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深度:浅谈太行发动机对我国舰载机影响
送交者:  2015年02月03日15:57:53 于 [世界游戏论坛] 发送悄悄话

深度:浅谈太行发动机对我国舰载机影响 或成我军主干

2015年02月02日 10:28  新浪军事 微博 我有话说(6,908人参与) 收藏本文
资料图:珠海航展期间国产太行发动机亮相,工作人员现场刷漆调试资料图:珠海航展期间国产太行发动机亮相,工作人员现场刷漆调试

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  舰载战斗机是衡量航母作战水平的标志性武器平台。据外媒报道,人民海军的第一艘国产航母不久将投入建造,而我国也曾经与俄罗斯谈判引进苏33战机。种种臆测,却反映了外界高度关注我国舰载机的发展动向。中国航空工业经过五十多年的艰苦努力,已能够“自主研发生产轻重搭配、与发达国家在役战斗机种相当的第三代战斗机和第三代大推力涡扇发动机”。国产歼-11战斗机系列是在引进俄罗斯苏-27SK生产许可证的基础上逐步发展起来的,其代表性的某型机已实现了第三代战斗机配装国产先进涡扇的夙愿。

  相较于陆基飞机,舰载机有着特殊的起降方式与工作环境,这就对动力设计提出了更高的要求,特别是更注重可靠性和作战适应性,迄今只有美俄两国开发了多种技术给予保证。受技术、成本等制约,迄今只有美俄两国开发了第三代舰载大推力发动机。我国虽然已经突破了军用涡扇的技术与瓶颈,但面对舰载机动力这新课题,引进与自研相结合的双保险方针仍是现阶段比较现实的途径,况且我国已有多年AL-31的使用与维护经验,在“太行”成熟之前由它担当主角应是比较稳妥的。随着“太行”使用数不断积累,延寿与可靠性增长成效的不断显现,国产型号必将成为我军战机装备的主干。

  长剑倚“太行”

  “太行”发动机是在测绘仿制国外先进核心机的基础上发展起来的,研制过程采取“半仿半研”的技术途径,经过验证机与型号机两个阶段,耗时18年终获成功。

  “太行”发动机总体布局仿照了F110的设计,同时又吸取了国内外多个型号的技术经验。该机采用五支点的支承方案,其中高压涡轮后支点轴承为中介轴承。全机有三个主要的承力框架(进气机匣、中介机匣和涡轮后机匣),其中中介机匣的制造首次采用钛合金整体铸造工艺,机厘上布置了安装节和齿轮箱等安装点。三级轴流式风扇和九级高压压气机分别由两级低压与单级高压涡轮驱动,转向相反。高温升主燃烧室的结构紧凑, 燃烧效率高,分布品质好。对比AL-31,“太行”的涵道比更高,巡航耗油率较低,可满足海军空中巡逻战斗机的设计要求。外涵空气中的含氧量高,因此加力比(全加力和中间推力的比值)也更大,这一点同F110如出一辙,不过单位性能(单位推力、单位迎面推力)要比AL-31低一些。燃调系统为机械液压-模拟电子混合式,充分借鉴了国外的控制设计经验,确保了发动机在飞行包线内运转的稳定可靠和迅速准确。

  从有关报导看,“太行”的某些技术特征已接近或者达到国外“三代半”的水平(如F110-GE-132、M88-2等),竞争实力与发展潜力不容小觑。

太行发动机研制中先后发生各种技术问题和故障200多项,研制中几次大故障,使研制陷入困境。尤其是质量管理能力欠缺,导致研制工作几度陷绝境:一次是发动机试车时,发生高压压气机四级盘破裂事故;另一次是在高空台模拟试验和调整试飞中,5个起落出现3次“特情”(喷零件)  资料图:太行发动机研制中先后发生各种技术问题和故障200多项,研制中几次大故障,使研制陷入困境。尤其是质量管理能力欠缺,导致研制工作几度陷绝境:一次是发动机试车时,发生高压压气机四级盘破裂事故;另一次是在高空台模拟试验和调整试飞中,5个起落出现3次“特情”(喷零件)

  一、高性能、大裕度的风扇

  发动机研究所采用先进的设计手段,为“太行”全新研制了三级高性能风扇。根据设计要求,在原型机 苛刻的尺寸限制下,风扇压比要比原型机高,同时必须 保持原有的高效率和大喘振裕度。高平均级压比和大裕 度的矛盾考验着设计师的能力。为解决喘振裕度问题, 研究所前后共设计了8套方案,经过大量试验验证,定型方案在高转速状态下,裕度提高中低转速时达到AL-31四级风扇的水平。

  风扇单元的主要材料是钛合金(TC4),三级整体转子采用电子束焊接工艺加工。我国技术人员通过与国外专家的共同工作,了解了一种具有等强度、低损失、流线型型面阻尼凸肩的结构设计,并应用在“太行”发 动机的前两级风扇上。这种变厚度设计明显优于等厚度的凸肩形式。

  新风扇还首次采用了带可变弯度导向叶片、超塑成型扩散连接的进气机匣,这是国内制造技术的全新突破。整体精铸中介机匣是发动机的主要承力部件,有内环、外环和带分流环的支板等构成。整体铸造工艺可以缩短生产周期,减轻结构重量,成本也会降低。

  二、具有四代机特征的复合材料外涵道   

  回顾外涵机匣的发展历程,先后经历了钛板焊接结构--钛合金化铣(表面铣出加强筋以增加机匣刚性)80年代开始应用复合材料(通用电气研制的F414、YF120、F136等军机都釆用了复合材料机匣)。据介绍,这种机匣可减轻23%的结构重量,成本降低28%(与传统钛机匣相比)。北京航空材料研究所于1995年起率先开展了“太行”复合材料外涵机匣的研制工作,设计中釆用新研制的碳纤维增强热固性聚酰亚胺树脂基复材,(相当于美国F404的PMR15)制作了发动机的外涵道。机匣分成前后两段,前机匣为两半对称形,两端还有钛合金安装边,后段则是较为先进的全复合材料带翻边的整体结构。

第三次是配装太行发动机的飞机进行规定试飞的科目,发动机突然空中停车(2004年7月20日,试飞员丁三喜驾驶飞机在阎良机场起飞,当飞行到数千米高空时,突然听到一声响,左发停车了)。经过4个月的努力,经过组织调整,把质量管理和控制纳入程序化管理轨道  资料图:第三次是配装太行发动机的飞机进行规定试飞的科目,发动机突然空中停车(2004年7月20日,试飞员丁三喜驾驶飞机在阎良机场起飞,当飞行到数千米高空时,突然听到一声响,左发停车了)。经过4个月的努力,经过组织调整,把质量管理和控制纳入程序化管理轨道

  三、继承了原准机先进设计的核心机

  九级高压压气机的气动设计先进,原准机增压比高达12左右。“太行”的循环参数选取时做了适当调整,设计值为9.7(如果还保持原有水平则总增压比将近40,由于排气温度降低,中间推力会下降,增压比如此高会导致飞行时压气机后几级温度超过材料的允许温度。降低增压比也有助于提高裕度);前四级的静叶可调,扩大了压气机在中低转速下的失速裕度,这是实现发动机起动与加速性能的基础;结构设计紧凑,构造简单,转子主要为电子束焊接构件,第三级用短螺栓连接起前后两段整体转子。压气机主要用材有TC4钛合金、GH4169镍基合金等。

  主燃烧室由带短突扩压器的锻造机匣、头部双涡流器的机加环形火焰筒、燃油空气雾化装置以及高能点火系统组成。由于发动机的总增压比高,燃烧室进口总温达860K,出口温度(平均)1700K这对火焰筒的结构材 料、冷却设计都是苛刻的挑战。环形火焰筒的主要材料是 固溶强化型钴基高温合金,内、外环上共有12圈冷却气膜小孔,头部也有两千多个气膜孔,火焰筒内部的壁面上分别加工出5道(内环)和6道(外环)气膜槽。套在筒外 的燃烧室机匣也是一件相当复杂的大型构件,主要用材GH14169,进口扩压器采用了无余量整体精密铸造成型,内部有多达70片的导流叶片(高压压气机出口导叶),经磨粒流抛光处理,真空电子束焊接工艺将机匣的各组件焊成一个整体。

近日,网络上一组歼-11B和歼-11BS的试飞照曝光,可以看到这两型重型三代机都在使用国产“太行”发动机飞行。(鸣谢:超大军事 罪恶大天使)  资料图:近日,网络上一组歼-11B和歼-11BS的试飞照曝光,可以看到这两型重型三代机都在使用国产“太行”发动机飞行。(鸣谢:超大军事 罪恶大天使)

  “太行”燃烧室的主要特点:

  由20个双油路离心喷嘴和20个双级涡流器组合成独特的燃料空气雾化装置,燃油雾化性能好,而且兼顾了髙低工况下的性能;2个高能点火火花塞插入头部的主燃区,地面和高空再点火可靠;

  在较宽的工作范围内具有很髙的燃烧效率;

  头部采用偏贫油设计,减少污染物与可见烟雾排放,缩短了火焰筒的长度;

  出口温度场品质(温度均匀性)良好,具有较低的温度分布系数;

  釆用髙效冷却、等寿命的结构设计方法,大幅增加了使用寿命;

  容热强度高,目前仍然是世界上少有的高负荷短环形燃烧室,具有相当大的温升潜力。“太行"的单级髙压涡轮是一台髙温、高转速、大载荷、跨声速的先进祸轮,其轮缘速度达548米/秒(据有关文献介绍,F101高压涡轮的有效功比F100两级涡轮所作的功还多13.1%。要实现髙推比设计要求,很大程度上得仰仗能在髙温下工作的涡轮部件,提高涡轮导向器与工作叶片的耐温能力是关键性课題。为此通常采取双管齐下的办法--使用耐高温材料 时配以冷却与涂层技术。太行的涡轮前温度迗1700K而导叶和工作叶片材料是定向结晶高温合金,只能在1273K以下的温度下工作,巨大温度差就必须靠高效冷却结构、先进隔热涂层等措施来“消化”。

  导向器叶片安装在燃烧室出口处,它是工作度最髙的部件,但和涡轮转子叶片不同,导叶是静子件,不承受离心负荷。导向器共有46片导叶,23段双联装结构组成完整的环形装置。叶片为钴基合金精铸(也可能使用了 IC6A金属间化合物),再经一系列加工处理最终成型,叶片内腔有复杂的气流冷却通道, 缘板上还有用激光打孔形成的气膜冷却小孔,部件表面敷涂A1-Ti隔热防护层,综合作用下实现了平均降温400K以上的效果。

  “太行”共有72片高压涡轮工作叶片,用DZ125定向凝固合金无余量精密铸造,为提高冷却效果,也釆用了复合冷却技术,叶片内腔的冷却流道结构极其复杂,叶身、盖板上还有多排气膜冷却孔,叶片尾缘设计了矩形缝。叶片下部的榫头为两对大圆弧齿设计,榫齿数目少、结构简单,叶片装配到涡轮盘后用短螺栓固定住前后挡板,夹紧叶片。

随着国产动力的逐渐成熟,军迷们看到越来越多的国产战机装备了太行动力。包括最新型的歼15S双座舰载机、歼11BS双座型战机、歼11B战斗机等等。图为双座歼15配装太行动力进行试飞。  资料图:随着国产动力的逐渐成熟,军迷们看到越来越多的国产战机装备了太行动力。包括最新型的歼15S双座舰载机、歼11BS双座型战机、歼11B战斗机等等。图为双座歼15配装太行动力进行试飞。

  四、三元流气动设计,复合倾斜低压涡轮与离压涡轮对转

  所谓复合傾斜,是指叶片沿轴向与径向都做成弯曲的形状,国际上从80年代中期以后才开始应用这項技术,如RB211-535E4、F414。导叶采取复合倾斜设计可以减少端壁面损失,提高涡轮的效率。“太行”的低压涡轮采用复合倾斜形式不仅是气动设计上的一次挑战,也是对我国铸造技术的一大考验。由于涡轮叶片的工作温度高,所以普遍釆用复杂的空心内冷结构,若再做成复合倾斜形状,就更增加了制造的复杂程度与技术难度。贵州新艺机械厂(170)承担了叶片的制造任务,所生产的三联精铸复合倾斜叶片效率达到了国际水平。

  将高、低压涡轮设计成对转结构有助于提高发动机的推重比、降低耗油率并提升飞机的综合性能。目前投入使用以及在研的第四代军用发动机都釆用对转涡轮,几个航空强国也将对转设计列为未来航空涡轮的主要研究方案,可见对转涡轮正是体现“太行”后发优势的标志之一。(未完待续)(作者署名:舰载武器)

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