|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 * R6 H2 b8 u! @( t3 R: x
6 e" J0 E2 R9 v- @
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。1 E9 f0 S' h3 I- o1 H& S
6 `9 |3 M7 W2 x& o- n( Y- z
![]() 1 E7 L4 _; E1 [0 g; r
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! } G- \8 ]/ @2 k3 n2 ^
! z, U" z; w+ t+ T! m- |6 c
![]() ]. c/ [6 T$ ]/ J$ }1 s6 @+ R6 I
W" `+ g0 }) S9 V
![]() ' H1 r- M% f) l! G5 V4 b `
C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
1 n. H9 C" Q& J$ [4 I4 _6 K
* T6 s5 E) P- ]. U![]()
3 n$ a9 I' U, W# K先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”; x2 n# k$ f8 y5 D7 V
# n# e) u# I& z. w# i% y& W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。
- j3 g) ^; r0 t1 t3 F
$ @$ F$ m( _$ F9 U! P* s; @2 i3 x, ]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。
! [/ A! h) s6 Y$ Q8 X3 u- K$ M* B" M; R* x
![]() ! G% d* s* I, g2 B
. u1 ?* d' P8 M8 _/ O" ]
![]() 1 S A! b$ h( ?! N9 q A) h
1 f& y5 g: r* _5 o& \1 F![]()
$ S' h+ H* V( L: Q& `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
9 a* ?, Q" W; a. r! ]# ~5 z" C# i
5 W& D8 I4 p7 d1 N) t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。
- t- O$ |- ^. Z. W/ b, n* h
1 M n2 B% c, G' h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。
* R( T7 Z7 y6 f' w1 d6 y6 |) `, J! u% C! Z5 Z
![]() / P0 q* x8 A/ Y q
; |5 ~1 }( ?6 e![]()
" F, p+ M( O: W& L+ Z' p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）/ Y$ {1 ~: g. a8 s% ~
s2 w+ u6 j0 ]- u5 }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。$ |3 q% F% w4 C
9 t8 A6 R' @. e2 T: |
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。
/ F1 \% p% Y1 r' ^+ s' F' O
2 Z! t) D3 b: B8 E+ uPT6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。
4 x* |5 N2 k; p) a5 V" t w% n _4 u3 e
![]() & ~" w% ~( V% O) w2 t) e0 Y
( E1 `1 J! a/ R, o& }: k8 n" ^![]() ; h" y2 H, d5 ^' w# t; R. v8 q
成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
) l4 n0 n4 |! _3 g& o5 \" H
! }# O" N5 |3 z5 d7 T5 p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。5 j- h6 j$ B& d" H& p8 |
0 |5 ~) K [3 O9 _; X3 ?% k& i) B2 ^
![]() 0 c( i" p4 q7 m" s, ~ n0 q
, O: Q3 b0 s2 w# e) v
![]() & w0 l4 z5 n. Z* C
! K& z4 t: u `; b# d) Y/ \![]() $ G/ Z" c1 j- B# ?- x) w, G
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”
( [/ T6 P9 T0 h" ~& x4 D1 W+ L$ n Z d' p
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。
4 z W8 u$ g$ o' [8 g
$ y5 s1 h& U4 m; c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。
+ D* {" ^9 [2 ^- J
; V H$ D" P" @; k* g9 c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。0 f# q1 z# l& @' [ w) _
0 \) L% C7 d1 s0 Y; x; @8 A
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。! S% w5 B0 u7 G
; W+ U; U' M7 s h1 b% I4 {
![]() - M# s% l" |1 _% H4 H" x! R
PT6也有用于直升机的型号，这是AC313# q+ g& o. A- E: v$ b; `
9 {! d3 V+ }8 bPT6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。
; o: e* ~9 Z _+ s6 z5 ~$ h: \% i V4 z' r$ t$ F0 {6 W& 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。1 y) e* U( n1 t5 }& \+ e
* ], J- d2 y$ ~# D2 S2 t
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。# k+ U# W- L. J+ x0 _
' z x/ e d$ ]# [ \( I/ N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。
0 ?! ?# @4 m/ f$ q3 ^
, @+ K8 x2 A+ k5 E# R) a! j![]() 2 ^1 X8 ^7 p- U
通用电气ATP涡桨/ m P! ^0 M% G4 T
$ V( I, S8 M) T
![]() 1 T* Z, Q, d1 O1 L% o
也采用逆流自由涡轮设计
6 w2 l" w6 R1 W* h" c
' u. l( z$ U9 V3 t: ]0 [![]() 9 C, }# c8 H1 d" f n6 j* M4 C
全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6+ V' H" V- [5 P9 Q! U: U
! Q' ]2 k$ d m' K7 s![]()
0 X, W3 r! H3 t9 R* K力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
- `! X- ~' t0 N
7 V* L+ i. M- E![]() & A- j6 P% }$ K0 P( l: a
从性能指标来看，很有希望 @7 k/ \5 _( f: f$ p2 d
4 i4 S/ S% D0 e! V5 S![]()
5 _- I2 u5 H# T( P. x现在已有塞斯纳“德纳利”采用& A9 x& y: Z7 w2 s# x k
/ l' S* v% u, _; iATP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。: F& t. o. D6 z
* u/ e% |5 _' ]* ?" F4 y& f* c# 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。! {7 F f* v% `
/ {7 }" T; B7 D: s6 U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%。
( K2 a/ A( P7 ~* S: Y3 V& }& J+ g P. P/ i R& P8 ~
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。) h! W2 G7 x+ v1 J; r) {+ p" q
' T( H v- V7 t H* i
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。
! g3 k- J/ V* _3 p) O- [, k5 c
' K( O' A A0 L, R. Q( c* K2 a) I6 f![]() " K1 Q+ V+ _$ v/ ~: e; I; V+ g' B
, i3 |* a$ o/ h; e![]() 6 f9 E' \$ N: N
7 }) U) Q; H1 ^' b; E6 d7 v
![]()
3 m3 N1 D6 ]# a5 X* ^7 D$ M6 M B6 F; K( \9 q- M$ k1 D
![]() [2 p- A0 D, s6 d* y- R
$ v5 u# m% J2 j, R8 N/ E
![]()
+ @8 f i) _- x' B# V9 a! m0 K: K! n5 |* |3 z% O% s9 e
![]()
1 O0 D5 H# `( t' F# A7 d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
q2 U$ g9 k6 E m, A' e2 N# }& B9 h1 b6 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。! v, U( S+ N9 n0 {$ ~, t
/ f, _" n# `. e# m8 v
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。
0 ^ p9 {0 q9 n. ~
Y Z- y$ A# j# {3 g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。
* e+ t; ]& m$ m5 @1 V9 H, p/ u* o; Z' z- 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）。
. W; K( o/ L. i" C |
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
6 U$ i% z, Z3 V) x' X" j
