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 天高任鸟飞:航空航天卷
1.3.2.2 动力装置

动力装置

推力是产生推动飞机前进的动力。喷气发动机可直接产生推力使飞机前进,活塞发动机靠螺旋桨来产生拉力。动力装置除发动机外,还包括一系列保证发动机正常工作的系统,如燃油供应系统等。

利用燃气涡轮驱动的压气机将气体工质压缩,经加热后在涡轮中膨胀并将部分热能转换为机械能,用于航空器的旋转式动力机械,主要部件是压气机、燃烧室及带动压气机的燃气涡轮。这三部分组成燃气发生器,空气在压气机中被压缩后,在燃烧室中与喷入的燃油混合燃烧,生成高温高压燃气来驱动涡轮作高速旋转,并将其部分能量转变为涡轮功。涡轮带动压气机工作,不断吸进空气并进行压缩,这是发动机能连续工作的条件之一。

按照燃气发生器排出的燃气中可用能量的利用方式,燃气涡轮发动机分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机及桨扇发动机。

航空推进技术是涵盖航空推进原理各个方面的技术。它包括航空发动机热力循环及性能分析、推进系统各部件的气动热力学原理、燃料燃烧和发动机噪声等,涡轮冷却、进气道—发动机—尾喷管一体化设计和飞机—发动机性能匹配、发动机工作稳定性等技术。

螺旋桨是把航空发动机(活塞式或燃气涡轮式)的轴功率,转化为航空器拉力或推进力的叶片推进装置。

在第二次世界大战以前,螺旋桨是飞机唯一的推进装置。在马赫数0.86以下的低速飞机上至今仍普遍采用螺旋桨推进。从发展趋势看,一种新型的高速螺旋桨(桨扇)可望用于高亚声速飞机上。

螺旋桨主要由桨叶、桨毂、变距机构以及其他附件组成。桨叶的外形像一扭转较大的机翼。在轻型飞机上一般采用双叶桨,中型飞机上采用3叶或4叶桨。重型飞机上有的采用双排转向相反的同轴螺旋桨,桨叶总数可达8叶。为了进一步提高效率、降低噪声,有的中型飞机上叶片也增加到6叶。螺旋桨的气动及声学性能优劣主要取决于桨叶的气动力设计。随着翼型理论的发展,螺旋桨理论也不断完善。层流翼型和超临界翼型的应用,使螺旋桨的巡航效率大为提高(M数达到0.86左右),起飞爬升性能也获得很大改进。早期的桨叶用硬木制成,后来改用钢或铝合金桨叶,以后又制成了钢薄壳桨叶,使重量大为减轻,近代又广泛改用复合材料桨叶,使其重量减轻,性能也大有提高。

桨毂为支撑桨叶和传递发动机功率的部件。作为主要的受力件,一般都用锻钢或复合材料制成。

早期螺旋桨的桨叶角都是固定不变的(称为定距桨)。飞行状态一变,不仅螺旋桨效率下降,还影响发动机的功率输出。为克服这一缺点,20世纪20年代中期出现了恒速变距桨。由驾驶员置定发动机转速,桨叶角会随飞行状态的变化而自动调整,以维持恒速。变距桨的问世,是螺旋桨技术发展中的重要里程碑。

在近代多发螺旋桨飞机上为了改善客舱的舒适性,普遍采用转速同步调节器。一方面调节各桨转速相同并恒定,以消除恼人的噪声,同时把各桨叶的相位角锁定在某一有利值下,利用声波相位消减原理降低噪声可达3~5分贝。

从20世纪70年代中期起,国外出现了一种适于高亚声速飞行的新型螺旋桨——桨扇。桨扇构型特点为短直径、宽叶和大扭转,以减轻空气压缩性的不利影响,估计可比高涵道比涡扇发动机节油30%以上,噪声性能也和涡轮风扇发动机相差不多。