|
|
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑
& |; T. k' k+ Z& l+ P
# B4 U0 @' V9 G% a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。
& u% H% [1 d4 p/ M& Z
! y/ N+ i* _% I! p3 |, k![]()
8 r/ p1 f- R* r" r) n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( T: J" d( y/ {6 L
$ K3 G: Q+ ~# m![]()
/ T n* h! M5 u! p) y( Q. u5 g7 w% F1 T# p
![]() 2 {5 s: f6 w3 L8 w
C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨
' D* Q6 e1 [" o. h- W; ]. {- z, ^9 X6 V, N+ l& r: T; N2 x& D
![]()
* v2 i Q2 t% S* p8 v先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”7 c7 L& E! V" w6 o
* h/ J- f/ h( q5 t3 q: K8 B R" R
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。
. H3 ]+ @3 s7 A& L: T3 C. [: y% T. T
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。" X9 Z9 [8 Z) B" [+ }
; U4 Z. K* _) Q![]()
. M0 T" ~+ b& ` K4 j% S7 c4 @# e1 v% L7 R6 J
![]() $ y8 W( s$ I: {% i/ @2 a% C/ K
8 r' v) }) _$ M
![]() ! n8 t# `" c! U r
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$ H+ p$ u& q/ b! v# d
8 b1 v7 X0 n1 B* ~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。
' @) ?' ]6 ]& N/ {2 P$ J4 {/ W! R( W1 E/ p( u) 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。# u: m* H8 K. h {' E0 y3 l7 e5 G5 D
1 B$ T3 I" I0 E( T$ @![]() 6 o2 T: l& E. h8 u3 K
# O7 E) t* w& @; W7 P![]()
9 I, y$ k/ o5 L' _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）; e+ B( G, B2 B2 p; A2 Z# U s$ }+ {
# G5 u. d: ?7 S( T
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。
6 U, U3 f& n( t- j6 N9 ?/ Y7 C: s
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。
% m3 _( d/ S2 |1 w7 P) r: I: }; F! U& |) o
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。- `+ V+ `" ` _0 J' ^
7 g. h% R, M7 |4 ^6 |3 h
![]() " J8 O( n2 \1 P" C& [% e, d& B
) b' a. c7 u. d( H! u1 ~![]() & k9 \) E5 K0 a% @7 ?4 j
成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计7 ]* Q$ @/ ]( \
' \( `* J# m. f5 b% S8 G* j! C
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。% o3 C. Y. n: z0 K9 `
! ?4 l* [# C' `: s- i![]()
9 o! R+ c, u& N- b4 c; ]; Y3 w" p \
![]()
5 L1 v# D7 D. f7 d1 @' R7 M3 K" p- v: m' M0 V7 v
![]() & _- T3 C6 V, J4 [
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”: M( Z2 O. }7 g! z% g
& V$ E9 w' U8 ^! A }1 ?
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。( q) {4 C+ q" f6 K" I
% X3 M! S) d2 j$ h7 O- 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。0 d/ s/ {' \; c; s3 Y+ m5 ^
+ U7 H1 e6 \& y9 R$ Z+ |0 E
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。$ r! ]: L; A$ Q
* n3 G2 ^- W 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。
# y, G0 m' [" ]2 ?+ D
9 O/ Q+ ~/ J) D9 y8 j5 |, P5 h" Y# U![]()
1 y! y* t. d6 a! JPT6也有用于直升机的型号，这是AC313
2 C" |3 i" p' U+ `
: p1 |4 B0 C: 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$ n" H" x: f& z- U( r) l
: \7 z+ t& T7 Y0 @
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 G% J( Q; G+ j8 n& H
9 q- t! K! `# y+ E e: g* ?" ?, i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。7 r A" d5 X4 E: ?) u Z$ M5 _
4 U y: o& ~! s' A' l
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。5 m% d9 Q# T2 {
6 d3 ?8 z/ h1 y9 q5 N7 E. \, a![]() w b. d: L8 X
通用电气ATP涡桨8 p/ I- p6 W! T% J+ n2 [
" m0 a4 ]2 E! L![]()
& ]+ |/ {. ~( J也采用逆流自由涡轮设计+ r! e) M" H# m9 p
$ v* }1 y5 V0 l* K; D% V0 h( c![]() 5 O- A/ c) W! ?5 e2 Z
全面采用了新技术，技术水平大大超过PT6
% C( E& X* F& j1 K1 J. H
/ Q+ h+ H! q$ @. i5 ~; q) a![]() $ L$ h3 K2 y+ H. x( u) u
力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
' F( v' p" v* L" a/ w0 s/ Z. F% d; M. r/ H2 R; P7 Y* D9 g
![]()
) V3 B$ _! x% Y. r4 w从性能指标来看，很有希望
0 r: R' q/ e) L. J. I U" k% d+ V- v
* a& u. q: f+ Y% k4 c% Q7 v![]() / \) R) q4 M( @
现在已有塞斯纳“德纳利”采用- r% B `* h4 a5 R! }3 O
1 C" _4 j. A- z- K! z: g; O- EATP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。' n! L3 n% \$ ^6 W
7 ^, H1 h4 e& C9 P
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。( h' B' J2 H6 H, [0 Y7 F: ` _
6 k3 @4 B- _' c9 |+ C
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%。
* w& `; T! Y3 N: T1 Q$ T
7 X7 ?* e7 X) _$ O& m* }. E- q, AATP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。9 [# p8 F9 ?$ T; s2 Y/ O: x1 O
( v" l. t8 m: ]( }4 [) v: e' ]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。- B5 q- J: v$ \ o2 r% U- ~
7 C' N! s4 U" P/ C- @' M' j![]()
6 C1 l8 ^$ D. f- J3 E Z3 ^$ F; f ]; g
![]()
+ I% t( j0 ~2 T5 L6 h, t/ T* o7 w3 L. S3 F0 |
![]()
+ H8 A4 l' a ^+ d/ k4 ^8 r/ o: D
- C& D' U% a8 @7 A& J9 W![]()
1 W# E6 x7 s; X( q" [) T. ^; h& @# j- ~- D- C" S
![]()
; ^1 S7 J# g0 r0 I% R" m; m" y. K2 w8 Q; v
![]() 0 {9 G, H. b; w# E2 R( i) z$ }& I9 w
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2 X( J. y' n) }7 s7 d4 m
" O0 A8 w8 F4 R; r' `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 }2 h8 `& W+ {) V( {
2 _8 z$ |; K& B! C0 ?* a5 [) 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。
$ \% X/ C* P- p U# `; C' ~) J1 z+ f
/ v; V9 w2 ]! [4 K6 ]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。; m& ?) }: R0 B2 m* m7 y
% Q; R) \0 C/ x+ 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）。9 w9 }/ ]$ T; u6 F9 A5 W
|
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
