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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
% v3 ~1 Z( U/ p
* Q. A9 b9 f& b) h6 L% {' [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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4 |5 C( D5 C  i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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' S$ x/ f: x! m) p2 YC-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”
- W, @% u) R5 @" r
4 h: {$ {: Z0 M' R/ j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。+ w8 k2 t7 y  F# j! V" n

8 D% L4 S8 S; o! t# |/ O# E) ?1 ], a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。  q: |1 C3 a* d- J
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/ r4 I" K) `2 P% Z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
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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。
: [+ E- Z- T! Y
" G5 x, \1 r( ]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。3 D) E1 a" ]: ?2 G

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+ l8 S. t. T) _( O9 V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)
6 M0 e1 f" s8 U- Q5 U' d( a3 t8 Z  ?
8 F; `8 F; J6 Z' U' J- G' a8 g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。. f3 P/ Z, w* P- E4 C
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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。  u6 T: @5 s( N$ }  K
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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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3 S1 Z  x, c8 l% ~7 {成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
* h# V& e5 @. e  S) R
' Q0 b- a* Y" y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。6 l  x6 s6 r/ E0 H" b3 V9 n2 v

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: S' p2 o" n' x# v6 g; h$ w, [! c( x2 ?/ c3 t
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 w( A7 J+ S5 t4 c% ^% O% \+ w5 _
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。
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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。5 s' W1 \, [# [
" T3 r3 D$ b5 k6 c5 Q6 i8 j7 _
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 N. t8 U3 F) t  k* U: s( v0 D: M1 }, v
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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2 U" ?" O% U" {. R1 |
3 N2 L1 {$ G! o+ [( g" \" qPT6也有用于直升机的型号,这是AC313  m9 K" I$ P) P2 B! O
, l6 ~" R  j/ T4 @
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 r% _& }2 O: t3 w4 Y
2 U2 m7 t" c) [0 |! e
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。$ Z8 F6 i1 R+ c
0 v1 X( A% R  n* r$ T4 ]
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。% M/ o( c& u# f
/ F' ?( P& K' i' H* |, q
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。
2 s, a5 ?6 P) a- t) ?/ M" r- \
8 s. A# _* W9 r& H
5 {  ?* R! ?' W通用电气ATP涡桨
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! J! e! R4 H0 k6 T5 a1 H# l+ x也采用逆流自由涡轮设计  Z* j4 L, s0 r/ O( s' q& U
$ T4 t+ z+ m/ m  ^& M2 i: E& y
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全面采用了新技术,技术水平大大超过PT6, x: ]6 Q7 I/ I7 v

) t5 i, P1 |# p- S4 _5 A/ ]& N
6 T7 W- F& U. _0 p力图把PT6的大蛋糕啃下一块来6 s# j) Q' n5 x! u, X

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! o; P7 \5 ]6 z2 ~0 X/ j& ^从性能指标来看,很有希望
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% {" m/ S7 G) Z3 k& X现在已有塞斯纳“德纳利”采用
2 x8 R' U' F' e+ d! q/ M
, |' f4 `* M5 W, T; kATP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。8 T/ J8 D0 M3 k9 j$ @, Y
3 l( z# p3 N6 c/ e$ y7 k
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。4 I+ q( @9 @4 L1 i' |

2 M* p( b2 `  h7 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%。: J7 y+ @9 I+ q# p
3 Z" k% H" |' B2 \. `
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。% V6 a. u2 Z' e1 A! Z, J

- |! V$ i3 d: i9 F/ Y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。% n' A2 `3 W( ~, Z

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& x) z7 X  E& b& J% u0 S+ R9 q
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- _# I% b1 V" @! Q' u. A0 Q" z- Y+ I8 G. I+ ]- \

4 [& u1 \/ L, b3 Y. _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% s  J9 E6 h8 q, e, E+ W; ~
# @- d* k9 P! X. ]* d! ~
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。" X* o; k+ }0 }: H8 ^2 \1 N0 M

7 L# ^2 l4 N; f' i' H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。
/ G" P; g! s- F5 A) y& s( B5 y* z
, l3 B( C& F- d8 j) [! z; H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。/ T7 o% B* I  B6 W
5 P& u$ f$ X, X, c) J4 z* V! K
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)。* z+ t& o4 n' ?0 y/ T

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  • TA的每日心情

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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?
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    猫元帅 发表于 2018-7-16 12:04  F" a% w, v( x7 {2 S- b6 S$ z
    图-95那个是什么?
    7 \, R. b$ ~( T4 k# k# A) k
    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
    ; P' ?9 f' x& v3 r3 @( e  Z图-95那个是什么?
    5 [* t% ?: g: c. d- V! S
    也是涡桨,同轴反转,库兹涅佐夫NK-12
    3 ~+ ^% a# ?0 C. u1 A! s7 O
    0 v  L0 S! w9 n% M" [7 }
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    奋斗
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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?/ d  s9 e2 ^5 r7 @+ @/ Q' d, [: A8 o/ W1 }
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
    " \. o! c5 x( F4 t0 d3 S6 |" b, hhttp://user.guancha.cn/main/content?id=26003& h4 \9 C$ i2 o/ h, M9 J
    * Z9 t; q+ Q- w2 ?( a0 U' q

    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
    2 v7 _2 M' `6 d& [% Q最近怎么都在谈PT6?
    5 |1 s. z* c1 ^' v5 G( o) n% ?" X+ ihttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml9 [: ^' _/ y6 Y) K) T5 X
    http://user.guan ...

    - j! u/ U6 ]8 ?  e( O! L5 |因为这是好东西啊
    ' O: j0 ^8 ~: n' u
    * m$ O, M- N6 M+ N0 W' Q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 : t% p4 ]1 w+ \" z4 F1 D
    晨枫 发表于 2018-7-16 12:56
    / D. `- q$ O; {( i, v3 g因为这是好东西啊+ l: E% {& n9 F
    0 r2 |# r, Q0 V8 P2 s! _0 y, w
    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 u" e- i- Y8 ~

    0 T" o. f) k& L4 S6 D9 p1 h" T$ t乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
      g" h1 b. m/ ]' c8 g4 J7 X1 X( Q悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。
    ( O. D& j9 q% t; n- t
    $ k7 v6 l& y% k( L* D4 L, P; r1 W3 G
    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
    4 K2 J* g+ R, ^) m( C乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    % q, ?1 M% Y7 l) A2 f% b悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。

    8 ~* ^' b" j6 W/ d3 n7 ^是啊,养鸡到观网,给观网壮大了好一块,好事!# H6 V3 X3 K. r; ?% V1 \
    : L3 D$ _$ g; p8 x3 n
    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。1 {5 H' q( J" e  I8 X) y+ {
    5 u: u7 Y# \/ [, q8 k: s
    T700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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    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。

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    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# h$ `3 d1 l3 _: n2 }2 J
    笔笔 发表于 2018-7-16 03:062 u( ]8 b7 @% c! O0 [; m) U- J
    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。 ...
    2 j8 y" X* D4 {4 h
    , k3 x; r2 O: c' i! `5 k6 ]
    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
    7 z$ c# k1 M7 @* |, ~3 a' Q+ o0 p* ~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 ...

    9 C/ L" |% V& ^6 G! y% O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。
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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
    9 p4 K0 g$ h. U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 ...

    ; L% o  |" H  O/ J还有图160上的三转子发动机。
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    开心
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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
    $ @8 R  n5 q! g$ a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? ...

    ) }# P" X) f' k9 J8 W( s3 V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。

    点评

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      发表于 2018-7-19 21:38

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