中国超级涡扇发动机超出西方想象(转)

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导读: 八十年代初期,中国航空研究院606所(中国航空工业第一集团公司沈阳发动机设计研究所)因七十年代上马的歼九、歼十三、强六、大型运输机等项目的纷纷下马,与之配套的研发长达二十年的涡扇六系列发动机也因无装配对象被迫下马,令人扼腕,而此时中国在航空动力方面与世界发达国家的差距拉到二十年之上。面对中国航空界的严峻局面,国家于八十年代中期决定发展新一代大推力涡扇发动机,这就是涡扇10系列发动机。依据装配对象的不同,涡扇10系列有涡扇10、涡扇10A、涡扇10、涡扇10C、涡扇10D等型号,其中涡扇10A是专门为
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八十年代初期,中国航空研究院606所(中国航空工业第一集团公司沈阳发动机设计研究所)因七十年代上马的歼九、歼十三、强六、大型运输机等项目的纷纷下马,与之配套的研发长达二十年的涡扇六系列发动机也因无装配对象被迫下马,令人扼腕,而此时中国在航空动力方面与世界发达国家的差距拉到二十年之上。面对中国航空界的严峻局面,国家于八十年代中期决定发展新一代大推力涡扇发动机,这就是涡扇10系列发动机。依据装配对象的不同,涡扇10系列有涡扇10、涡扇10A、涡扇10、涡扇10C、涡扇10D等型号,其中涡扇10A是专门为中国为赶超世界先进水平而上马的新歼配套的。


中国为加快发展涡扇 10系列发动机,采取两条腿走路方针。一是引进国外成熟的核心机技术。中美关系改善的八十年代,中国从美国进口了与F100同级的航改陆用燃汽轮机,这是涡扇10A核心机的重要技术来源之一;二是自研改进。中国充分运用当时正在进行的高推预研部分成果(如92年试车成功的624所中推核心机技术,性能要求全面超过F404),对引进的核心机加以改进,使核心机技术与美国原型机发生了较大变化,性能大为增强。这里说句题外话,网上有人说涡扇10是在F404 基础上放大而成,性能直逼F414,似乎也不无道理,因为核心机技术较多,不能单纯说由那一家发展而来。


结构 :


涡扇10/10A是一种采用三级风扇,九级整流,一级高压,一级低压共十二级,单级高效高功高低压涡轮,即所谓的3+9+1+1结构结构的大推力高推重比低涵道比先进发动机。黎明在研制该发动机机时成功地采用了跨音速风扇;气冷高温叶片,电子束焊整体风扇转子,钛合金精铸中介机匣;,挤压油膜轴承,刷式密封,高能点火电嘴,气芯式加力燃油泵,带可变弯度的整流叶片,收敛扩散随口,高压机匣处理以及整机单元体设计等先进技术。涡扇10A的制造工艺与 F100、AL-31F相似,十分先进,外涵机匣利用中推部分先进技术采用高性能的聚酰亚树脂复合材料,刷式密封,机匣所用材料与美制F414相似,电子束焊接整体涡轮叶盘,超塑成形/扩散连接四层风扇导流叶片,钛合金宽弦风扇空心叶片,第三代镍基单晶高温合金,短环燃烧室,收扩式喷口,全权限电子控制技术,结构完整性设计,发动机制造和设计十分先进,不亚于世界同类产品,采用三合一的多孔回流复合冷却先进技术,使涡轮叶片的冷却效果提高了二倍,而且耐5000次热冲击试验无裂纹发生。涡扇 10的涡轮叶片虽然是定向结晶的DZ125,但采用了我国独创的低偏析技术,其综合性能可以和第一代的单晶高温合金媲美。


涡扇10的性能为:空气进量 100kg/sec,涡轮前温度为1700-1750k,涡扇10加力风扇的性能的一些主要数据为如下:高、低转子的转速分转别是13 kr/min,16.2 kr/min,涵道比0.5,總增压比30,323 m/s和334 m/s,空氣流量M=100 kg/s,主燃烧室及加力燃烧室供油量分别为2.6 kg/s,2.85 kg/s。最大推力73.5kn,加力最大推力110kn。涡扇10装有无锡航空发动机研究所研制的FADEC。


涡扇10涡轮装置DD3镍基单晶高温合金涡轮叶片是确定的事,7.5末期的DZ-4是定向凝固高温合金。定向凝固高温合金藉由柱状晶的同方向凝固,将细长的柱状晶朝凝固方向平行涡轮叶片运转产生的离心力。但其最大缺点是,涡轮叶片有中空部分,某些部位壁薄,在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝,使得制造上受到限制。至于镍基单晶合金,在镍的Gamma固溶态中,有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态,只要将这种结晶单晶化,在定向凝固合金中,增加 Gamma基本态,提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的,DD3可能是第一代。


由于运用了高推预研的先进成果,涡扇10A的三级低压压比甚至比AL—31F的四级低压部分还要高,九级高压,压比12,效率85%,总压比、效率、喘震余度高于AL—31F,总压比与F110相似,达30以上,涡轮前温度为1747K,推质比为7.5(国际标准,非俄式标准),全加力推力为 13200千克,重量比AL—31F要轻。相比之下,AL—31F涡轮前温度只有1665K,推质比7.1(国际标准,俄式标准为8.17),全加力推力 12500千克;F110的涡轮前温度为1750K,推质比为7.57(国际标准),全加力推力为13227千克。总体比较,涡扇10A性能要远高于AL —31F,与F110相似。其定型时间为2003年,服役时间为2005年。


涡扇10性能如何?对其设计可说一无所知。但燃气涡轮研究院有几篇研究报告,提到三级压气机,应指LPC。至于级压缩比未知,608所研制的 WJ9用来取代Y-12上P&W的PT-6A-27涡桨发动机,其单级轴流压缩比是1.51。以此水准计算,三级LPC可获得3.44的压缩比, AL-31F四级LPC获得3.6(级压缩比1.377),印度GTX-35VS三级LPC为3.2(级压缩比1.474)。


叶片的三维黏流体设计,631所与西北工业大学研究水准不差。GTX-35VS(3 LPC + 5HPC)的TPR~21,AL-31F的TPR~24(4 LPC + 9HPC),F100-PW-100的TPR~25(3 LPC + 10 HPC)。最合理的推论是涡扇10的TPR约为在25。至于级数。


涡扇10装有无锡航空发动机研究所研制的FADEC,AL-31F为机械液压系统,F100-PW-129装有FADEC。


燃烧器确定是短环喷雾式,与WP-13比,其长度可减少1/2。


涡扇10涡轮装置DD3镍基单晶高温合金涡轮叶片是确定的事,7.5末期的DZ-4是定向凝固高温合金。定向凝固高温合金藉由柱状晶的同方向凝固,将细长的柱状晶朝凝固方向平行涡轮叶片运转产生的离心力。但其最大缺点是,涡轮叶片有中空部分,某些部位壁薄,在凝固时柱状界面之间容易产生裂缝,使得制造上受到限制。至于镍基单晶合金,在镍的Gamma固溶态中,有大量分散结晶构造稍为不同的Gamma基本态,只要将这种结晶单晶化,在定向凝固合金中,增加Gamma基本态,提高高温强度。镍基单晶合金基本上消除定向凝固高温合金的限制。F119的涡轮叶片是用第三代单晶作的,DD3可能是第一代。


单晶涡轮叶片的意义是能忍受更高的前涡轮进气温度。也就是说,单级高压涡轮与单级低压涡轮就足以产生足够的效率,推动压气机的运转。而不需要像 F100-PW-100一般,用二级高低涡轮。F100的后续系列因受限于基本设计,无法更动,只能不断完善部件效率,提高性能。印度GTX-35VS也是采单级高低涡轮,其叶片是用定向凝固高温合金,后续发展型才用单晶涡轮叶片。


涡扇10的旁通比,如果TPR为25,那么旁通比约在0.5与0.6之间。更低的旁通比,表示要压缩更多的空气,难度越大,除非增加级数。换言之涡扇10的高空高速性能比AL-31F有提高。


涡扇10的推重比高于8应该没问题,与AL-31F比,因为涡扇10有比AL-31F更有效的压缩机,单晶涡轮叶片比AL-31F的涡轮叶片更能忍受高温,引擎控制系统也比较先进。总之,涡扇10的压缩机用多少级来产生多少的总压比是判断性能的关键。


网上经常有人将涡扇10与涡扇10A混淆,其实两者之间有本质的区别,最大区别就是核心机的不同,当然空气流入量、涡轮温度、推比、推力都不尽相同。其中涡扇10的全加力推力比涡扇10A的要小,涡扇10早在九十年代中期,就在歼十与SU—27上试验,该机已于2000年定型。


涡扇10A于98年装在歼十上首飞,并进行过长达四十分锺的超音速试验,在2000年第一次装在SU—27上试验,在与AL— 31F混装试飞当中,曾发生空中熄火险情。目前,涡扇10A正随歼十的预生产型进行边试飞边定型试验,估计今年能够生产定型。


2003年1月出版的《解放军报》有一篇题为“中国空军‘三代战机’试飞纪实”的报道,透露了中国新型涡轮风扇发动机于去年6月试飞成功的消息,引起各方高度重视。文章称,在国产新型战机上的试飞,在我国尚属首次,不仅技术难度大,而且每个课目的风险也大。试飞那天,该试飞员的“坐骑”被人为安装了两个不匹配的发动机,一台是进口的、一台是国产的。……国产新型发动机的研制成功,不仅填补了我国发动机研制的空白,更为重要的是标志着中国的航空工业步入了世界发达国家的行列。最近又有来自航空系统的消息:“从3月25~27日召开的中航一集团燃气轮机工作会议上了解到,今年中航一集团发动机行业的工作重点是以涡扇10发动机定型试飞为主线,抓好重点型号研制……”


要了解涡扇10的性能,就必须了解其研制的背景、技术基础等情况。为此,先分析涡扇10产生的背景。据信10号工程是1984年启动,估计与之配套的涡扇 10应当也应该是启动于1984年。以中国当时的技术,要独立自主地生产一种先进的高推重比、高推力的涡扇发动机应是相当不容易。当时中国已拥有的技术有哪些?


一是涡喷-15,源于苏联的米格-23飞机,当时中国以20多架歼-6飞机从埃及换回了一架米格-23飞机,自然也掌握了其P-29-300发动机(中国编号WP-15),该机推力12500公斤,自重1923公斤,推重比6.5。二是从英国引进的斯贝军用发动机技术,推力9325公斤,自重1857公斤,推重比5.02。三是从美国引进的CFM-56民用发动机,推力10886公斤,自重2005公斤,推重比5.4。四是中国自行研制的WS6G发动机,推力14000公斤,自重2000公斤,推重比7。这几种发动机都在10000公斤级,重量也在1900-2000公斤左右,都可以做为涡扇10的核心机。这是还要特别介绍一个CFM-56民用发动机。


1 982年3月29日,美国《航空和空间技术周刊》刊登了发自华盛顿的一篇报道,标题是《中国等待批准向它出口CFM-56II型涡轮风扇发动机的许可证》。文章说:“中华人民共和国正等待批准向它出口两台CFM-56II型涡轮风扇发动机,然后再开始核准一项计划,根据这项计划,中国可能将更换它的多达30多架的霍克?西德利飞机公司生产的三叉戟运输机的发动机。……国防部官员对可能向中国出售CFM-56II型涡轮风扇发动机表示关切,因为这种商用发动机的核心技术,同罗克韦尔国际公司制造的-1轰炸机所采用的通用电气公司生产的F-101-GE-102发动机是相同的。正是由于可能进行这种技术转让,以及中国人可能运用逆工程技术取得把同样技术应用到其他方面的能力,所以国防部官员建议不要批准颁发出口许可证。”尽管有人反对,但在中美蜜月的 80年代,美国政府最终还是批准了这项计划。


在上述四种基本型发动机中如何选择核心机,可以有多种方案:一是在仿制P-29-300制成的WP-15上进行改进设计,由于是涡喷机费用应该最低,时间也最快,但技术较为落后,估计不会采纳;二是在掌握斯贝发动机技术的基础上,结合我国的技术,将其改型设计为12500公斤的发动机,但由于我国去年才完全掌握斯贝的制造技术,肯定轮不到斯贝做涡扇10的核心机。三是我国自行研制的WS-6,由于该机80年代中期就下马了,自然不在考虑之中。最后就剩下 CFM-56。该机全长2430毫米,直径1828毫米,全重2005公斤,最大推力10886公斤,总压比25,涡轮前温度1260度,推重比约 5.44,是当时一种比较先进的民用发动机(与之同时代的军用发动机F100-PW-100(F-15和F-16的发动机)全长4851毫米,直径 1180毫米,全重1371公斤,最大推力11340公斤,总压比25,涡轮前温度1399度,推重比8.27)。由于其核心技术与美国F-101-GE -102军用发动机相同,最可能成为涡扇10的核心机,该机可能有两个方案:一是仿制其核心机,在此基础上研制我们自已的涡扇10,但由于技术差距大,风险和投资均很大,还有一个很重要的原因,是建国以来,我国完全是走的一条仿制之路,缺乏自己全过程研制的经验,结合“昆仑”走自己全过程研制道路的情况来看,完全仿制肯定不受有关部门的支持。另一种就是在我国已有技术的基础上(已有研制推重比7的涡扇6的经验),借鉴CFM-56的部分先进技术和时间也会少于仿制CFM-56。因此,这最可能就是涡扇10的技术来源吧。


对涡扇10的评价,综合WS-6G和CFM-56的技术和该试飞员的“坐骑”被人为安装了两个不匹配的发动机的情况来分析,涡扇10的推力应大于AL- 31F的12500公斤,估计在13000公斤左右,推重比应在7.5以上,技术上相当于国际上70年代中期的水平。估计比F-16、F-15早期型的 F100-PW-100要好。从“昆仑”研制成功到短时间内又研制成功“昆仑II”的情况来看,涡扇10定型后,估计两年内又会研制出性能更好的涡扇10 -II,推重比会大于8,推力可能会达到14000公斤左右,其生产型的涡扇10-II可望达到国际上80年代中期的技术水平。


歼十定型后的发动机乃是涡扇10A,不是什么AL—31F,所谓进口AL—31FN之说,是为沈飞歼11生产之用。歼十装备涡扇10A后,无论空战推重比、载弹量还是飞机的机动性、灵活性方面,其综合飞行性能要大大高于装备AL—31F的歼十。今后,国产歼11也要装备涡扇10A,涡扇10A将成为我国歼十、歼11的标准发动机。涡扇10A经过严酷苛刻的国军标试验,其性能、寿命、可靠性要远远高于俄制标准的AL—31F, 606所再彷制AL— 31F已没什么意义。606所对涡扇10A的评价,涡扇10A的研制成功将使中国航空动力事业达到发达国家的八十年代中期水平,在中国航空发动机发展史上具有里程碑式的重要意义。


转台湾的消息:


大陆J10所采用的国产发动机,一直是网上争议比较多的。大陆的先进发动机计划,起源自70年代末80年代初的:高性能推进系统预研计划,简称高推。这个计划泛指推重比大于8的航空推进系统。后来的中等推力核心机研究计划。


(简称中推)是其中的一部分。现在大陆的各种先进发动机型号,以及相关研究都是起自于高推计划。J10真正配套的发动机是WS10A,WS10将是一个较大的发动机家族,除了J10用的标准型发动机10A之外,还包括大涵道比的运输机/商用机用的WS10;J11所有的10C发动机,差别与AL31F/AL31FN的类似;10A的增强型10D,10D的改进类似F110-GE-129到F110-GE-132的区别。之后还有诺干工业用船用燃气轮机的改进计划,自然下一代的大陆4代重型验证机的动力系统也由10D的某个改型担当。严格来说,WS10的技术来源并非大陆自身研制的,大陆真正完全靠自身力量完成发动机全部研制过程的,将是中推核心机和其后续计划。


WS10的技术也并非来自俄罗斯,而是80年代中美蜜月期,美国为了毁掉中国航空工业而作的两大杀招中的一步。美国在90年代公开扬言,他们对中国航空工业做出了两大“贡献”。1 通过和平典范工程,扶持J8II的改进,断绝了中国授权生产某机或与某国联合开发某更先进战机的可能。2 通过麦道的MD-82与大陆的合作,毁掉了大陆的Y-10计划而大陆的WS10的技术来源,正来源于与MD-82的合作。当年美国送给大陆两台以上CFM-56的核心机和验证机,后大陆称此机在大陆试验中发生大火被烧毁。很多人可能不了解CFM-56与现代战斗机用先进发动机之间的关系,CFM-56核心机其实是美国F101的民用版,F101发动机是GE原本用于-1A上的发动机,此机号称是由推比8系列所有核心机中最出色最有潜力的一款开发出来的。之后GE还在此基础上开发了F110发动机。


由于CFM-56的核心机和验证机都是由F101为基础直接改的,所以上面留有大量的军机发动机的特征,其价值非CFM-56的生产型发动机可比。大陆通过借鉴其的设计,开始在其基础上研制全新的先进发动机,这才是WS10的技术来源。当然在后来与俄罗斯的合作上WS10也帮大陆航发界争了脸面,才有后来的P2000的合作,也才交换到一些俄罗斯的优秀新技术。


96年J10原型机已经总装完毕,当时使用的WS10发动机的原型机,在地面滑跑试验中发动机起火,迫使预定试飞计划暂停1年多时间,改换采用AL31F。海外所说的J10坠毁一事来源于此。WS10出这样的事情是正常的,因为当时发动机还没有完成研制,除了H6专用的试飞平台外,WS10没有装机试飞过,由于当时中国没有任何一款自行生产的飞机能使用这种发动机,迫使大陆采取新机上新发这种极不科学的冒险做法。由于这次事故的影响,大陆之后确认引进AL31作为J10的初期阶段用发动机,要求俄将AL31FN的外部接口做的与10A一致,同样大陆日后的10C的外部接口也会和AL31F一致。WS10的技术性能参照F110-GE-129就可以了。


前面讲到CFM56的技术关键对于WS10的影响是很有可能,因为当年美国要和SNECMA合作输出F101的核心技术时还引起国务院以及CIA的关切,后来的协议是法国不可以去碰触任何和核心相关的资料,同时每一具发动机要付权利金20000美金。头八年CFM56没有一个客户,一度要被砍掉,高压段还得要重新设计。美国航空业还说该发动机的合作案是将美国的喷射发动机的技术拱手送出。因此从这一具发动机上面是可以学到不少新技术。


但是最后一句就差远了。F110是从F101来的没错,可是这两者还是有差不少。再者,CFM56后来还改过,改变的设计和F101改为F110的走向并不相同。F110-GE-129还是从早期F110-GE-100的IPE之后的型号。要说WS10的性能可以参考F110-GE-100个人认为比较接近,129的话就不太可能了。WS10技术来源从CFM56/F101来不假。但是大陆相关科研人员并没有照抄。对于CFM56/F101大陆仅是将其作为WS10的核心机,验证机来看待。在当时大陆在大推力发动机上已有一些经验来看:WS6/WS6G大陆相关人员已经解决了很多先进发动机制造工艺上的问题,而WS6的问题在于设计老旧,结构差,技术层次相对已经落后。


CFM56/F101给了大陆一个参考最先进发动机设计的机会。在发展自己的发动机的漫长过程时,以他们大陆科研人员研制的心态来看,他们在做出WS6/WS6G这种70年代早中期水平的发动机之后,没有必要再用20年仿制一种性能差不多的发动机。他们必定要在一个好的基础上加以改进,以求做出更好的产品。不说大陆,就在台湾,很多地方科研人员也有这样的进取心。没有必要小看大陆科研人员的进取心和做事能力。以大陆628所的信息收集能力来看,大陆当时必定对当时还没正式公开的F110-GE-129有比较多的了解,他们的研制也必定是追求这种80年代末90年代初的技术水平,而不会满足于F101。此外,就我目前所收集到的各种资料都显示。WS10的技术层面确实相当高,主要技术指针都和F110-GE-129相当和略超。


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