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第138章 單轉子、雙轉子和齒輪傳動

對李怡炫來說,9月份真是好事不斷的一個月,與聯合技術公司剛剛達成股權對換協議後不到一個星期,遠在香港的總部就傳來了蚊子-2直升機研發成功的訊息,比利還專門發了個傳真以示祝賀。

看到這份傳真李怡炫簡直是哭笑不得,心想你祝賀就祝賀吧,怎麼把蚊子-2直升機取得的三十一世紀的航空適航證的影印件也發過來了,要是讓其他人看到,少不了又是一番風波。

再說了,三十一世紀的航空適航證能用嗎?蚊子-2直升機是研制成功了,可並不代表你就能上市銷售啊,20世紀的歐美適航證還沒拿到呢,所有的手續申請你還得再走一遍才成,而取證週期又是半年到一年的時間。

第二個好消息就是,直升機的新型主減速器研發成功,為電驅尾槳直升機掃清了技術障礙,目前,香港總部的快反中心已經開始了組裝首架電驅動尾槳的蚊子-1型直升機,大約兩個星期就能組裝完畢,接著就是各種的地面試驗和試飛驗證,至於什麼時候能取得適航證就不清楚了,畢竟在原來是歷史上,西科斯基公司用了九年時間才拿到一個臨時適航證,正式適航證不知道要等到什麼時候去了。

除了專門為電驅尾槳開發的主減速器外,採用傳統的軸驅動直升機的主減速器德瑪吉也有研發,在機器人設計師的幫助下,新型的軸驅動主減速器是一種鋼帶減速器,有點類似於汽車用的CVT變速箱,只不過它在結構上要比CVT要更複雜。

這種鋼帶住減速器比市面上的皮帶減速器在可靠性和耐用性上,強了不知多少倍,而且在體積和重量上也輕了不少,動力損失也小,維護保養也更加方便。

總之,有了這種鋼帶主減速器的支援,蚊子直升機的總體效能會更好。

而結果也沒讓李怡炫失望,當採用了鋼帶減速器的蚊子直升機的宣傳手冊一經公開,就獲得了可喜的訂單,短短一個星期,德瑪吉就接到了近一百架訂單,而原先定了飛機的客戶,也紛紛要求更改合同,把原先的皮帶減速器換成鋼帶減速器。

第三個好消息是,德瑪吉的行星齒輪傳動系統也開發成功,為德瑪吉日後進軍渦扇發動機打下了堅實的基礎。

說到行星齒輪傳動系統,首先就要說一下渦扇發動機的總體結構。在研製一臺新的渦扇發動機的時候,最先解決的問題是他的總體結構問題。總體結構的問題說明白一些就是發動機的轉子數目多少。

目前渦扇發動機所採用的總體結構無非是三種,一是單轉子、二是雙轉子、三是三轉子。其中單轉子的結構最為簡單,整個發動機只有一根軸,風扇、壓氣機、渦輪全都在這一根軸上。結構簡單的好處也不言自明--省錢!一方面的節省就總要在另一方而復出相應的代價。

首先從理論上來說,單轉子結構的渦扇發動機的壓氣機可以作成任意多的級數以期達到一定的增壓比。可是因為單轉子的結構限制使其風扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、低壓渦輪、高壓渦輪必須都安裝在同一根主軸之上,這樣在工作時他們就必須要保持相同的轉速。

問題也就相對而出,當單轉子的發動機在工作時其轉數突然下降(比如猛收小油門),壓氣機的高壓部分就會因為得不到足夠的轉數而效率嚴重下降,在高壓部分的效率下降的同時,壓氣機低壓部分的載荷就會急劇上升,當低壓壓氣機部分超載執行時就會引起發動機的振喘,而在正常的飛行當中,發動機的振喘是決對不被允許的,因為在正常的飛行中發動機一但發生振喘飛機十有**就會掉下來。

為了解決低壓部分在工作中的過載,只好在壓氣機前加裝導流葉片和在壓氣機的中間級上進行放氣,即空放掉一部分以經被增壓的空氣來減少壓氣機低壓部分的載荷。但這樣以來發動機的效率就會大打折扣,而且這種放掉增壓氣的作法在高增壓比的壓氣機上的作用也不是十分的明顯。

更要命的問題是發生在風扇上,由於風扇必須和壓氣機同步,受壓氣機的高轉數所限單轉子渦扇發動機只能選用比較小的函道比。比如在幻影-2000上用的M-53單轉子渦扇發動機,其函道只有0.3。相應的發動機的推重比也比較小,只有5.8。

為了提高壓氣機的工作效率和減少發動機在工作中的振喘,人們想到了用雙轉子來解決問題,即讓發動機的低壓壓氣機和高壓壓氣機工作在不同的轉速之下。這樣低壓壓氣機與低壓渦輪聯動形成了低壓轉子,高壓壓氣機與高壓渦輪聯動形成了高壓轉子。低壓轉子的轉速可以相對低一些。

因為壓縮作用在壓氣機內的空氣溫度升高,而音速是隨著空氣溫度的升高而升高的,所以而高壓轉子的轉速可以設計的相對高一些。即然轉速提高了,高壓轉子的直徑就可以作的小一些,這樣在雙轉子的噴氣發動機上就形成了一個“蜂腰”,而發動機的一些附屬裝置,比如燃油調節器、起動裝置等等,就可以很方便的裝在這個“蜂腰”的位置上,以減少發動機的迎風面積降低飛行阻力。

雙轉子發動機的好處還不光是這些,因為一般來說雙轉子發動機的高壓轉子的重量比較輕,起動慣性小,所以人們在設計雙轉子發動機的時候,都只把高壓轉子設計成用啟動機來驅動,這樣和單轉子發動機相比,雙轉子的啟動也比較容易,啟動的能量也要求較小,啟動裝置的重量也就相對降低。

然而雙轉子結構的渦扇發動機也並不是完美的,在雙轉子結構的渦扇發動機上,由於風扇要和低壓壓氣機聯動,風扇和低壓壓氣機就必須要互相將就一下對方。

風扇為了將就壓氣機而必需提高轉數,這樣直徑相對比較大的風扇所承受的離心力和葉尖速度也就要大,巨大的離心力就要求風扇的重量不能太大,在風扇的重量不能太大的情況下,風扇的葉片長度也就不能太長,風扇的直徑小了,函道比自然也上不去,而實踐證明函道比越高的發動機推力也就越大,而且也相對的省油。

而低壓壓氣機為了將就風扇也不得不降低轉數,降低了壓氣機的轉數,壓氣機的工作效率自然也就上不去,單級增壓比降低的後果是,不得不增加壓氣機風扇的級數來保持一定的總增壓比。這樣壓氣機的重量就很難降得下來。

為了解決壓氣機和風扇轉數上的矛盾,人們很自然的想到了三轉子結構。所謂三轉子就是在二轉子發動機上又多了一級風扇轉子。這樣風扇、高壓壓氣機和低壓壓氣機都自成一個轉子,各自都有各自的轉速。三個轉子之間沒有相對固定的機械聯接。

如此一來,風扇和低壓轉子就不用相互的將就行事,而是可以各自在最為合試的轉速上運轉。設計師就可以相對自由的來設計發動機風扇轉速、風扇直徑以及函道比。而低壓壓氣機的轉速也可以不受風扇的肘制,低壓壓氣機的轉速提高之後壓氣的效率提高、級數減少、重量減輕,發動機的長度又可以進一步縮小。

但和雙轉子發動機相比,三轉子結構的發動機的結構進一步變的複雜。三轉子發動機有三個相互套在一起的共軸轉子,因而所需要的軸承支點幾乎比雙轉子結構的發動機多了一倍,而且支撐結構也更加的複雜,軸承的潤滑和壓氣機之間的密閉也更困難。

雖然三轉子發動機比雙轉子發動機多了很多工程上的難題,但有一家公司且對三轉子發動機是情有獨鍾,它就是英國著名的RR公司。

RR認為,在三轉子表面的困難背後還有著巨大的好處,那就是在轉子數量上的增加換來了風扇、壓氣機和渦輪的簡化。

比如,以RR的三轉子發動機RB-211為例,與同一技術時期推力同級的雙轉子的JT-9D相比:JT-9D的風扇頁片有46片,而RB-211只有33片;壓氣機、渦輪的總級數JT-9D有22級,而RB-211只有19級;壓氣機葉片JT-9D有1486片,RB-211只有826片;渦輪轉子葉片RB211也要比JT9D少,前者是522片,而後者多達708片;但從支撐軸承上看,RB-211有八個軸承支撐點,而JT9D只有四個。

正是三轉子發動機有以上的種種優點,所以英國的RR在三轉子道路上是一路走到黑。除了RB-211系列以外,Trent系列(瑞達)和目前正在研發的TrentXWB系列,也都是三轉子發動機。

除了RR以外,前蘇聯也是三轉子發動機堅定的支持者,著名的圖-160和圖-22M轟炸機,以及米格-31都使用的都是三轉子發動機(這裡特別說明一下,米格-31除了三轉子動力版外,還有一種雙轉子動力版,不過蘇聯裝備的大多數米格-31,採用的都是雙轉子發動機,三轉子動力版的米格-31是雙轉子米格-31的後續升級型,不過隨著蘇聯的解體,三轉子動力版的米格-31也跟蘇聯一樣壽終正寢了,目前俄羅斯裝備的米格-31全都雙轉子發動機)。

三轉子發動機不但結構復雜,研製成本也高得出奇,在前蘇聯時期,蘇聯軍方把三轉子發動機作為未來的軍用標準發動機,但隨著蘇聯的解體,繼任者俄羅斯雖有技術,但沒有資金來研發三轉子發動機了,所以三轉子發動機在俄羅斯基本上算是被放棄了。(RR就是因為開發三轉子把自己搞得破產,最後被英國政府收為國有。)

SU-27知道吧,它上面裝備的AL-31渦扇發動機其實是過渡性的發動機,蘇聯政府真正打算的是,三轉子發動機才是SU-27系列的標準制式發動機,可惜這種發動機只研發到一半,蘇聯就解體了,然後這種發動機就被永遠的封存,研製隊伍也被解散,AL-31就一直使用到今天,後來又推出了後續型號AL-41,也就是著名的117S,SU-35的動力系統。

美國對三轉子發動機也有過研究,但並不是特別積極,像PW和GE都不掌握三轉子技術,堅持走在雙轉子路上,唯一掌握三轉子技術的只有威廉姆斯集團一家,不過他們生產的三轉子發動機功率都很小,總功率還不到4KN(千牛)),與RR的沒法比,RR的三轉子功率最大,可以做到300KN以上。

21世紀,隨著人們對環保意識的增強,歐美對航空發動機的各項排放要求也越來越苛刻,傳統的雙轉子發動機漸漸的不能適應需求了。

要解決這一矛盾,好像除了用三轉子,就再也沒有其他更好的辦法了,於是在21世紀的初期,有相當長的一段時間,三轉子發動機被認為是未來的發動機。

但PW改變了這一切,他顛覆的人們的認知,提出了GTF方案。

GTF是齒輪傳動發動機的英文簡稱,它是傳統雙轉子發動機的一種衍生型,其不同之處在於發動機風扇與低壓渦輪轉子之間加裝了減速齒輪傳動系統,具體位置位於風扇轉子之後;透過該齒輪系統的變速銜接,可以使風扇和渦輪在各自最優工作轉速情況下運轉,從而達到三轉子或多轉子發動機的效果。

這項傳動系統最早是由美國加特萊公司(就是後來的霍尼韋爾公司的前身)提出的,在1969年,加特萊公司推出了世界上首臺齒輪傳動發動機TFE731,不過受限於當時的材料技術和加工工藝,以及齒輪傳統系統設計的複雜性,在很長的一段時期,齒輪傳動發動機一直無法做大,而人們也一直認為齒輪傳動發動機只適用於中小型發動機。

直到普惠的PW1000G系列誕生,才打破了人們的這一認知。

當初李怡炫決定進入航空動力領域時,也考慮過到底是往三轉子方向發展,還是往齒輪傳動方向發展?經過將近一年的思考後,李怡炫最終是選擇了齒輪傳動。

齒輪傳動系統對減速箱的要求非常高,不但設計複雜,對材料和加工工藝的要求同樣很高。

PW的做法是使用行星斜齒圓柱齒輪,但材質選用的是表面硬化處理的高強度的合金鋼,為了承受風扇巨大的離心力,PW對齒輪用的是鍛造工藝,雖然成功解決了大推發動機風扇的傳動問題,可是缺點也同樣明顯,就是發動機的整體重量過重,使得齒輪發動機的節油優勢被抵消了很多。

於是為了減輕重量,李怡炫在參考了大量的31世紀的航空技術資料後,決定發展金屬陶瓷齒輪技術,為此他不惜花費重金從31世紀買來了大量的有關陶瓷齒輪的工藝技術資料,並在上百名的機器人設計師和工程師的幫助下,經過一年的艱苦努力,終於攻克了金屬陶瓷行星斜齒圓柱齒輪傳動系統所有的技術難題。

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李怡炫是在剛剛參觀完加拿大普惠公司後得到這個訊息的,他原本打算在加拿大再留幾天,得到這個訊息後就再也坐不住了,就直接乘飛機回了香港。

齒輪傳動系統研發成功,齒輪渦扇發動機的開發自然就會提上研發日程,他必須得回去主持。