神州为啥仍造糟糕航空电动机 终究有何样本事难

2019-12-08 00:16 来源:未知

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这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的重大一步。2007年3月原形机首次台架运转试车成功,预计2013年3月发动机完成设计定型试验,2014年7月生产型发动机定型。

▲涡扇发动机的王冠——F-22的F-119发动机,推重比高达10

  F135发动机是基于F-22战机的F-119发动机的核心机和主要结构研制的,目前有三个不同的型号,分别装配到新一代美国海军、空军和陆战队的通用多用途五代机F-35联合打击战斗机上,作为常规起降的F-35A空军型、F-35C海军舰载型以及F-35B海军陆战队短距起飞/垂直降落型的动力系统。

WS-15全称涡扇15峨眉 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。WS-15主要用于双发重型隐身战斗机歼-20。WS-15由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。峨眉航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。这标志着我国在自主研制航空发动机的道路上又实现了历史性跨越,在研制我国第四代中型战斗机的征程上迈出了坚实的一步。2011年中航黎明完成了ws-15验证机的交付。保节点是2020年完成研制。

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  作为一款大推力发动机,F135发动机除装配F-35战斗机以外,在其他飞机平台上拓展的可能性也非常大。“美国在对一款发动机改进升级的同时,会瞄准未来一代飞机的通用用途,具有广泛的适应性,其升级改造可能适用于一个作战单元或一组飞机,而不仅仅是一架飞机或单一机型。因而,F135发动机装备到下一代有人机或无人机均有可能。”王明亮说。

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▲低涵道比涡扇发动机主要用于小型战斗机,如中国歼10所采用的ws-10发动机

  王明亮介绍,改进后的F135发动机性能大幅提升,可让F-35战斗机实现连续超敏捷机动。战斗机的机动性和敏捷性是衡量其空中作战能力的重要指标,决定其能否完成加减速、俯冲、跃升、筋斗、俯仰、偏航和滚转等一系列功能动作。“虽然可以用其他方式做到超敏捷机动,但最根本的还是从发动机上进行攻关,与优良的飞行平台气动布局和先进飞控系统相配合,使得战斗机的整体品质迈上新的台阶。”

(3)维修简便。该发动机采用单元体结构,由14个单元体组成,因此,如果出现某些损坏,不需要全部更换,只替换下有故障的单元体即可。这样,在使用条件下进行发动机维修时,可更换其中的6个单元体。

发动机是飞机的心脏。在菜特兄弟之前,尽管许多人做了不少飞行试验,但都没有得到令人满意的结果。其中一个重要原因,就是发动机十分笨重,效率不高。从螺旋桨到喷气式,从亚音速到3马赫,航空技术的每一项重大突破都与发动机密切关联。所有的航空大国都把发动机技术列为最需要保守的机密之一;美国在削减军费的情况下,反而增加航空发动机的研制经费;而俄罗斯靠着先进的发动机技术,竟能弥补电子技术与美国的差距,使战机的总体水平与美国抗衡。因此,我们完全可以说,没有杰出的发动机,就没有先进的战斗机。

  F135发动机的18吨加力推力通过“增长选项2”跃升至22吨。王明亮说:“发动机推力增大的关键是解决燃烧室的燃气燃烧以后到涡轮之前的温度,温度越高推力越大。”

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▲F-100-PW-220涡扇发动机造就了F-15和F-16一代经典

  美国航空发动机制造商普惠公司日前对外透露,其F135发动机第二阶段改进型号(即“增长选项2”)取得巨大进展并且即将进行测试,届时,该发动机推力将再次刷新世界纪录,达到21.3吨至22吨,从而使得装备该型发动机的美F-35战斗机作战性能得到大幅提高。

从总体上讲,作为苏-27战机的专用动力装置AL-31F发动机,其性能是优良的,具有明显优势。

▲F-35的F-135发动机最大推力高达18吨,当今无人能及

  王明亮表示:“美国一直十分重视核心机的研制,也就是航空发动机的三个主要部件:压气机、燃烧室和涡轮。核心机堪称航空发动机心脏的心脏,在这个基础上生成其他发动机,只要根据不同需求加改装其他部件。以压气机为例,美国首先在压气机上做文章,因为这是未来发动机的核心部位。目前涡扇发动机都是两个涵道,‘增长选项2’首先改进压气机,解决了进入发动机的空气控制和利用问题,以适应飞机的不同飞行状态,保证飞行效率最大化。这为未来实现整个发动机转型埋下一块垫脚石。”普惠公司曾表示,通过“增长选项3”,在2025—2030年左右,最终获得的全新改型F135发动机将具备三涵道功能,进一步将发动机推力增加至接近30吨,这将是一个革命性变化。

对核心机进行了大量的地面和高空性能试验,对可靠性与耐久性方面的进行大量试验,大幅度的提高热端部件寿命。对其它部件、系统、成件等作了适应性改进,对附件位置、管线和防冰系统作了必要的修改。为减轻重量进一步扩大了钛合金的应用范围。对加力燃烧室和尾喷管进行优化设计,采用新的耐高温合金材料,改进冷却设计,减轻重量 。

▲米格-29使用的RD-33发动机是出了名的耗油高,目前FC-31就是使用这款发动机

  “F135发动机是世界上最先进的第五代发动机,同时是人类航空史上推力最大的军用加力涡扇发动机,适用于美军F-35战斗机的A、B、C三个型号军用飞机。本次‘增长选项2’由普惠公司与美国空军合作,进一步提升发动机推力并降低油耗,突出解决战斗机续航性问题。F-35战斗机进行半小时以上的超音速巡航,必须靠这款发动机来支撑。”空军指挥学院军事专家王明亮告诉科技日报记者。

它是装备在F-22A战斗机上的F119-PW一100发动机的改进型号。其最大推力达191.3千牛。超过了F119-PW一100的最大推力(156千牛,约15.8吨)多达20%;F135的最大军用推力达到128千牛,而F119-PW一100的最大军用推力仅为104千牛。因此,F135是有史以来最为强劲的战斗机发动机。

喷气发动机最常见的性能数据有:尺寸与重量推力、油耗、推重比等等。喷气发动机的尺寸一般用长度和最大直径表述,单位使用毫米;重量以公斤为单位。尺寸与重量是发动机最基本的性能数据,在同等推力条件下,当然尺寸重量越小的发动机越好。仔细对比不同发动机的尺寸重量,你可以发现一些有意思的现象。同等推力的涡扇机与涡喷机相比,一般重量轻、长度较短,最大直径则较大;这是因为涡扇机是在涡喷机的基础上增加了外涵道,所以直径较大;而涡扇机的效率较高,所以重量轻、长度较短。有时,两台推力相近的发动机,重量较重的尺寸反而略短,说明这台发动机的结构紧凑,装到飞机上会节省空间。

  那么,F135发动机“增长选项2”如何做到的呢?“一是改进喷气发动机的核心组件压气机,确保喷气的流量和加压的温度,这是提升推力很重要的一个方面。二是发动机涡轮的叶片采用新材料,并采用新技术解决加工和焊接问题。”王明亮表示。

按照计划.F135一PW一100将作为F-35A空军型的动力系统;F135一PW一400将作为F-35C海军型的动力;而F135一PW一600将作为F-35B海军陆战队型的动力。

▲高涵道比涡扇发动机主要用于大型飞机,伊尔-76、运20、轰6K都是使用俄罗斯的D-30发动机

第六名:AL-31FN涡扇发动机 国家:俄罗斯

加力式涡轮喷气发动机经过涡轮后的燃气再次与燃料混合,在加力燃烧室内燃烧,增加由喷管排出的燃气的动量,使发动机的推力显著增大。但是,使用加力会使发动机的燃料消耗过速,因此加力的使用时间必须有严格的限制。涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的基础上发展起来的。它以原有的涡轮喷气发动机构成内涵通道,在此基础上加装由涡轮带动的风扇和外涵道。因此这种发动机又叫内、外涵发动机。与涡喷发动机相比,涡扇发动机的推力加大,巡航油耗降低,因此在现代军用飞机中得到了广泛的运用。目前,较先进的战斗机、战斗轰炸机、轰炸机几乎全部选用了涡扇发动机。从技术分类看,涡扇发动机又分为两类,一类是高涵道比涡扇发动机,主要用于大型轰炸机、运输机,它的突出特点是推力大、重量轻、耗油率低和噪音小;但发动机直径大,耗气量高,不适于装在瘦小的战斗机上。现代战斗机大多采用低涵道比涡扇发动机,这种涡扇发动机结构紧凑、推重比大,虽然油耗高于高涵道比涡扇发动机,但却大大低于涡喷发动机,适应了高性能战斗机的需要。

AL-4lF的FADEC系统与机上KSU-1-42 数字式电传操纵系统交联,能够根据飞行状态自动调节发动机的工作,从而提高飞行效率和发动机工作的可靠性.由此可见米格-39 已经具有了综合飞行/推力控制系统(IFPCS) ,下一步应该是将其与火力控制系统交联在一起,实现综合火力/飞行/推力控制系统(IFFPCS) 。

今天,军用飞机最常用的发动机是涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机,我们经常看到的所谓涡喷发动机和涡扇发动机,分别是它们的简称。有的军用运输机采用涡轮螺旋桨发动机,它被简称为涡桨发动机。涡轮喷气发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮、喷管等组成。有的还带有加力燃烧室,称为加力式涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机的基本工作原理是:由涡轮带动压气机旋转,使进入发动机的空气增压;空气增压后,进入燃烧室与燃料混合燃烧,产生高温、高压燃气,高温、高压燃气推动涡轮转动做功,并经尾喷管高速喷出产生反作用推力,从而推动飞机前进。

太行改WS-10B的核心机以太行核心机为基础重新研制的,在设计过程中三大核心部件既高压压气机、环形燃烧室、高压涡轮等大量的参照并借鉴了AL-31F核心机的设计方法,结构细节设计和制造工艺. 大胆倡导采用了航空动力许多前沿设计技术成果和大量应用新材料、新工艺,从而突破了120余项关键技术。

发动机的油耗也称耗油率,它的计算单位是公斤每公斤每小时。某发动机耗油率为0.7公斤每公斤每小时,意思就是该发动机发出1公斤推力在1小时内要消耗燃油0.7公斤。同一台发动机在不同工作状态下的耗油率是不一样的,因此,性能指标中给出的耗油率只是某些特定情况下耗油率。通常包括巡航耗油率和加力耗油率。目前比较先进的战斗机发动机,如用于F-15和F-16的F100PW-229型涡扇发动机,它的巡航耗油率为0.647公斤/公斤・小时,加力耗油率为1.94公斤/公斤・小时。上述发动机的加力推力为13199公斤,推算下来,以加力推力飞行1分钟,就要消耗燃油427公斤。比较而言,涡扇发动机的巡航油耗较低,涡喷发动机的加力油耗较低。但由于飞机常用的是巡航状态,所以总的来说还是涡扇发动机的油耗较低。

第一名:F135涡扇发动机 国家:美国

推重比是喷气发动机最重要的指标,它是指发动机的所能发出的最大推力与它的重力之比。推重比越大,发动机的总体性能就越高。20世纪50年代,著名战机米格-21使用的P13-300涡喷发动机推重比仅为5.8,在当时已经是很高的了;第四届珠海航展中展出的我国自行研制的“昆仑”Ⅱ发动机推重比达到了7,这在涡喷机中已经是很高了;国外第三代战斗机使用的涡扇发动机,推重比普遍超过了8,使这一代战机具备了突出的载荷机动性能;而美国最新型的F-22战斗机,它所使用的F119-PW-100涡扇发动机,推重比已经超过了10,为战斗机超音速巡航提供了充裕的推力。发动机的基本性能集中反映在推重比上。推重比高,意味着推力大,重量小,飞机的性能也就好。发动机的推重比是发动机的核心部件一一压缩器、燃烧室与涡轮的“三高”(高压、高温、高转速)的结果。发动机的核心部件要想工作在高压、高温、高转速的条件下,所使用的材料、结构和工艺要求就十分苛刻。

不过值得一提的是,F135相对于F119虽然推力大幅度提高,但是实际上是在同样核心机基础上用流量、高速性能换推力。F135虽然推力超群,但是其高速性能却是下降的。

正是由于军用喷气式发动机极高的制造要求,考验的是一个国家最基础的工业积淀,各种材料,数据,工艺流程都是需要几十年的摸索,任何一个国家想要研制出先进的军用喷气发动机都需要走完这个过程,所以要解决中国发动机一直被诟病的心脏病问题,必须有充足的时间积累持续投入技术和资金。(作者署名:军武次位面)

但是这个喷嘴只有在垂直起降的场合使用,可以大大地缩短起飞/降落距离。其他F-35则不使用这项设计。

▲米格-15使用的RD-45离心式涡喷发动机是第一代涡喷发动机的代表,其仿制于英国罗罗公司的尼恩发动机

在五十年代未、六十年代初,作为航空动力的涡喷发动机已经相当的成熟。当时的涡喷发动机的压气机总增压比已经可以达到14左右,而涡轮前的最高温度也已经达到了1000℃的水平。

▲苏-27优异的机动性与其配套得AL-31F发动机分不开

该发动机涡轮前温度为1828K ,低干Fll9-PW-100 、M88-1 . M88-2 的1977K 、1843K 和1850K ,但比AL-3lF、F100-PW-100和F110-GE-100的约1665K, 1672K和1644K 有很大提高,也高于EJ200 ( 台风使用的发动机)1803K 。这些性能数据说明它的确是一种典型的第五代发动机。

推力是喷气发动机的重要性能指标,推力的单位常用千牛顿,简称千牛;也可用千克或公斤。它们之间的换算方式是:1000公斤=980千牛。通常在发动机的性能指标中,我们可以看到两种推力数据,一个是最大推力,西方也称为军用推力,是发动机不使用加力时的最大推力;另一个是加力推力,有些地方也表述为起飞推力,是打开加力时的最大推力。现代战斗机使用的喷气发动机按照推力大小大体分为两档:推力在1000公斤以上的属于大推力发动机;推力在8000公斤上下的为中等推力发动机。像F-15、苏-27那那样的重型战斗机使用两台大推力发动机,类似F-16的小型战斗机则采用一台大推力发动机;中等推力发动机多以双发形式用于中型战斗机上,如:美国的F-18、法国的“阵风”、欧洲多国联合研制的“台风”、俄罗斯的米格-29以及我国的歼-8Ⅱ等等。也有以单发形式用于轻型战斗机的情况,像瑞典的JAS-39、我国的FC-1等。推力更小的小推力发动机则多用于军用教练机和无人机。

重点围绕WS-10B核心机的三大高压部件既高压压气机、环形燃烧室、高压涡轮等的工程设计,试制与试验以及其相关的强度、控制等系统进行综合应用研究,研制过程遵循部件试验在前,整机试车在后.的原则,完成了大量的三大核心部件和子系统的试验。

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(4)使用寿命长。AL-31F可根据其技术状况而使用,只要发动机还正常,就可以一直使用下去,而现代化水平的诊断设备可保证飞行安全。但其使用寿命也有一个限度,一般认为该发动机第一次维修前的使用寿命可达1000h,总使用寿命应该不少于10年。

下面是世界十大军用战斗机航空发动机排名,中国三款型号上榜:

第四名:AL-41涡扇发动机 国家:俄罗斯

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。此外,还采用了耐温1070~1100℃的第三代单晶涡轮叶片材料、双性能热处理涡轮盘、阻燃钛合金Alloy C、高温树脂基材料外涵机匣以及用陶瓷基复合材料或碳-碳材料的一些静止结构。

优化设计了高压涡轮叶片的结构细节设计,为不带冠设计,强化气膜加对流复合冷却技术。利用增大空气流量、提高部件效率、减少漏气和损失等技术措施,来一定幅度的提高推力。风扇是采用后2级整体叶盘结构。由于运用三维计算流体力学进行设计,风扇效率显着提高,压比为3.6;采用整体叶盘,消除了燕尾槽和阻尼凸台等处的应力集中,简化了结构,减少了零件数,减轻了重量,减少了泄漏结构和系统。

这一点俄罗斯专家在其1999年以前公开的第五代战斗机讨论中并未提及,但它确实是真正的第五代战斗机应当具有的特征,依赖干IFFPCS ,作战飞机将能够以最佳飞行时间、最佳任务航迹、最佳燃由消耗等为优化目标自动对飞机进行能量管理,实现作战过程全自动化,大幅提高其生存能力和作战效能。

F119是普惠公司为美国第四代战斗机研制的先进双转子加力式涡轮风扇发动机,其设计目标是:不加力超音速巡航能力、非常规机动和短距起落能力、隐身能力、寿命期费用降低至少25%、零件数量减少40~60%、推重比提高20%、耐久性提高两倍、零件寿命延长50%。在80年代初确定的循环参数范围是:涵道比0.2~0.3;总增压比23~27;涡轮进口温度1577~1677℃;节流比1.10~1.15。

第三名:WS-15涡扇发动机 国家:中国

第五名:涡扇-10B太行发动机 国家:中国

L-41F发动机是留里卡-土星公司的产品,将成为俄第五代战斗机通用的发动机。该发动机的发展基础是留里卡设计局开发的AL-31系列, 1985 年开始研制, 总设计师是车金博士。为适应第五代战斗机的要求,AL-4lF 的推力有大幅度增加,其最大状态推力约12000 千克,加力推力的一般说法是不低于17857千克,具体数字有18500 千克和20000千克等说法。

行WS-10/10A相当于当初F100-PW-100阶段,而太行改WS-10B则已经相当于当初F100-PW-220阶段。太行改WS-10B发动机整体性能接近和部分超过F110-GE-129IPE (F110的性能改进型)WS-10B发动机在太行发动机的基础上研制的,涡扇10B与涡扇10/10A之间的通用零部件达70%。使用通用部件不仅减小了研制的冒险性,还将显着地减少后勤保障费用。

F135使用了F119的核心机,配合高效的6级高压压气机,1级高压涡轮和高效的风扇(由一个2级的低压涡轮驱动)。F135采用了BAE系统公司的全权数字式发动机控制系统(FADEC),为了提高发动机的可靠性和可保障性,F135大量采用外场可替换部件(LRC),其零部件数量比F119减少了大约40%。

(1)尺寸小,推力大。其涡轮具有有效的冷却系统和良好的热力学特性;压气机增压快速,发动机结构紧凑,保证飞机有较高的推力和良好的机动性。

F135发动机推比10.5、加力推力19吨级别、军推13吨级别、质量1700千克,其19吨的加力推力目前没有任何实际装备战斗机的加力式涡扇发动机能够企及。

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不管哪一种数据,AL-41F的加力推力都高于F119-PW-100 ( F-22A的发动机)的16000千克( 156 AL-41F-1S(117S)发动机千牛)级,按照俄罗斯标准计算其推重比超过11。但是与F119发动机是不能比较的。因为F119发动机是以寿命设计为主,确保12000小时的寿命。而AL-41F发动机是以牺牲寿命设计,提高推力。对于AL-41F的寿命指标我们现在没有数据。

进入新世纪后,中国航空发动机被列为重大科技专项,投入天量资金来全面投入研发。目前中国航空发动机领域即将迎来开花结果的丰收时刻,那么我们现在的航发水平究竟处于世界当中的何种地位呢?

按照飞机任务要求,峨眉航空发动机在循环参数选择上采用较高的涡轮进口温度、中等总增压比和比较低的涵道比。采用的新技术主要有损伤容限和高效率的宽弦叶片、三维粘性叶轮机设计方法、整体叶盘结构的风扇和压气机、单晶气冷涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘、刷式封严、树脂基复合材料外涵机匣、整体式加力燃烧室设计、陶瓷基复合材料喷管调节片、三元矢量喷管和具有故障诊断和状态监控能力的双余度式全权数字式电子控制系统。发动机由10个单元体组成。

WS-15全称涡扇15峨眉 涡扇发动机,是为我国第四代重型/中型战斗机而研制的小涵道比推力矢量涡扇发动机。由606所、624所、614所、410厂、430厂和113厂等单位专家组织研制。峨眉航空发动机的技术验证机在2006年5月首次台架运转试车成功。

第二名:F119涡扇发动机 国家:美国

AL-31F的结构形式是双转子加力式涡扇发动机。推力范围:加力12250daN,中间7620daN。每台价格300万美元。AL-31F有一些改进型,其中包括带矢量推力喷管的改进型AL-31FP发动机。

F135涡轮扇发动机由美国普拉特惠特尼公司研制的新型发动机,最大推力超过18吨。 F-135发动机是在F-119的基础上发展研制而成。由于海军陆战队与英国皇家海军预计采用的F-35B必须能够垂直起降,因此F-135也可以加上向下弯折的矢量推力喷嘴。

在研制中,注意了性能与可靠性、耐久性和维修性之间的恰当平衡。与F100-PW-220相比,F119的外场可更换件拆卸率、返修率、提前换发率、维修工时、平均维修间隔时间和空中停车率分别改进50%、74%、33%、63%、62%和29%。新的四阶段研制程序和综合产品研制方法保证发动机研制结束时即具有良好的可靠性、耐久性和维修性并能顺利转入批量生产。

AL-41F也是俄罗斯第一种实现全权限数字电子控制的发动机,俄罗斯业已在AL-31FU上对FADEC 系统进行过验证,而AL-3lF系列则一直采用液压电子控制。

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加力燃烧室和尾喷管以及大部分发动机附件从太行发动机的设计方案衍生而来,并改进了冷却技术和重新设计了部分结构设计,使结构更简单,减轻了重量,提高使用寿命寿命、同时维修性也得到改善,降低了使用和维护成本,为适应J11B的机体,对附件位置、管线和防冰系统作了必要的修改。

AL-31F是由俄罗斯留里卡土星科研生产联合体研制的带加力燃烧室的涡扇发动机。该联合体前身是留里卡设计局,组建于1946年,是前苏联的主要战斗机发动机设计局。在上世纪60年代,留里卡研制了AL-21F系列涡轮喷气发动机,其最大加力推力达11000daN。1970~1974年投入生产,广泛用于苏-17、苏-20、苏-22、苏-24和米格-23战斗机上。在AL-21基础上,1976年(另一说法是1973年)留里卡开始研制AL-31F发动机。1985年该发动机研制达标后,用于苏-27、苏-30和苏-35战斗机。

在研制中,为满足提高推力的要求而增大风扇直径,还遇到了风扇效率低、耗油率高和低压涡轮应力大的问题。预计,1994年中开始初步飞行试验,此时F119将再积累3000地面试验小时。1997年交付第1台生产型发动机,装F119的F-22战斗机将于2002年具备初步作战能力

(2)稳定性高。可使用在苏-27飞机的各种飞行高度和速度下,即使飞机在以M2的速度进入平螺旋、直螺旋、翻转螺旋和进气道喘振的情况下,发动机工作仍然极其稳定。喘振消除系统、空中自动点火系统、主燃烧室和加力燃烧室的再次启动系统等可保证在使用机载武器时动力装置的工作可靠性。

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