|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 ( f, w2 W( j" B7 {4 _
8 u( ?* n( r% j/ Q' u* z
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。8 A( l# W. r% t- j
( j8 u' ^) M/ e8 u+ ~$ M4 L![]()
" X, p3 _: f: d! J4 Y5 c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
" G6 W% W. o& g+ f5 n" _6 Y' a& H4 f% Y& _8 x4 V% r, v; O
![]() " q/ [( [% ^" O( Z
" [3 M" _% d" g
![]() V0 M4 j, N9 `3 N; _
C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨. T9 D7 K& j$ ?" }4 ^4 k/ B( W, p
8 }% G4 _4 [: i9 ]) R![]()
, C: T1 f+ x7 Z2 K$ o1 k+ h先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
2 N) I0 Q9 A* l* l* U3 g
0 l1 e; O' p2 g9 O/ u* n1 C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。& d3 ?- \& ]/ G C- y" b9 \, @
$ \9 {4 b8 T! l, p( p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。
1 C* x) B# S5 F) Q- f2 n
7 c2 A' t6 c9 H" S: n0 R3 B- A![]()
& H$ r9 `' u! i6 O! t8 N) i4 a6 Z/ U! i+ N( l: ?
![]()
2 X) V3 A# r# x/ { U1 S2 X# [. x& h/ C
![]()
: {% ]- q9 S9 L4 v* q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
' A, D( \$ L! k4 m5 T: p
$ g: T' r9 ?- e E1 e+ N2 f; P I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。
$ `6 `( v: L( L( Y
3 A1 k$ m2 @ ~; N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。" F( @# l. ` R+ |; w3 z" |. U
& J: q7 J2 C! Y/ {. i
![]()
4 o: R) A, I5 x4 Q* h* d Z7 Q8 m9 U/ O% S% S! d
![]() # t/ V' f3 o4 V6 {5 \
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）
& I6 L7 t& o8 e1 k/ {
$ T! s) z& Z* b- |# W6 {3 v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。
6 W* u3 b+ S! b
7 ` F. m& O6 C- z7 g( p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。! K& ` Z5 Z5 s! w
& x) S. A' @$ k8 \1 P- _' b
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。' d1 x" g, F3 o7 J
# Z. i4 d2 i2 D+ o" v. e. n' j x; `2 G
![]()
$ S& G2 k) Y: F; S* }8 J7 D, P2 h8 S6 _2 b7 i* T! A. T+ q
![]()
: I! W1 r4 L: y+ K( ^成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
* c. j$ W0 l" C1 Q& }6 P, k* H, @/ k9 e+ Q2 W8 U# \3 f
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。
- V3 w9 r" w$ e0 q* ]/ @+ E
- ]# j5 A! N( b* Z![]()
- C' R# Q7 n Z- K: A8 u5 s8 d6 K6 V* o+ {, ~' M
![]()
3 \9 B/ E9 j- e9 l
* x( V9 ?# _- G+ n/ Q/ {" g![]()
" S9 u5 Z+ b' g( U# ]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”1 ^5 e" M' |; R2 ]& |8 s
5 n2 `6 o$ N* q3 S% g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 K) z7 r) v" ~1 y5 S5 H
1 D; Y- h4 m5 D- D/ y6 u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。* f* i) t4 k" |* M s, }4 F1 X8 o4 f
; }8 d$ M) K9 Q, `; M
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。7 C# o/ {8 X" o6 f) E( e9 ]% R D
# y I" m- I4 ]* O0 F, U6 |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。
9 R) p- D! s h7 ~6 F. O$ v( l( P% B! Y4 B0 I
![]()
, L( X7 c7 X# d/ e" P' c. ZPT6也有用于直升机的型号，这是AC313
, W$ q J5 ]/ w+ ^3 |% C1 I1 A" x7 V+ S
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。
& W' P V& p0 e" ]9 E ^
! T$ W: z( F& {. k7 qPT6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。, r+ @1 w Z4 V* x
; S. j# I3 h# |6 u9 i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。% J! X( s* ^1 A0 x( f$ B1 k! ^" ]! n
, M! m8 o. }% Z' O1 ]" k* d
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。
5 Z: y3 s$ D6 d) n! a- `( T. N
( w3 {: j5 g4 ~& @. I5 g1 A4 d& P![]()
; ?$ U/ g& w1 K, o通用电气ATP涡桨! r; |4 y% E7 Q5 b
; e: C" S5 v0 Y6 l3 T![]()
; ~- |+ [2 k- L5 Z& ] X' x也采用逆流自由涡轮设计
K% s" Z2 C& D4 u
( N f, {! G. {' @6 C3 @( O![]() # c1 i8 U) q% u* i8 x( S' Y
全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
3 f0 x& W S! `5 j
# L x" G v2 C![]()
* N9 K1 T E$ [& g& x4 k/ w力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
7 f7 @/ d2 R/ N6 I9 c9 k. m% [, c! n5 Z+ ?% A3 D
![]()
( e& A) J7 m& Y& @+ f7 {6 D0 x5 T从性能指标来看，很有希望. @+ v8 q# T4 |
/ s1 W2 N5 f e) ^2 p- \" v
![]() 7 \) Y8 C6 w' @9 o
现在已有塞斯纳“德纳利”采用4 r# P, o/ Z3 ?& _: P t
/ J+ \6 w# ^ J9 ^( G0 l9 O
ATP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。
) J& `, `5 }2 b" O5 y9 |1 H+ p* S* {$ i+ J( C3 z& i( F2 ]/ l( [$ a
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。
( ]$ u3 p' y; O1 n X1 n# W2 e: J$ e) X! w1 a( G# v
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%。- ]2 a) {1 C* t
7 V4 C& r3 p9 C. z8 H2 D0 yATP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。6 z4 H4 z6 P( ^5 q, l
1 |6 C6 E+ [- V/ f( N1 N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。
, h3 d0 G+ f- I3 M( \3 h3 |2 h
" M1 I3 h" n2 Q( h% N![]() m6 N* O0 [+ L; t
: h8 t4 V3 p% _![]() 7 D0 V3 _- o9 H. L; U
0 \& e3 u5 O- b/ z0 k/ f) T( p
![]()
" N8 n5 ~/ U- ~* h0 i x) W4 C' q6 Z3 _# b: }
![]() ( \# K+ R# M5 d) V
' Q \8 M6 F% H& i$ @1 r. F![]()
' g' s d' g3 u" ~1 M' ~
$ q K% v$ p8 f' J: g8 R6 n. C M![]() 7 b/ y8 i) j. A# t$ M' J! D8 x2 r
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
7 C8 }2 K- |2 L( k6 a0 y f( J% l) i0 @* E, V+ u) Q$ D6 m
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。5 s& `/ E! Q5 j
+ L+ e' D1 J3 M( o* f5 l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。
$ ~% f! {, F6 e( c2 ~& @$ _! x" ], J5 f" R, K0 s! u& y
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。
8 t5 C7 l' r8 k8 V5 s: Y5 F8 x$ r0 l- a: C3 v0 ^6 ?% H
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）。
, T0 o0 h- g6 R6 u3 l$ M" K7 U |
评分
-
查看全部评分
|
雷达卡
楼主
收藏
分享
淘帖
支持
反对
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
抢沙发
千斤顶
显身卡
发表于 2018-7-16 12:04:16
3 Q& F u" z( b. V/ ~+ y* u2 W7 V! _ o
