爱吱声

标题: 莫忘涡桨 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 11:40
标题: 莫忘涡桨
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
) i% t, q: q& j1 @5 e  \$ {7 B9 K( {$ x: {" L, h# Q' d
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。
% K, K' H- d9 A4 A  E* S+ S- G  D8 K1 W4 e5 V% u* e5 C4 d
- R- Z8 C$ G5 [# P  X# U
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
' q* N% J0 K; B
6 K3 T& h+ f: X2 t2 ?& k
$ s5 N$ v7 o3 D. K. w
9 u4 r) @/ [6 q: d9 T: N/ L8 X
1 L7 m, \: F& |7 nC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
$ s  K, J, G' O. D( Q3 J' N
  i2 V  @* n9 w9 h
1 q4 Q+ l9 i' G& |$ q. o8 F先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”* E  H% I2 ^' s' I/ S" P

# w/ r: @3 c2 K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。
/ i/ p* ]. R" k" o3 H! l# I( v, o  F8 z8 n. E
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。* i+ e/ |% h' [4 }. @/ r

- E" y/ r6 l1 ^2 U+ `1 e
; ^. @# r. `8 M! T+ ^0 j# F& }
% _9 S' |. f. L
) i+ i" U2 h% w( l: F5 [! i$ Q3 p9 K4 p' d& D& C) {
5 y/ y- [) M+ K  q. \+ c
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* x9 ?% d( T0 X

9 F# j0 L" {, V; b3 `8 S% o/ ?3 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。0 A5 i0 Z, u# m

6 S$ [3 N# z( S; s+ a, r9 D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。8 B$ v! X* ]6 s

, ^4 Y4 m2 S7 g; i0 k+ @! N) J
5 |2 u+ f; {& D% z3 }
( N7 F& z8 q; E
  A! u6 J6 V$ l, 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）* ~/ R; f; p- ]3 ?
( j! y. t* D* r& M# V1 J
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。
! A& u! m$ F$ \2 w
6 `0 I/ o1 Z) \- l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。, P0 m5 W1 d7 Q7 x
8 J  T( C7 v# R6 W3 v
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。9 I  S  Z3 [& H; B% o
4 Y- D, B- m6 {$ x1 p: S
. [; @: E' ^0 w
/ h; H/ z, L$ c. l" Z4 s
' m- U' h" n6 h! s
成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
. d2 J6 \3 L4 n; d
! {. N4 ]4 h' e8 {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。
& i- _! c9 a% X8 E& Q" O
( @' C: B, h+ c) j' U2 K
! a) v  ^! R5 x5 V( S8 Y$ H# F& C) [9 T: ~1 a, K

- |" O  J' a3 {; A( i, G; o. s# ?0 k- i, g

/ Q- i4 K, N+ 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”
0 h, {: @2 b$ }# d+ ]7 f5 a- g" n' K- s, J7 B: A5 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。
, \/ ]/ b& m5 L: y% n
3 j! h" D0 E( ]8 z) 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。
# Z& Z6 T: M+ `+ @& k5 M
. g3 ^  V- i; F9 e! ?  z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。! D( ?0 T9 s/ j6 u) W% N# N

0 ^1 B# A+ [$ f) m$ l3 ~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。
+ D! b$ p9 C. I& W0 n4 D5 ^0 N! y( Q7 ]) {' F

6 F4 p* l; @# B# q: YPT6也有用于直升机的型号，这是AC313' A  D/ x- e, k. T( R7 o
' I6 ^0 r" Y( ?5 I% x+ P; F
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。
: I& b( g6 i# H! n* b
8 W; O  b, X" {0 T' s+ E  NPT6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。0 o, Q8 {0 m; t$ M  w  e
2 x* ]0 \+ T* E; s9 O
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。- f! r) q+ _, V: X* R( r
2 F* Y4 k# J; E7 H
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 F( p) s+ c2 V: m" s! c" B

+ m, o, u& V0 Z
- f5 |' @! l) K$ h; n通用电气ATP涡桨" V! [, |- C1 w# C& C) ~* G+ S* }
6 h9 f3 \2 r6 f6 E

) ]& c7 q; \$ F/ E9 ]3 g( ]+ v" ?也采用逆流自由涡轮设计
- Y9 W+ V" _, T7 R7 t7 l
; u. `! s- A: c+ v  @2 N, \6 B$ t1 N! [! B# u* }! z( t
全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6" W; y2 O* {2 k, A$ J
! i" ?: N1 w8 w& q- m) `* D
" h. A9 w  v9 o2 [2 b! a$ g) _; i
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来( ^7 a' w3 f+ G
, W" J. z1 x1 }. R% m; Q
7 Z' u$ I- P- s- q: P" p
从性能指标来看，很有希望
/ q! K5 S( ^, ?; L9 n
8 S6 O4 ^8 h2 x5 P
; w/ }4 S# h2 N) C; U4 }4 Z现在已有塞斯纳“德纳利”采用
$ ?+ K3 J; |* Y) b" T
2 n& ]% g; g1 W! ^; }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。
) p7 X& Z; Y9 P1 c& P, n) H, z9 o- h) _  l0 z
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。& T& [- E4 Q+ l% `  C
" z  l3 g; m5 X- g+ j. c8 |. @% G
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 i2 Q, O  P7 C7 d* F6 p- K6 t: o# \, v% Z) e
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。5 G  C) t: u9 N- I
: W9 `8 ~6 @& j9 f: a2 J
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。
% w6 K+ O6 D- ]" N& b0 }) H! m* [+ w% q! R# B
8 B  I3 }, L! p; P6 v
4 C2 H. a3 h7 k
: w0 n3 b9 e! N4 y8 B0 U
( B2 L; m5 z( Y# E+ s1 E* ?6 ^

( ^8 n2 `4 R- K6 m5 w4 m' [1 M
/ l3 R. E* N! M+ K* D' C/ J& R+ W) E2 J6 \( L/ B8 d
, c3 b$ y+ k# }$ t/ e

% J2 U" o) r9 p, w) E8 q/ ]
" w6 {1 y$ F- e1 K
! t! z/ o4 h0 |, ^$ }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$ l4 T: L6 u) a9 j' l# D# e  M5 A) ~9 o

: t7 z( ~; }# W- Y- [- t" I& F( q" n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。
7 y1 l; [4 h; H
- P6 ]% C/ Z- P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。, g5 ~7 ?, R$ i2 U

+ c9 O7 D) a. i+ J/ @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。
2 C5 @2 b" l5 Z8 f! w; s7 G  U+ P" \
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）。
  |9 K& c- y% F1 m. ~
作者: 猫元帅    时间: 2018-7-16 12:04
图-95那个是什么？
作者: 燕庐敕    时间: 2018-7-16 12:19
猫元帅 发表于 2018-7-16 12:04
  \! O( ]0 y2 l7 j图-95那个是什么？
; G' g; P" X8 o. K' R
就是涡桨，同轴反向的。
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 12:21
猫元帅 发表于 2018-7-15 22:043 W* n' {- @- O) [, e2 B2 f
图-95那个是什么？
% {, F2 ~, Z" K2 J0 d5 L
也是涡桨，同轴反转，库兹涅佐夫NK-123 |& y  `- H9 H' N8 E

% L; t! X. A! O% N+ a
作者: hotmen    时间: 2018-7-16 12:46
最近怎么都在谈PT6？
& F: g0 x! t; \6 R4 x; K' F- `% E7 Hhttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml. ~/ F3 l& i/ l( i
http://user.guancha.cn/main/content?id=260035 s0 Q8 p* X  _) \2 C% R
6 k- }2 v  m. q& ]3 P( M
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 12:56
hotmen 发表于 2018-7-15 22:46
2 G; g3 m, Y2 o, N: d3 a; Z4 u最近怎么都在谈PT6？' o1 E3 p$ d4 h5 e- s4 _
http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
  q. ?: i( `  t1 n9 ]' fhttp://user.guan ...

6 J$ T% p5 e% |2 k7 {8 K因为这是好东西啊/ q6 L! ^2 Q  m  c! B* Z

- `& g, 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
作者: hotmen    时间: 2018-7-16 13:02
本帖最后由 hotmen 于 2018-7-16 13:06 编辑 ( h& j" Y4 j' z
晨枫 发表于 2018-7-16 12:56
* d/ _: M$ C  G3 e$ ]' M: r% H因为这是好东西啊
* @, s2 f- e7 W: s1 u' ]3 H& L7 J% C+ V, Z& I8 i
他们俩都从直升机发动机着眼，我从更大的发动机族着眼 ...

; }+ P5 W& q/ x' w2 `
/ U" G! D0 R8 A  Y6 `% Z  z乐观点说有涡轴-10了，涡轴-6也能凑合着用。
. M8 S5 R8 H2 n/ w4 B悲观点说以后直8，直10，直18，直20全指望涡轴-10了。
/ t7 P9 ^' l1 Q* V! i1 ?0 i  q4 w% s1 c
- ^$ X) a) \; f3 P1 [. S
另外，最近发现杨基回到观网了。http://user.guancha.cn/user/personal-homepage?uid=224109
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 13:10
hotmen 发表于 2018-7-15 23:02
( B7 U* ]* w" B' ~) T4 n' m乐观点说有涡轴-10了，涡轴-6也能凑合着用。2 Z- R1 L' }; J/ [- Y
悲观点说以后直8，直10，直18，直20全指望涡轴-10了。
- P: U9 ]6 v4 \5 h
是啊，养鸡到观网，给观网壮大了好一块，好事！
. M, H9 {5 K% }  u" b! Y2 y8 ]9 M% ~# D
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。
; d1 K2 [6 X+ S  g) ?. e' g& h) `2 \% d# w
T700是单转子的，技术简单可靠，但油耗高，功率也做不上去。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-16 17:06
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。
作者: 晨枫    时间: 2018-7-16 21:19
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-16 07:35 编辑
5 b2 J$ P  ~7 R$ u* \
笔笔 发表于 2018-7-16 03:06
6 ?; F' y. ^! r) y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。 ...
) y+ h8 \! u' S  y( n7 f7 V
6 `4 G5 s5 ]2 U. N! u3 Z4 N
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。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-16 22:03
晨枫 发表于 2018-7-16 21:19; f5 w5 q% J* g$ v9 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 ...
5 |3 J' ~- k' K. F4 `/ u
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。
作者: liuqing098    时间: 2018-7-19 09:48
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。
作者: 笔笔    时间: 2018-7-19 19:08
晨枫 发表于 2018-7-16 21:19) _/ y" h0 Q9 f% F: L7 T4 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 ...

$ a1 j: i/ a* w6 W. A还有图160上的三转子发动机。
作者: 鳕鱼邪恶    时间: 2018-7-19 19:50
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？
作者: 晨枫    时间: 2018-7-19 21:26
鳕鱼邪恶 发表于 2018-7-19 05:50* ~$ j* Q6 J1 L3 o3 r% s: ^3 _
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？ ...

  K. ^' f9 B# v& G6 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。



欢迎光临 爱吱声 (http://www.aswetalk.net/bbs/) Powered by Discuz! X3.2