普惠:軍用航發第一強

普拉特•惠特尼集團公司(Pratt & Whitney Group ),簡稱普•惠公司(P&W),始建於1925年,是美國最大的兩家航空發動機製造公司之一。

普惠是美國聯合技術公司的子公司。1929年,波音、普惠、漢密爾頓、西科斯基和其他公司聯合成立了聯合飛行器與運輸公司。1934年,被美國反托拉斯法拆分為波音、聯合技術和美聯航三家。

普惠歸屬於拆分後的聯合技術公司,聯合技術公司還有個著名的做電梯的子公司——奧的斯。

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普惠:軍用航發第一強

也是抄英國人的作業

普惠在創建初期就設計了一種400馬力的九缸氣冷星形活塞發動機。後來推出改進的性能優良的R-1340“黃蜂”發動機,共生產了34966臺。

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到二戰末期,普惠公司已成為美國最大的活塞式發動機製造商。1947年,普惠與英國羅羅簽定了仿製尼恩發動機的協議。1948年,其仿製的第一臺噴氣發動機首次試車成功,定名為J42。

J42作為普惠的第一款噴氣發動機並沒有裝機。在其基礎上普惠繼續與羅羅合作,推出了J48離心式渦噴發動機。

J48裝備美海軍的F9F黑豹戰鬥機,是美國海軍航母第一代艦載噴氣戰鬥機。J48還裝備了美空軍的F-94C。F-94C與F9F都參加了朝鮮戰爭,與裝備同樣源自羅羅尼恩技術的米格-15血戰。

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F9F是朝鮮戰爭中最廣泛使用的美國海軍戰鬥機。

獨行江湖的開創

作為一個追求的企業,普惠當然不甘於一直抄羅羅的作業。經過大量基礎研究後,普惠在業界率先提出,通過大幅度提高壓縮比來提高推力和降低油耗方案。以此為基礎,普惠開發出了超前的雙轉子技術,雙轉子設計能顯著提高壓氣機效能,改善發動機加速響應速度,實現高推與低耗。

第一款採用雙轉子技術的發動機是普惠的J57。1950年,J57進行了首次臺架試驗。試驗中J57推力達到了10000磅,是歷史上第一種推力達到10000磅的噴氣發動機。後續型號推力進一步提高到了18000磅,其單位推力油耗也比二戰時期最好的德國噴氣發動機Jumo 004降低了近一半。

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伴隨J57的成功,美軍擁有了第一種遠程戰略噴氣轟炸機B-52;1953年5月,使用J57的北美YF-100戰鬥機成為有史以來第一種能持續超音速平飛的戰鬥機。J57讓普惠的訂單紛至沓來:空軍的麥道F-101巫毒、康維爾F-102三角劍、波音KC-135,以及海軍的沃特F8U、道格拉斯F4D、F5D和A3D等都相繼選用J57作為動力。

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NASA的B-52

普惠乘勝前進,在J57基礎上開發出改進型J75,成為共和F-105“雷公”和康維爾F-106“三角標槍”等軍機的動力。

J57的商用型JT3在民用航空領域也獲得了重大成功,成為波音B707的動力,直接促成了遠程軍用/商用運輸的大發展。J57的雙轉子技術和通用電氣J79上推出的可調定子技術,讓美國航發超過了英國成為行業領導者。

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B707噴氣民航的領導者

渦噴時代普惠最驚世駭俗的作品非J58莫屬,就是大名鼎鼎的SR-71黑鳥偵察機上用的,能飛到3.35馬赫的傢伙。J-58相當於在一臺渦輪噴氣發動機的外面機上一套衝壓發動機。

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黑鳥——驚世駭俗的東西

在2.2馬赫以下,J-58的主要構造與一般渦輪噴氣發動機無異,使用前部渦輪對空氣進行增壓以供燃燒,產生推力,也有加力的選項;在2.2馬赫以上,J-58引擎兩側的六個導氣管道會打開,將絕大部分進氣從渦輪葉片第四級直接導入加力燃燒室,此時的J-58引擎更像是衝壓發動機。

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呼風喚雨的時代

上世紀50年代初英國人提出了低涵道比渦扇發動機概念,並應用於“康威”發動機。普惠迅速把低涵道比渦扇概念應用到JT3上,推出了JT3D。

美空軍很快對普惠JT3D產生了興趣,將該發動機的軍用型TF33作為KC-135等飛機的動力。除了波音B707,JT3D還先後成為道格拉斯DC-8和波音B720的動力。到1980年代停產,J57/JT3系列發動機總產量超過了21000臺。

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DC-8

進入渦扇時代後,普惠第一款全線研發的渦扇發動機是JTF10A,計劃用於民航市場。JTF10於1959年12月首次運轉,但未實際裝機應用。

1960年代初,為了配合美空軍的F-111戰鬥轟炸機,普惠在JTF10A的基礎上推出了軍用版TF30。該型發動機於1962年夏,在B-45飛行試驗檯上開始飛行試驗,1964年12月裝於F-111A首次飛行。

TF30作為美軍第一代戰術飛機用渦扇,不僅裝備F-111,也裝備了稍晚點研製的美國海軍的F-14。但其糟糕的可靠性和壽命,讓美軍著急。初期的TF30翻修壽命只有150h。到1972年,TF30-P-3和P-6達到了1000h,後來各型TF30的翻修壽命達到1500h。

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F-111“土豚”,變掠翼+渦扇還是有很多新東西的

TF30讓普惠摸到了渦扇的大門,而其後美國空軍的F-15發動機競標中,普惠基於JTF16驗證機搞出了JTF22,就是後來大名鼎鼎的F-15/16的動力F100系列渦輪風扇發動機。

面對蘇聯米格-25及其他新式飛機的威脅,美國空軍要求F-15儘快服役,拿出另外多個激勵合同,要求普惠多快好省的拿出發動機。

實際上普惠還是很給力的,F100-PW-100於1970年3月開始全面工程研製,1972年2月進行60h飛行前規定試驗、1973年10月通過150h定型試驗。1974年11月交付美空軍使用。後來在1975年本著統一後勤保障、方便維護,降低成本的原則,F-16也選用了F100發動機。

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石榴姐,沒F-15大哥在前面踏坑,單發就悲劇了

F100-PW-100發動機是世界上最早投入使用的推重比達8一級軍用發動機。在發動機參數選擇中採用“兩高一低”策略,即增壓比高、渦輪前溫度高和涵道比低。在材料上採用了高強度重量比、耐高溫的合金。

當然速度快了,步子比較大就比較容易扯著蛋。F100-PW-100發動機在使用中出現了許多可靠性、耐久性和維修性方面的問題。F-15的發動機的問題是讓其早期揹負著“機庫女皇”名聲的重要原因,另一個鍋是APG-63雷達。

普惠一方面解決問題,另一方面也開始指責美空軍飛行員的粗暴操作,以及地勤維護保養的不到位。忍無可忍的美國海空軍,取消了海軍的F401計劃,一起找到通用電氣搞F110,這就是著名的“發動機大戰”!當然這場戰爭的結果是平分秋色,當F110成熟的時候,普惠也搞定了F110的可靠性問題,美海空軍成了大贏家。

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F-14後來都換一水的GE的F110,比起大推力海軍更要可靠、耐造

獨佔鰲頭的四代機

到1980年代中,美軍搞YF-22/23時候,三代機時候因為保守起步就落後的通用電氣,搞出了變循環發動機的YF120。但是扯著蛋剛好的普惠,決定走常規保守路線。

經過多輪的PK,在裝機試飛中無論是YF-22還是YF-23,使用YF120表現出了更好的性能。但此時由於蘇聯已接近解體,美空軍壓力減小,於是美空軍還是認為,在最求高性能的同時必須同時考慮技術風險和成本因素,因此F-22和F119中標。

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“保守”的F-22和F119問世的時候,已經可以傲視藍星了

從現在的情況看,F-119到現在還沒有國家能拿出可靠的類似產品;現在詬病F-22也只是說腿短和航電已經落後。客觀的看當年美空軍的選擇是理性的,YF-23和YF120確實都有點步子太大,扯蛋的風險肯定更大。

F119的保守也是相對激進的YF120而言的,實際上在F119上採用的新技術主要有:三維粘性葉輪機設計方法、整體葉盤結構、高紊流度強旋流主燃燒室頭部、浮壁燃燒室結構、高低壓渦輪轉向相反、整體式加力燃燒室設計、二元矢量噴管和第三代雙餘度FADEC。

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由於在F-22項目上的出局,以YF120為基礎的F136,在和F135競爭JSF的過程中一開始就處於不利的地位。2006年10月,F135被首次安裝在飛機上進行飛行測試,並且測試成功。2010年,美國國防部中止了對F136的撥款。

JSF項目實際上是美國海軍陸戰隊牽頭,海軍和空軍被強拉進來充大蛋糕,因此垂直起降項目得分很大。洛馬獲勝因素之一是團隊中有垂直起降經驗豐富的英國宇航,而F135的團隊中一樣有來自英國搞過飛馬發動機的羅羅。

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X-32看起來是有喜感滴

民航市場

在軍用小涵比渦扇市場普惠壓著GE打,但在高涵道比民航市場情況是反過來的,GE和它合資的CFM對普惠也是一輪輪的碾壓。

1960年代中,普惠針對民航中短程市場的B720、DC-9拿出JT8D渦扇配套。後來波音和麥道開發的替代B737和MD80也採用了JT8D。但好景不長,CFM56出來以後就形成了對JT8D的碾壓。

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波音、美聯航、普惠本是一家人,但市場行為就是親兄弟明算賬

看到GE和法國人搞的CFM,自己單打獨鬥搞不過,普惠也找了歐洲老三德國的MTU,瑞典的沃爾沃,日本的三菱搞合資,推出JT8D的改進型PW6000,但是還是搞不過CFM56。

中短程上搞不過CFM56,而寬體機上的JT9D是競標美國空軍C-5運輸機的時候就輸給了GE的TF39;在民航市場也先是給TF39的民用版CF6壓榨,後來又遇到羅羅三轉子的RB211。而取代JT9D的新一代的PW4000在1980年代中問世後,在這個系列上普惠才勉力與GE、羅羅抗衡,但基本不佔優勢。

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當年我們用了不少MD80/82,出的事也不少

競爭與合作並行,這是成熟巨頭市場的表現。在空客的A380項目上普惠就與GE合作搞了GP7000系列,當然核心機部分是GE搞的。

當然在民航市場普惠也不是一味的退敗,新搞的PW1000G系列齒輪傳動渦輪風扇發動機,有可能替代GE的CF34系列,成為民航小推力渦扇的領導者。不僅新的巴西E-Jet、龐巴迪的C系列、日本三菱的MRJ都選用了PW1000G系列,還往上在A320neo上和CFM的LEAP競爭,俄羅斯的MC-21也有選配。

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MC-21,俄羅斯版的C919

普惠在這個項目上花了近20年時間,資金超過100億美元。通過減速齒輪箱連接進氣風扇和低壓壓氣機,使低壓轉子轉速更高,來匹配高壓渦輪的最佳轉速;齒輪渦扇的好處是,可以進一步提高涵道比,同時進氣風扇氣動損失和噪聲都較小,燃油效率更高。

雖然齒輪箱在公務機的渦槳發動機上早已應用,但在渦扇上應用一直沒有推廣。發動機越大,意味著減速齒輪箱上受力越大,越容易出現故障。普惠的PW1000G系列在和CF34系列PK的時候是佔盡優勢,但往上走遇到LEAP 的時候就出現了相持。

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在A320neo上的PW1000G有質疑聲,卡塔爾航空威脅要退貨

加南大普惠

普惠的加拿大分部也是歷史悠久,在活塞時代就負責修普惠的黃蜂系列發動機,後來在普惠系統中就負責主攻渦槳發動機和渦軸發動機。

其PT6系列是加惠普最經典的產品。自從其問世以來,主要有三代產品投入使用,最有影響的當屬加普惠的PT6A,這種發動機功率範圍在500~2000軸馬力之間,有60多種不同型號,投入使用以來已生產了36000多臺。

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直10最早選的就是加南大普惠的PT6C-67C,這張圖讓多少人當年激動

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新舟600用的是加南大普惠的PW127

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哈飛的運12最早立項用的是PT6A-27,國產替代品是渦槳-9

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