的推力大，适用于高速飞行的飞机，飞机飞行速度可以从高亚声速一直到超过声速的两三倍。但当飞机在较低的亚声速飞行时，发动机的推进效率低，耗油率高，很不经济。
一方面，航空活塞式发动机和螺旋桨组成的动力装置，虽适应于低速飞行，但由于活塞式发动机产生的功率小，且随飞行高度的增加而很快降低。
另一方面，螺旋桨还限制了飞机的飞行速度，所以其使用速度一般不超过700～800公里/小时。
为了克服涡轮喷气发动机和活塞式发动机的缺点，涡轮螺旋桨发动机在上世纪40年代后期、50年代初期得到了迅速发展。
但是由于当时设计的螺旋桨不适应于高亚声速飞行时使用，因此，从上世纪60年代以后，大、中型涡轮螺旋桨发动机逐渐被涡轮风扇发动机所取代。
上世纪80年代，由于发生能源危机，又开始了具有新型螺旋桨的桨扇发动机的研究，但由于噪声、安全性等技术问题未能很好解决而未能大量投入使用。
图6-1、装配涡轮螺旋桨发动机的客机
涡轮螺旋桨发动机产生的背景
在涡轮螺旋桨发动机出现前已有了活塞式和涡轮喷气式两种航空发动机。
在第二次世界大战以前，所有飞机的动力都是活塞式发动机。
活塞式发动机经济性较好，耗油率低，但由于活塞式发动机产生的动力（功率）很小，而且随着飞机飞行高度的增加，功率降低很快，因此只能用于低空、小型飞机上；
另外，在飞机速度达到600公里/小时以后，一方面所需的功率将大大增加（所需的功率与飞行速度的三次方成正比），活塞式发动机根本满足不了提高飞行速度的要求；
另一方面，螺旋桨效率大大降低，无法有效的将发动机输出功率转变为推进飞机的拉力。
因此，以活塞式发动机为动力的飞机，不仅飞机不大，而且飞行速度较低，当然更不能接近声速。
如第前章所述，涡轮喷气发动机的出现给飞机动力带来了一个新纪元，不仅使飞机的飞行速度接近声速，超过声速，而且，使飞机载重大、飞得高。
但是涡轮喷气发动机也有其致命的弱点，那就是经济性差，耗油率高，这也是后来逐步被涡轮风扇发动机所取代的主要原因。
涡轮螺旋桨发动机（图6-1）就是既有涡轮喷气发动机功率大、体积小的优点，而又有活塞式发动机经济性好的特点的一种发动机，在上世纪40年代后期，随着涡轮喷气发动机的崛起，涡轮螺旋桨发动机也随之而诞生了。
图、装配涡桨发动机的特技飞机
涡轮螺旋桨发动机及其工作原理
在燃气发生器（参见第八章）后，加装一套涡轮（1级或多级），燃气在这后一涡轮（一般称为动力涡轮或低压涡轮）中膨胀，驱动它高速旋转并发出一定功率，动力涡轮的前轴（称动力轴）穿过核心机转子，通过压气机前的减速器驱动螺旋桨，就组成了涡轮螺旋桨发动机（图6-2）。
图6-2 涡轮螺旋桨发动机简图
涡轮螺旋桨发动机的主要特点，是将燃气发生器产生的大部分可用能量由动力涡轮吸收并从动力轴上输出，用于带动飞机的螺旋桨旋转；
螺旋桨旋转时把空气排向后面，由此产生向前的拉力使飞机向前飞行。涡轮出口的燃气在尾喷管中膨胀加速并喷出，产生反作用推力。
由于燃气的温度和速度极低，所产生的反作用力（推力）一般比较少，这个推力转化为推进功率时，仅约占涡轮螺旋桨发动机功率的10%，正因为排出发动机的能量大大降低了，因此，涡轮螺旋桨发动机的经济性好。
与航空活塞式发动机相比，涡轮螺旋桨发动机具有重量轻、振动小等优点，特别是随着飞行高度的增加，其性能更为优越；
与涡轮喷气和涡轮风扇发动机相比，它又具有耗油率低和起飞推力大的优点。
但因螺旋桨特性的限制，装涡轮螺旋桨发动机的飞机的飞行速度一般不超过800公里/小时。
所以，在大型远程旅客机和运输机上，它已被高涵道比涡扇发动机所取代，但在中小型运输机和通用飞机上仍有广泛的应用。
大多数的涡轮螺旋桨发动机，动力涡轮与燃气发生器的涡轮是分开的，且以不同的转速工作。由于动力涡轮与核心机没有机械地连成一体，因此也称它为自由涡轮，图6-2所示的简图，即为这种类型的涡轮螺旋桨发动机。
少数的涡轮螺旋桨发动机，将动力涡轮与燃气发生器的涡轮机械地连接在一起，成为定轴式或单轴式涡轮螺旋桨发动机。
图6-4、我国自行设计、生产的“运八”
我国自行设计、生产的“运八”运输机所用的“涡桨六”涡轮螺旋桨发动机（图6-4）、英国“子爵号”四发旅客机用的“达特”涡轮螺旋桨发动机均为定轴式涡轮螺旋桨发动机。
在具有动力涡轮（自由涡轮）的涡轮螺旋桨发动机中，动力涡轮的转速较高，一般在6000～12000转/分。
在定轴式涡轮螺旋桨发动机中，燃气发生器的涡轮转速更高，一般在8000~18000转/分（小功率的涡桨发动机转速高的可达40000转/分），但是螺旋桨的转速必须很低，一般只有1000转/分左右。
因此，在涡轮螺旋桨发动机中，均要有减速器，以便将动力涡轮（在具有自由涡轮的涡轮螺旋桨发动机中）或燃气发生器涡轮（在定轴式涡轮螺旋桨发动机中）的转速降低到螺旋桨所要求的工作转速。
图、世界第一架涡桨式客机：维克斯子爵号
20世纪40年代末由英国罗·罗公司开始研制的“达特”发动机。
“达特”发动机有多种型号，用于“子爵号”、费尔柴德F-27、YS-11、福克F-27等旅客机，“大商船”AW650等运输机。
发动机由减速器、进气道、双级离心式压气机、单管式燃烧室、三级涡轮、尾喷管及附件传动机匣等部件组成。
空气由围绕减速器的环形进气道进入发动机，经两级离心式压气机压缩后流入单管式燃烧室（7个）中燃烧，燃烧后的高温、高压（压气机后的压强）的燃气在三级涡轮中膨胀作功。
三级涡轮的轮盘通过螺栓连接成整个涡轮转子，涡轮输出的功率既通过外轴带动压气机转子高速旋转，又通过前伸的内轴驱动位于发动机最前方的减速器（减速比=螺旋桨转速/涡轮传动轴转速=0.093），经减速器减速后驱动螺旋桨轴转动。
图、罗罗达特涡桨发动机
由涡轮流出的燃气温度与压强已经很低了，在尾喷管喷出时速度较低，仅产生很少的—点推力，将它折算成功率时，约占发动机总输出功率的10%弱。
添加“航空之家”，关注微信公众号获取更多航空讯息。
微信关注：yankeejoe，备注个人信息，加入“航空之家微信群”
