起源
渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，簡稱渦槳發(fā)動機(jī)，其研究工作最早可追溯到二戰(zhàn)之前。早在1930年，英國皇家空軍技術(shù)軍官弗朗克?惠特爾爵士就率先提出了渦輪噴氣式（渦噴）推進(jìn)的概念，從而被公認(rèn)為現(xiàn)代噴氣發(fā)動機(jī)之父?；萏貭柕膰姎馐桨l(fā)動機(jī)理念先進(jìn)，但是推進(jìn)效率非常低下，名不見經(jīng)傳的匈牙利工程師雅各?簡德拉斯克在惠特爾的研究基礎(chǔ)之上，提出了一個新的發(fā)動機(jī)概念――渦槳發(fā)動機(jī)，他的思路是：若噴氣式飛機(jī)的飛行速度一定，要提高飛機(jī)的推進(jìn)效率，就是要降低噴氣發(fā)動機(jī)排氣速度和飛行速度的差值，如能在渦輪噴氣發(fā)動機(jī)上裝一副由渦輪驅(qū)動的螺旋槳就可以有效降低噴氣發(fā)動機(jī)排氣速度，從而大幅提高噴氣發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率――這就是今天渦槳發(fā)動機(jī)的最初雛形。
簡德拉斯克根據(jù)自己的研究成果，于1937年設(shè)計了世界上第一種渦槳發(fā)動機(jī)CS-1，并用自己的名字給新發(fā)動機(jī)命名，據(jù)推算CS-1功率達(dá)到400馬力。1940年，簡德拉斯克的CS-1渦槳發(fā)動機(jī)進(jìn)行了地面試車，并計劃裝在匈牙利國產(chǎn)Varga RMI-1 X/H型雙引擎?zhèn)刹?轟炸機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)。
但隨著二戰(zhàn)的爆發(fā)，匈牙利被綁上納粹德國的戰(zhàn)車，CS-1渦槳發(fā)動機(jī)的發(fā)展不得不被取消。
萌芽
二戰(zhàn)中，渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)得到了迅猛的發(fā)展，在1945年二戰(zhàn)結(jié)束前夕，德國已經(jīng)有13種噴氣發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)了飛行，其中發(fā)展最為成熟、走得最遠(yuǎn)的噴氣式發(fā)動機(jī)――也被公認(rèn)為是現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機(jī)鼻祖――就是容克斯公司的Jumo-004發(fā)動機(jī)，Jumo-004是世界上最早投入使用的噴氣發(fā)動機(jī)，也是最早使用的軸流式噴氣發(fā)動機(jī)，世界上第一種投入實(shí)戰(zhàn)的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)Me 262所使用的就是這發(fā)動機(jī)，在整個戰(zhàn)爭期間德國一共生產(chǎn)了6 000余臺，還用來裝備Ar 234轟炸機(jī)、Go 229飛翼機(jī)、Ta 183戰(zhàn)斗機(jī)等。
二戰(zhàn)結(jié)束后，美國和蘇聯(lián)戰(zhàn)后第一代戰(zhàn)斗機(jī)所使用的噴氣式發(fā)動機(jī)都是以Jumo-004為藍(lán)本進(jìn)行的設(shè)計。Jumo-004發(fā)動機(jī)是革命性的，但是缺點(diǎn)也十分突出，使用壽命短（Jumo-004B-1為20小時 ），推進(jìn)效率低，油耗大，影響飛機(jī)航程。Me 262的最大航程只有區(qū)區(qū)1 000千米，作戰(zhàn)半徑400千米左右，嚴(yán)重限制了作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。為了克服這些問題，德國工程師開始在Jumo-004的基礎(chǔ)上研究渦槳發(fā)動機(jī)改進(jìn)方案，最主要的改進(jìn)措施是將其1級渦輪變成2級渦輪，并降低渦輪的轉(zhuǎn)速（從8 700轉(zhuǎn)/分降低到5 000轉(zhuǎn)/分），并通過減速齒輪使得兩個渦輪的轉(zhuǎn)速不同，并驅(qū)動不同的轉(zhuǎn)動軸，轉(zhuǎn)速較快的渦輪用于驅(qū)動壓氣機(jī)，而轉(zhuǎn)速較慢的渦輪通過減速齒輪減速后用于驅(qū)動兩副對轉(zhuǎn)的螺旋槳，這樣不僅提高了發(fā)動機(jī)的整體推進(jìn)效率，還通過降低轉(zhuǎn)速減小了渦輪的磨損，延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命；其他改進(jìn)措施還包括將壓氣機(jī)級數(shù)從8級提升到11級，來提升壓氣機(jī)的空氣壓縮效率；將燃燒室數(shù)量從6個增加到8個來提升燃料的燃燒效率等。通過以上改進(jìn)，德國空軍的渦槳發(fā)動機(jī)Jumo-022誕生了。
Jumo-022是德國空軍夢寐以求的革命性發(fā)動機(jī)，功率達(dá)到5 000馬力。但隨著德國的戰(zhàn)敗，蘇聯(lián)全盤接受了Jumo-022的技術(shù)資料和研制人員。蘇聯(lián)庫茲涅佐夫設(shè)計局將其放大，研制出了15 000馬力的NK-12巨型渦槳發(fā)動機(jī)，并成功應(yīng)用于圖-95“熊”式戰(zhàn)略轟炸機(jī)。
而位于烏克蘭的伊伏琴柯設(shè)計局（Ivchenko）則繼續(xù)改進(jìn)Jumo-022，研制出了安-12運(yùn)輸機(jī)（運(yùn)8）上用的Al20（渦槳6）發(fā)動機(jī)，而該發(fā)動機(jī)的縮小版就是安-24（運(yùn)7）上用的Al24（渦槳5）。
德國空軍的另一個渦槳發(fā)動機(jī)研究項(xiàng)目是戴姆勒?奔馳公司的DB.021項(xiàng)目。DB.021渦槳發(fā)動機(jī)源于亨克爾公司的HeS-011渦噴發(fā)動機(jī)，即利用HeS-011的渦輪驅(qū)動一副6葉螺旋槳，來提高推進(jìn)效率。DB.021可大幅提升德國空軍噴氣式作戰(zhàn)飛行的性能。一旦DB.021研制成功，Me 262在飛行速度不大幅下降的前提下，航程可提升2倍以上，作戰(zhàn)半徑提升到接近1 000千米。在DB.021投產(chǎn)前，德國工程師就計劃在Me 262的基礎(chǔ)上發(fā)展多種先進(jìn)渦槳發(fā)動機(jī)作戰(zhàn)飛機(jī)，包括先進(jìn)的高空戰(zhàn)斗機(jī)、截?fù)魴C(jī)、海上巡邏機(jī)、中程轟炸機(jī)、對地攻擊機(jī)、多用途偵察機(jī)等，Me 262的作戰(zhàn)效能將大幅提升，但這些圖紙飛機(jī)都隨著納粹德國的快速崩潰而灰飛煙滅。
成長
渦槳發(fā)動機(jī)在民用飛機(jī)上的成功應(yīng)用最終興起于戰(zhàn)后的英國。1942年，英國開始研制本國第一臺渦槳發(fā)動機(jī)羅爾斯?羅伊斯 RB.50 遄達(dá)（Trent）。RB.50 的結(jié)構(gòu)設(shè)計是在“德溫特”（Derwent）離心式噴氣發(fā)動機(jī)（ 格洛斯特“流星”戰(zhàn)斗機(jī)的動力）轉(zhuǎn)軸前端裝上由渦輪和減速齒輪箱驅(qū)動的5葉螺旋槳（直接取自“超級海噴火”戰(zhàn)斗機(jī)），堪稱噴氣式發(fā)動機(jī)和活塞螺旋槳發(fā)動機(jī)結(jié)合的怪胎。該發(fā)動機(jī)于1944年6月首次運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過633小時試車后于1945年9月20日安裝在格羅斯特“流星”戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行了試飛，并做了298小時飛行試驗(yàn)，最終研制成功。
RB.50是世界上第一種投入實(shí)用的渦槳發(fā)動機(jī)，在其基礎(chǔ)上發(fā)展的RB.53更是在商業(yè)上大獲成功，而以RB.53為動力的維克斯公司“子爵”飛機(jī)成為了世界上第一架渦槳動力客機(jī)。RB.53渦槳發(fā)動機(jī)天生就有眾多優(yōu)點(diǎn)，功率大，功重比高。另外由于減少了運(yùn)動部件，尤其是沒有做往復(fù)運(yùn)動的活塞，渦槳發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性好，噪音小，工作壽命長，維修費(fèi)用也較低。而且，由于核心部分采用燃?xì)獍l(fā)生器，渦槳發(fā)動機(jī)的適用高度和速度范圍都要比活塞式發(fā)動機(jī)高很多。因此“子爵”飛機(jī)和同期的活塞式發(fā)動機(jī)客機(jī)（例如美國道格拉斯公司DC6、DC7以及波音公司波音377）相比，優(yōu)勢明顯，飛行速度更快，可達(dá)每小時576千米?！白泳簟憋w機(jī)可飛得更高，使巡航高度處在平流層，從而旅客乘座更舒適。這兩大優(yōu)勢使“子爵”號投入使用后很受歡迎，就連中國也于1963年購買了6架。
興起
美國在1956年也裝備了自己的渦槳發(fā)動機(jī)T56/501，裝于C-130運(yùn)輸機(jī)、P-3C偵察機(jī)和E-2C預(yù)警機(jī)，大獲成功。該系列渦槳發(fā)動機(jī)已生產(chǎn)了17 000多臺，出口到50多個國家和地區(qū)，使用至今。
上世紀(jì)60年代，終因吸收功率、尺寸和飛行速度方面的限制，在大型飛機(jī)上渦槳發(fā)動機(jī)逐步被渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)所取代，但在中小型運(yùn)輸機(jī)和通用飛機(jī)上仍有一席之地。其中加拿大普?惠公司的PT6A發(fā)動機(jī)是典型代表，40年來，這個功率范圍為350～1 100千瓦的發(fā)動機(jī)系列已發(fā)展出30多個改型，用于144個國家的近百種飛機(jī)，共生產(chǎn)了30 000多臺。
在20世紀(jì)70～80年代，由于爆發(fā)了兩次石油危機(jī)，使得布蘭特原油價格從1969年的11美元/桶暴漲到1981年的53美元/桶，這使得對能源價格極度敏感的航空公司的運(yùn)營成本居高不下，而經(jīng)濟(jì)省油的渦槳發(fā)動機(jī)再次得到航空業(yè)界的青睞，并掀起了一陣性能上介于渦槳發(fā)動機(jī)和渦扇發(fā)動機(jī)之間的槳扇發(fā)動機(jī)熱。一些著名的發(fā)動機(jī)公司都在不同程度上進(jìn)行了預(yù)計和試驗(yàn)，其中通用電氣公司的無涵道風(fēng)扇（UDF）GE36曾進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。
未來
而在能源價格高企的今天，渦槳飛機(jī)在支線飛機(jī)市場上仍然有自己的一席之地。近年來，歐洲ATR公司和加拿大龐巴迪公司生產(chǎn)的ATR系列和Q系列渦槳動力支線客機(jī)的市場份額正在逐步上升，并有侵蝕噴氣支線客機(jī)市場份額之勢。其原因就是渦槳發(fā)動機(jī)的單位重量推力油耗（TSFC）是所有種類發(fā)動機(jī)中是最小的，經(jīng)濟(jì)性是最好的。
而正在開發(fā)中的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)（槳扇發(fā)動機(jī)的時髦稱呼）的應(yīng)用前景也不容小視。這種發(fā)動機(jī)的TSFC介于渦扇發(fā)動機(jī)和渦槳發(fā)動機(jī)之間。例如由英國羅?羅公司正在研究的兩轉(zhuǎn)子/三轉(zhuǎn)子開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的燃油效率不僅比現(xiàn)有150座單通道客機(jī)的渦扇發(fā)動機(jī)（CFM56系列）提高30%之多，而且和下一代150座單通道客機(jī)渦扇發(fā)動機(jī)（CFM公司的LEAP發(fā)動機(jī)和普?惠公司的GTF齒扇發(fā)動機(jī)）相比，其燃油效率仍然要高10%左右。因此，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)仍然是未來商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的有力競爭者。
責(zé)任編輯：吳佩新
