图:PW150发动机
图:PW150B、C冷门到什么程度?现在该公司官网、英文维基页面上,都找不到这两个型号。
在接近4000千瓦的功率级别,这样(三轴涡桨)的西方先进型号虽然非常冷门,全世界内的装备使用量很少,但确实存在——而且确实和中国有密切的合作关系,它就是加拿大普惠公司的pw150。
三:PW150B、C是应中国运8、新舟700项目之邀研发的改型
PW150是加拿大普惠PW100系发动机的放大型。PW100最初是1976年开始设计的小功率涡轮螺旋桨发动机,早期型号的重量只有391公斤,功率1342千瓦。
在经过多次放大后,PW150A型的重量提升到717公斤,长度从2057毫米加长到2423毫米,宽度从635毫米提高到767毫米,设计功率达到4847-5592千瓦。
由于装备它的客机吨位有限,并不需要太高功率,PW150A实际使用中的额定功率被确定为3620千瓦,以功率换取油耗、寿命、维护费用的改善
图:PW150A仅装备了原加拿大庞巴迪公司DHC-8支线客机系列中的Q400,该机目前在全球范围内交付使用的数量近600架,是一个非常小众的型号。
图:新舟700是国内正在研发的支线客机,该机是在运7系的新舟60基础上,进行全面重大改进的产物
图:2014年加拿大普惠与中方就MA700飞机签订发动机合同的新闻宣传照片
PW150B是在PW150A基础上,针对中国运8F-600和俄罗斯安-132两个型号发展的型号。基本设计都维持不变,主要是针对飞机的安装需求,对外围的附件位置、油液电气等各种接口进行调整。
不过最后中、俄均未正式批量采购、装备该机型,安-132项目在停滞多年后于去年正式取消。PW150C与B型类似,但它是针对新舟700开发的型号。
四:PW150是中型涡桨机中的非主流,设计特征极其明显
PW150的设计在中型涡桨机中极其特殊,它不仅采用了三转子设计,而且还采用了“轴流+离心式”的压气机结构——这与它的特殊身份,即小发的放大版本有直接关系。
涡轮航发中的叶片,主要有两种类型:轴流式与离心式。常见的电风扇叶片就是轴流式,它将气流推向自己的前后方;波轮式洗衣机中,搅动水流的叶片就是离心式的,它把水流从侧向甩出去。
在现代航空发动机设计中,中大型发动机的航发叶片,都会选择多级轴流式,使气流从发动机到喷口的总流经路径最短、效率最高。但是这种设计不适合小发:
图:注意轴流式叶片和机匣之间的空隙
在发动机尺寸缩小到一定级别后,轴流式叶片的效率会迅速降低,气动损失会急剧上升。这涉及到很多原因:
比如叶片和机匣之间总要留出间隙、预防碰刮,不能继续缩小;此时叶片越小,间隙的面积比例就会越大——压缩空气时“漏气”的现象就越严重。而且叶片的根部速度较小,是一个效率较低的区域,在尺寸不断缩小后,这个低功、低效率区的比例开始变大。
另外叶片变得太短太薄以后,自身强度和刚度无法得到保障,由此导致的制造难度迅速升高,也进一步显著降低了轴流式叶片设计的性价比。
图:中法联合研制的涡轴16,压气机采用了两级的离心叶片设计。国内最早接触高性能离心压气机,和自由涡轮一样,也是在引进的海豚直升机的阿赫耶发动机上
在60-70年代后,在小型航发上,对气流推动方式完全不同的离心式压气机,成为了核心突破方向;一级新型离心压气机,压缩空气的能力抵得上轴流式的好几级。但这种高效率,建立在一个至关重要的基础上——它的转速,必须比轴流式的叶片要高得多。
图:欧洲TP400-D6三轴发动机,高压压气机(源于M88中推发动机)的最大转速是18430转/分,低压压气机最大转速10464转/分
受制于材料的强度性能,叶片的尺寸越大,相同转速下叶尖部分的速度也越大,它能承受的转速就越低。只有小发才能承受更高的转速,小型发动机和中大型发动机,最核心的设计差异之一,就在于转子允许的转速上。
小型涡轮类航发的设计精髓之一,就在于用大型发动机无法承受的高转速来换取效率,进而在足够小的体积和重量限制下,获得最大的动力,并把油耗控制在可接受的水平
比如黑鹰直升机的T700发动机高压压气机,转速达到44770转每分。但战斗机的大推力发动机,比如F15战斗机的F100的高压压气机,转速最大也只有13450转/分——如果它也转44770,几秒钟就得叶片崩光、发动机解体。
图:PW100发动机结构展示,它的高、低压转子旋转方向是相反的。注意蓝色和红色涂漆的部分,它们分别代表空气和燃烧生成的燃气。注意离心叶片是把气流高速甩向四周的,因此发动机的气体流动路线变得十分曲折,多处出现90度、甚至180度的变向。
上图PW100发动机的结构中,红箭头指向高压转子:左侧高压压气机(离心式叶片),右侧高压燃气涡轮,它们共用高压涡轮轴。黄箭头指向低压转子:左侧低压压气机(离心式),右侧低压燃气涡轮,共用一根传动轴。蓝箭头指向自由涡轮转子:2级动力涡轮,带动横穿发动机中心的功率输出轴。
PW100系列,最初就是以高效离心式压气机作为核心基础的小型发动机——只有两级压气叶片,全部是离心式的。
到了PW150A上,由于发动机尺寸的加大,叶片的转速就必须降低。前面的低压压气机叶片直径最大,再保留离心式叶片就得不偿失,于是换成了三级的轴流式叶片。
图:PW 150发动机结构。绿色、浅蓝、深蓝,分别对应高压燃气机、低压燃气机、自由涡轮这三个转子
图:PW 150发动机结构。红箭头指向高压燃气转子,由一级离心式高压压气机叶片(左)和一级轴流式涡轮(右)组成。绿箭头指向低压燃气转子,包括左侧三级低压压气机叶片、右侧低压涡轮,共用一根传动轴。蓝色箭头指向自由涡轮转子,由两级动力涡轮和横穿整个发动机中心的功率输出轴组成。紫色箭头指向减速器。
五:PW150的代价和局限,就是它的设计没有在中大型涡桨机中成为主流的原因
只用三级轴流式叶片,就能达到其它主流设计机型好几级轴流叶片的压气性能,当然是有代价的——它的转速依然超过27000转/分。更为甚之的是末端的离心式高压压气机,为了保障离心式设计有足够高的效率,它在尺寸放大后,转速依然高达31150转/分。
超出常规主流设计2倍以上的转速、用转速换取效率,这种继承自小型航发的思路,是PW150在中型涡桨机中最为明显的独特设计特征。这个相对自身级别而言高得异乎寻常的转速,在PW150设计制造、使用维护中,带来了大量的棘手问题,堪称麻烦之源。
图:公开论文《某涡桨发动机高压涡轮盘破裂试验故障分析与试验验证》,这根轴是试验仪器上用于驱动涡轮盘的部件,被扭断的原因就是高转速下失去平衡
对于4千瓦级别及更大的中、大型涡桨机,PW150这种“离心叶片+超高转速”的设计特征,均有其特殊的历史继承因素在里面,是限于旧有发动机基本构架的妥协性产物。在同等级别水平的原生方案竞争中,它不是最优选择。
特别是如果要进一步设计更大功率级别的改进型号,PW150这个构架的发展潜力非常小,要么需要付出极大的代价,去继续维持超高的转速;要么必须把旧有的压气机设计,全面抛弃、推倒重来。