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标题: 莫忘涡桨 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 11:40
标题: 莫忘涡桨
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
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中国航空科技正在起飞，令人振奋的新飞机在不断飞向天空。应该先走一步的航空发动机还没有取得同样令人振奋的成就，但也在逐渐看到隧道的尽头。中国的航发研发重点集中在战斗机和运输机的涡扇，如WS15和CJ1000，直升机的涡轴也有起色，但螺旋桨飞机的涡桨还是重灾区。这无疑是现有航发研发的重点所决定的。战斗机是国之重器，战斗机发动机的研发自然优先。民航客机的成败最终取决于发动机，这也是中国制造2025的重点之一，也需要优先。直升机是中国航空的短板，直升机发动机的优先等级正在提高。但螺旋桨飞机也需要成为重点，而且原因很多。" v6 b6 b! i7 L5 P! b  @+ Y
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中国航空是最近20年世界上发展最快的，在大力解决喷气发动机短板的同时，切莫忘记涡桨) s( h5 P3 \% B3 V: }1 w
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C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
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+ |% ?; Q8 l1 a" d/ \) f/ t先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
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螺旋桨可由涡桨发动机或者活塞式发动机驱动，涡桨比活塞式的重量轻、功率大、升限高、运转平稳，活塞式通常只用于小功率场合。相对于喷气式飞机来说，涡桨飞机速度慢，噪声大，但省油、起飞着陆距离短，在不少场合具有独特的优越性。尽管有巴西KC-390、日本C-2、乌克兰安-72的存在，主流战术运输机如C-130、A400M、C-27等依然是涡桨的，正是因为其独特的优点。7 P* _5 U2 c# U: B9 ?0 L

# D9 i1 r2 l/ V! u涡桨的使用灵活。除了常见的机翼上安装的双发、四发，还有机头安装的单发。螺旋桨不仅有常见的拉进，还有桨叶在后的推进。9 m' T4 J7 P; I7 ]7 Y
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就像中国通过手机在电话通信上弯道超车一样，通用航空在中国也有巨大的发展潜力，帮助解决偏远地区的交通问题( o6 P5 z. h1 x: q" Z
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除了军用运输机，通用航空也是涡桨的主要市场。中国幅员广大，地形复杂，通用航空大有可为，但通用航空的发展不仅受到法规、机场的限制，更受到飞机尤其是发动机的限制。在庞大的中国航空工业产品谱系中，并没有通用航空多少位置，适用的先进涡桨更是稀缺。
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随着无人机的兴起，涡桨具有了新的重要性。小型无人机可用活塞式甚至电池驱动，较大的无人机大多采用涡桨，典型的如美国的“捕食者”系列。喷气式的推力更大，但较费油，而且不适宜低速飞行，特别追求长航时、大航程的察打一体无人机还是涡桨驱动为多。中国由于缺乏合适的中小功率涡桨发动机，被迫使用功率小、性能受限的活塞式发动机，严重限制了性能。比如说，“彩虹5”与MQ-9“捕食者”大小和重量相似，“彩虹5”使用涡轮增压的活塞式发动机，功率只有“捕食者”的加莱特TPE331涡桨的一半，在翼展相似的情况下，有效载荷降低60%，升限从15000米降低到9000米，不仅限制了对地视界和增加巡航阻力，也限制了高原起飞性能，好在续航时间从14小时延长到60小时。' E1 D9 l0 j9 x1 P& x
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# D% K% \+ ?4 C在布局、大小和任务相差不多的情况下，采用涡桨的MQ-9（上）的升限和载荷显著高于采用活塞式发动机的彩虹-5（下）) K& J( O; c# i6 `( P$ c

6 }" H! L. ^4 @8 ?6 j# I中国也缺乏先进的大功率涡桨。运-9的涡桨6C的基本设计是苏联时代的东西，比C-130J的罗罗AE2100落后很多，严重限制了运-9的性能。如果传说中的运-30也最终成真，更取决于先进涡桨。为了适应更加灵活、分散的部署，中国可能还需要一级类似C-27的双发轻型运输机，同样依赖先进涡桨。运-20解决了大运的有无问题，但用途更加广泛的中运和轻运不能长期停留在退而求其次的状态。传说中的舰载预警机的飞行性能最终可能也取决于先进涡桨，这决定了舰载预警机的起飞重量、升限和留空时间。+ p/ w0 J4 `- `% _' O

6 W1 m5 Q* g' }5 E在原理上，从适当的涡喷或者涡扇的核心发动机研发涡桨并不是太困难的事，难处在于可靠性和效率。核心发动机的转速太高，要降低到适合螺旋桨的转速，需要沉重、复杂、可靠性低的减速齿轮装置。但加拿大普拉特-惠特尼PT6系列涡桨提供了有用的新思路。
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2 D% c' F3 w0 `& x6 Z. {PT6系列或许是历史上最成功的涡桨发动机，到2015年11月已经累计生产51000台，累计运转4亿小时以上，功率范围从580马力到1940马力。最值得称道的是可靠性：每65万飞行小时里低于1次空中停车。+ ?% |' P2 B8 u6 a. y0 G0 r

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成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
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为了降低对减速齿轮的要求，PT6采用独特的逆流自由涡轮设计。自由涡轮说白了就是风车。在有风天里，小直径风车转速快，大直径风车转速慢，涡桨的自由涡轮也是一样的道理。当然，风车直径还要考虑其他因素，比如发动机直径和叶片受力，一步到位并不现实。但从较低的转速开始，减速齿轮装置可以较小、较轻、更加可靠，传动损耗也低。由于自由涡轮的转速与发动机转速脱钩，自由涡轮涡桨可以用单转子核心发动机实现双转子的效果，或者用双转子核心发动机实现三转子的效果，热力学效率显著高于直接驱动、齿轮减速的传统涡桨。& I' W) `. k5 j6 D/ M6 z

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这些外观上大同小异的教练机（从上到下：瑞士PC-9、巴西“巨嘴鸟”、韩国KT-1）都采用PT6涡桨，所以都有特征性的“小胡子”: _7 O: N  G2 I; b3 y7 ^/ I; K  z% \
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不过常见的螺旋桨飞机都是拉进的，这意味着PT6的核心发动机的喷气必须向前，喷气流吹动风车做功后，再转个方向，向侧后喷出。观察典型的采用PT-6发动机的飞机（如巴西“巨嘴鸟”或者瑞士PC-9），不难看到发动机喷口在很靠前的奇怪位置，几乎紧贴在螺旋桨后，好像两撇小胡子一样。正是因为这个独特的设计。进气依然在前方，绕过核心发动机后，从尾后折返向前，进入核心发动机。因此成为逆流设计。5 O' d1 o7 R3 B) P$ B" ?5 ]' n2 y

3 o( l3 r, }( m' R对于高速飞机来说，进气、喷气这么绕来绕去会造成可观的动能损失，但PT6主要用于中低速飞机，这个问题不大。进气在发动机尾转弯时，动能转化为压力，是有利于压气机工作的。喷气的能量在吹动自由涡轮之后，本来就没有多少动能了，只是排气而已，所以再转个弯问题也不大。
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有意思的是，由于采用自由涡轮设计，PT6可以很容易地转型为直升机用的涡轴发动机，原则上只需要在自由涡轮的输出端加一个伞齿轮，把动力输出转90度就可以驱动旋翼了。对于PT6家族来说，PT6A是涡桨，PT6B和C都是涡轴，还有其他型号。
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善于倒立的马戏团演员正过来站着走也没问题，同样，PT6也可以用于顺流应用场合，螺旋桨改为推进，就像MQ-9“捕食者”或者“彩虹5”那样。直升机的涡轴发动机也有前输出和后输出问题，PT6作为涡轴的时候同样便于灵活使用。
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PT6也有用于直升机的型号，这是AC313
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PT6在世界上得到广泛应用，在中国也得到应用，运-12、直-8F和AC313都用PT6，如果不是美国作怪，直-10本来用的也是PT6。6 i) |: s% w; l: I5 `
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PT6这样把动轮轴和输出轴分开还有一个好处：两根轴都相对较短，受力情况大为改善。发动机的转轴不仅工作时受热、受力情况极其严峻，停车冷却时也有独特的烦恼。卸载冷却后，较长的转轴会“松弛”下来，产生些微下垂变形。这是正常的，但在启动时，需要慢慢加热“张紧”才能增加转速和出力。普拉特-惠特尼的齿轮减速涡扇（简称GTF）正是因为这个问题而推迟交付，致使超过100架空客A320NEO没有发动机可用，不能交货。但分成两段后，受力和受热情况都极大改善。PT6的启动是出名地容易。
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但PT6从1963年投产到现在，尽管在不断改进中，基本设计已经很老了。这五十多年来，航空发动机技术发展迅速，但很多新技术没有在PT6体现出来。这也与一波又一波“涡桨过时论”有关，航发公司不愿意投资，挑战PT6。
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3 X# F* J7 a" C' c但涡桨非但没有过时，还需求旺盛。为此通用电气借用已经成熟的其他发动机技术，重新打造21世纪的PT6，这就是“先进涡桨”（简称ATP），现在改名“催化剂”，设计功率范围为850-1600马力。
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通用电气ATP涡桨( z) ^7 m0 v$ U. h
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' E0 O% W! X$ ?+ @8 Y* n/ W% x3 Q也采用逆流自由涡轮设计* y9 F5 J' v* w/ k1 X; q; \0 ~  v4 q

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$ j1 F( ^9 h; R& l, \# f$ X全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
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; m4 q5 x' d1 b1 M, \3 W力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
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- r! G$ ~, z6 g1 k从性能指标来看，很有希望
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现在已有塞斯纳“德纳利”采用
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4 z- r5 l9 I! @* X9 I% uATP里35%的部件都使用钛合金增材制造（也称3D打印），按照常规制造方法需要用855个部件实现的功能缩减为12个部件，减重12%，对于降低油耗的贡献达到1%。不过现在还只限于固定部件，如框架、燃烧室器壁、机油泵体、出气口、轴承座、流道、换热器等，旋转部分如叶片和转轴还是用传统方法制造的。
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1 N6 P& H8 \& @4 ^3 e+ ], V/ p压气机采用先进的3D流体力学方法设计，采用可调导流叶片（简称VSV），使得压缩比达到16。可调导流叶片是通用电气的拿手好戏，解决了发动机喘振和效率问题。ATP还使用两极空心冷却单晶涡轮叶片，极大地提高了工作温度和热效率。三级反转自由涡轮则以最高效率和最优转速驱动输出轴，并抵消核心发动机的转动导致的章动效应。全权限数字发动机控制（简称FADEC）不仅控制发动机的工作，还控制变距螺旋桨的工作，在发动机和螺旋桨的工作状态之间实时优化，保证最高效率和最高可靠性。$ l8 \6 L4 {; ?6 z1 j

2 G  A- U3 n% V! A$ \  L与PT6相比，ATP的大修间隔从3000小时提高到4000小时，油耗降低20%，巡航功率增加10%。( A5 f, T7 r: [2 |) O1 K2 F
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ATP现在只用于塞斯纳“德纳利”，这是单发的7-9座小型通用飞机，使用的ATP为1300马力版。更多应用和更多功率型号只是时间问题，直升机使用的涡轴版也将水到渠成。
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对于中国来说，还可以把眼光放远点，因为涡桨、涡轴的核心发动机与中校推力涡扇可以通用。罗尔斯-罗伊斯AE2100涡桨用于洛克希德C-130J，但共享基本技术的T406用于贝尔-波音V-22，涡扇版AE3007则用于塞斯纳“奖状”公务机、巴西航空ERJ145支线客机和诺思罗普MQ-4C“海王”/RQ-4“全球鹰”大型无人机。这样的30-40kN级先进涡扇也是中国急需的，特别适用于大型长航时高空无人机。相比之下，中国“翔龙”等采用涡喷7实在是无奈之举，各种高性能无人作战飞机、高亚音速巡航导弹（包括在巡航段使用涡扇推进的反舰导弹、空地导弹、反潜导弹等）、教练机等都可得益于先进涡扇。
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6 i9 B) O2 m6 ^这些飞机（从上到下：C-130J、“奖状”、MV-22、ERJ-145、全球鹰、通用原子MQ25方案）的任务、性能各异，但共用同一台核心发动机，这是中国大力发展中小推力涡轮发动机族的另一个意义
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中国航发在大举攻克大推力战斗机和高涵道比民用涡扇的同时，不应该忽视中小推力涡轮发动机家族（包括涡桨、涡轴、涡扇）。各种先进技术也可以首先在中小推力发动机上使用，为大推力发动机上的使用铺路，比如增材制造、FADEC等。
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更重要的是，成飞与沈飞的竞争启动了中国战斗机设计空前活跃的时代，中国航发的研发与制造有必要借鉴这样的模式。如果不在所有领域都保持平行竞争，至少避免“钦定”，鼓励二线厂所从中小推力发动机入手，积累经验，在条件成熟的时候涉足大推力发动机。
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! i$ l! h/ R. c  m" ]这远远不止是给新兴厂所练手的机会，中国对相应推力级的发动机有急切地大量需求。无人机、通用航空、运输机已经是很大的市场，直升机可能是更大的市场，中国陆海军的直升机化才上路。小推力涡扇方面，光巡航导弹就是很大的需求。实际上，按发动机台数和累计价值来说，这可能是比战斗机涡扇、民航机涡扇更大的市场，不能忽视。1 K9 g( @$ p# y" t

% v3 {9 s( A% i+ q0 @3 v# ^在人们的眼光集中在大推力、高涵道比涡扇的同时，莫忘涡桨（和涡轴、小涡扇）。# |* k1 @$ D9 t# }" f9 s) h- \
作者: 猫元帅    时间: 2018-7-16 12:04
图-95那个是什么？
作者: 燕庐敕    时间: 2018-7-16 12:19
猫元帅 发表于 2018-7-16 12:047 t+ ~; L7 o, f; V# q6 v5 @
图-95那个是什么？
# f% F, J9 V- V0 k1 s
就是涡桨，同轴反向的。
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 12:21
猫元帅 发表于 2018-7-15 22:04
2 B& p  N5 A# I: Q图-95那个是什么？

- z  J# a1 w+ g6 z: C' N: }也是涡桨，同轴反转，库兹涅佐夫NK-12
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作者: hotmen    时间: 2018-7-16 12:46
最近怎么都在谈PT6？
  K* n+ b( v9 ]% ahttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
& Z, h. W. f. f4 ahttp://user.guancha.cn/main/content?id=26003
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作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 12:56
hotmen 发表于 2018-7-15 22:46# f. d# t8 H: C9 T1 h0 j
最近怎么都在谈PT6？
8 ?% V2 `3 c$ ^/ {4 q% e! thttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
" L0 d: A. b: \. T: @4 l" V  \+ w% uhttp://user.guan ...

! B/ ^+ v2 s+ \0 ~# e7 w因为这是好东西啊
- C4 H& O. O8 u6 i7 i& w5 |
. }  v2 G5 j4 O" q$ ]9 g: U他们俩都从直升机发动机着眼，我从更大的发动机族着眼
作者: hotmen    时间: 2018-7-16 13:02
本帖最后由 hotmen 于 2018-7-16 13:06 编辑
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晨枫 发表于 2018-7-16 12:56: S, \! p" ~7 D6 {& p7 }7 F
因为这是好东西啊
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8 t4 R, y' Q! o" v他们俩都从直升机发动机着眼，我从更大的发动机族着眼 ...
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乐观点说有涡轴-10了，涡轴-6也能凑合着用。" ~- N, u! n! S8 G2 i
悲观点说以后直8，直10，直18，直20全指望涡轴-10了。
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另外，最近发现杨基回到观网了。http://user.guancha.cn/user/personal-homepage?uid=224109
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 13:10
hotmen 发表于 2018-7-15 23:02
4 q5 K' {( {) W% v乐观点说有涡轴-10了，涡轴-6也能凑合着用。
3 ?% f5 \. r3 Y0 Q: U" b悲观点说以后直8，直10，直18，直20全指望涡轴-10了。

' Q2 v5 y& Y5 R" `$ b是啊，养鸡到观网，给观网壮大了好一块，好事！! V2 u4 q& c/ ?

" e3 X, \- z" G- j4 {& `涡轴10相当于T700，美国陆军正在竞标T900，要求在T700的安装空间（甚至安装点）和重量范围里，功率增加50%、油耗降低25%、寿命延长20%，而中国涡轴10是不是能可靠地达到T700基本型的性能还是一个问题。
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T700是单转子的，技术简单可靠，但油耗高，功率也做不上去。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-16 17:06
天朝为什么不买Д-36的技术，这对天朝可是好东西，向上可以发展大推，向下可发展涡浆，涡轴。
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 21:19
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-16 07:35 编辑
* z4 f# T6 i: M$ H9 W2 ~
笔笔 发表于 2018-7-16 03:063 P& F* P0 l# A4 {# C; x& c
天朝为什么不买Д-36的技术，这对天朝可是好东西，向上可以发展大推，向下可发展涡浆，涡轴。 ...

0 w4 g& E/ c$ N) c0 Z4 O* O( c/ s1 {- G" ^  v; N# i& r
不知道。苏联的三转子只有这一个，那么好的话，为什么不多发展点型号呢？技术上精巧度太高的技术路线，不看好毛子货。这不是他们的风格。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-16 22:03
晨枫 发表于 2018-7-16 21:192 R6 n$ u, E( F8 u8 j9 n
不知道。苏联的三转子只有这一个，那么好的话，为什么不多发展点型号呢？技术上精巧度太高的技术路线，不 ...

! u/ l' ^# }8 m: _米26的发动机就是从Д-36发展来的，安系，雅克上用的挺多的，改开后天朝工业界有点好高骛远看不起老毛子，老毛子是比不了西方，可是在机械上比国内还是高出一大截吧，三代核电也是回过头来买老毛子的，D-30是落后不的了的东西了还不是要回过头来仿制，引进了GELM2500有什么用还不是要买DA/DN80型燃气轮机的技术。
作者: liuqing098    时间: 2018-7-19 09:48
这边的图片比官网的漂亮多了。又看到了晨大写的飞机了，估计不久就要写船了。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-19 19:08
晨枫 发表于 2018-7-16 21:19
/ o% @( n) P! }9 `( w! g不知道。苏联的三转子只有这一个，那么好的话，为什么不多发展点型号呢？技术上精巧度太高的技术路线，不 ...
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还有图160上的三转子发动机。
作者: 鳕鱼邪恶    时间: 2018-7-19 19:50
没看太懂：主涡轮产生喷流，喷流吹动自由涡轮，自由涡轮带动螺旋桨。。。是这个意思吗？
作者: 晨枫    时间: 2018-7-19 21:26
鳕鱼邪恶 发表于 2018-7-19 05:50
2 f' F8 q) [. x2 O2 @; p没看太懂：主涡轮产生喷流，喷流吹动自由涡轮，自由涡轮带动螺旋桨。。。是这个意思吗？ ...

+ L, Q* G6 r, ]0 X& O9 a, \3 }3 `! n喷流是燃烧室产生的，主涡轮只是从喷流中吸取足够维持发动机工作的能量，喷流的主要能量都还在。直接喷出去，就是喷气发动机，吹动自由涡轮带动螺旋桨或者旋翼，就是涡桨或者涡轴。



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