渦輪螺旋槳技術框架下的巔峰之作: 極限功率7萬馬力的HK12發動機

新聞中經常出現北約國家戰鬥機攔截俄羅斯圖95“熊”式戰略轟炸機的場景,圖95雖然是一種服役於50年代的老舊機型,但它的HK12渦輪螺旋槳發動機卻是一大亮點,它迄今仍然是功率最大的渦槳發動機,可以說一直被追趕,卻從未被超越。

渦輪螺旋槳技術框架下的巔峰之作: 極限功率7萬馬力的HK12發動機

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F22與圖95同框

要更好的理解HK12,還得全面科普一下渦槳發動機。渦槳發動機與渦噴、渦扇發動機有著基本相同的工作原理,渦噴發動機是把燃燒後的高溫燃氣直接高速噴出,熱效率較低,動能都被噴出去損失掉了。而為了提高熱效率,渦扇發動機的燃氣不再直接被噴出,而是透過低壓渦輪帶動風扇旋轉,風扇轉動產生的氣體再經外涵道噴出,產生額外推力。

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渦扇發動機的燃氣在噴出前還會驅動風扇

以此類推,為了提高熱效率,就得不斷加大風扇直徑,最終,風扇被加大到發動機都放不下了,只好挪到外邊——這就成了渦槳發動機。另外,由於螺旋槳的轉速比渦輪低得多,一般只有1000轉/分左右,需要安裝一套減速齒輪。因此,渦槳發動機實際上相當於加了減速齒輪的超大涵道比渦輪風扇發動機。

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渦槳發動機原理動圖

再回到HK12,它最大的外部特徵是有兩副同軸對轉的四葉螺旋槳,槳葉直徑達到了5。6米(NK-12MA和NK-12MV為6。2米,),因為槳尖的線速度與直徑成正比,這就出現了在飛機還遠未達到音速以前,渦槳發動機螺旋槳槳尖的線速度已經達到音速,產生激波擾動阻力的情況。因此,在槳葉直徑和轉速都無法繼續增加的情況下,HK12發動機就只能用兩副螺旋槳,透過增加葉片數量的辦法來提高效率。採用這種設計後,HK12獲得了高達14975馬力的功率,接近渦槳6C的3倍。而極限油門功率可以達到1。8萬馬力,4臺HK12的總功率就是7。2萬馬力!

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HK12發動機的雙螺旋槳

NK-12發動機擁有5級渦輪和14級軸流壓氣機,為了驅動直徑巨大的螺旋槳,其渦輪和壓氣機的級數都要比渦扇發動機多不少。一般渦輪螺旋槳發動機以螺旋槳產生的拉力(推力)為主,噴氣所產生的的推力很小,只佔九分之一左右。但HK12發動機卻是一個另類,它的渦輪只向螺旋槳輸出總功率的1/3,另外2/3的功率則以向後噴氣的方式產生推力。實際上圖-95在750公里/小時以上速度巡航時,螺旋槳已經處於“順槳”狀態,否則槳尖會提前產生激波阻力。因此,圖-95K的最大飛行速度超過了900公里,採用噴氣式發動機的B52轟炸機最大飛行速度才不到1000公里。得益於巨大的螺旋槳,HK12發動機的耗油率僅0。24千克/馬力·小時,圖95RTS海軍巡邏機的最大航程超過19000公里,這種最大起飛重量只有180多噸的飛機比275噸的圖160航程都遠。

HK12發動機不但功率強勁,在飛機降落時其螺旋槳還可呈反槳狀態,縮短制動距離。因此,裝備該發動機的飛機都有良好的野戰起降效能,甚至能夠做到降落滑跑距離比起飛距離還短。如最大起飛重量達250噸的安22運輸機,其起飛滑跑距離1300米,著陸滑跑距離僅800米。與之相比,採用很多輔助措施的美國C17運輸機要從2320米長的跑道上起飛,在915米長的跑道上才能著陸。

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採用HK12發動機的安22運輸機

俄羅斯人對新技術不太敏感,習慣於在舊的技術框架下把產品做到極致。渦槳發動機的中低速效能好,在追求“不快”的時候,如作為巡邏機動力時,速度降不下來反而是缺點。因此渦槳發動機並不落後,在它擅長的領域反而不可取代。

但HK12發動機的缺點也是很明顯的,其複雜結構增加了多餘重量,使得功重比不高,也給維護帶來諸多不便。再有就是它的噪音問題,由於高轉旋轉時其巨大螺旋槳的槳尖接近音速,HK12的噪音可以說是有史以來最大的,據說連水下潛艇聲吶都能探測到它的存在。不過這些對於追求力量、速度和航程俄羅斯人來說,都是小節了。

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