|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
5 {% ^& B, k5 r) ? i- Y d7 b# {
. F2 s i$ M8 U8 W1 F/ F0 I# _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。! k4 I5 b( j# I( {
. K% d1 Y& b; k( I+ U1 s# k# c
![]()
) @# V, w `) a8 I# b+ {/ t m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6 j7 I a, ~8 T& p
- v" W$ g) e% p2 u& g3 i
![]() / F, g- H Q! Y6 e2 V& d$ W% d; R
- V2 m+ d' C/ W( h* L6 S! ~
![]()
& r- |7 Q5 Y/ v' BC-130的野战机场起落功夫得益于涡桨- N3 g; G9 K0 O5 _3 b% g ~; S- d
) z! ?: d/ ~+ A" r+ V. R0 \
![]()
- a" @8 s* h7 G6 B; _4 R先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”# g6 `9 c8 [% P
+ x9 Z$ W& S2 b/ ^; C0 N
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* d; p- W: B( M1 A2 P1 c$ J- d* P% f
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。& j! B2 Q$ l5 ~3 i5 [1 z
2 m5 T2 x& `4 V9 H8 R i4 y, E
![]()
z6 K9 v, [) }* c. t5 O- A! s$ J G8 i7 o2 M1 s; u) ]* y' N
![]()
3 L- [2 ~% O) s$ A N0 g# }; D9 b0 h+ b8 n* t X
![]()
8 V3 L. R6 y7 b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
2 x! F7 I7 R+ k" ?9 ]2 k# S; @; y( M
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。" H( M0 ^- [" {4 Y4 O
) V B+ n0 x6 t* R6 K
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。9 z6 V" C) t; N0 W
0 h; P7 P- L3 `7 ^3 R![]()
; e/ H8 Z) [7 u7 q/ S
% [! u( b* K$ D, n" T) U![]() 1 A8 G! [$ Y3 s: `( o" @: r+ 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）
( C, i4 W3 a/ v U( E* u2 C) ]; e" k
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。
2 B0 Q! ?2 r% _, _! f
4 z5 f# Z2 h }9 _" 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。
3 J. h; F% A) u x4 i; `, L# _; [0 D5 Z/ x) n3 d
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。; S* ^% a% ^5 o* {) y
) ?* b& R% y: d, m/ ^- M! {; i
![]()
! M. C, |1 s7 d$ W" U8 i) I* o+ z% z3 d* j
![]()
6 F k* M5 [2 w, s4 l3 N: v; H成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计% v9 k A. }" `9 Q2 ?$ f
3 X( S; x! k( j& \0 F2 Q% X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。' n+ u" ?* `8 L5 S# [( q9 p
4 _& A9 w3 @' }![]()
( K; j' n$ O1 l4 _1 A$ T' N. L0 y' r% I, Y) r: k
![]()
9 T( f2 L9 ~2 G; Q, T0 M( S! w/ z4 n8 [# t2 v* u
![]()
* i5 j3 b& y" Q* K5 P3 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”
3 O& g- Q$ B' ^9 L& r: I m* F
! Q& \4 o& }3 G$ R+ |1 V3 [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。
, S. S. _9 {' p, G1 T8 N2 T1 m3 P2 |7 C3 ?& z6 C U6 }5 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。
; d! x) q# o9 h7 g2 S3 h+ ~0 c% v: h! ^3 X! A, R. r
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。$ D3 K8 ^4 o3 t. r9 O
* _7 Z# a% o# i( b1 }
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。
$ h( u8 ]' G2 ?7 W
( l" J4 Y: j7 P; o5 i![]()
& S/ I6 \" f9 r; [# Y9 Y2 W: kPT6也有用于直升机的型号，这是AC313
+ t8 j- t M1 h& W: R: f$ s) I; D# A4 O
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。' x! \8 Y V& ?
. I8 s2 Z5 ?, | R* B' F) g
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。
* I, K; W! p) d
, R, W. }4 T/ E/ C! [9 d; S, u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。
" B0 o7 i% S5 m3 x) ^/ w+ L K3 I" F5 \% r
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。
* Z. u' D7 V0 q4 x3 C. E$ X; t; Z: z, \
![]() + l2 `# B" m5 l2 u8 O4 N1 ?
通用电气ATP涡桨
, L, |6 m; _, [! G# m, u
6 m) X, [7 e2 \# e![]() 0 p; x# s; x1 T8 _1 P$ A- G. Q* c
也采用逆流自由涡轮设计
9 e" [# Y. U) ~. m+ c1 v/ J
( \8 N8 f5 m, s7 k0 y `. \![]()
% f- T5 i4 j) Q& q+ @全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
/ M4 Z! e" G( e9 T3 a/ _: \! Z: c9 i) F' g0 A
![]() / H" j% ]7 k; M, L' c0 z, p4 u
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
+ X* l' w4 P/ a2 b2 E) ]( L5 J+ }; P
![]()
. W0 G& [7 C2 b# u3 I+ H6 N y8 j从性能指标来看，很有希望) Z+ L; A* v" r
9 \# r+ s# R' M8 E9 F7 x
![]()
0 v/ f. r7 J* A& Z现在已有塞斯纳“德纳利”采用& e' v8 e) p X; _5 r5 W8 P
+ W4 ?" k7 J! q/ |5 ^ vATP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。
3 d, X: z7 ^- f: Q |
% r5 ^) J# ^9 O {( F0 e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 r7 V7 [. a M8 k& u+ H* I
# L3 E' N, d/ 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%。
. Y: B! T; |8 \) ^
. d) \: L- S, E6 {. S! `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。 |# ~8 t, f7 |% t0 q. w
! u4 T8 E8 w; [' J. `" c" 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。+ o, u. Q, g& w7 u( p, O# \
$ U6 k/ h0 W( R' D% t![]()
. J H% c8 C7 b
1 \6 N+ e% v% ?0 c T; X( ]![]()
# }/ H9 o% n+ ^. M; g9 {( _( t* [
+ t( L* H0 }6 D% ]7 p![]()
3 @. h1 \3 R7 h- f1 m7 n
6 ?6 L+ G: o; G, N B- z![]() 0 i& X! ~9 J# E8 o: N( Z- f$ _
, ~% E9 Y8 S4 v. G' m
![]() 6 Z6 I* e1 ^! u* k6 k: W
- |' u, z' S) M2 D% v. y8 i6 X7 R![]()
5 s- p8 @# Z, d. C: k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
- ?3 b V L4 _ F. F: d. i7 v% ~: W" C1 C6 O) B
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。
5 K! H; w. k' f9 ^* L0 Z9 S
0 J6 F1 ~8 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。
, Q% ~' y- b* X+ B0 Q& \1 R) d& D, z) _! K1 i( p$ z& l6 f* T6 y
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。% k2 S6 x. S& y- @
* J7 u# J: h- w. N' A+ C* y
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）。
2 B O* q7 h5 }% \2 P |
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
