涡桨发动机螺旋桨的初步选型
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摘要：本文对国际现有的螺旋桨产品进行了较为全面的梳理，从功率等级、桨叶材料、螺旋桨转速及直径、变距方式和安装形式等方面对各型螺旋桨的特点进行了归类分析。基于某型涡桨发动机的特点，经综合分析，给出了螺旋桨的初步选型建议，为其他型号涡桨发动机配装螺旋桨提供了参考和借鉴。
关键词：涡桨发动机;螺旋桨;初步选型
涡桨发动机是以螺旋桨旋转时所产生的力量来作为飞机前进的动力。且由于螺旋桨技术的不断进步，螺旋桨飞机在高亚声速飞行时的推进效率也大大提高，噪声水平已大幅度下降，其乘坐舒适性基本与涡扇发动机相当，。
本文从某型涡桨发动机的研制需求出发，梳理了国际上现有的螺旋桨产品，并结合某型号的具体要求，提出了初步的螺旋桨选型意见。
一、国际现有螺旋桨产品的梳理分析
（一）功率等级
为了确定螺旋桨的功率等级，本文将配装发动机功率为1500kW以下的螺旋桨称为小功率螺旋桨，功率为1500kW以上的螺旋桨称为大功率螺旋桨。美国哈策尔（HARTZELL）、欧洲MT所产品主要为小功率螺旋桨，主要装机对象为PT6A系列和TPE331系列发动机。作为世界最重要的大功率螺旋桨供应商之一，英国道蒂的螺旋桨产品应用于PW150系列发动机，配装发动机的功率等级达到3700kW以上。俄罗斯Aerosila的产品功率覆盖范围较广，美法合资Figeac Ratier所列出的产品主要为大功率螺旋桨，被应用于C130和P–3C等知名机型。
（二）桨叶材料
目前，螺旋桨桨叶主要包括实心叶片或复合材料空心叶片两种类型。从美国哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率的螺旋桨采用实心叶片。而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用复合材料制成的叶片。
（三）螺旋桨转速及直径
小功率等级的螺旋桨具有转速高和直径小的特点，800kW～1500kW功率的螺旋桨设计转速范围为1552～2200rpm，直径为2.25～3.6m。大功率等级螺旋桨的设计转速在1300以下，直径在3.6m以上。
（四）变距方式
从美国哈策尔（HARTZELL）和欧洲MT的产品可以看出，800～1626kW功率的螺旋桨采用“弹簧+单油路”的变距方式。而英国道蒂3000kW级的螺旋桨采用双油路变距方式。
（五）安装形式
螺旋桨的安装形式主要包括共轴和偏置两种，主要取决于发动机的减速器功率输出形式。减速器功率同轴式输出的发动机，具有径向尺寸小和轴向尺寸长的特点;减速器功率偏置式输出的发动机，结构紧凑，轴向尺寸短，但是迎风面积较大。
二、某型发动机螺旋桨的选型意见
某型涡桨发动机为单转子双轴结构，由2级离心压气机、回流环型燃烧室、1级燃气涡轮和1级自由涡轮等组成，设计功率约为1300kW，采用双通道全权限数字式电子控制系统（FADEC）。结合装机平台需求，对螺旋桨直径的要求约为3m。为确定其总体设计方案，需开展螺旋桨的初步选型。
（一）桨叶材料
为了有效地控制桨叶制造及维护在总成本中的占比，作为功率小于1500kW的某涡桨发动机，建议优先选择铝合金实心桨叶。
（二）变距机构及安装形式
双油路变距机构可以有效地避免弹簧力不够所引起的变距滞后情况，但是其结构复杂，成本较高。考虑到装配和维护的需求，桨距控制器（PCU）等附件必须安装在发动机外部。同时，桨距控制器中的油路必须与桨轴同轴，且为了防止两个油路发生窜油，供油段的长度必须大于2倍的活塞行程，导致双油路变距机构只能适用于减速器功率偏置式输出的发动机，且要求减速器后方具有较大的附件布局空间，严重限制了发动机的总体结构。而某涡桨发动机压气机流道较短，即使采用偏置式安裝，仍然不能提供足够的安装空间，因此只能采用“弹簧+单油路”的变距方式。
（三）控制系统
螺旋桨的控制系统可以采用电子控制和机械液压控制两种形式。采用螺旋桨电子控制系统，可以与发动机控制系统进行数据交流，能够实现多个典型飞行状态下的桨发自动匹配，包括地慢、起飞、爬升、巡航和空慢等状态。而采用机械液压控制系统，不同状态下的桨发匹配全靠人工耦合实现。
根据上述分析结果，结合国际上的现有产品情况，建议某型发动机对照哈策尔（HARTZELL）的M11693NS、HC–B5MA–5A和M11692NS等型号开展螺旋桨的选型，并提出螺旋桨电子控制系统的开发需求，实现对螺旋桨桨距及工作状态的闭环控制。
三、结束语
本文梳理了国际上现有的螺旋桨产品情况，并从功率等级、桨叶材料、转速、直径、变距方式和安装形式的角度开展了综合分析和比较。根据螺旋桨功能和结构特点及其对发动机的影响，从桨叶材料、变距机构、安装形式和控制系统方面，结合某型涡桨发动机的研制需求，提供了螺旋桨的初步选型意见。
参考文献
罗安阳，周辉华，申余兵.航空涡轮螺旋桨发动机发展现状与展望[J].航空科学技术，2013（5）：1–5.
蓝琼.两类涡轮螺旋桨发动机的差异[J].中国科技信息，2015（9）：40–41.
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