桨扇会火吗

晨枫

8 E) f" }+ Z' ?  h涡轮发动机已经是老面孔了，无非就是涡喷、涡扇、涡桨、涡轴。
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: c" {1 I- ~7 k4 T; Q& }0 }; U涡喷是基本的涡轮发动机。涡扇加一个风扇和外涵道，风扇本身也是低压压气机的一部分，除非用罗尔斯-罗伊斯的三转子或者普拉特-惠特尼的齿轮减速，使得风扇转速更低。涡桨在某种意义上是风扇外露的涡扇，等效的涵道比高达30以上，而现代最先进高涵道比涡扇也刚超过10，这是比齿轮减速涡扇更早有齿轮减速的。涡轴则是把动力输出转弯90度，图中是直接从大轴接出来的后输出，也通过自由涡轮（与大轴没有机械连接，靠喷流吹动单独的涡轮）实现后输出的，还有前输出的，各有好坏，各有应用。

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在M0.5以下，涡桨的推进效率有绝对优势，采用后掠叶尖后，可以提高到M0.6，但进一步提高到高亚音速的M0.8以上，就要靠高涵道比涡扇了，涡喷要超音速以后才有推进效率的优势
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涡桨的好处和坏处早就知道：在低空低速的时候最省油，但噪声和震动也是真大。涡桨要省油，需要加大桨盘直径和降低转速，但这意味着迎风阻力增加，在本质上就没法飞高速。缩小桨盘直径、提高转速可以提高高速性能，但最终受到桨叶叶尖线速度不能超过音速的限制，否则要引起强烈而且规则扫过的激波，不仅造成阻力，还有强烈的噪声和震动。实际上不只是叶尖线速度，还要结合前进速度，合成下来的螺旋线速度不能超过音速。

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6 Q0 x9 Q, c5 x  Q, _3 }' l老派涡桨的桨叶有点像棒球棍


- y5 ~$ t1 Z5 G) P- C' E* g. T改良后像“圆润化”的平直翼

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5 C* d! b* g+ Z. S先进涡桨的桨叶带一点弯曲，尤其是叶尖带后掠，可以在叶尖速度略微超过音速的时候，依然不至于造成过度的激波问题，有报道最高可达M1.14
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6 a! E, S2 C. B! k" z2 p涡桨要增加推力和推进速度，而不增加转速，可以增加桨叶数。在这个问题上，涡桨和活塞式是一样的。二战开始时，双桨和三桨是主流，但二战结束时，已经增加到五桨了，现在有八桨的。

. O+ A0 S+ [1 I+ ^问题是，桨叶数不能无限增加。更多的桨叶意味着需要更加精细的平衡，否则一转起来，震动就会把飞机弄散了架。另一方面，桨叶进一步增加，也增加桨盘的“实心度”，增加迎风阻力。多到实际上形成成为一堵实墙的时候，阻力达到最大，也别谈推进效率了。

另一方面，桨叶有所弯曲，尤其是前缘（迎风侧）带有显著弧度、叶尖带有后掠，可以推迟激波的产生，容许提高转速而不至于引起过度的激波问题。
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还有一个办法是同轴反转双桨。这可以通过把前桨扭转的推进气流反向扭转，使得推进能量较少浪费在旋转上，提高推进效率。但同款、同桨叶数的反转使得前桨和后桨的激波叠加，尤其是后桨的“螺旋线速度”还要考虑前桨尾流的反向螺旋。
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3 y6 I. \5 m" ^3 ~0 {( L特别厉害的噪声和震动问题使得同轴反转螺旋桨基本上只在军用飞机上使用，如俄罗斯的图-95轰炸机，极少在民航飞机上使用。

但只要克服噪声和震动问题，多桨叶数、同轴反转实际上对提高涡桨的速度很有用，问题是这个“只要”很难实现。桨扇（开式涡扇）就是用来干这个的。

桨扇是介于涡扇和涡桨之间，也叫开式涡扇是指风扇取消硬式外涵道的围护，但风扇转速大大超过涡桨。涡扇的涵道比（外涵道流量与内涵道流量之比）越高，越是省油。桨扇的涵道比在理论上是无穷大，实际上和涡桨一样，可以等效为很高（20+）的涵道比，所以非常省油。大大提高的转速能缓解震动，但噪声问题没法解决，实际上更严重了。
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. [9 t' r$ |# T$ A3 a4 h噪声问题使得桨扇尽管早早开始研究方向，但一直无法使用。
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/ `+ \4 `) k% e  T* j7 g/ b& }但是新出现了一些技术，使得桨扇出现了新希望。
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80年代通用电气就研制过UDF（Unducted Fan），噪声和震动问题没法解决

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安-70是最接近桨扇投入实用的例子
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近年来，欧洲对桨扇研发很热心，CFM处在前沿
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新技术除了已知的多桨叶、弯曲桨叶和带后掠叶尖、同轴反转，还包括一些“奇奇怪怪的”东西：

, @6 S6 d/ N- E- E; ~2 s/ W( L+ ?1、前桨与后桨采用不同的桨叶数
/ x* j  X$ I) L  }2、前桨直径大于后桨
2 Z5 c6 e/ r$ q( }& X; }3、前桨和后桨采用不同的转速

: w- w9 q7 {: u/ K& b% h这些都是用于降噪的。

噪声是声波，用傅里叶分析方面可以知道，什么波形都可以分解成不同频率的正弦波的叠加，可以用频谱（各个频率上的强度，如振幅、功率）。单一正弦波分解后，在频谱上就是一个孤立的尖峰；白噪声则是所有频率上峰值都一样的“平顶”。

1 j" p: w$ t/ L9 L, j5 i人类感觉到的噪声不仅是强度，还有模式，规则的噪声特别刺耳，但白噪声反而有催眠作用，还有人睡不着觉特意在安静的夜晚播放白噪声催眠的。

航空发动机的噪声太大，再白噪声也不可能催眠，但可以打打降低“主观噪声”水平，变得不那么刺耳。



这个问题在直升机上早就发现了。在越南战场上，UH-1“休伊”直升机广泛使用，非常特征性的“啪嗒”声对身陷敌后的美军是天大的福音，对设伏偷袭的越军就是特别讨厌的声音。

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UH-1采用很有特点和极简设计的“跷跷板”双桨和双叶尾桨，飞起来，想不“啪嗒”都不行。但美国海军陆战队对“休伊”真是爱不释手，最新的UH-1Y到208=08年才开始使用，现在当然是主力机型之一，和MV-22、CH-53K一起成为陆战队的“三剑客”之一。



UH-1Y最大的改进之一就是换上了四叶旋翼和四叶尾桨，但还是规则间距的四叶尾桨，而不是更加先进剪刀式尾桨。AH-64“阿帕奇”的尾桨就能看出剪刀式了。
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从“阿帕奇”开始，剪刀式尾桨成为主流，但也带来不同的尾梁抗震动要求。UH-1Y是改装设计，从平衡设计的双叶改为平衡设计的四叶还行，改成不平衡的剪刀式就要大费周章改尾梁了，所以还是规则间距的四叶。

剪刀式使得刺耳的单频噪声变为双频混合噪声，虽然还是规则的，但毕竟离白噪声接近了一步。开始涡扇的种种改进都是为了更加深入的几步。

前桨、后桨采用不同的桨叶数（一般是后桨比前桨减少两片），使得前后桨的叶尖噪声不再同频；后桨直径略小使得后桨叶尖线速度降低，音强也因此“混响”化，使得总体噪声更加不规则化；前后桨采用不同转速，进一步加强了“混响”化。
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6 {( B1 F/ l  R& f& l" j6 C5 J, [后桨比前桨叶片数减少、直径缩小、转速降低，而不是反过来，是因为前桨接受的是自由空气，而后桨接受的本来就是带旋转和加速的前桨尾流，只有这样才能做到出力平衡，但在机械、气动上的挑战依然很大，因为前后桨的动态平衡需要非常精细地设计和调整，否则就是不可接受的震动和可靠性问题。
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但诱惑也是巨大的。
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涡桨再省油，首先速度限制在M0.6以下，其次高度限制在5500-9100米，再高的话，螺旋桨就不给力了，“抓不住”太稀薄的空气。这对短途航线没有问题，但长途航线需要更高的速度，更高的高度意味着更低的空气密度和阻力，也是长途飞行的刚需。

涡扇（尤其是现代高涵道比涡扇）适合M0.75-0.85的巡航，实际上M0.95也行，也适合10000米以上的高空飞行，噪声相对较小，是现代民航客机的主流动力。
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6 N4 t% y: N, A+ U' E& \/ J, n但在M0.6-0.7范围，桨扇具有接近涡桨的油耗，一般认为比现代最高水平的高涵道比涡扇还要省油20-30%，这就是非常大的优势了。在巡航高度方面，开式涡扇也居中，使得使用桨扇动力的中程民航飞机非常能打，只要解决了噪声问题。

中程飞机的用处现在越来越大。对于点到点、中等流量航线最为有用。在这里，涡桨已经不能打了，但涡扇的速度优势其实发挥不出来，而桨扇的油耗优势就是碾压性的。

& Y, ~! v4 h- i3 q- U% M3 X# v3 n油耗永远是民航机的命根子。从波音737到737MAX，从A320到320NEO，最大的变化就是更加省油的发动机。有开式涡扇的话，立刻成为新宠是铁板钉钉的。

/ N$ P  [1 A7 ]6 b- e在结构上，桨扇可以是前置桨叶的拉进式，或者后置桨叶的推进式，后者还可以用自由涡轮驱动，不仅取消了沉重、复杂的减速器，还使得从涡扇改型为桨扇特别方便。

5 Z. v9 u* t, ^2 M. }当然，桨扇在实用中也是有问题的。桨盘尺度远远大于涡扇外经，使得波音737那样擦着地的翼下安装不再可能，机尾两侧安装也需要大大加长撑架的长度，等等。
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& w( j7 i( F# }& x0 p4 p. j但现在的最大挑战还是噪声，其次是桨叶的动平衡。
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- g" k6 b5 N: M$ H8 n9 z另一个挑战是电推进。传统航发因为重量大、成本高，在设计上都是使用越少数量的发动机越好，能单发就不双发，能双反就不四发，诸如此类。但轻小、低成本的电动机使得分布式电推进成为可能，推进效率不再只是发动机的问题，而切是与机体和机翼气动高度整合的问题。桨扇和电推进谁才代表航空推进的未来，是个挺有意思的问题。

隧道

可以都有，感觉还是发展太慢了，哪些招数都不新奇。