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新科技革命的试金石——太行发动机
日期:2019-8-16 15:24:17

  飞帅 2019-08-10 19:13:43

  太行发动机是我国第一种自主知识产权的大推力涡扇发动机,编号涡扇10,在其立项时是想为单发的歼10配套的,没想到发动机这个“子系统”的研制难度远远超过了想象,建国以来,我国仿制的涡喷6、涡喷7等发动机,当时并不算落后,但未能将技术和经验归纳总结,形成一套完整的理论,一直处于做一个,丢一个的状态,直至演变为涡扇6的遗憾,反观与我国差不多起点的法国,即使产品落后造价高昂,仍然始终坚持自主研发,取得了仅次于英美的辉煌成果。

  发动机不光是设计出来的,制造出来的,更是用出来的,它太过精密,太过复杂,而且牵一发而动全身,比如单单是一个装配工序,只要有零点几毫米的误差,会导致推力下降10%,当代航发涉及材料、机械、冶金、电子、气动等等十几个学科,且高度密集,是任何人类的当代科技模拟不了的,必须通过不断的使用,暴露各种问题,再加以完善,只有经过充分试验,经历无数的失败,才能得到一款成熟好用的航发,除此之外,没有任何捷径可循,在航发面前,捷径几乎就是弯路,最后还是要回来踏踏实实搞研发,太行1978年开始预研,1987年立项,到2006年设计定型,再到现在的大规模装备部队,从高推预研到成为可靠好用的战斗力,经历了四十多个春秋,可谓大器晚成。

  说起太行的渊源,一说是源自F101的衍生型号CFM56,二者的通用核心机都是GE9,这当然无从考证,但从太行研制全过程严格贯彻美军标GJB241-87来看,我国航发走欧美路线的决心是确定无疑的;一说太行是由624所的中推预研技术储备发展而来,中推核心机以F404为原准机,三大元件性能全面达标,7级高压压气机尤其出色,使得我国各型发动机普遍受益,这种说法也不能算错,但两种说法都有失偏颇,事实上太行很可能是以我国的预研成果为主,以学习借鉴了CFM56乃至AL31F的某些细节为辅,以我为主,主辅相依,博采众长,才成就了一代名机——太行。

  意料之中的是,太行的进度远远落后于单发的歼10战机,眼看涡扇6的悲剧又要重演,幸亏引进的AL31F及时救场,挽救了歼10,对苏27的仿制则挽救了太行本身,因为首先大批量装备太行,使其逐渐成熟的是双发的歼11B,而不是单发的新机歼10。AL31F虽然并不先进,但其设计理念非常适合当时的中国,AL31F在各个子系统很平庸,甚至落后的情况下,通过整体上的优化和协调来达到在主要性能上与对手抗衡的目标,也就是要有所侧重,有所取舍,不直接影响战斗力的寿命和可维护性首先被牺牲掉,因此AL31F的寿命长期只有900小时,现在的太行经过长期努力,首翻期已经达到当代美国航发的一半,后来居上超过了俄发。

  发动机是飞机上最大的子系统,从进气道一直延伸到尾喷管,它事实上决定了飞机的绝大部分性能,有什么样的发动机,就有什么样的飞机,而不是相反。

  太行是双转子发动机,其三级风扇作为低压压气机由单级低压涡轮驱动,九级高压压气机由高压涡轮驱动,二者分别处于不同转速,依照通用核心机的思想,风扇及低压涡轮这根轴是后来又加上去的,通用性可谓有利有弊,太大众化了就容易就不容易做到最优,两个轴系在匹配上很容易出问题,高低压转子不匹配会引起喘振,空气压力逐级升高就会有返流的危险,就好象人喝水呛到了一样,看来喷水逼喘不是没有道理的,因此,九级高压压气机应用了一圈可调静子叶片,调节气流的倾角,防止压气机叶片失速。受惠于中推预研成果,太行的三级风扇加九级高压的总压比高达30,站到了一个很高的起点上。

  本来气动布局是我国的强项,但到发动机这里却不好使了,因为发动机内部的气动问题有其特殊性,在高温高压高转速这样的极端条件下,空气动力学也只能拿来当参考,因此,一切都要从头开始。

  由于设计上过于超前,没有成熟的型号作为铺垫,缺乏足够的技术储备,在研制的过程中常常需要临阵攻关,就好比等着米下锅了,才发现米缸是空的,米弄来了又发现柴火不够了,太行可谓把大推航发所有的问题都经历了一遍,走到今天,实属不易。

  高低压转子对转是太行最大的亮点,即风扇与压气机的旋转方向相反,高低压涡轮也是对转结构,抢占了设计上的制高点,对转结构使得发动机转子传递到机匣上的力矩互相扺消,机匣可以做的轻一些,也意味着在推重比方面,太行的潜力是超过F110的。

  高压压气机后面是环形燃烧室,冷却空气由压气机引流而来,太行采用分区分压供油方式,保证了各种状态下的可靠点火,由于燃烧室中的油气混合体性质特殊,既不同于单纯的燃油,也不同于高压空气,要准确的把握其工况,只能不断的做实验,所有的成果都是“烧”出来的。

  燃料室后面就是温度最高的旋转部件高压涡轮了,我国在航发方面也并非没有亮点,是第二个掌握空心气冷涡轮叶片的国家,但那只是制造方面的成果,受制于设计能力低下,制造水平再高又有何用,太行的涡轮叶片采用复合冷却,表面有隔热涂层,涡轮前温度1747K,即1474摄氏度,超过了AL31F的1293摄氏度,推力超过后者并不奇怪。

  尾喷口属于拉瓦尔喷管,它通过两个锥管先收后放,给气流加速,太行喷管的收敛和扩散是无级可调的,象CVT变速箱一样,平顺性非常好,最近矢量推力版歼10的精彩飞行表演,已经表明了太行的喷管技术水平,矢推版太行的每个收敛片都要能单独调节才行,难度大了一个数量级,不过喷口精铸件的良品率只有54%,仍需提高。其同涡轮叶片一样为承受高温的活动部件,且加力燃烧室的燃气温度比燃烧室高得多,能达到2200摄氏度,因此矢推喷管的寿命普遍不高,印度苏30MKl的矢推喷管只有50小时的寿命,太行矢推喷管的寿命也不宜高估。

  矢推版太行,收敛片可以应用了陶瓷基材料

  太行的装机彻底解决了长期困扰俄发版歼10轴承滑油中断的问题,没有一架装备太行的飞机是因为发动机故障坠毁就是明证。

  太行实际装备的主要有三个型号,各型号的在外观上略有不同,涡扇10A为初始型号,为保险起见涡轮叶片采用了与AL31F相同的定向凝固合金和复杂的冷却管路,因而维护性和寿命均不理想,推力为13.2吨,推重比7.5,用于歼11B,其改进型海太行为适应航母上的开加力起飞,提高了最大应急推力,用于歼15,编号是涡扇10H,这个系列机匣在发动机上方,用于歼11系列,涡扇10A早期遇到了很多可靠性问题,是故障排除阶段。

  第二种为涡扇10B,推力14.5吨,由于高温树脂基复合材料机匣的应用,其比钛合金焊接结构的机匣减重30%,因此推重比超过了8,这时采用了第二代单晶涡轮叶片DD6,机匣在发动机下方,已能用于歼10C,在涡扇10A阶段很多因太过超前,为降低风险而被换掉的技术,在涡扇10B又重新得到了应用,如FADEC,它极大的增加了发动机的可靠性,太行的首翻和寿命达到美国的一半它功不可没。

  第三种为涡扇10C,推力15.5吨,单就推力而言,接近了F119,将作为涡扇15的替补,采用第三代单晶涡轮叶片,粉末合金涡轮盘,现在处于最后的试飞阶段,即将装备。

  以上只是理论上的描绘,在实战又是另一番景象,特别是近距格斗中的动力循环次数尤其考验发动机,飞机时而开加力,时而急减速,时而作大迎角机动,发动机必须非常泼辣,非常皮实才行。

  太行为我国打造出了一支拥有完整高性能涡扇发动机研发经验的团队,确立了科学的质量管理体系,更重要的是,国家充分认识到了航空发动机研制的艰巨性和长期性,前期已经砸了1000个亿,并制定了长期规划,中国航发的前景一片光明。

  经过不懈努我国琳琅满目的发动机预研项目已经进入收获期,相信在不远的将来,发动机会成为我国引以自豪的强项,在此向默默无闻奋战在一线的航发研究人员致以深深的敬意!

  如果有一天超级计算机和人工智能发展到能够精确及时模拟航空发动机每个零件的各种工况了,那么以此为突破口,人类文明将会前进一大步,以前望洋兴叹的领域将会变得触手可及,如不可思议的四维空间,因此航发作为当代工业的最高成就,也是一个通向未来文明的入口,历史终会给予太行发动机应有的评价。

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