|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 + E5 n% n! Y/ ]
; u, W8 K- _! K4 G3 H# Z: N
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。
9 h7 Q7 P+ D/ s+ T! A
! V7 Y) ~3 O& j7 j" u% J4 d![]()
: F/ t, u7 Z* E* l) F0 S: [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, u k) Q) S# h E/ p" n' w0 I
/ D; \+ Q& a' i/ w![]()
$ U2 w% R0 U5 b: s# F0 k$ B5 m6 T* v
![]()
* H, B9 U$ y2 u* e+ g9 d* m7 S4 P' MC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
$ }9 q: ~& z; t d/ z1 I
7 v* B5 `/ H* n+ H0 ?& ^7 }![]() ) E2 c( M; a. I2 k9 c! C k4 N
先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”. x/ y+ W$ W, c8 B( z* j* c
% f) }. D& {) x" f; P
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。; R! p) Y2 I$ D% n2 n* n8 _
: T& ^8 v7 e- b) B; @; i8 ~
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。$ W6 ~3 R6 v. @1 ~. S
% ^1 _ q$ X7 w( j5 K3 e0 M![]() 5 e& M3 i0 S6 g0 J
) h+ A/ o; p' j- x8 c![]()
! i) y; `0 k! ^! ?, X6 l' C: @+ e0 k: L8 j8 R8 [% u4 N
![]()
" b9 e) c) j& q- d9 m7 D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
# Z; ~4 c1 s5 c, H( b& E9 {
( F8 n' o* ?( @" H: ?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。% ?& k1 G! V9 e
' B3 V: S1 V+ h8 \) I+ M/ x _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。- m3 @6 ?. {% t
7 @- K* p9 D( H. x, i![]() ! h( F8 W7 x- S7 @2 Z% _( \
1 T0 h) a5 l: |2 t2 T" W![]()
+ D" W! Q# T0 ?; K" k: Q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）
- x2 g6 j- N8 v0 Q/ T: P& e
2 f0 ~- a2 k7 `6 [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。
8 E# Z2 T+ v6 h, w0 ~; r* ^) S' {# W) `5 W* Y4 S' q$ [ {
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。4 i" t ]9 ~- F: C; J
9 I, C7 q8 j% f1 ePT6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。' i: p) N) D$ e- O! S
2 T. j/ T, l) T# n: L& K3 W
![]()
; U4 Y3 i) r1 S6 z5 r$ a; R: q8 h: f" @& m
![]()
9 O6 g( o- ~$ k3 K1 q成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
- [0 r+ L/ _" z* Y& N" X, t+ [
( p# }; X6 f5 `% _' V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 ]7 d5 t: j3 Z- t
8 O ]* g6 a1 ^" q6 [9 [![]()
" E8 G1 V% h- O
% ?* K8 r1 F4 N X# ?. D( v![]() 4 @- y/ r/ p+ a2 Q4 \* {
k9 V9 T2 G' d/ n6 J![]() . z5 x/ x+ E, H) Y- _3 B A9 F
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”, I, Z- [0 ^. f; b8 D) M
$ k- a, \' t2 F- V V, j
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。
/ X% A7 A& `! F2 X0 r3 |
1 u0 C* Q' ] M: {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。 s v7 {3 X# _( J, O
' e5 p7 |; i6 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。" O. D0 j. o0 C5 B; g9 _* R
7 G5 u! F# J# [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# Q/ h* B6 @! N' F6 r- s6 V% ^; C$ i" i- f c6 p8 O
![]() ) v' P& ^6 y. Y. Q
PT6也有用于直升机的型号，这是AC313
8 T% l5 p/ d9 ?
( d4 p7 E' j2 Y m. f: M6 @1 J) dPT6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。- G/ x+ r0 _2 \6 b6 g( [2 W
; _2 o2 s. g2 ?( Y' @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。0 |( B$ K: b# k) L4 V* y: ?( R( u
( @( _7 {* L+ z2 ^
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。
6 _5 W% ]( o1 w: m& e/ G$ R$ M- L% 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。
7 p q+ H* y( ]8 U+ B8 v0 d" P$ Z& R' Q
![]() , m; j+ m, M4 {# H" Y4 T
通用电气ATP涡桨
- p7 ~0 s: i8 J/ b
$ u2 `- x: q! Y, c7 L![]() ) u' m J0 Y: a% D8 f0 l/ a
也采用逆流自由涡轮设计) \3 n k5 U; l+ t ]2 h
+ r, I. h2 Q0 p; }/ M' q& H
![]()
- k M9 w- ~3 m5 I; p9 @全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
4 F( ?2 W, a2 _5 |6 Y5 A5 h, [2 ?7 x! n: y% _' n* v
![]() 1 ?. ^; X N4 a: e: q; X
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
. W" w4 w" I/ \
2 s% m' A: o" L![]() 5 v. W) ~9 ~- J
从性能指标来看，很有希望2 S$ n( t G" U& v
/ s- s. D& Z0 C9 h$ C! I![]() : {5 m) `3 y7 e% P0 L. [' x- K
现在已有塞斯纳“德纳利”采用" `$ S6 Y6 q3 Z5 [7 b$ o. X/ W
. b! \; a+ i2 U$ ?( K
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。
1 d2 o, j+ T( O2 u# K) R$ }' _: G+ `6 V+ x- {+ ^
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。
0 N% D+ ]# r" M, ~
3 F/ h8 f8 g; R# r& k4 ^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%。
2 x0 X; N8 R8 l) d
6 r7 d5 _0 z. S* G# HATP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。* W$ L6 ?& N- }
2 b' y; R3 u. \6 R' n; ]
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。' p0 ]1 ?$ @1 c4 Z
- K4 b2 k( Y. h! y4 t7 ]![]() 8 ~5 ~9 E) s8 d2 L) _6 @6 N. a
# u- A( O8 @4 n1 }![]() - N/ A# ~% P" R& ~- z- ?
6 L$ h' t3 |9 x: }! X+ O: O![]() . w$ ?- J0 c& R4 ?5 q. v5 B: U
' r m9 U3 W) B* w/ t, N. }, t( o
![]() 0 f* h6 @8 L/ Y2 Q: R* N$ ~1 Q
. ^' i, n1 Q( L/ P* D
![]()
( N% ?( |9 I" j) O2 ^$ S
) ~4 d, j; Z( D![]()
/ m5 @ O; ~9 f6 q9 @& g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
6 p: r( k: L" H$ h7 ~
0 \# {% O4 H r$ W# F+ c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。 X6 C: h' @' c1 ]
( @6 Y! [; K! T6 |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。
' u5 W; N" c; h3 C' R( Q( L" R: c% l6 z' X$ K2 X' @$ 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。0 q" J4 W7 n2 x" |& H, b. C
6 I; h" c7 f+ M( B) x, u: P+ m
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）。, K+ z0 k# z) N6 j
|
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
" V; D& ~7 d6 T- {
