中国军工资源网
 
资讯:
公告:
 
 
登录账号
密码
验证码
您好,您已登录!  您有条新到站内短信  进入会员中心  退出登录
军工资讯服务窗口
军民融合发展平台

百度分享
产品展示
 
最新点评
更多点评 发表点评
发表评论
您的评价
差(1) 一般(2) 好(3) 很好(4) 非常好(5)
评论标题
评论内容
验 证 码
看不清?更换一张
匿名发表 
中国航发要崛起 不能只盯着涡扇大推忘了螺旋桨
中国军工资源网    2018-07-16 11:57:47    文字:【】【】【
摘要: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。

喷气时代的螺旋桨

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。

C-130是战术运输机中的常青树,涡桨发动机让它可以在沙土跑道上降落

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。

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。

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。

MQ-9“收割者”

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。

彩虹-5无人机

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。

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。

先进螺旋桨的前进方向

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。

PT6发动机的3D模型

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。

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。

PT6的剖面模型

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。

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。

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。

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。

AC313直升机

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。

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。

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。

ATP的剖面3D图

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。

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。

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%。

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。

ATP的首个用户:塞斯纳“德纳利”

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。

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。

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。

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。

中国无人机产业发展迅速,显然会发展成一个非常庞大的市场

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)。

来源:观察者网

浏览 (373) | 评论 (0) | 评分(0) | 支持(0) | 反对(0) | 发布人:观察者网
将本文加入收藏夹
军工咨询服务平台
军民融合发展平台
中国军工资源网官方网

关注官方公众号