新闻动态

普惠:军用航发第一强

  普拉特•惠特尼集团公司(Pratt & Whitney Group ),简称普•惠公司(P&W),始建于1925年,是美国最大的两家航空发动机制造公司之一。

  普惠是美国联合技术公司的子公司。1929年,波音、普惠、汉密尔顿、西科斯基和其他公司联合成立了联合飞行器与运输公司。1934年,被美国反托拉斯法拆分为波音、联合技术和美联航三家。

  普惠归属于拆分后的联合技术公司,联合技术公司还有个著名的做电梯的子公司——奥的斯。

  普惠在创建初期就设计了一种400马力的九缸气冷星形活塞发动机。后来推出改进的性能优良的R-1340“黄蜂”发动机,共生产了34966台。

  到二战末期,普惠公司已成为美国最大的活塞式发动机制造商。1947年,普惠与英国罗罗签定了仿制尼恩发动机的协议。1948年,其仿制的第一台喷气发动机首次试车成功,定名为J42。

  J42作为普惠的第一款喷气发动机并没有装机。在其基础上普惠继续与罗罗合作,推出了J48离心式涡喷发动机。

  J48装备美海军的F9F黑豹战斗机,是美国海军航母第一代舰载喷气战斗机。J48还装备了美空军的F-94C。F-94C与F9F都参加了朝鲜战争,与装备同样源自罗罗尼恩技术的米格-15血战。

  作为一个追求的企业,普惠当然不甘于一直抄罗罗的作业。经过大量基础研究后,普惠在业界率先提出,通过大幅度提升压缩比来提高推力和降低油耗方案。以此为基础,普惠开发出了超前的双转子技术,双转子设计能明显提高压气机效能,改善发动机加速响应速度,实现高推与低耗。

  第一款采用双转子技术的发动机是普惠的J57。1950年,J57进行了首次台架试验。试验中J57推力达到了10000磅,是历史上第一种推力达到10000磅的喷气发动机。后续型号推力进一步提升到了18000磅,其单位推力油耗也比二战时期最好的德国喷气发动机Jumo 004降低了近一半。

  伴随J57的成功,美军拥有了第一种远程战略喷气轰炸机B-52;1953年5月,使用J57的北美YF-100战斗机成为有史以来第一种能持续超音速平飞的战斗机。J57让普惠的订单纷至沓来:空军的麦道F-101巫毒、康维尔F-102三角剑、波音KC-135,以及海军的沃特F8U、道格拉斯F4D、F5D和A3D等都相继选用J57作为动力。

  普惠乘胜前进,在J57基础上开发出改进型J75,成为共和F-105“雷公”和康维尔F-106“三角标枪”等军机的动力。

  J57的商用型JT3在民用航空领域也获得了重大成功,成为波音B707的动力,直接促成了远程军用/商用运输的大发展。J57的双转子技术和通用电气J79上推出的可调定子技术,让美国航发超过了英国成为行业领导者。

  涡喷时代普惠最惊世骇俗的作品非J58莫属,就是大名鼎鼎的SR-71黑鸟侦察机上用的,能飞到3.35马赫的家伙。J-58相当于在一台涡轮喷气发动机的外面机上一套冲压发动机。

  在2.2马赫以下,J-58的主要构造与一般涡轮喷气发动机无异,使用前部涡轮对空气进行增压以供燃烧,产生推力,也有加力的选项;在2.2马赫以上,J-58引擎两侧的六个导气管道会打开,将绝大部分进气从涡轮叶片第四级直接导入加力燃烧室,此时的J-58引擎更像是冲压发动机。

  上世纪50年代初英国人提出了低涵道比涡扇发动机概念,并应用于“康威”发动机。普惠迅速把低涵道比涡扇概念应用到JT3上,推出了JT3D。

  美空军很快对普惠JT3D产生了兴趣,将该发动机的军用型TF33作为KC-135等飞机的动力。除了波音B707,JT3D还先后成为道格拉斯DC-8和波音B720的动力。到1980年代停产,J57/JT3系列发动机总产量超过了21000台。

  进入涡扇时代后,普惠第一款全线研发的涡扇发动机是JTF10A,计划用于民航市场。JTF10于1959年12月首次运转,但未实际装机应用。

  1960年代初,为了配合美空军的F-111战斗轰炸机,普惠在JTF10A的基础上推出了军用版TF30。该型发动机于1962年夏,在B-45飞行试验台上开始飞行试验,1964年12月装于F-111A首次飞行。

  TF30作为美军第一代战术飞机用涡扇,不仅装备F-111,也装备了稍晚点研制的美国海军的F-14。但其糟糕的可靠性和寿命,让美军着急。初期的TF30翻修寿命只有150h。到1972年,TF30-P-3和P-6达到了1000h,后来各型TF30的翻修寿命达到1500h。

  TF30让普惠摸到了涡扇的大门,而其后美国空军的F-15发动机竞标中,普惠基于JTF16验证机搞出了JTF22,就是后来大名鼎鼎的F-15/16的动力F100系列涡轮风扇发动机。

  面对苏联米格-25及其他新式飞机的威胁,美国空军要求F-15尽快服役,拿出另外多个激励合同,要求普惠多快好省的拿出发动机。

  实际上普惠还是很给力的,F100-PW-100于1970年3月开始全面工程研制,1972年2月进行60h飞行前规定试验、1973年10月通过150h定型试验。1974年11月交付美空军使用。后来在1975年本着统一后勤保障、方便维护,减少相关成本的原则,F-16也选用了F100发动机。

  F100-PW-100发动机是世界上最早投入到正常的使用中的推重比达8一级军用发动机。在发动机参数选择中采用“两高一低”策略,即增压比高、涡轮前温度高和涵道比低。在材料上采用了高强度重量比、耐高温的合金。

  当然速度快了,步子比较大就非常容易扯着蛋。F100-PW-100发动机在使用中出现了许多可靠性、耐久性和维修性方面的问题。F-15的发动机的问题是让其早期背负着“机库女皇”名声的重要原因,另一个锅是APG-63雷达。

  普惠一方面处理问题,另一方面也开始指责美空军飞行员的粗暴操作,以及地勤维护保养的不到位。忍无可忍的美国海空军,取消了海军的F401计划,一起找到通用电气搞F110,这就是著名的“发动机大战”!当然这场战争的结果是平分秋色,当F110成熟的时候,普惠也搞定了F110的可靠性问题,美海空军成了大赢家。

  到1980年代中,美军搞YF-22/23时候,三代机时候因为保守起步就落后的通用电气,搞出了变循环发动机的YF120。但是扯着蛋刚好的普惠,决定走常规保守路线。

  经过多轮的PK,在装机试飞中无论是YF-22还是YF-23,使用YF120表现出了更好的性能。但此时由于苏联已接近解体,美空军压力减小,于是美空军还是认为,在最求高性能的同时必须同时考虑技术风险和成本因素,因此F-22和F119中标。

  从现在的情况看,F-119到现在还没有国家能拿出可靠的类似产品;现在诟病F-22也只是说腿短和航电已经落后。客观的看当年美空军的选择是理性的,YF-23和YF120确实都有点步子太大,扯蛋的风险肯定更大。

  F119的保守也是相对激进的YF120而言的,实际上在F119上采用的新技术主要有:三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构、高紊流度强旋流主燃烧室头部、浮壁燃烧室结构、高低压涡轮转向相反、整体式加力燃烧室设计、二元矢量喷管和第三代双余度FADEC。

  由于在F-22项目上的出局,以YF120为基础的F136,在和F135竞争JSF的过程中一开始就处于不利的地位。2006年10月,F135被首次安装在飞机上进行飞行测试,并且测试成功。2010年,美国国防部中止了对F136的拨款。

  JSF项目其实就是美国海军陆战队牵头,海军和空军被强拉进来充大蛋糕,因此垂直起降项目得分很大。洛马获胜因素之一是团队中有垂直起降经验比较丰富的英国宇航,而F135的团队中一样有来自英国搞过飞马发动机的罗罗。

  在军用小涵比涡扇市场普惠压着GE打,但在高涵道比民航市场情况是反过来的,GE和它合资的CFM对普惠也是一轮轮的碾压。

  1960年代中,普惠针对民航中短程市场的B720、DC-9拿出JT8D涡扇配套。后来波音和麦道开发的替代B737和MD80也采用了JT8D。但好景不长,CFM56出来以后就形成了对JT8D的碾压。

  看到GE和法国人搞的CFM,自己单打独斗搞不过,普惠也找了欧洲老三德国的MTU,瑞典的沃尔沃,日本的三菱搞合资,推出JT8D的改进型PW6000,但是还是搞不过CFM56。

  中短程上搞不过CFM56,而宽体机上的JT9D是竞标美国空军C-5运输机的时候就输给了GE的TF39;在民航市场也先是给TF39的民用版CF6压榨,后来又遇到罗罗三转子的RB211。而取代JT9D的新一代的PW4000在1980年代中问世后,在这个系列上普惠才勉力与GE、罗罗抗衡,但基本不占优势。

  竞争与合作并行,这是成熟巨头市场的表现。在空客的A380项目上普惠就与GE合作搞了GP7000系列,当然核心机部分是GE搞的。

  当然在民航市场普惠也不是一味的退败,新搞的PW1000G系列齿轮传动涡轮风扇发动机,有可能替代GE的CF34系列,成为民航小推力涡扇的领导者。不仅新的巴西E-Jet、庞巴迪的C系列、日本三菱的MRJ都选用了PW1000G系列,还往上在A320neo上和CFM的LEAP竞争,俄罗斯的MC-21也有选配。

  普惠在这一个项目上花了近20年时间,资金超过100亿美元。通过减速齿轮箱连接进气风扇和低压压气机,使低压转子转速更高,来匹配高压涡轮的最佳转速;齿轮涡扇的好处是,能更加进一步提高涵道比,同时进气风扇气动损失和噪声都较小,燃油效率更高。

  虽然齿轮箱在公务机的涡桨发动机上早已应用,但在涡扇上应用始终没推广。发动机越大,意味着减速齿轮箱上受力越大,越容易发生故障。普惠的PW1000G系列在和CF34系列PK的时候是占尽优势,但往上走遇到LEAP 的时候就出现了相持。

  普惠的加拿大分部也是历史悠远长久,在活塞时代就负责修普惠的黄蜂系列发动机,后来在普惠系统中就负责主攻涡桨发动机和涡轴发动机。

  其PT6系列是加惠普最经典的产品。自从其问世以来,主要有三代产品投入到正常的使用中,最有影响的当属加普惠的PT6A,这种发动机功率范围在500~2000轴马力之间,有60多种不相同的型号,投入到正常的使用中以来已生产了36000多台。