|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
1 v* |! x( F, }. e% b! J
?# U" \. x) O- ~3 b, B* O; 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。
$ x7 o0 @# E1 }. h3 j+ f1 ?( N1 @. }$ R" x) V" `+ Y& W8 q" w
![]() ) r D r7 b1 d) o2 a
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: P% `1 R7 ~8 Z: E7 ]( @
) V0 m" K d$ R! m1 X& m Q) [![]() ( w" T+ ?) d6 a! { a0 Y. j
, r/ v: {$ I9 x# J. x) u' m5 @
![]() % i: T0 Q6 B u( }1 B3 ]2 ]
C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
/ U8 E+ l- }4 {! t2 v
1 j+ a% x0 z; H6 i! B& n![]()
% ?# `- E& q% G) \; w先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”8 A! N; |; Z( U9 {
' K' D/ c* u' N0 u7 v7 ~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。; q/ d5 I. z, }$ e* o
7 m+ r) v( n% E8 [* 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。% I1 K' M: i5 m7 x6 }: e8 o
" v: f9 R5 }- h0 U4 F' _, Z3 h![]()
# j$ E# m6 [& R" Z t) T, x0 H- b5 x6 c+ }0 w" `
![]()
" D7 D/ L# a& L0 g$ J! R
$ ]6 r% [8 R8 ?8 p![]()
; z) B* D8 k' H8 M$ w H* C* L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
7 Z: `+ e: W, r$ z1 ]! G
; E- |- ^$ v4 Y% Q R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。
5 ]+ X/ L9 J8 T
6 B2 A5 `8 x* A3 E7 l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 p6 _) G$ C9 G* e/ F; m6 d. n- d. D s1 W. z, I0 b) j: ]% s
![]() / g9 q5 F9 U: e" x
" Y' }/ ?4 p& Y N/ m
![]() % k1 h' X( J. `6 r/ P9 L
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）
7 r4 F, I2 Y# V: e- J5 A8 @ N
( e, ^ t5 P% X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。/ Q( Q- k$ E, t& F8 N" g" @
7 y' L% p+ F0 H9 n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。: o3 ]$ G& N' A9 P, M$ i& w
# E9 a# @, A0 w: b% a# N' p( w
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。8 ~: X& R$ ?2 n% }4 r
3 B- Y+ O9 O! m) b![]() 5 I4 _! e3 Z6 L. l" k6 n8 C, z
* _& h# M5 `) `$ s
![]() / i! o) L N( c6 e4 I+ a* d3 a
成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计0 `; H" T/ w7 @" k) W
1 l! l. {* h: t( }, g
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。
0 i5 i% x$ j# ~/ y- c. }& `% L+ U$ J' O h9 q8 [6 X) x; N5 f1 n. T
![]() * h, X/ l3 e8 s, T3 f
3 g% H2 |3 }0 n, `" i6 v
![]() 6 D4 W: F% p) G5 }) V; a: h9 ?$ \
' R; |5 l1 A9 `; |/ _
![]()
/ J J! {$ L1 H- a t9 n7 z! B; |' ?7 k% s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”( a. P/ W+ U# \; U2 q6 ?
5 _3 |/ ~& ^- ~8 R% L4 K
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。" Z& D- |1 C' G3 P9 j( E4 J
. U. e2 @: s' i& p
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。
' c& c! m; t+ T! ^( A+ {7 ]% G' y% b% G/ t* j
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。
1 J' P$ ]+ ], u, T6 @4 j
& H' d2 W% g- m$ R1 W' @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。
7 j1 l5 _2 ` q' t N/ F
& y# h. S4 K% |+ j5 \: h![]()
) e; O7 p6 t2 bPT6也有用于直升机的型号，这是AC313
7 H3 \6 e9 A* l8 B& b: n- W1 r" {7 G) m$ y: m1 G2 V% t/ d
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。
B9 d, c6 E( u4 b2 A- G) \/ _% B
8 ?* f- W f8 J' a. d5 s5 xPT6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。
7 s$ d3 G Q6 W# B' f( a6 ^0 Y4 A# ^+ {2 W7 r5 S6 R* J6 @% P$ ]
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。
" I7 Y- E9 `) Q* {: `: B$ F0 z& F( e [! w. ?
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。/ h! c. `4 b$ a" j- `8 A
: ^% A! a7 M2 }+ |( o1 j% c3 |9 @
![]() 0 q) M& H1 |" Y4 ~, v
通用电气ATP涡桨
5 ?( v4 {/ X$ r, ?' n G% i0 g$ C
![]()
% U0 u6 g$ T$ y也采用逆流自由涡轮设计
- L4 T S- G% y. p2 M* h! {. q: G% }" e# M
![]()
: g# P& m0 a2 l3 R全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6% o P% Q- Y0 I8 z: s5 f% j+ n& A) i
- E1 z' Z7 |5 C1 ~ d4 V![]()
# i+ F1 s3 W: S力图把PT6的大蛋糕啃下一块来; U' M4 L: m7 `( A" ` R2 I
% c1 k6 d) T# n: {* Z2 M![]() - S$ y* ?" S# E( K
从性能指标来看，很有希望
$ M, n2 ~9 [) D$ S* d% s3 \* f
: ~( C. [- v; B![]()
2 O* q7 s: \3 ]( i9 Y$ _# z1 u1 [1 l现在已有塞斯纳“德纳利”采用
4 U; o7 T- O2 f! f
1 H+ p1 y# X7 a. N; |! rATP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。" H2 _) K- ^4 ^4 j
4 W2 E3 Y. w& f" E
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。
1 g) O0 f0 D7 n, D
g6 E& o8 A! s& v3 S! |6 n2 k" b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%。
, t* P" j8 b O3 i( W
, s7 g8 |1 c9 z T& nATP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。
! {5 Z' w# w$ J, I- L& V V3 I" N5 }) `
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。, R b; x, N( k! I) ~
+ n( ]1 e; P( U) O
![]()
" l4 L" m& B# c8 f n# ?9 @- K9 e% ~7 P
![]()
Y( s* r6 `/ |$ \& g$ M7 L5 W! B" l" ]
![]() 7 S. E( D# ^. b2 Z' P& R. K
2 D" i' Y# z$ _% p5 M2 r![]()
( G% j/ F; g! ?- j- O4 I `' H
% u" {; V& ?' F: G6 Q! E![]()
, U: n+ z/ f. o. l; v9 H; e- F
* d) ` D6 |* ^# R+ x![]() 6 T; K8 H/ L$ S9 V: K A4 L
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 a! ]+ S7 [& m! x# C T( \ b4 z- d) b0 L2 n& t
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。1 }% ^! H0 f! I: Y6 A) b* K
( v, F( _ m) Y6 ?2 y1 ]
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。1 p3 Z; j( Y d* [6 C# @2 G# a
0 {0 q. D% F5 }; a3 \4 p) l5 u
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。- G9 E+ B$ [& K8 p. t4 L; }
+ f4 g/ s( ]: ~
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）。
7 K7 {" C( R! J' r! S* ~, T |
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
' M6 j5 j- Q7 f; B
