华夏还缺少涡桨外燃机 同型无人驾驶飞机载荷不到美军四分之二

  装备涡轴-9发动机的中国第三代直升机直10(图片来源于百度图片)

AI-450 Turboshaft for Light Helicopters佳
力AI-450是扎波罗什进步机械制造设计局为轻型直升机研制的最新涡轴发动机。它是一种双转子结构发动机,采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子。该发动机的主要优点是低油耗、高可靠性、低噪声和低污染乌克兰扎波罗什进步机械制造设计局建于1945年,并以高质量发动机得到了适航部门的认可。他们早期主要研制活塞式发动机,50年代中期开始研制燃气涡轮发动机。该设计局研制的燃气涡轮发动机在俄罗斯、乌克兰、捷克和中国受到广泛欢迎,并在世界上80个国家的军民用户上得到采用。
由于积累了大量研制航空发动机的经验,该设计局在70年代后期为米-26/-26T研制了世界上功率最大的涡轴发动机,其功率达8500千瓦。
20世纪末,由于俄罗斯、乌克兰和其他国家大量使用的卡-26和米-2要被新一代轻型多用途直升机取代,需要一种新发动机,扎波罗什进步机械制造设计局为此设计了AI-450。这种功率为347千瓦的发动机也被看着是在乌克兰专利生产的俄罗斯研制的卡-226直升机的改型卡-228的可能动力装置。该发动机也可用在米-2和米-34直升机的改型上。这样AI-450在独联体的起飞重量为1500~4000千克的轻型直升机发动机市场上将占有一定份额。
AI-450是一种双转子结构的发动机,采用了燃气发生器转子和自由动力涡轮转子。动力涡轮通过燃气发生器转子内部的一根轴将扭矩传递到安装在发动机前面的减速齿轮箱。该发动机采用了4个单元体,以便便于组装、修理和维护。其单元体包括:由空气进气部分、压气机、燃烧室和压气机涡轮组成的燃气发生器;安装在一个机箱内的减速齿轮和附件传动箱;自由动力涡轮和它的轴;排气部分。
为了在保持要求的特性,如耗油率、尺寸和重量的同时,减少工作量和降低成本,压气机涡轮和自由动力涡轮设计成单级和能承受大的燃气动力负荷。压气机为一级具有高压力的离心压气机。选译这种压气机是为了增加发动机长期在充满灰尘环境中工作时的耐腐蚀能力。该压气机由离心叶轮、径向导叶的扩压器和轴流静子叶片组成。前面的压气机机匣是发动机上安装燃气发生器前轴承支撑的结构件。
燃烧室是环形回流式结构,具有低的污染。通过设计180度弯曲的火焰筒可以缩短发动机的长度。超音速的单级压气机涡轮安装了用高温合金制造的冷却的转子叶片和导向器叶片。轴流式的单级自由动力涡轮是不冷却的。
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级平行排列的减速器偏离轴线,减速比为6.5∶1。运行时螺旋齿轮引起的轴向力传递到扭矩计量器的活塞。减速齿轮和附件传动齿轮箱的机匣安装在传动附件后面,这些附件有:起动发电机、流量控制装置、滑油泵和自由动力涡轮转速调节器。
发动机在直升机上的安装是通过2个水平枢颈和固定到减速齿轮机匣上的一个支架实现的。发动机的控制系统是电子液压机械式。它的工作控制和故障诊断是由机内和地面试验设备来完成的,这些设备能处理安装在发动机上的传感器和警告装置反回的数据。全权限数字式电子控制系统的功能由一组安装在发动机上的电子调节器传感器提供的。
AI-450的主要优点包括:低的油耗、高的可靠性、低噪声和低污染。

  先进螺旋桨的前进方向

  单转子核心机示意图

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  首先是发动机。

  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%。

  中欧合作的直-15直升机,装备两台涡轴-16四代涡轴。

  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。

  第四代直升机开始采用引入了离心压气机甚至纯离心压气机概念,例如欧洲虎式武装直升机,采用两台透博梅卡MTR-390涡轴,该涡轴压气机仅有两级,且均为离心压气机,离心压气机由于形状特殊性,可以承受更大的扭矩,因此该发动机增压比有了质的提升。在高达1423开的涡前温度下,其总压比高达14。这是三代涡轴所无法达到的指标。而0.28千克/千瓦时的油耗和5.8的功重比也相较于三代涡轴有所提升。除了硬指标的提升,MTR-390涡轴还引入了全权限数字式发动机控制器(FADEC)。通过数字控制实现更精确的燃油计量、发动机故障检测、稳定引气与放气以及压气机控制。对发动机的输出性能,运行可靠性,油耗及功率调节的精确性有了质的提升。

  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

  自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。

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  中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

  ATP的首个用户:塞斯纳“德纳利”

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奥门金沙网址 ,  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。

  监制:光明网科普事业部

  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)。

  出品:科普中国军事科技前沿

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  有着以上这些弊端,因此二代直升机的涡轴动力普遍性能还处于“勉强够用”阶段。比如美国通用电气的T-53-L-1涡轴,起飞油耗0.37千克/千瓦时,总压比仅为7.4。苏联的TV-2-117A涡轴,起飞油耗0.374千克/千瓦时,总压比仅为6.6。虽然已经比第一代直升机的活塞动力有不小的改善,但单转子涡轴指标的落后依然严重影响着二代直升机的航程,可靠性以及任务灵活性。随着航空动力学的进步,工程师终于找到了解决单转子涡轴弊端的途径,那就是——双转子涡轴,也成功推动了第三代直升机的出现。

  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。

  2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

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  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。

  目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的翘楚。

  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。

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  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。

  涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  ATP的剖面3D图

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