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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( a5 o" o4 N- u/ m
; \. U( Z* i' h$ m* n0 Q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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- j; U( l) [* Q. l! x6 x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
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% ^* O6 z9 e( [2 U" l  T; y4 \/ sC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
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# h" B9 }8 d. r# |4 b; b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。' X* l9 F# S7 ^$ L: S" a) g* ^

( ]" @7 h5 P  y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。
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  D2 W$ t# T  \9 [1 D4 y4 ^9 k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' z; u! [: d  F# v2 a( p( b& \1 n
3 `3 k  K. a! E; E
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。7 I3 J: D2 V( J$ v8 i( a
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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。  S, D  _* h8 W# G7 [! U1 ^0 l5 U
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1 h7 {4 ~0 g1 C. ^- I+ i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。* T1 v7 C/ U/ K  X( A

. b0 m0 _: A) G. h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。, {: e# M  _4 x  x1 l

( }  f$ p. N3 c& MPT6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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成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计; b% D# |8 x! i0 N

2 u7 Y. y* t  i3 R3 d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。7 \+ r  I7 R( u9 s; l" W3 J0 F
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9 G. S% ^7 b6 M3 u" O; T" S
2 k2 l; _* h' I1 v, B( G, B0 p( H- M# {/ k
0 s3 Z8 b, [& A4 N. t5 \
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”
3 q" l6 x2 q, T
  @. P' B9 ~. n. \+ E- @& z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。) u1 N" \* I( C( ~, e* \( u

+ L. @+ y& w) v, k5 r& P2 h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。8 f1 {$ f  Q" j! ~, i% L

9 ~) f6 ^) r3 a/ f* Y6 f9 ^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。
. `* v+ D4 {+ g: N3 g4 ^
: j$ D7 ^2 L6 I  O( ^; n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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4 y3 G, q/ h9 N( k% c
& }" u+ D* z) @: U5 pPT6也有用于直升机的型号,这是AC313
6 T. |" e5 d7 X7 a% i. i1 Q
+ t' N- {& f4 e5 U5 F& h" YPT6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 K. H: I6 p2 H! C' c8 R. U( w, ?, T
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。
5 e8 g7 C6 u: }2 B3 O- Z0 r2 Q9 T& r# W% ]
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。
9 Y! N8 A1 J/ U" ]
& n. X6 A# l1 y: g3 ~1 j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。% }- }  i1 a8 B6 H0 u

% [  j" d/ f; c4 A6 t! G; ~, O6 N5 ^( G$ N7 v4 l
通用电气ATP涡桨
3 M) J( d* @- \$ ^3 W3 f8 F3 Z+ S( O4 `+ z! ?9 x
- r; d: K$ _3 O9 Y& E  ^4 l
也采用逆流自由涡轮设计
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4 ^% q; n5 s8 J/ T/ {" \! B8 V
% p- p; }6 Q' R$ d# M% F9 ~% r全面采用了新技术,技术水平大大超过PT6
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7 f- s, n, u' `2 J/ Y% c4 ]$ O( ^8 Y3 t
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
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* d9 p0 P& B7 E! s8 _
从性能指标来看,很有希望
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4 E5 F, v2 m' j- w; F7 q9 \# Z8 K4 E9 @& Y7 @+ y
现在已有塞斯纳“德纳利”采用
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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。
% G1 O$ X4 _2 F& N8 V1 j6 T/ X% B& X
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。! y0 [+ w: Q. b+ c$ |3 E9 x
; `9 U/ A% B4 b3 l. n4 q+ N
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%。8 x5 l# |$ D4 G' i. z# z) r
4 ?/ K* H0 r( B/ f9 d: f
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。
2 I3 k* i; F& _9 ^9 P2 d  B) c( L9 ^' E+ t
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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2 o6 Z1 z' t  b3 f
  w- ]- ]7 U9 J1 M4 o6 H9 k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- X4 n4 |! @7 a5 N" s) {6 `  n7 q

) E, O3 y* z/ u& [. U$ s& Y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。
. }2 X0 t6 w; |
9 e" k: O& i  s. d' v! n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。- @: D! t8 F* {/ E

9 N& k9 a6 T- e) B7 _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。
" Z5 T# N4 X4 j2 m2 j
! E# V/ v" ~5 ]1 W7 i6 h, n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)。4 U4 R4 f  s% }. O

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
  • 签到天数: 1421 天

    [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
  • 签到天数: 1618 天

    [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 12:04# `* _( H& Z2 l6 \# ^+ M, j
    图-95那个是什么?

    " I& `& x2 \9 i3 s9 H: f  W% z9 T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
    7 w. [1 H* E, s8 q8 [图-95那个是什么?

    5 _9 m0 P' {! t: ?也是涡桨,同轴反转,库兹涅佐夫NK-12& _+ G; d3 @& t5 y# f

    ; v+ d1 E7 s6 t. R3 ]; Y0 z5 G
  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-8-27 18:47
  • 签到天数: 638 天

    [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?' p, g/ N2 p8 B0 \" R5 J& E! d
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml- O" G8 x. N5 n4 W- Z. m# O
    http://user.guancha.cn/main/content?id=26003
    : I: }5 s# P* f" C8 t
    9 f: N) ?0 ]) x$ l5 h

    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* y! N9 h6 m$ X4 }$ N1 g/ n
    最近怎么都在谈PT6?
    7 a9 I6 @) i- x2 S# E2 @3 Vhttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
    1 r6 v* m- i0 |" Khttp://user.guan ...

    ! B; v3 e  {! t因为这是好东西啊
    " L/ h' A* M0 R: y5 Z% j9 y+ W7 z$ U2 K, X2 T8 t0 p& K, e) T
    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 . }/ a) b) t7 L8 u" \
    晨枫 发表于 2018-7-16 12:566 W" O9 s1 [/ m* \! z& [" B# Q
    因为这是好东西啊
    - Q; L. {8 ?% W
    5 ^/ O. [# m% Z2 O: x% h他们俩都从直升机发动机着眼,我从更大的发动机族着眼 ...

    8 F& ]4 i& G8 {$ d
    & @+ v% @2 E& S/ N乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    9 L9 `2 J7 B( P! H' d悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。
    4 N. m) B3 U$ V9 U; W$ w% K6 y& F/ e4 R( _3 k7 X9 {
    1 p, @1 y! m( W6 N/ R
    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 23:023 z# F1 }  }4 T
    乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。; K, t2 P8 a3 r8 ]" z! V
    悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。

    - I& S/ u. O. I* q是啊,养鸡到观网,给观网壮大了好一块,好事!  @, C) @" N9 N. G

    * r3 }- O) v' S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。
    - W2 J7 H  h3 N% [4 o8 Q* \6 G! k% g2 D9 s/ u9 r2 @9 G
    T700是单转子的,技术简单可靠,但油耗高,功率也做不上去。
    回复 支持 1 反对 0

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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
    : D" Q3 {) T: N# z. a6 l8 A
    笔笔 发表于 2018-7-16 03:064 Z- E/ f: z8 }! W
    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。 ...

    ! J  j8 [$ g" J# S
    ( G2 s7 I6 q2 }) P) W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 21:19
      R, w0 h9 b- A+ N1 T& }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 ...

    # D1 z1 h' n1 C7 X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 21:19
    5 t( `. D8 j0 {0 e- b$ Z$ g" w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 ...

    7 J4 s- h+ m( O$ f) T2 p* R还有图160上的三转子发动机。
  • TA的每日心情
    开心
    2024-9-2 01:41
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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 05:50
    * k, W, m2 L9 e, I, [5 F  S8 [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? ...

      ?' V) f; H, X: x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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