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记:首先谈一点,螺旋桨是否算作涡桨发动机的一部分?
张:不算。涡桨机型的动力系统分两部分:发动机和螺旋桨,这完全是两方面的厂家和总师。研制机型时,两方面的总师要在一起协调,提出设计指标,来决定发动机配什么样的螺旋桨。螺旋桨设计包括桨叶、桨毂、防冰系统和操纵系统。
单轴涡桨发动机的结构与涡扇发动机相比,只是没有外涵道,是单转子。从后往前结构依次是:喷管-涡轮-燃烧室-压气机-减速器-螺旋桨。涡桨发动机与涡喷涡扇发动机的主要区别在于:它的尾喷口喷气流功率只占发动机功率的6%~7%,90%以上的发动机功率传给螺旋桨,产生前进拉力。涡桨发动机多用环形进气道。
记:涡桨发动机的环形进气道看上去比涡喷涡扇的进气道小得多。
张:涡喷涡扇发动机需要更多进气。比如涡桨-6的进气量是204千克/秒,而涡喷-6的进气量是43.3千克/秒,AL-31F的进气量是112千克/秒。
记:涡桨发动机进气口下面多了一个滑油散热器进气口,而涡喷涡扇没有。
张:这是涡桨发动机特有的滑油散热方式,通过这个可打开的风门控制散热空气量。在地面,空气是靠发动机吸气引射和螺旋桨后滑流。在空中,靠冲压空气,通过里面几千根列管的滑油散热器,冷却其中流过的热滑油。
涡喷涡扇发动机靠的是燃滑油散热方式,就是说滑油的管子穿插在燃油的管子里。因为滑油是热的,需要降温,而燃油刚抽进来是冷的(尤其在东北地区),必须要加温才好点火。因此燃滑油管路互相纠结,既给滑油降了温,又给燃油加了热。涡桨飞机由于有空气散热器,就不用这种方式了。
记:涡桨发动机匹配的桨叶数是如何确定的?
张:桨叶数量不能太多,4叶桨叶做的功产生的拉力已经够了。如果用更多桨叶,首先要考虑的是涡轮有没有那么多剩余功率传过来桨叶太多有可能带不动,并影响进气。
记:桨叶有奇数的么?
张:一般都是偶数。奇数的不完全对称,影响转动平衡。
记:桨叶也有同轴两组的,如图-95,优劣是什么?
张:同轴螺旋桨是两副桨叶一前一后装在同一轴线上,但旋转方向相反。后一副桨叶将气流扭向相反的方向,这样可以减小气流扭转损失,消除螺旋桨旋转的反作用力矩,利于起飞滑跑。但这种结构和操纵系统更复杂。
对功率很大的发动机而言,不得不安装这样的螺旋桨,因为任何其它螺旋桨都显得太轻或空气压缩损失太大。
记:安-32的涡桨发动机桨叶比涡桨-6的长,桨叶做长做宽做厚有何利弊?
张:桨叶做功的力是气流打在叶盆上的气动力,因此桨叶长了、宽了气动力也大。桨叶有一定厚度是保证强度的。安32的涡桨发动机桨叶比涡桨-6长,因此功率达5800马力。桨叶过长过宽,重量增加过多,飞机重量也增加很多。桨叶多了、长了都导致阻力增大,而且会阻挡飞机雷达天线的电磁波,还影响飞机天线流场,噪音也大。
涡桨型飞机的噪音主要产生在发动机进气、排气和螺旋桨。桨叶长了桨尖线速度大,气动噪声就大。设计要求,飞行员驾驶舱噪音不能高于90分贝。新型发动机配套螺旋桨采用6叶复合材料桨叶,这些桨叶比运-8采用的4叶铝合金桨叶短,再加上复合材料本身噪音就小,因此机上飞行员反映驾驶舱内噪声比运-8小。
记:据说飞机后舱噪声仍较大。
张:首先要保证飞行员的环境降噪,否则带着耳机都听不清说话将影响飞行安全。飞机后舱也采用了各种隔音措施,但没有驾驶舱多,因此噪音还是比驾驶舱大。
记:复合材料桨叶加工难度怎样?工艺是否过关?
张:复合材料桨叶采用整体编织和RTM 体化注塑成型工艺,加工难度很大,桨叶成品率不高。后来引进了RTM整体成型设备好多了,泡沫芯填充的桨叶对生产环境温湿度要严格控制,要求非常高。
从桨叶看,英国DOWTY公司的R408桨叶要先进很多。从使用情况看,没有什么折断的情况。桨叶的疏松情况有,但强度还是很好。在外场砂石打在桨叶上的情况较多,但没什么损伤。
碳纤维材料最初只有日本的T-300和T-700,当初他们还限制,现在到处都能买到。国内已能生产,威海的质量稳定一些。
记:新型发动机功率比涡桨-6增大,其意义体现在哪?
张:因为新飞机的最大起飞重量比运-8大了好几吨,不仅因为天线,还因为多了很多电子设备。发动机功率大了剩余功率也大,因此对起动、起飞很有好处。我国的一个特殊情况是高原。在贡嘎机场,如果发动机功率小就拉不了多少东西。发动机功率和每秒的空气流量成正比,如果空气稀薄,发动机功率就小,而且桨叶拉力也小。还有一点,高原起动困难,我们的各型飞机发动机在高原几乎都遇到过起动困难问题。
在高原,发动机燃油调节器一定要调节准确。从平原到高原后,燃油调节器供油量要减少。如果还喷那么多油,由于空气稀薄,油气比就大,发动机温度就高,燃烧室涡轮就会烧坏。
记:燃油调节是否为飞行员手动控制?
张:老运-8都是手动控制起动供油量。有个手动切油按钮,是调节起动供油量。起动时飞行员看着涡轮后的温度,如果高了就放油。但是新型发动机已经能自动切油控温了,放的油可以自动回到低压腔。
所以到了高原,大气密度小,空气流量少,因此凡是依赖空气工作的发动机推力、功率都下降。这样载重就少了,平原起飞重量60多吨,到了高原变为50多吨。
到了高原还有别的问题,多次进藏可知,有的机场就在群山里面,起飞时还得根据风向决定向西还是向东。如果载重大了,就算能起来,飞机爬升率也会降低,就可能撞山。因此像4发动机运-8的载重要按3台发动机的载重算。要考虑到单发失效。
记:在平原起飞是否要这么考虑?
张:一般不用。在平原,有两发就能飞回来。而在高原,比如从成都去贡嘎机场,如果载重多了,1台发动机失效,就容易撞山。还有进藏时要考虑往返油量。虽然现在高原机场能加油了,但赶上天气不好,它旁边没有备份机场,飞机就只能返回。飞机进藏的运输需求随着周边局势的变化而变化,飞机必须能在3500米以上机场起动。像波音737的发动机就能在4200米海拔高度起动。
记:起动增速慢与航空油料质量是否有关?
张:无关。美国发动机起动好主要是它的起动电机剩余功率大。发动机起动有三个阶段,见左下图。前20秒是起 动机带动,第20秒后发动机开始喷油,此后直到42%~46%转速之前都是起动机和发动机共同带动,到42%~46%后起动机停止工作,发动机自己增速。因此在42%~46%之前这段,如果起动机功率小,带动时间又长,就严重影响起动成功。到了80%转速后才到达慢车转速,也就是最小稳定转速。再往上才到额定转速即100%转速。不到80%的转速就不算起动成功。
高原起动困难的一个原因就是点火点不着。涡桨发动机有4个点火器,先喷起动燃油,然后电嘴电火花点燃燃油,形成起动火炬,火炬再喷到燃烧室里点燃主燃油。也有直接点燃主燃油的。电嘴放电时要击穿空气,但到了高原后,空气稀薄,击穿需要更高的能量。咱们的发动机点火器都是俄罗斯型号,设计时就没考虑那么多。因为高原机场就咱们和印度有,当雄机场海拔4200米,日喀则机场3780米,别的国家没这种情况。
所以在进藏前都选择火花大的点火器,夜间一起动点火,凭经验就能看出来火花强弱如何。还有,起动机的功率要大,地面的电源车有60伏和70伏的,电源车功率大,起动机能量就大,增速就快。一开始进藏时都没带大功率电源车去,就靠飞机上的辅助动力装置APU发电。APU性能不好也不行。
记:运-8的4台发动机是否为一台一台起动?
张:是。按发动机号顺序一台一台起动。以前起动放油都是飞行员手动切油的,不可能同时切两台发动机。两台发动机共用1个温度表、1个转速表,表内两个指针,飞行员不能同时看两个指针同时按按钮起动两台发动机。按一下切油按钮,供油量就能减少。究竟减多少,不仅和海拔高度,也和当地的气温场压有关。贡嘎、当雄、日喀则放油量都不一样,这就靠经验。这么多年,新手切油不当把发动机烧坏的情况也有发生。
后来新型发动机就改为起动时自动切油,发动机后面的热电偶传来温度信号,一比较如果高了就自动控制燃调活门放油量。
记:为什么不把自动切油装置改装全部运-8?
张:应当全部推广。到现在也没推广。它就一个盒子,装在飞机舱里。而且它还有一个超温保护器,如果测得涡轮后排气温度超标就自动停车。涡轮前温度要比涡轮后温度高得多,所以不测涡轮前温度。这两者有个比例,如果涡轮后排气温度超标则涡轮前温度必然超标。
记:在平原起飞是否需要切油?
张:夏天也要切油,因为气压低,供油量多也容易富油。春秋天切得少。到高原机场每次手动切油时,4台发动机要较长时间,而且每次都有发动机起动失败的,有时一台发动机要起动两三次。起动失败后,发动机已经喷了一些油,涡轮前和喷管处都有,此时如果直接起动容易爆燃,因此要发动机冷转1000多转,把余油吹掉,在平原每次起动,要60-70秒起动一台,到高原要长得多。切油时,手指始终要高频用力按动按钮,因此在高原起动过程中容易疲劳,机组人员还得轮换起动。有一次,飞行员起动第二发,但看的是第三发的温度表,结果第二发温度一下子超标,发动机烧了。另外切油时间过晚,切得过少而把发动机烧坏的情况也有。
记:美国的涡桨发动机是否也是这样?
张:现在不是这样了,因为涡桨-6是苏联50年代的发动机。1959年伊尔-18引进中国,作为首长、外宾专机。伊尔-18也是涡桨发动机。结果周总理送别外宾时,外宾上了伊尔-18飞机,4台发动机起动好几分钟起不来,舷梯还没撤,周总理就只能继续在那里招手,外宾也跟着招手……这之后周总理就提出伊尔-18要搞快速起动。后来实行过两台发动机起动后就先滑行,滑动中有了冲压气流后再起动另两台。不过这也有风险,万一另两台起动不了还得滑行回原地,更尴尬。当时还试过火药起动。有的起动机厂想用火药起动机来冲击涡轮以快速起动,都做过试验,后来未采用。
另外在高原着陆滑跑距离也长。大飞机没有减速伞,采用涡扇发动机的是靠发动机反推系统制动,涡桨型飞机只靠改变桨叶角产生的负拉力制动,减到一定速度再用刹车。刚降落时不能刹车,否则轮子一下就刹爆了。
记:4台发动机是否同时改变桨叶角?是否手动控制?
张:不是,平原机场,一般“先内后外”。内侧的两台离中轴线近,减速过程中飞机更平稳。因此飞机在大速度下先用内侧发动机减速,等速度小下来后再解除外侧。
这个过程是人工控制。有个限动电门,一解除限动、桨叶角就变小,出现负迎角。桨叶凹面是叶盆,凸面是叶背。气流打在叶盆上是正拉力,打在叶背上是负拉力,产生负迎角才能出现负拉力。高原空气稀薄,桨叶的负拉力也小,着陆滑跑距离就长。如果飞行员目测不准,飞机进入跑道中部才降落,很容易冲出跑道。
所以,涡桨发动机在高原的四大问题是:起动困难、爬升率低、起飞及着陆滑跑距离长。但涡桨发动机不被淘汰的原因是:它在6000米高度以下,飞行速度低于800~900千米/小时的状态下耗油率要比涡扇发动机低20%~30%,适合用在运输机上。另外它起飞拉力大,很快就能产生拉力,而同样功率等级的涡喷涡扇发动机在起飞时达不到同样的推力。
记:为何非要将涡桨飞机用于高原?
张:没有更多选择。用大涡扇发动机的飞机太重,机场跑道强度不够,采用两台小功率涡桨发动机,再考虑单台失效问题,运载能力更小了。高原用4台涡桨发动机的飞机较合适。
记:所有的运-8如果改装新型发动机及其配套螺旋桨,是否有难度?
张:配6叶和4叶螺旋桨的发动机的调速器、减速器等都相同。两者配套的螺旋桨转速也相同。发动机转速不能提高,涡轮等就都得重新设计。新型发动机的改进思路是:压气机等不变,就是把涡桨-6涡轮前温度提高很多,燃气做功就增大了。而涡轮前温度之所以能提高就是因为涡轮用的材料提高了,用了定向凝固铸造合金。以前的发动机要提高温度就烧坏了。
运-8换装新动力系统在技术上没问题,问题是需要大量经费。另外,涡桨-6数量较多,还都能用,浪费可惜。
记:涡桨发动机最严重的故障是什么?
张:空中飞行中,涡桨发动机出现顺桨停车故障是最严重的,尤其在低空出现时危及安全最大。将桨叶转变到与飞行方向一致叫做顺桨。桨叶在顺桨状态迎风阻力最小。一副螺旋桨在停转顺桨状态下的迎风阻力,在飞行高度8千米时不大于100千克力,在接近地面时为200~250千克力。而桨叶在停转而没有顺桨的情况下,负拉力能达几千千克力。尤其是外侧两台发动机,由于力臂大,万一停转而没顺桨,飞行员蹬舵都很难控制飞机平衡,极易出事故,因此在发动机或螺旋桨出现故障后,必须保证把桨叶转到顺桨状态。为保证这点,涡桨飞机一般有4套顺桨系统,包括扭矩自动顺桨系统和负拉力自动顺桨系统,还装有手动顺桨系统,由飞行员按动顺桨按钮或打开应急液压顺桨开关进行人工顺桨。
螺旋桨出现顺桨停车的原因主要是零部件问题,燃油泵轴扭断造成供油中断。或者调速器不稳定,发动机转速忽大忽小,功率摆动量过大造成发动机喘振,自动顺桨停车。还有人为原因。飞行员在操纵时动作过猛,加油门过快,抬机头过猛,急剧改变飞行状态,都会造成发动机喘振而停车顺桨。在地面添加燃油时,没清除油中的水分,造成结冰堵塞油滤,供油中断,出现停车。在操纵中误碰顺桨按钮也会出现顺桨停车。
记:用于改变桨叶角的变距机构是否易坏?
张:桨叶变距机构一般不会出问题。运-8的桨叶变距机构使螺旋桨和涡桨-6发动机随动性很好,油门推得越大,桨叶角就自动变得越大。
记:听说涡桨发动机容易漏油。
张:桨叶根部那里容易渗滑油。因为桨毂里密封圈原来用的是丁腈橡胶,它在合成烃油中工作,在低温环境下密封圈尺寸性能发生变化,造成桨袖渗油。用氟硅橡胶替代丁腈橡胶就能排除故障。
记:最后谈一下涡桨发动机寿命为什么比涡喷涡扇长。
张:运输机飞行状态平稳,不做特技飞行,起降次数少,多用涡桨发动机的巡航状态,因此其零部件的应力变化频率小,不易出现疲劳损伤,所以涡桨发动机寿命长。像阿依20M涡桨发动机翻修寿命为4000多小时,而涡喷-13仅为200小时,AL-3IF仅为300小时。
张:不算。涡桨机型的动力系统分两部分:发动机和螺旋桨,这完全是两方面的厂家和总师。研制机型时,两方面的总师要在一起协调,提出设计指标,来决定发动机配什么样的螺旋桨。螺旋桨设计包括桨叶、桨毂、防冰系统和操纵系统。
单轴涡桨发动机的结构与涡扇发动机相比,只是没有外涵道,是单转子。从后往前结构依次是:喷管-涡轮-燃烧室-压气机-减速器-螺旋桨。涡桨发动机与涡喷涡扇发动机的主要区别在于:它的尾喷口喷气流功率只占发动机功率的6%~7%,90%以上的发动机功率传给螺旋桨,产生前进拉力。涡桨发动机多用环形进气道。
记:涡桨发动机的环形进气道看上去比涡喷涡扇的进气道小得多。
张:涡喷涡扇发动机需要更多进气。比如涡桨-6的进气量是204千克/秒,而涡喷-6的进气量是43.3千克/秒,AL-31F的进气量是112千克/秒。
记:涡桨发动机进气口下面多了一个滑油散热器进气口,而涡喷涡扇没有。
张:这是涡桨发动机特有的滑油散热方式,通过这个可打开的风门控制散热空气量。在地面,空气是靠发动机吸气引射和螺旋桨后滑流。在空中,靠冲压空气,通过里面几千根列管的滑油散热器,冷却其中流过的热滑油。
涡喷涡扇发动机靠的是燃滑油散热方式,就是说滑油的管子穿插在燃油的管子里。因为滑油是热的,需要降温,而燃油刚抽进来是冷的(尤其在东北地区),必须要加温才好点火。因此燃滑油管路互相纠结,既给滑油降了温,又给燃油加了热。涡桨飞机由于有空气散热器,就不用这种方式了。
记:涡桨发动机匹配的桨叶数是如何确定的?
张:桨叶数量不能太多,4叶桨叶做的功产生的拉力已经够了。如果用更多桨叶,首先要考虑的是涡轮有没有那么多剩余功率传过来桨叶太多有可能带不动,并影响进气。
记:桨叶有奇数的么?
张:一般都是偶数。奇数的不完全对称,影响转动平衡。
记:桨叶也有同轴两组的,如图-95,优劣是什么?
张:同轴螺旋桨是两副桨叶一前一后装在同一轴线上,但旋转方向相反。后一副桨叶将气流扭向相反的方向,这样可以减小气流扭转损失,消除螺旋桨旋转的反作用力矩,利于起飞滑跑。但这种结构和操纵系统更复杂。
对功率很大的发动机而言,不得不安装这样的螺旋桨,因为任何其它螺旋桨都显得太轻或空气压缩损失太大。
记:安-32的涡桨发动机桨叶比涡桨-6的长,桨叶做长做宽做厚有何利弊?
张:桨叶做功的力是气流打在叶盆上的气动力,因此桨叶长了、宽了气动力也大。桨叶有一定厚度是保证强度的。安32的涡桨发动机桨叶比涡桨-6长,因此功率达5800马力。桨叶过长过宽,重量增加过多,飞机重量也增加很多。桨叶多了、长了都导致阻力增大,而且会阻挡飞机雷达天线的电磁波,还影响飞机天线流场,噪音也大。
涡桨型飞机的噪音主要产生在发动机进气、排气和螺旋桨。桨叶长了桨尖线速度大,气动噪声就大。设计要求,飞行员驾驶舱噪音不能高于90分贝。新型发动机配套螺旋桨采用6叶复合材料桨叶,这些桨叶比运-8采用的4叶铝合金桨叶短,再加上复合材料本身噪音就小,因此机上飞行员反映驾驶舱内噪声比运-8小。
记:据说飞机后舱噪声仍较大。
张:首先要保证飞行员的环境降噪,否则带着耳机都听不清说话将影响飞行安全。飞机后舱也采用了各种隔音措施,但没有驾驶舱多,因此噪音还是比驾驶舱大。
记:复合材料桨叶加工难度怎样?工艺是否过关?
张:复合材料桨叶采用整体编织和RTM 体化注塑成型工艺,加工难度很大,桨叶成品率不高。后来引进了RTM整体成型设备好多了,泡沫芯填充的桨叶对生产环境温湿度要严格控制,要求非常高。
从桨叶看,英国DOWTY公司的R408桨叶要先进很多。从使用情况看,没有什么折断的情况。桨叶的疏松情况有,但强度还是很好。在外场砂石打在桨叶上的情况较多,但没什么损伤。
碳纤维材料最初只有日本的T-300和T-700,当初他们还限制,现在到处都能买到。国内已能生产,威海的质量稳定一些。
记:新型发动机功率比涡桨-6增大,其意义体现在哪?
张:因为新飞机的最大起飞重量比运-8大了好几吨,不仅因为天线,还因为多了很多电子设备。发动机功率大了剩余功率也大,因此对起动、起飞很有好处。我国的一个特殊情况是高原。在贡嘎机场,如果发动机功率小就拉不了多少东西。发动机功率和每秒的空气流量成正比,如果空气稀薄,发动机功率就小,而且桨叶拉力也小。还有一点,高原起动困难,我们的各型飞机发动机在高原几乎都遇到过起动困难问题。
在高原,发动机燃油调节器一定要调节准确。从平原到高原后,燃油调节器供油量要减少。如果还喷那么多油,由于空气稀薄,油气比就大,发动机温度就高,燃烧室涡轮就会烧坏。
记:燃油调节是否为飞行员手动控制?
张:老运-8都是手动控制起动供油量。有个手动切油按钮,是调节起动供油量。起动时飞行员看着涡轮后的温度,如果高了就放油。但是新型发动机已经能自动切油控温了,放的油可以自动回到低压腔。
所以到了高原,大气密度小,空气流量少,因此凡是依赖空气工作的发动机推力、功率都下降。这样载重就少了,平原起飞重量60多吨,到了高原变为50多吨。
到了高原还有别的问题,多次进藏可知,有的机场就在群山里面,起飞时还得根据风向决定向西还是向东。如果载重大了,就算能起来,飞机爬升率也会降低,就可能撞山。因此像4发动机运-8的载重要按3台发动机的载重算。要考虑到单发失效。
记:在平原起飞是否要这么考虑?
张:一般不用。在平原,有两发就能飞回来。而在高原,比如从成都去贡嘎机场,如果载重多了,1台发动机失效,就容易撞山。还有进藏时要考虑往返油量。虽然现在高原机场能加油了,但赶上天气不好,它旁边没有备份机场,飞机就只能返回。飞机进藏的运输需求随着周边局势的变化而变化,飞机必须能在3500米以上机场起动。像波音737的发动机就能在4200米海拔高度起动。
记:起动增速慢与航空油料质量是否有关?
张:无关。美国发动机起动好主要是它的起动电机剩余功率大。发动机起动有三个阶段,见左下图。前20秒是起 动机带动,第20秒后发动机开始喷油,此后直到42%~46%转速之前都是起动机和发动机共同带动,到42%~46%后起动机停止工作,发动机自己增速。因此在42%~46%之前这段,如果起动机功率小,带动时间又长,就严重影响起动成功。到了80%转速后才到达慢车转速,也就是最小稳定转速。再往上才到额定转速即100%转速。不到80%的转速就不算起动成功。
高原起动困难的一个原因就是点火点不着。涡桨发动机有4个点火器,先喷起动燃油,然后电嘴电火花点燃燃油,形成起动火炬,火炬再喷到燃烧室里点燃主燃油。也有直接点燃主燃油的。电嘴放电时要击穿空气,但到了高原后,空气稀薄,击穿需要更高的能量。咱们的发动机点火器都是俄罗斯型号,设计时就没考虑那么多。因为高原机场就咱们和印度有,当雄机场海拔4200米,日喀则机场3780米,别的国家没这种情况。
所以在进藏前都选择火花大的点火器,夜间一起动点火,凭经验就能看出来火花强弱如何。还有,起动机的功率要大,地面的电源车有60伏和70伏的,电源车功率大,起动机能量就大,增速就快。一开始进藏时都没带大功率电源车去,就靠飞机上的辅助动力装置APU发电。APU性能不好也不行。
记:运-8的4台发动机是否为一台一台起动?
张:是。按发动机号顺序一台一台起动。以前起动放油都是飞行员手动切油的,不可能同时切两台发动机。两台发动机共用1个温度表、1个转速表,表内两个指针,飞行员不能同时看两个指针同时按按钮起动两台发动机。按一下切油按钮,供油量就能减少。究竟减多少,不仅和海拔高度,也和当地的气温场压有关。贡嘎、当雄、日喀则放油量都不一样,这就靠经验。这么多年,新手切油不当把发动机烧坏的情况也有发生。
后来新型发动机就改为起动时自动切油,发动机后面的热电偶传来温度信号,一比较如果高了就自动控制燃调活门放油量。
记:为什么不把自动切油装置改装全部运-8?
张:应当全部推广。到现在也没推广。它就一个盒子,装在飞机舱里。而且它还有一个超温保护器,如果测得涡轮后排气温度超标就自动停车。涡轮前温度要比涡轮后温度高得多,所以不测涡轮前温度。这两者有个比例,如果涡轮后排气温度超标则涡轮前温度必然超标。
记:在平原起飞是否需要切油?
张:夏天也要切油,因为气压低,供油量多也容易富油。春秋天切得少。到高原机场每次手动切油时,4台发动机要较长时间,而且每次都有发动机起动失败的,有时一台发动机要起动两三次。起动失败后,发动机已经喷了一些油,涡轮前和喷管处都有,此时如果直接起动容易爆燃,因此要发动机冷转1000多转,把余油吹掉,在平原每次起动,要60-70秒起动一台,到高原要长得多。切油时,手指始终要高频用力按动按钮,因此在高原起动过程中容易疲劳,机组人员还得轮换起动。有一次,飞行员起动第二发,但看的是第三发的温度表,结果第二发温度一下子超标,发动机烧了。另外切油时间过晚,切得过少而把发动机烧坏的情况也有。
记:美国的涡桨发动机是否也是这样?
张:现在不是这样了,因为涡桨-6是苏联50年代的发动机。1959年伊尔-18引进中国,作为首长、外宾专机。伊尔-18也是涡桨发动机。结果周总理送别外宾时,外宾上了伊尔-18飞机,4台发动机起动好几分钟起不来,舷梯还没撤,周总理就只能继续在那里招手,外宾也跟着招手……这之后周总理就提出伊尔-18要搞快速起动。后来实行过两台发动机起动后就先滑行,滑动中有了冲压气流后再起动另两台。不过这也有风险,万一另两台起动不了还得滑行回原地,更尴尬。当时还试过火药起动。有的起动机厂想用火药起动机来冲击涡轮以快速起动,都做过试验,后来未采用。
另外在高原着陆滑跑距离也长。大飞机没有减速伞,采用涡扇发动机的是靠发动机反推系统制动,涡桨型飞机只靠改变桨叶角产生的负拉力制动,减到一定速度再用刹车。刚降落时不能刹车,否则轮子一下就刹爆了。
记:4台发动机是否同时改变桨叶角?是否手动控制?
张:不是,平原机场,一般“先内后外”。内侧的两台离中轴线近,减速过程中飞机更平稳。因此飞机在大速度下先用内侧发动机减速,等速度小下来后再解除外侧。
这个过程是人工控制。有个限动电门,一解除限动、桨叶角就变小,出现负迎角。桨叶凹面是叶盆,凸面是叶背。气流打在叶盆上是正拉力,打在叶背上是负拉力,产生负迎角才能出现负拉力。高原空气稀薄,桨叶的负拉力也小,着陆滑跑距离就长。如果飞行员目测不准,飞机进入跑道中部才降落,很容易冲出跑道。
所以,涡桨发动机在高原的四大问题是:起动困难、爬升率低、起飞及着陆滑跑距离长。但涡桨发动机不被淘汰的原因是:它在6000米高度以下,飞行速度低于800~900千米/小时的状态下耗油率要比涡扇发动机低20%~30%,适合用在运输机上。另外它起飞拉力大,很快就能产生拉力,而同样功率等级的涡喷涡扇发动机在起飞时达不到同样的推力。
记:为何非要将涡桨飞机用于高原?
张:没有更多选择。用大涡扇发动机的飞机太重,机场跑道强度不够,采用两台小功率涡桨发动机,再考虑单台失效问题,运载能力更小了。高原用4台涡桨发动机的飞机较合适。
记:所有的运-8如果改装新型发动机及其配套螺旋桨,是否有难度?
张:配6叶和4叶螺旋桨的发动机的调速器、减速器等都相同。两者配套的螺旋桨转速也相同。发动机转速不能提高,涡轮等就都得重新设计。新型发动机的改进思路是:压气机等不变,就是把涡桨-6涡轮前温度提高很多,燃气做功就增大了。而涡轮前温度之所以能提高就是因为涡轮用的材料提高了,用了定向凝固铸造合金。以前的发动机要提高温度就烧坏了。
运-8换装新动力系统在技术上没问题,问题是需要大量经费。另外,涡桨-6数量较多,还都能用,浪费可惜。
记:涡桨发动机最严重的故障是什么?
张:空中飞行中,涡桨发动机出现顺桨停车故障是最严重的,尤其在低空出现时危及安全最大。将桨叶转变到与飞行方向一致叫做顺桨。桨叶在顺桨状态迎风阻力最小。一副螺旋桨在停转顺桨状态下的迎风阻力,在飞行高度8千米时不大于100千克力,在接近地面时为200~250千克力。而桨叶在停转而没有顺桨的情况下,负拉力能达几千千克力。尤其是外侧两台发动机,由于力臂大,万一停转而没顺桨,飞行员蹬舵都很难控制飞机平衡,极易出事故,因此在发动机或螺旋桨出现故障后,必须保证把桨叶转到顺桨状态。为保证这点,涡桨飞机一般有4套顺桨系统,包括扭矩自动顺桨系统和负拉力自动顺桨系统,还装有手动顺桨系统,由飞行员按动顺桨按钮或打开应急液压顺桨开关进行人工顺桨。
螺旋桨出现顺桨停车的原因主要是零部件问题,燃油泵轴扭断造成供油中断。或者调速器不稳定,发动机转速忽大忽小,功率摆动量过大造成发动机喘振,自动顺桨停车。还有人为原因。飞行员在操纵时动作过猛,加油门过快,抬机头过猛,急剧改变飞行状态,都会造成发动机喘振而停车顺桨。在地面添加燃油时,没清除油中的水分,造成结冰堵塞油滤,供油中断,出现停车。在操纵中误碰顺桨按钮也会出现顺桨停车。
记:用于改变桨叶角的变距机构是否易坏?
张:桨叶变距机构一般不会出问题。运-8的桨叶变距机构使螺旋桨和涡桨-6发动机随动性很好,油门推得越大,桨叶角就自动变得越大。
记:听说涡桨发动机容易漏油。
张:桨叶根部那里容易渗滑油。因为桨毂里密封圈原来用的是丁腈橡胶,它在合成烃油中工作,在低温环境下密封圈尺寸性能发生变化,造成桨袖渗油。用氟硅橡胶替代丁腈橡胶就能排除故障。
记:最后谈一下涡桨发动机寿命为什么比涡喷涡扇长。
张:运输机飞行状态平稳,不做特技飞行,起降次数少,多用涡桨发动机的巡航状态,因此其零部件的应力变化频率小,不易出现疲劳损伤,所以涡桨发动机寿命长。像阿依20M涡桨发动机翻修寿命为4000多小时,而涡喷-13仅为200小时,AL-3IF仅为300小时。