為什麼螺旋槳的葉片不宜多,而渦輪風扇則可以滿葉片?

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的確我們看很多使用螺旋槳為動力的飛機時,基本上看到最多的就是普遍使用三四五片槳葉的螺旋槳飛機,當然也有像美國E2D鷹眼艦載預警機和歐洲A400M軍用運輸機使用的TP400渦槳發動機使用多達8片槳葉的飛機。但是同樣使用葉片的渦扇發動機內部的渦輪葉片卻是密密麻麻的緊挨著,那麼為什麼螺旋槳飛機的槳葉數量不是很多,但是渦扇發動機內部的葉片卻是密密麻麻的一片呢?

首先從使用螺旋槳為動力的渦槳發動機和長滿葉片的渦扇發動機的區別來說,主要有以下幾點不同:

第一:經濟性、飛行速度、推力要求不一樣

熟悉航發的朋友都知道,之所以很多戰術運輸機普遍使用渦槳發動機的核心原因,就是因為這類發動機具有非常優秀的低速飛行能力,而且同樣推力的渦槳發動機和渦扇發動機對比,渦槳發動機的經濟性更高這是行業內公認的。那麼對於經濟性更高的渦槳發動機而言,槳葉的效率就直接決定了經濟性的高低。而決定槳葉的效率高低的因素主要由槳葉的數量、長度、槳盤面積大小、槳葉槳尖速度等因素決定。試想一下:渦槳發動機由於對速度的要求並不是很高,如果使用很多數量的槳葉,那麼在單位時間內,空氣就會被切割的次數更多,每一次切割都破壞了空氣的流場,形成了更多降低效率的絮流等不利因素,那麼對於對經濟性有很高要求的渦槳發動機而言,使用數量更多的槳葉反而成了缺點。

當然更多數量的槳葉也不是沒有優點,比如同樣槳盤面積內,槳葉數量更多的話,意味著槳葉之間重合的角度更小,產生的推力更大,所以就可以降低槳葉的長度了。而降低槳葉的長度也是有好處的,比如整個槳盤面積更小,正面風阻更低、同時由於槳葉長度的降低,也就意味著槳尖線速度的降低,那麼久可以提高槳葉的旋轉速度,以此來提升發動機的推力和飛行速度了。像美國的E2D鷹眼艦載預警機和歐洲的A400M軍用運輸機,使用的渦槳發動機都使用了多達8片槳葉也是有原因的,比如美國海軍的E2D相比前代E2C最大離艦重量略有上升,同時為了滿足更大作戰半徑下的指揮能力,對於該機的最大飛行速度也比C型更高一些,再加之起飛重量更大後,為了保持最大飛行速度不降低,所以為了滿足更大的起飛重量和更高的飛行速度要求,就要求發動機提供更大的推力,在發動機輸出功率一定的條件下,就只能通過增加槳葉數量來提升了。當然歐洲各國合作研製的A400M軍用運輸機雖然使用的TP400渦槳發動機的輸出功率高達11000馬力,是西方國家研製的輸出功率最大的渦槳發動機了,但是對於A400M軍用運輸機更大的起飛重量和更高的飛行速度要求下,A400M軍用運輸機也使用了多達8片槳葉來滿足需求。
當然槳葉數量的多少可不是隨隨便便就可以增加的,這裡面涉及到更多數量槳葉形成的風阻、噪音、發動機輸出功率等因素而綜合決定。
第二點:原理用途不一樣

從使用螺旋槳發動機的渦槳發動機來說,其對於槳葉的要求只是將發動機輸出的功率,通過槳葉的旋轉轉換為向前或者向後的拉力或者推力,同時為了滿足經濟性、推力高低、速度高低等因素,使用槳葉數量的多少在沒有具體要求的情況下,都是以流過螺旋槳槳盤後的空氣流量多少為核心,畢竟效率的高低更為重要。但是對於葉片數量更多的渦扇發動機就不同了,因為渦扇發動機是通過將流進發動機內部的空氣,經過一級一級的槳葉壓縮後形成高壓空氣,再與燃油混合後形成高溫高壓燃氣噴出產生推力推動飛機飛行的。因為壓縮比更高就意味著渦扇發動機的經濟性更高,一定燃油的條件下,飛行速度更高、飛行距離更遠。所以為了滿足更高的增壓需求,就要求渦扇發動機內部的葉片不光能夠更好的將空氣壓力加壓,同時也要能夠堵住高壓空氣不會反流到發動機前端,

所以在單位面積內裝設更多的槳葉,不光能夠滿足更大的增壓需求,而且還能很好的逼迫壓力越來越高的空氣流向發動機後端與燃油混合燃燒噴出。當然細說的話,光是關於為什麼大多數渦槳發動機的槳葉數量普遍只有三四五片,就有很多原因存在,同樣像俄羅斯圖95戰略轟炸機上使用的NK12對轉渦槳發動機,在使用槳葉對轉技術後,飛行速度和推力大大提高是為什麼也是有很多知識點存在的。當然具體來說,關於渦槳發動機為什麼槳葉數量普遍不是很多、渦扇發動機內部為什麼葉片數量密密麻麻的原因就是上面兩個大知識點。


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開放式的螺旋槳用於切割空氣,螺旋槳沒有圍筒,葉片太多的話,空氣打得太破碎了,空氣通過利用率反而不高了,一般就是5漿最多了。新型的螺旋槳葉片的姿態在飛行中是可以改變傾角的。

而渦輪風扇是完全不同的,因為渦輪是有圍筒的,而且葉片是固定不能變形的,它的進氣方式主要是通過筒內產生強烈的負壓而吸入空氣,滿葉片的作用是防止空氣從吸氣端漏出,保證所有被吸進的空氣能在中後段充分的發生作用。

其實這個原理在家裡也很容易檢驗,以下用家電舉兩個例子。

螺旋漿類似於落地搖頭扇,中心基本上是沒風的,後部吸力不強且有亂流,葉片最外沿在高速運動時,會產生很強的擾流,吹出來的風並不穩定,這是因為空氣被切割打亂的簡單例子。

渦輪風扇類似於電熱吹風機,後部有強大的吸力,根本沒有亂流,吹出來的風不但穩定而且集中,這是空氣充分利用的簡單例子。


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螺旋槳的葉片數目的確定,是螺旋槳拉力系數與功率係數與漿葉數成正比的。只有螺旋槳的直徑受到限制才採取增加漿葉的數目。至於葉片多寡葉片越多承受的功率大,多葉片的作用送出去的風力更大,送風的範圍更廣,切聲音小。採取葉片多的渦輪增壓是需要更高壓力所以才要葉片多來完成任務的。


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渦扇發動機的風扇是為了節約空間,提升功率。 螺旋槳是為了提高效率。


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