普惠動力:我不是惠普,也不造打印機

机坪夜话
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14 觀看·2023年10月5日
1924年,時任萊特航空總裁的倫奇勒認為未來的航空發動機將是風冷的天下,與當時以液冷為主的製造方向不符,在說服董事會無望後果斷選擇辭職創業。與倫奇勒一同尋求變革的還有在一戰中獲利頗豐,但此刻卻面臨產能過剩的普拉特 惠特尼車床公司,雙方一拍即合,倫奇勒帶來了整個工程團隊,而車床公司提供了25萬美元的初始資金和免費的生產廠房,作為回報,這家新成立的發動機公司便以 普惠為名。
1924年,時任萊特航空總裁的倫奇勒認爲
未來的航空發動機將是風冷的天下
與當時以夜冷爲主的製造方向不符
在說服董事會無望後,果斷選擇辭職創業
與倫奇勒一同尋求變革的還有在一戰中獲利破風
但此刻卻面臨產能過剩的普拉特·惠特尼車牀公司
雙方一拍即合
倫奇勒帶來了整個工程團隊
而車牀公司提供了25萬美元的初始資金和免費的生產廠房
作爲回報,這家新成立的發動機公司便以普惠爲名
所以不同於羅爾斯·羅伊斯的名字來源於創始人何清禾裏
通用電器的名字來源於愛迪生天下大同的夢想《利益不凡》
普惠的全稱普拉特·惠特尼其實是其贊助商的名字
不過,以當時這家車牀公司的名氣而言
這個名字也算是贊助的一部分
普惠在普惠上的投資很快看到了回報
1925年底,首批採用風冷技術的新型火災發動機
已經問世,便被美國海軍採購
二戰開始前,風冷發動機已經完全成爲戰鬥機的標配
普惠發動機也因此迎來了鉅額增長
但正如倫奇勒在火災發動機上判定風冷註定會取代夜冷一樣
當英國人把羅羅製造的李新式發動機連成圖紙打包送到美國後
敏銳的洞察力讓他果斷轉向
停止了所有火災發動機的研發工作
並仿照羅羅的您和太一完成了普惠J42和J48的研製
開始了在噴氣領域的一路狂飆
實際上,除了算是噴氣發動機鼻祖的羅羅
普惠是二戰時期唯一一家轉型成功的大型航空發動機製造商
同時期的寶馬、奔馳、萊特、大陸、萊康明等廠商要麼徹底離開這些領域
要麼只存在於採用火災發動機的輕型飛機上
當然,作爲日後的勝利者之一
普惠的實力遠不止仿製
1960年前後
倫奇勒和他的團隊掏出了一款設計思路在今天看來依舊精妙的產品
普惠J58
世界上首款量產的臥噴衝壓變循環發動機
是臭名昭著的黑鳥偵察機實現三倍超音速的核心動力
天下武功,無堅不摧,唯快不破
這不僅體現在小李手中的飛刀
火魚攜席的子彈和歌者文明丟下的二項搏種
當飛行高度遠超所有導彈射程範圍的U-2偵察機在別國上空如入無人之境時
美國人琢磨着
兩萬米的高度對導彈來說並不是很難突破
但如果飛機還能再快的幾倍
應該也能把蘇聯七個扳死
1960年
速度優先的羅克希德A12項目在多輪博弈後
戰勝了隱身優先的康威大天使計劃
隨後U-2被擊落的消息
讓這款預計巡航高度兩萬六千米
巡航速度3.1馬赫的戰機的研發被列入最高優先級
代號爲牛車
作爲一款定位於導彈都追不上的飛機
速度是最基礎的需求
但也是最難解決的問題
由於氣流在超音速狀態下
會表現出與壓音速氣流相反的物理性質
而當時的發動機並沒有跨音速工作的能力
因此想要實現超音速巡航
首先需要一塊能將氣流速度降低至壓音速的進氣道
好在空氣在超音速後展現出了一些迷人的流動特性
讓這個問題解決起來並不是那麼困難
超音速流動的氣體
在碰到阻擋其流動的物體時會產生波紋
就像水紋那樣
不同的是
液體中波紋前後流體的物理性質並無顯著變化
而氣流產生的波紋具有減速效果
超音速氣流在穿過波紋後
速度會顯著降低
一部分動能轉化爲內能
氣流內部的溫度和壓力也隨之升高
這種波紋在空氣動力學中被稱爲激波
由於這一減速增壓效果的存在
我們得以利用氣流與進氣道入口碰撞產生的激波
將超音速氣流轉換成壓音速
保證了發動機的正常工作
但這種轉換並非沒有代價
在物理形態上
激波的厚度僅0.1微米
在如此微觀的尺度上出現劇烈的溫度變化
必然會導致能量的耗散
並且激波的減速效果越強
氣流的能量損失就越大
實驗數據表明
僅依靠進氣道脣口產生的激波
在1.5馬赫時還能保持90%以上的轉換效率
到了2馬赫
這一數值便迅速降低到70%
氣流在減速時的能量損失
不僅會導致發動機推力的下降
也會使飛機的整體阻力激增
這對射擊時速在3馬赫以上的黑鳥來說
顯然是不能接受的
正如不通形狀的物體
在不通流速的水中產生的波紋不盡相同
我們常能觀察到
越爲尖銳的物體
與水流產生的波紋就越接近直線
並且
流速越快
波紋與流動方向的夾角越小
激波也有着類似的性質
更爲重要的是
傾斜的波紋並不會直接把氣流降低至亞音速
只會小幅度地降低流速
普惠因此在發動機進氣道前方
引入了一枚尖錐
率先以氣流作用拉出一條斜激波
並將進氣道設計爲收縮擴張的結構
允許氣流以超音速的狀態進入進氣道
這樣進氣道脣口與超音速氣流產生的斜激波
會在通道內不停地反射
以小步快跑的方式
完成從超音速到亞音速的轉換
同時考慮到不同聲速下
脣口與氣流作用產生的激波角度不同
傾斜錐可以前後移動
確保在任何狀態下
氣流都會在喉部位置完成速度的轉變
這樣的多重激波系
可以在3馬赫以上的速度中
依然將氣流的能量轉換效率
保持在90%以上
但這仍不是黑鳥偵察機
進氣道的最終形態
超音速飛機還面臨着
進氣道在低速時進氣量不足
在高速時
過量空氣又會堵塞進氣道的情況
爲此
普惠又在進氣錐的最粗處
增加了通氣格柵
允許發動機外部的氣體
在飛行速度較低時
可以通過格柵補充到進氣道
保證發動機的流量充足
在高速時
這個格柵又可以將部分氣流
排到飛機外部
緩解因爲大量氣體湧入
導致的負面層擁堵
在完成這一複雜又精妙的
進氣道設計後
黑鳥偵察機依然達不到設計時速
此時普惠提供的G75發動機
最多隻能使飛機達到
2馬赫的巡航速度
與計劃相差甚遠
這主要是由於
進氣道的壓縮能力過於優秀
以至於讓發動機看起來有些多餘
在多重激波的作用下
緊急進氣道產生的增壓比
就已經高達39倍
作爲比較
當時安裝的G75發動機
這一數值爲12.5
60年後的主流民用發動機
這一數值爲45
也就是說
高速狀態下
其實飛機完全不需要
那些複雜設計的壓氣機和渦輪葉片
一根前錐配上精心設計的管子
即可完成壓縮
燃燒
噴氣的整個流程
採用類似原理設計的發動機
被稱爲衝壓發動機
常見於超音速導彈上
一般通過助推器加速到超音速後
衝壓發動機啓動
再者導彈走完剩下的旅途
可惜飛機不是導彈
不能每次起飛降落都靠火箭助力
依然需要發動機
完成從低速到高速狀態的過渡
在來流氣體的密度已經很高的情況下
發動機能提供的壓縮增量十分有限
這會導致氣流在發動機中聚集
引起喘震
最終成爲持續加速的阻礙
普惠通過在發動機的壓氣機中部
引入了六根管路
扭轉了這一不利局面
當進入超音速工作時
氣管會打開
將大部分氣流
直接輸送至加烈燃燒室
這一方面讓餘下的氣體得以繼續壓縮
發動機的增壓比
達到了史無前例的112倍
另一方面
加烈燃燒室獲得了大量的新鮮空氣
燃油燃燒更加充分
達成了飛機飛行速度越快
燃油效率越高的反直覺成就
在高速狀態下
J58發動機可以理解爲
在一臺傳統的渦輪噴氣式發動機上
疊加了一臺衝壓發動機
兩者的熱力循環參數
可隨着飛機的工作狀態而動態改變
視爲變循環
雖然J58的工程學難度
要遠低於如今的
自適應變循環發動機
但是要知道
這是一臺來自1960年的產品
距離人類首次噴氣飛行
纔不過十幾年
對於超音速流體的理解
和對材料的加工能力
跟現代科技不可同日而語
但時至今日
黑鳥依然保持着
最快吸氣式有人駕駛飛機的速度記錄
至此以後
普惠確立了自己
在軍用市場的絕對領先地位
先後推出了F15和F16上的F100發動機
F22上的F119發動機
和F35上的F135發動機
不過
相比這些軍機在戰場上
一次又一次的成功
普惠在商業戰爭中的成績
並不盡如人意
其實早在1929年
普惠就聯合波音
成立了聯合飛機運輸公司
並收購了一堆航空公司
親自下場參與市場競爭
這是真正意義上的自產自銷
沒有中間商賺差價
成本優勢極大
但取得了絕對市場領先的聯合運輸集團
並未真正的降低用戶的出行成本
而是利用壟斷地位
擠壓小公司的生存空間
大幅提高了運輸價格
最終在反壟斷法的制裁下被肢解
機身相關的業務重組爲新波音
發動機和高端製造重組爲新普惠
繼承民航業務的
則是大家熟知的美聯航
但這種物理隔絕
就像去操場抓情侶來禁止早戀
能斬斷米麪上的親密接觸
但避免不了私下的你農我農
於是我們看到了波音早期的科技產品
從707到747
幾乎都將普惠作爲主要或者唯一的選擇
普惠也因此成爲商業航空領域的絕對領導者
以現在的視角看
民用航空的大發展
最終導致了民用發動機自成一派
與軍用發動機在發展道路上分道揚鑣
但時間回到60年代
戰鬥裝備依然是推動航空發動機發展的最大動力
各類型號的民用發動機
幾乎都是在軍用版本的基礎上進行小幅修改
通過不同的低壓級設計
去滿足客戶在尺寸和推力上的要求
變化出現在1971年
爲了對抗普惠在民用市場的領先
GE貢獻出了當時最爲先進的F101發動機的核心機
以技術入股的方式與斯奈克馬
也就是如今的塞豐集團
合作成立了CFM國際航空發動機公司
其中GE負責核心機
也就是高壓氣機
燃燒室和高壓渦輪的製造
塞豐負責風扇
低壓部分和附件的製造
發動機被命名爲CFM56
推力從2萬磅起跳
最高可調至3萬磅
大風扇設計
含道比約爲6
在當時主流的民用發動機的推力水平
大多處於小於2萬磅
或大於4萬磅的環境中
唯一相似的產品是普惠10年前推出的GT8D
但競爭力明顯不足
嚴格來說
CFM56是市場上獨一無二的存在
這是機會
也是賭博
而這種先把發動機造出來
看誰想用的方式
與以往的先獲得設計指標和訂單
再去研發生產的模式大不相同
面臨着極大的未知和不確定性
事實也正是如此
雖然CFM集團在成立的第二年
就完成了原型機的生產
但在此後的五年內
沒有一架飛機成爲這臺發動機的用戶
略顯諷刺的是
在賭場即將關門的前夕
一個軍用項目成爲CFM起死回生的關鍵
與波音707系出同源的K135加油機
當時迫切需要提升發動機動力
原裝的普饋G57發動機
額定推力僅有可憐的一萬磅
起飛時甚至需要通過給發動機注水的方式
獲得額外動力
作爲CFM項目的大金主
法國政府抓住了這個
不讓所有努力付出動力的機會
在美軍提出招標需求後
法軍很快宣佈自己擁有的11架K135加油機
將直接選擇CFM56作爲升級方案
而此時普饋能提供的
依然是那臺十餘年前的GT8D
結果不言而喻
CFM贏得了美軍600架加油機
超過2500臺發動機的合同
被現實的大逼兜打的七葷八素的記憶和賽風
在接到軍方送來的溫暖大禮包後很是感動
然後轉身就打算凍結設計
準備像以前那樣安心賺政府的錢
畢竟K135加油機上的實測數據表明
CFM56在使飛機的起飛距離
縮短1100米的同時
減少了25%的總體燃料使用
並大幅降低噪音
直接讓與707相同駕駛體驗的飛機
飛出了比747還爽的感覺
和軍方一起摸蹬口袋的還有一堆航空公司
什麼
發動機原來是可以換的嗎
改裝費多少
包郵嗎
能以舊換新嗎
真的是輕騎兵轟炸機的通換核心機嗎
CFM56的優秀表現
讓不少民用客戶抱着自家飛機前來求助
啊 對對對
就是門口那家DC8
裏面那臺浦輝GT3看到沒
全拆了
對
14臺都不要了
在CFM正式準備凍結設計的前兩週
以美聯航爲首的改裝訂單讓研發得以繼續
後續的故事也正如你們所瞭解的那樣
CFM56終於在波音那裏
預造了自己的命中註定
實現了和737系列的相互成就
機翼的這次絕地反擊
不僅讓其在中型發動機領域獲得了絕對領先
還進一步深化了與各個廠商的關係
爲後來777的成功打下基礎
而剛從破產一脈中走出來的羅羅
此時已經完成了對RB211的承重
利用三轉子的先天優勢
在大型發動機市場勢如破竹
只有普惠受傷的事業達成了
噴漆式發動機的市場佔有率
在短短几年內下降了超過10個百分點
還有什麼事情是能比賺不到錢更痛苦的呢
如果有的話
可能就是若干年後某個不知名的up
在做一期關於自己的視頻時
居然花了三分之一的時間
詳細介紹了自己的對手是怎麼成功的
但市場競爭就是這樣
錯過了任何一個風口
後續都需要加倍彌補
更何況普惠先是沒能跟上中型發動機的研製
後續在大型發動機上又沒有成熟的風扇技術
最終導致了在渦扇發動機市場的接連敗退
自然
作爲一家有着深厚底蘊的發動機公司
反擊勢在必行
1983年
普惠召集了英國羅羅
日本航空發動機
德國摩天宇航和意大利菲亞特宇航組成了五國聯盟
意義在生產一款完全與CFM競爭的發動機
作爲同樣在中型發動機市場表現不佳的羅羅
參與該項目在意料之中
日本航空發動機是由川崎重工
三菱重工和石川導播模組成的聯合體
其提供的精密車牀是加工發動機零件必不可少的工具
它和羅羅合作生產的發動機
剛在G37-300的競爭中落敗
所以這倆難兄難弟算是組團入夥
摩天宇航最早源於寶馬的航空發動機部門
在二戰期間是德國戰機發動機的主要供應商
戰後曾獲得多家廠商的授權
代工生產噴氣式發動機
相對於其他盟友
摩天宇的維修能力獨樹一幟
是爲數不多能在公司門口貼上專修各類航空發動機的公司
也是售後服務的有利保障
最後的菲亞特宇航是齒輪傳動方面的專家
主要負責將發動機轉軸上的動力轉換成其他形式輸出
作爲一個在公司成立後不久後退盟跑路的成員
菲亞特宇航雖然在新發動機的開發中貢獻不大
但卻在後來深刻影響了普惠另一臺發動機的命運
由於新款發動機有五甲合作
發動機以羅馬數字5,也就是V開頭
由於計劃的額定推力爲25000磅
因此發動機的代號爲V2500
與通用和賽峯的合作不同
普惠並未直接在軍用型號上進行優化
發動機的部分技術來自羅羅和日本航發合作的RG500
也就是敗給CFM56的那臺
其失敗的火種得以以高壓機器的形式成爲V2500的一部分
後面的燃燒室和高壓渦輪這兩個更爲核心的部件自然由普惠負責
低壓渦輪和低壓機器分別由摩天羽和日本航發製造
菲亞特則當仁不讓地領取了附件齒輪槍的任務
這種大鍋灰的組合形式絕對是工程學上的災難
更何況還是發動機這種對各個部件配合程度要求絕高的工程
但畢竟這口鐵鍋旁匯聚了這個世界上最頂級的廚師
普惠和他的夥伴們還是信心滿滿的上路了
1983年隨着國際航空發動機公司的正式成立
V2500的研製開始步入正軌
就在同年
另一個有多國合作的項目同樣上馬
空中客車的A320終於完成了前期探索
開始進入實質研發
而其預想的競爭對手
正是CFM母流發動機最大的訂單來源
波音737
如果說睿智的電傳飛控系統是空客後來居上的核心競爭力
那同樣有着後發優勢的V2500
則將主要精力放在了提升燃油精進性上
首先是更先進的寬線葉片
這是羅羅在大型發動機上的獨門絕技
其製造過程是在兩塊鈦合金薄板之間
放入同樣是鈦合金製作成的蜂窩狀填充材料
然後通過活性擴散焊接的方法將其連接成一體
像三明治夾心一樣的設計
在提升強度的同時減輕了重量
風扇的葉片得以做得更寬更薄
不再像CFM母流的葉片那樣需要凸肩支撐
降低工作噪音的同時
提升了對氣流的推動效率
同樣先進的是伏壁式燃燒室
這是普惠在抵抗高溫的核心技術
作爲發動機內部能量轉化的主戰場
劇烈燃燒在升溫的同時
也會帶着周圍的部件一起融化
爲了滿足散熱需求
傳統燃燒室一般是雙層設計
經壓氣機壓縮的氣流一部分與燃油混合參與燃燒
另一部分則從外圈以風冷的方式
對燃燒室的內壁進行降溫
同時內壁上會有許多開孔
讓外側的氣流能不停地進入內部補充燃燒
並在內壁上形成冷卻氣膜
儘管如此
內壁在這種冷熱交替的作用下
很容易產生乳變和裂紋
需要定期分解進行整體更換
普惠通過在燃燒室內壁上
覆蓋了一層特製的隔熱瓦解決了這個問題
這些瓦片上有密密麻麻的通氣孔
外部的冷空氣首先流入瓦片的氣孔
參與初步的熱交換
再從瓦片的縫隙間流出
並在其表面形成氣膜
這樣火焰的衝擊
不會直接作用在燃燒室的結構上
提高了燃燒室的整體使用壽命
而瓦片本身也更爲耐高溫
帶來了更高的渦輪潛溫度
進一步提升了發動機的熱效率
除此之外
V2500還採用了混合式排氣的設計
內外喊到的氣流會在尾部混合後排出
雖然這樣會略微增加結構重量
但實現了發動機整體推進效率的提高
最終
V2500發動機相較CFM
實現了近4%的燃油效率提升
這讓空客對這臺發動機喜愛有加
首飛還在使用CFM56的A320
在V2500取得市場認證後
立馬換裝了這臺小甜甜
雙向奔赴範寶樓航站
要不是斯奈克瑪這個牛夫人也是地主家的女兒
恐怕雙方早把駕駛艙門的密碼都給換了
但正如前面所說
集中價值所長的V2500也不可避免地集合了諸多缺陷
隨着320的商業運營
越來越多的可靠性問題
讓航司在選擇這臺發動機時需要考慮再三
CFM56在320上的平均載意時間大約是12000個飛行循環
而V2500的A5版本這一數值在8000左右
50%的差距意味着更長的停產時間
更多的備份發動機和更大的財務壓力
對比之下
4%的燃油節省就顯得不那麼誘人了
一臺合格的V2500發動機
永遠是在你裝回飛機後的第一次試車開始漏油
檢查發現磨損超標
要麼通過一夜的奮戰搶修成功
要麼再從庫房拉出一臺新的交接給下一組
高情商地說
V2500項目超過8000臺的交付量
讓其成爲世界上第二成功的商用噴氣式發動機
在737無法選擇發動機的不利條件下
實現了在320上與CFM平衡秋色
但現實點的看
CFM56高達33000多臺的銷量
確實讓這個世界第二的寶座多少有點燙屁股
至少鐵鍋旁的羅羅沒能坐住
在2011年選擇將座位賣給普惠
打算另起爐竈等待下一個機會的到來
革命尚未成功
同志仍需努力
普惠的這場翻身仗恐怕仍要堅持不懈地打下去
那麼
菲亞特宇航如何影響了普惠發動機的進程
52500的背後又有哪些顯微而明智的故事
歡迎收看噴氣時代的番外篇
A340 我本將心向明月
雖然羅羅 技藝 普惠在發動機的鬥爭看起來激烈
但長期仍處於鬥而不破的狀態
就像F35雖然由普惠提供動力
但前面的勝利風扇是由羅羅製造
而在380上
技藝由於普惠臨時組成聯盟
共同完成了一款大型發動機的製造
如果我們把這些發動機零件的供應商拉出清單
又能發現他們在諸多組件上悉數同源
冷暖其實一直存在
不過換了一種更爲柔和的表現形式
也歡迎大家收看噴氣時代的下一篇章
崑崙 太行 易貨 珠穆拉瑪
國產發動機的下一高峯在哪
好了
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這裏是極片演化
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