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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 : Z% G. E6 B) `
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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。/ y! c' x# a$ Q

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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9 v6 I; i( |/ l0 H: M& n
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" G+ @& D& [( O7 o! |' m$ C4 G& AC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
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3 P1 {. k0 g0 d$ x  r
; f' ^2 K% I( }( \先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
2 T! t1 U- d" A' z
+ ^: L% h' z; u0 {  X" U% u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。# E. `) ]. Y( z6 m

6 g4 B+ ?# Q9 Y) p; e6 E7 k& B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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/ L7 W. P6 G7 i+ Q9 H, [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。
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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。  H, p& [+ M& M( t: U
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+ D( X+ M2 g  F  x& t0 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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/ X+ X7 o4 B. K$ h! J+ a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。
% G. c( u( G# R- _0 D1 U: R# a7 ~6 s. _* K  h; d1 [3 g
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。
1 O  I7 d' @9 a9 q% w% w. V$ Q2 u$ Q2 |/ |! y* @
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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( c: d; r9 ^" I- p5 w! {成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计! t& }7 f1 ^9 o) D: r5 f2 c2 q, K- H

3 A! z: D6 S" r# ~" U4 W* 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。" F6 r: k3 B3 w) c" @3 y' z& a5 V4 c

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/ |6 C: U3 z. n
4 x$ e3 E2 H* f, L5 \8 T) N) m: M% j

. E: B. z7 R3 u( }) G9 |) V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”
1 J; I& }, v6 F: @9 S3 N- r0 n# W: J& _' P+ R
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。" K4 B% a0 S! ?, T

+ b: b, s; W8 R8 Q2 Q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。
# I4 @3 d* P; D+ q7 A: v8 p' ]# Y3 r# B' A
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。6 h. O* T: |  |$ q' r/ ]# g
+ D* z$ L; O; `6 H  t& b- I
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 }0 d; i% m% d. [3 t6 P( f0 @' O7 @) r1 V& _; |) `5 [3 `! A
PT6也有用于直升机的型号,这是AC313
; P2 e/ d5 W' X7 m$ u) f# C1 {- i; Y9 d1 Z
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。7 j! m) T  `' g2 S! [" r5 g

. {! F7 o) t, m( `; n& WPT6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。  k% U, O; b7 w7 o$ K) x
3 p+ L$ \8 J. M8 P  j4 x7 q
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。
5 z. e5 F! s1 D# H
  y  e# U3 D) W6 j+ 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。
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- J; B$ S7 Q! ?' N# q% g% b9 c3 |- r8 Z' G+ n! g" j+ j
通用电气ATP涡桨( V9 V! c; y5 f* g7 T+ G( Y
' K. d2 d. c. o2 O& q+ M, D. a

4 ~& u1 }9 Y. {& X) u也采用逆流自由涡轮设计
+ A) s+ U8 g8 w% v, W2 Q) Q/ U* f/ T% i+ x/ `7 K6 x

9 a3 u2 @) I  I! X+ r/ ~% x全面采用了新技术,技术水平大大超过PT6
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; S2 C5 J! v9 y" o6 Y力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
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; Z$ j) J+ \' _* |4 r  l8 t从性能指标来看,很有希望$ B3 _: K/ K6 y5 _2 Z$ q3 j) E
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现在已有塞斯纳“德纳利”采用0 U& O2 I5 R( R
& u7 W2 P, ^0 u! r
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。/ q) K/ t8 t! ^+ q+ l; f) w) q

+ k1 T& {) V' e) ~+ P/ i3 j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。
; n; }. P/ s& P: Z& D  \9 p
4 i& p8 p- P. V3 G- S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%。9 N( g! T+ A- y+ F% N

7 G7 ?$ l: Z. 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。
, b' P) h4 e& a4 D# s5 {# M8 }6 @- D! {; j( N# S# [* k( D
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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+ S% s, a* E, ]! X: 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
; c+ u* l% ~$ L/ G1 Z3 C9 ~" S6 K
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。
* O' r1 K2 ~, c7 {& d8 |$ v6 {
. }3 Z# y! M+ e9 \1 o9 a; B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。
  a1 u- l) M3 ?1 T; U4 Q0 I) C- t
  t0 A; P5 S) Q$ ]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。5 D$ j, ]  O$ m* g9 A& b  `

: E9 ]. T( p: ^! `8 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)。0 d* x2 g/ D, j" m1 m

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 12:04, P+ a# ]: R2 c( u6 W% r- q+ T# V
    图-95那个是什么?

    : j8 Z4 _" C" D+ l: t. O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; r3 y& u( T. X+ |, F- D
    图-95那个是什么?

    4 e3 A2 k3 E& b8 T也是涡桨,同轴反转,库兹涅佐夫NK-12
    # _6 U- e5 ]3 E' w0 a4 {! M, s0 N9 n+ C
  • 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?
      u; |  R0 O0 I  r) mhttp://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml1 }% e+ B( N" w& _8 O9 F
    http://user.guancha.cn/main/content?id=26003
    ! h6 ~* q$ O3 b  R! l3 R, d+ w9 {7 v4 a; X( Y

    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- R' h* ~4 }& B; Y/ p
    最近怎么都在谈PT6?" s; i) t: R; p/ Q
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml- r5 i% M( m" F" Y8 U( t( H7 C
    http://user.guan ...
    & y! ?/ q8 W) A, F. q! `* @, a
    因为这是好东西啊
    * i+ I2 ?! B% X
    - k* X  K, _: w6 U0 a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
    ; r; {2 P( y! ]( n; T8 a
    晨枫 发表于 2018-7-16 12:560 w1 D3 e' P- d- z. Z# n
    因为这是好东西啊- o1 |! A( D; s' _

    . `: `( c' L- \; ]7 ~& Z6 {$ k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! P  f( R+ z8 Z7 z! l0 n

    ( @% z4 J' l. E% K. b+ v( L/ C  k乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。% A- J. {4 m: R( f8 v
    悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。# Q1 R  S1 G0 [

    - |3 \+ B7 X) T  H. E
    ) c$ Z  C% T/ c( N1 L/ e5 K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$ M+ A) W$ J3 q/ A
    乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。) ^# L( z8 N4 H  r6 N% B
    悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。
    7 J! Y0 w! [& _: G" A; ?- E5 Q
    是啊,养鸡到观网,给观网壮大了好一块,好事!+ N8 h9 D3 o* l& t3 J
    % Y2 l3 c  F% N. i
    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。
    ) v. ^- Z3 Z7 l, W! f9 i* Y' i6 k) `, o( ?3 m2 E
    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。

    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 ( T) O6 g; k+ `/ }" P
    笔笔 发表于 2018-7-16 03:06
    : u2 a8 L. w0 w8 T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。 ...
    " r3 ?" M/ W) C+ h* b

    ) D7 A1 ?- R0 @" H0 u4 @+ F8 X% c9 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 21:19
    3 f6 p4 v' r: x; }* D. P1 L& 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 ...

      @  X# m+ t% m1 s- L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 21:194 a. ~. I( P- e" A5 ]# u- B9 }
    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 ...
    6 m5 S0 U1 o) w6 t; _/ u* ]
    还有图160上的三转子发动机。
  • TA的每日心情
    开心
    2025-5-12 23:57
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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
    ! E3 L7 |" p5 Q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? ...

    $ }" Q' y1 [+ Z: S9 {7 F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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