|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 $ D9 F: B" w5 c6 D
0 j% A: y* @, G! K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 ]+ y9 P& f7 \7 D
& |3 r: u+ h# _% z; H9 I# Y% l. O![]()
, I; z# x5 W) C& B; d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& ^, C/ ^3 r- _
8 k( p: r- m- k' w0 G/ o
![]()
8 h: ]* R, B) E' u; |! L* j; F
8 l( q6 e; r8 t0 u3 ~- W9 ^( C1 p5 i![]()
/ W/ r* ^. x0 @' W" G6 OC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨) J; J3 J n6 Y7 X
# n- v1 p8 K) ?* c![]()
4 \( z1 h4 ]& s! A1 l/ [& K3 v# X先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
. z9 L' _2 _" M* @) J( P' K" r9 N( ^# y9 C8 m+ J& p) X) V
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。
+ d' D+ ?( z2 o+ V( }7 I: }. T6 i0 P4 r) k
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。8 A! M" B& p8 R* Y
7 O' ]4 M; y( `1 o![]()
) S q" Q- k& z" p. X) p1 s
5 N" S& h$ T" ]7 h9 ?! d![]()
x0 E" N2 E5 T/ H+ @1 A1 Y/ c- z& I" s! W9 R0 C/ E+ ^0 {1 U6 h
![]() 4 P4 q: I+ `- W' [2 S8 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% `+ e, w {* {$ T" s
$ T2 {3 _" E, R8 I
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。2 }& I6 j1 j0 B
" }( J( W! g( m2 Y2 c8 b
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。
% M4 ?. i9 g+ ?+ C) g& j- g5 H9 H# _# H! h, v. \# G5 H
![]() : {7 l1 C5 E/ G
" q! R' [. ~/ k
![]()
3 J, L- L2 ~5 Z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）
o( e7 X7 q0 B0 X8 m- X
4 \6 ?: M# j: M' I- I: s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。
" ^; o/ I/ a/ ^6 r( I" u
+ C7 v" T" A! U! x8 K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。) S" q9 `7 w3 P! M
& \- }" l7 Z0 @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。
5 h2 _! n9 d5 D8 [! `5 k- H1 n) \' s9 Y" @$ h/ ~: T
![]() " Q5 _5 R% k/ f4 k& N
2 }+ g/ O2 @. ~+ _4 K3 n![]()
% F* f/ v' i7 W成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
; g' Z5 |# k/ w. |6 l6 m z* L! o" x0 |9 L: N
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。3 S+ Q+ R% w% b2 l' x! Z+ o
8 A! ^/ |' P) q; f# M% C, L
![]()
0 f4 l( f7 M+ s$ U1 e1 W1 j/ Y% M3 n9 f
![]()
' O7 \2 [* s p4 l+ F' O7 G z* C% Q: X) u
![]()
6 P. W2 q" g5 V$ b% |2 i6 N# i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”
7 V% u: L, g) @7 x9 y& t. y8 S, y; r# N
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。
9 r- S3 s- {. M6 V5 I! \
0 u4 \) y# j Z& }+ k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。/ ?* p5 N) D, X3 b A5 U- S7 f3 G% W+ q
! ^5 ]6 q, x7 W4 E/ x) Q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。
* q- u8 r( t* E2 x5 Y. B9 X4 h0 D
3 \! c# K/ J& L8 d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 e8 D6 o$ j5 z1 O- T8 Q$ }
, ?$ ?) g! [ k5 L0 n' D' [![]()
3 x1 G5 |* `5 e% `% }' F! j% GPT6也有用于直升机的型号，这是AC313
' g! M; X1 k: N* o3 {# V+ v6 l) P; W
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。
2 i, u# k1 Y5 ~; c6 ~% D5 K( A- t. A7 q! w
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。
3 \7 Y- s$ r; I3 A A5 p" g
) `/ i1 \* c( a6 r+ N9 R3 F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。# R( V- h6 q: g5 F5 a, w" T" t
) V: }- C3 C e& z0 T6 i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。$ x" R0 y; D+ t" q# |, A! P9 t
: W/ P H! W, n* N1 u9 m
![]() ) X" {7 B! m$ s" V# E$ e" h
通用电气ATP涡桨
( y* _, V; b/ Q9 O! U$ V0 o* S+ O. k' K$ [
![]()
9 ?/ e L t: H! e6 ?也采用逆流自由涡轮设计
* h& e( a) V5 L/ d W8 [8 ~# d: b1 q% c: M1 z
![]()
+ S8 e$ N8 P& W3 g1 k全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
/ D! s" [7 K" e J8 [
# q4 }2 b: r$ g7 a* o* P5 d' M![]() ( y s' J0 m. r# o( R; K! c, c
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来: X$ q6 t6 t4 n6 h3 U! B; s: e
9 F! m; A9 i# Y5 U* Z6 f$ H
![]() $ p2 A1 ?* V7 N0 E }3 t O. L& A! B
从性能指标来看，很有希望
$ c0 Z. f& z* e: q- m6 f! u/ c+ r( W" L9 |9 q
![]() " R# X p: V! R+ F# Y+ {5 a; D6 M
现在已有塞斯纳“德纳利”采用
c& f+ X7 M& O5 ]. {# f7 m) i3 t. }4 \5 C! x2 M
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。/ h3 \6 s; M' k+ j4 H
+ G8 t% H6 H' w" w' n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。
& i1 e7 ~* _& m0 F! [, |* w `' r. x, Y* T
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%。$ c! ]$ D3 O, ^% X% M
$ T" g$ [! `0 M* W6 _
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。
1 C4 ?' E) B: W" M- p) P0 f
& N# t3 H4 P$ @% _7 j' H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。/ ?0 R! Q5 ?) [
- m8 V7 s" O: F: h: f) t# h% O: {7 C![]() : D4 A+ |1 P, n# z) K4 W, J
6 o$ t8 t3 ?+ S9 V![]()
k% g5 C3 @# W+ _
: d9 ] \3 b" N; D A1 W8 i* d![]() 5 x4 j# _6 H* I- J2 S% a# y
8 U! ]2 h1 y( `) e/ y
![]()
, r) c! N! p/ l9 _3 X1 u% }5 o- S% s6 n8 m* n7 U5 r/ h
![]() 0 @+ l$ B+ R/ D! f5 m5 F
g7 v5 C/ r/ O1 h5 p4 m3 ~2 b
![]() 9 b7 ~/ i: I. ^; r
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
, C8 m4 M! v; J8 M G4 p- H' ^; a7 a8 }8 q: c* a
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。9 Q6 E2 M( S5 _/ L$ X L) X
1 m- h% r" l/ L3 ~ E3 o) b4 n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。
2 B6 E9 b2 {0 v- [0 S' O. ^/ H
) I3 M7 u5 |- i# o9 ]# l2 H# 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。
2 C' _0 w0 ^+ t7 R1 ?$ y
. Z, V6 ^3 U0 e/ d+ Q* h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）。
' j9 J9 P& {" o$ h9 T) h2 t" r |
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
* W; o" x# f2 Z& A
