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莫忘涡桨

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 楼主| 发表于 2018-7-16 11:40:54 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 : f- i% s4 P1 u+ r# S

! _! ^- i: ]. m9 s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。
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0 @# D6 r, i' T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3 M' S- p, }& ~7 q0 b1 s) T

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# P* N& D; P  M( rC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
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先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
; d* x! |. x5 i( q  w) _* m9 e8 C$ I3 y+ a
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。
& b0 `0 u6 P: [% t) s' s- g: p
' s9 F" h+ i. u  M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。" k1 r$ D& M: B5 @
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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
- ^% ^9 V8 Z- I5 C. {7 @, {' d9 T9 ~$ Z7 g# M+ v
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。) j8 O7 K0 \, B4 x4 P
) J1 @% _* j8 p( ?2 F2 Z) u
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。; R1 t% M; l& c6 U7 r" d. o

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$ Z9 u/ Y8 @, @# S2 l! z9 w% K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)
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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。
; M& \- i  h  l5 m1 i8 u1 f" K# X6 ], n! L6 y* o) W6 d
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。
3 s% ~% ?8 k1 C+ t6 K
9 w; m  L6 E* u2 }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。
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0 ~: {5 d* o* B1 n' O成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计# \& Q6 K6 C- j) Y' y0 K8 \' N8 e6 q
+ u1 R1 W# E, Q& k' }
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。
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2 ^+ W- Z8 U' D4 g
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”
; O0 A) V  k0 C% C- n* k6 G+ L
6 N- w/ b8 @& x) c+ O, J  U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。
, P  m# a; U) U& b  f& T) Y4 M) w; r, V( v$ D
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。2 N+ [9 s# y; C6 ]. N( y

0 k9 {  c- t" p  L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。0 b) T' V1 ]# t- `& u

$ s7 W( H" Z" O0 K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。# ?( V, H+ F- S" t
1 I8 R. x/ q! R3 x& v" K8 a  u

& [- T# ?  `: J! W: z: OPT6也有用于直升机的型号,这是AC313* s$ m$ b6 Y5 l3 j' v
' R) h) [( B% P# ?! ~* c/ o7 H
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/ C' H1 q' d' [& Y; c8 G

$ r2 y  O; o$ E; ~4 I) j  \& uPT6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。' T  A0 S( J' V+ a

1 a* p1 G( |7 b. ]1 H, v% @9 c9 v! u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。
) I3 X* \1 f7 F9 \" C7 \. Y
# h' `" d. H; f" j3 P% `: t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。$ c. W3 g: I% z* V' o( C( n
, P8 c% U+ s" }# K  j: Y, U

. d7 A4 ]# z& M* K3 k6 O+ z通用电气ATP涡桨
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也采用逆流自由涡轮设计5 |2 V1 J1 K# _9 M+ i* O

0 n8 Y0 J' @6 D. B0 U/ O, s; M
/ @; b0 M, \: `4 ]% c全面采用了新技术,技术水平大大超过PT6
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8 v; x' b9 k$ x' U$ k; p; r. l! n2 {5 w力图把PT6的大蛋糕啃下一块来4 c$ c4 x+ U) t& D* N

* _; T, V1 P: P- B" d9 H3 x, @. \* J$ @
从性能指标来看,很有希望
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( q3 h( q( c5 C' ~现在已有塞斯纳“德纳利”采用
( p& U3 K, r2 s/ r: {, A) G1 h6 L4 |/ P  q, W. g
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。/ G& W4 e2 [( B0 ~5 B
0 y# G+ K$ I0 T+ i) p) F' o# _
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。0 w4 j) L3 F5 W+ H: Y7 N& `1 }" H

6 v  ?9 M# F( e+ R  Q: \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%。
7 _6 V& z( E& \7 f; Z5 ~( U! p- ?, w' I" ~
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。
- I$ q0 ~; h3 l. k! |! T
' ?; L: y( Y  \& P) B+ R3 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。
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4 \+ E7 |) t: l% ?+ \" p, A0 w3 u& w' G8 D4 L* }

) a% E( Y" H! C& j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。
- v" B' A0 [) Y# Q0 S- b
4 }' v! J3 E& }5 h+ _  f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。( P! v" b& O. M$ d% ]6 S0 Q

6 T5 k* C# J$ t! S- 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。
9 R3 c8 C) _) C% |2 _" e. ]/ t# K+ `/ {! i' ^: X# Y( U
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)。
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评分

参与人数 9爱元 +54 收起 理由
山远空寒 + 8 谢谢!有你,爱坛更精彩
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  • TA的每日心情

    2021-2-5 00:48
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    [LV.10]大乘

    沙发
    发表于 2018-7-16 12:04:16 | 只看该作者
    图-95那个是什么?
  • TA的每日心情

    2020-11-20 06:24
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    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2018-7-16 12:19:36 | 只看该作者
    猫元帅 发表于 2018-7-16 12:042 g* G$ `% A. `
    图-95那个是什么?

    5 O: \; w& \$ d就是涡桨,同轴反向的。

    该用户从未签到

    地板
     楼主| 发表于 2018-7-16 12:21:06 | 只看该作者
    猫元帅 发表于 2018-7-15 22:04
    * Z! w' I. a7 B! G图-95那个是什么?
    3 u; {0 c% I0 Z& n& W
    也是涡桨,同轴反转,库兹涅佐夫NK-12  Q! @: w- t1 W* [1 `0 A
    ; l2 ^9 ~& X' U& }% e
  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-8-27 18:47
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2018-7-16 12:46:47 | 只看该作者
    最近怎么都在谈PT6?2 z4 U1 @- k' T/ o% M2 G' M) y( `0 a
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml1 R/ X. I4 @  M6 Q
    http://user.guancha.cn/main/content?id=26003
    " r' H( ^5 u8 {# k$ E% [7 I& l
    5 B4 b# a2 S& d" J7 H0 J7 @6 c

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2018-7-16 12:56:31 | 只看该作者
    hotmen 发表于 2018-7-15 22:46
    0 N# X& \1 m, H, J  d( Q最近怎么都在谈PT6?% @: _3 G' {) s$ u; v2 s+ n
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
    # H9 s6 b/ n; `3 \1 ehttp://user.guan ...

    5 N: q2 h1 a0 n% E/ r! y, ]因为这是好东西啊4 Z% T+ }5 A8 m' x( u, x
    8 i4 n4 q: P* h; u1 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
  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-8-27 18:47
  • 签到天数: 638 天

    [LV.9]渡劫

    7#
    发表于 2018-7-16 13:02:48 | 只看该作者
    本帖最后由 hotmen 于 2018-7-16 13:06 编辑
    $ C; f$ e  I6 S* e( X
    晨枫 发表于 2018-7-16 12:56% D" N/ e) K- I; M, Z' Z: k
    因为这是好东西啊
    & ]9 R% }$ ~- i1 O0 |) P; B& p+ k; j) }9 s  P
    他们俩都从直升机发动机着眼,我从更大的发动机族着眼 ...

    + q' |' G( k" a3 P) f
    4 c, R6 z  m; o. N乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    7 L$ N2 T7 \) U  \# G" s. i* ~悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。
    9 t3 J* A% j3 @! h6 g1 f3 Q, F
    7 G! _0 o: |1 `+ c
    3 _1 [4 m8 A1 n$ X- S另外,最近发现杨基回到观网了。http://user.guancha.cn/user/personal-homepage?uid=224109

    该用户从未签到

    8#
     楼主| 发表于 2018-7-16 13:10:42 | 只看该作者
    hotmen 发表于 2018-7-15 23:02& E% y8 L0 F% e( U; L% P7 E0 O
    乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    3 V, T& {7 a  w悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。

    5 R" i3 D$ Z3 `6 h4 ?( q是啊,养鸡到观网,给观网壮大了好一块,好事!3 n, U; p5 y& w! _: x
    7 Y* q8 E1 b) g/ u0 e
    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。
    0 X3 ^- u% Z$ y$ ~, s
    $ u) Y% W) c* }/ c5 R9 k' rT700是单转子的,技术简单可靠,但油耗高,功率也做不上去。
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    该用户从未签到

    9#
    发表于 2018-7-16 17:06:29 | 只看该作者
    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。

    该用户从未签到

    10#
     楼主| 发表于 2018-7-16 21:19:27 | 只看该作者
    本帖最后由 晨枫 于 2018-7-16 07:35 编辑 5 n) X, i7 j# T; n7 k" s8 b
    笔笔 发表于 2018-7-16 03:06- q6 i) x; u" b, ?$ 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。 ...
    ; |, [8 ~. o; z" ~& f1 c
    9 S$ ]4 K; @0 s3 j' h
    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。

    该用户从未签到

    11#
    发表于 2018-7-16 22:03:12 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2018-7-16 21:190 ~, _- @, L9 k; ?
    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 ...

    + p: u. {1 G+ b+ J8 O% `2 E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。
  • TA的每日心情
    开心
    2021-2-12 21:15
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    [LV.9]渡劫

    12#
    发表于 2018-7-19 09:48:48 | 只看该作者
    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。

    该用户从未签到

    13#
    发表于 2018-7-19 19:08:48 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2018-7-16 21:199 q: \" W* q( O6 }3 j
    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 ...

    & j" ~4 p4 j* t' d还有图160上的三转子发动机。
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    [LV.8]合体

    14#
    发表于 2018-7-19 19:50:43 | 只看该作者
    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?

    该用户从未签到

    15#
     楼主| 发表于 2018-7-19 21:26:55 | 只看该作者
    鳕鱼邪恶 发表于 2018-7-19 05:505 e# |% E3 j9 J$ n4 T
    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? ...

      Z9 A4 U! e# h' h7 Q8 |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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      发表于 2018-7-19 21:38

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