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中国航发要崛起,不能忘了船舶螺旋桨

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中国航发要崛起,不能忘了船舶螺旋桨

发布日期:2019-10-13 作者: 点击:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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)。


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关键词:船舶螺旋桨,船舶螺旋桨作用

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