枭龙之心:中国曾打算引进美制PW1120发动机

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四种国外发动机的对比


超7当初的设计考虑就是为了弥补歼7的不足,满足巴基斯坦对先进战斗机的需要。为了适应这一需要,美英发动机生产商也拿出了各自的方案。但对于“佩刀”Ⅱ及后来由歼7的机头进气改用两侧进气的超7来说,前文所述的涡喷7乙发动机推力已经不能满足要求。事实上,当时中国另一种机头进气改两侧进气的战斗机歼8Ⅱ也已经更换了发动机,由涡喷7甲改为涡喷13A II。但就其性能水平而言,涡喷13的推力还远远不能满足超7的需要,巴基斯坦显然也不会对其产生兴趣。而80年代正是中国和西方关系最好的蜜月期,超7选用西方动力也成为中巴两国的不二选择。


1987年初,美国普拉特·惠特尼公司的国际项目主任斯蒂芬·哈金斯率团到北京参加座谈会,提出了三个方案供中巴选择:


PW1120 这是一种连续放气式涡喷发动机,是F100涡扇发动机的改型。普·惠公司当时研制PWll20,主要是考虑与F404和RB199发动机的推力增大型竞争下一代战斗机的动力,因此为了减小研制风险,选用了F100的核心机进行研制,两者有60%的部件可以通用。以色列首先于1981年决定采用PW1120作为其新型“狮”(Lavi)单发战斗机的动力装置,取代曾考虑过的F404发动机(事实上,F404也是超7考虑的第二种动力)。理由是PWll20的推力比F404大1800公斤,有利于提高“狮”的作战性能;另外考虑到通用性问题,以色列已经采购配装F100的F-15和F-16战斗机,所以选择PWll20作为“狮”的动力是最明智的决定。


除此以外,当时的F4战斗机也考虑后继型号选用PWll20。F-4的标准动力装置是50年代研制的J79发动机,虽然其性能很好,而且配装了多种战斗机和攻击机,但确实已经老迈,无法满足20世纪末的空战需求。PW1120恰恰能弥补J79在推力上的不足,满足F-4的增推需求。就性能来看,PWll20相比J79长度短了1.3米,因此可以装在F4的发动机舱里;加力推力增长15%,不加力推力增长14%;重量减轻26%,推比增加了55%;加力耗油率降低5.6%,不加力耗油率降低5.0%。


PW1120的主要设计特点是:①低压压气机的设计采用PW1128发动机和普·惠其他验证发动机上的机械和气动技术,与F100风扇设计的主要不同点是电子束焊的钛合金盘鼓转子、低展弦比叶片(部件试验证明,其级增压比和级负荷虽都有提高,但叶片强度仍能满足要求)、静子结构及一个减少零件数量的整体机匣,并全面改善了低压压气机的可维护性。与F100相比增加了失速裕度,在整个飞行包线范围内移动油门杆不受限制;为保证飞行安全,低压压气机的机匣设计成对全部叶片有包容能力;低压压气机的可维护性特点是拆下进气道后就可以从前面拆卸、更换低压压气机静子和转子叶片,而不需要从’发动机上拆下整个低压压气机。


②低压涡轮。由于PW1120涵道比减小,其进口空气流量大约减少到F100的75%,因此PW1120可以去掉第二级低压涡轮并减少零件数量。无冷却的低压涡轮盘、工作叶片和导向叶片使用了与F100发动机相同的材料,并使冷部件的寿命达到4000小时,热部件寿命达到2000小时,与通用的热端部件4000TAC相符合。工作叶片和导向叶片分别采用PW1142定向凝固合金和INl00镍基合金,为保证飞行安全,低压涡轮机匣设计成能包容全部叶片。


③加力燃烧室和喷管。PW1120涡轮喷气发动机为单股流加力,与F100的双股流混合加力(即内外涵混合加力)相比,其加力燃烧室和喷管结构简单而且重量轻,长度也有所减少。PW1120采用了普通的“V”型槽火焰稳定器和5圈径向间隔喷油环构成的分区供油系统,以获得均匀的燃油浓度分布。喷油环的几何形状和连续供油的调节,使加力响应时间和分区转换时的压力突升峰值减至最小。单个“V”型槽火焰稳定器包括整体的辐射状内部和外部辐式稳定器,并以最小的阻塞使加力燃烧室效率达到最高。从内槽尾锥体的支撑给火焰稳定器以必需的稳定性,以抵抗不对称气动载荷,并对高频和低频起振动阻尼器的作用。为提高安全性,PW1120发动机安装了双重点火系统和点火检测器,不仅提高可靠性,而且还提供了满足每个点火器需要的局部点火油气比:一个最适合于海平面点火,而另一个则最适宜于高空低马赫数状态点火。


点火检测器能够防止由于延迟点火或加力燃烧室熄火之后,再点火而伴随产生的高压力突升。点火检测器在发现加力燃烧室不点火时即终止加力燃烧室供油,并将发动机恢复到中间推力状态。在熄火情况下,不需要飞行员任何动作,自动切断加力燃烧室供油;发动机恢复到中间推力状态后再恢复加力状态。PW1120为可调收敛一扩散喷管,与F100发动机相比,其喷管长度短、结构简单、重量轻。收敛和扩散喷管面积的变化由3个F100型发动机的球型-螺杆气动马达作动器,沿槽形轨道驱动同步收敛调节片的收放来实现。无冷却的外部扩散调节片有收敛调节片牵动,使预定的面积比随收敛喷口的位置变化。


④主燃烧室与F100的基本相同,但采用涡流嘴式燃油喷嘴,改善了燃油雾化质量,提高了燃烧效率,并采取增强冷却效果的措施。


⑤高压涡轮采用单晶叶片代替F100的定向凝固叶片,第一级叶片采用莲蓬头式冷却方案,以改善冷却效果和延长寿命;第二级导向器加强了冷却以降低热应力,第二级叶片也作了适当改进,整个高压涡轮部件的耐久性比F100有所提高,达到2500次循环。为F100研制的新涡轮部件同样可应用到PW1120上,据称可将涡轮寿命循环提高到5500次。


⑥由低压压气机连续引气15.5%,这股气流经燃烧室机匣、涡轮机匣、加力筒体和喷管外壁排出,对上述部件进行冷却。PWll20之所以称为连续放气式,即由此得名。上述改进不仅可以使PWll20在与F100相同的最高温度下工作,而且在飞行包线的大部分区域内其工作温度低于F100,但性能指标未降。这不仅延长了发动机使用寿命,还降低了寿命故障率、减少了维护费用。新发动机还将继续从执行中的F100发动机部件改进计划中获得收益,进一步降低寿命期费用。


PW1120发动机具有较大的中间推力,可在非加力状态下完成大部分典型的战斗任务。由于此推力状态下的耗油率较低,因此飞机作战半径和航程相应增大。应该说PW1120是相当不错的动力,推力相当大(达到9360公斤力),而且推重比也高(达到7.26),即使以今天的眼光来审视也是一种相当优秀的发动机。在当时而言,能和这种发动机媲美的也只有苏联的AL-2l和P-29,虽然后两者的推力较大,但推比明显和PWll20不在一个档次上。时至今日,能与其相提并论的涡喷发动机也只有“昆仑”Ⅱ发动机及其改型,而且后者在涡轮叶片上采用的只是定向凝固合金,PW1120在20多年前就采用了单晶合金。两相权衡,PWll20无愧于涡喷发动机的巅峰之作。就装配于超7而言,由于PWl 120的空气流量是81公斤/秒,而超7的原型歼7是机头进气,其发动机涡喷7的空气流量是64.5公斤/秒,显然进气流量不匹配,总压恢复系数只能到0.8~0.85。因此,超7必须采用两侧进气,这样总压恢复系数才能达0.95;同时采用PWll20,就要对超7的中后机身作较大改动,头部还需增加135公斤的配重平衡燃油系统的变化。在中方当时还无力对超7气动布局采取较大改进的情况下,采用美方这个方案虽然花钱较多,但性能改善明显。其实,美国似乎无意将如此先进的动力提供给中国,即使提供,要实现国产化对中国来说也是漫漫长夜。事实上,中国本也打算引进仿制该型发动机,相关飞机研制单位也打算研制采用双发PW1120的战机型号。但就“昆仑”的研制进程之长和国际政治关系变幻莫测的情况,选用PWll20对美方和中方来说是否可行,还要打上一个大大的问号。


F404涡扇发动机该型发动机是美国通用电气(GE)在上世纪80年代初定型的一种中等推力双涵道双轴小涵道比加力式涡扇发动机,其原型可以追溯到60年代开始发展的F101发动机(被B-1B轰炸机所采用,核心机为GE9)。GE将该发动机缩小成为GEl5,又由GEl5发展为连续放气式的涡喷发动机YJl01。GEl5最初的加力推力为5896公斤力,后经改进其加力推力提高到6403公斤力;而YJl01的加力推力则为6803公斤力。两种涡喷发动机均为3级低压、7级高压,压比25,涵道比0.25。当时诺斯罗普公司最早想把GEl5应用于P530,后又将其发展型YJ101应用于YF-17战斗机。由于YF-17与YF-16竞争失败,后其进一步发展型F404被麦道公司用于F/A-18“大黄蜂”战斗机。 1975年1 1月,通用电气公司与美国海军签订了全面研制F404的合同。1977年1月首台运转,1978年6月完成飞行前规定试验,当年11月装机试飞,1979年12月F404-GE-400通过定型试车并批准投入生产,1980年1月交付第一台生产型发动机。


F404的高压压气机、燃烧室和高压涡轮与YJl01相同,风扇、低压涡轮和加力燃烧室稍许放大。就其风扇实质而言,就是YJl01发动机3级低压压气机的放大,涵道比由YJl01的0.2提高为0.34,涡轮进口温度提高10℃,发动机推力比YJ101增加约17%。


在研制F404时,美国海军根据以往使用经验,突出了可靠性和维修性要求。据此,通用电气公司改变了过去强调性能而忽视可靠性和维修性的作法,把作战适用性、可靠性和维修性放在首位,采用经过验证的最新技术,不追求过高的性能指标,注意保持发动机结构简单、费用合理和减少风险。这种作法对F404的顺利研制成功和赢得市场起了重要作用。


F404由6个单元体组成,左、右发可以互换,采用了状态监控措施,因而维修性大有改善。在气动设计上,F404高压压气机的喘振裕度高达25%,在海军航空推进中心的高空台上用两种方法考验了高压压气机抗压力畸变和温度畸变能力,即经过畸变网格和进气脉动加温试验及随机频率发生器的试验。由于F404与飞机采用分离附件机匣设计,装在飞机上的辅助传动系统(AMAD)单独传动燃油泵、液压泵和发电机。飞机与发动机只有11个接头,换一台发动机只需21分钟。


从空气流量来看,F404-GE-400的流量恰好与涡喷7相吻合,而推力又远大于后者。就当时正在研制的涡喷13而言,其单发型涡喷13F的流量为66-67公斤/秒,后来的涡喷13FI在68~69公斤/秒;即使最新研制的“昆仑”发动机,其空气流量也只有67公斤,秒,“昆仑”Ⅱ的空气流量更高,大致为68~69公斤,秒。就单位迎风面积推力来说,F404的推力很大而涵道比又很小,几乎可以说是接近涡喷发动机。F404的原型——GEl5和YJl01也是涡喷发动机,当时考虑作为J79涡喷发动机的后续发动机,在高压涡轮上也采用了气膜加空气冲击冷却及定向凝固叶片。就增压比来说,F404远远高于当时中国所有在研和在役的发动机。当时如果选择F404作为超7的动力是比较合适的,后来中美合作的“和平珍珠计划”中也想采用该型发动机改进歼8Ⅱ战斗机。如果超7和歼8Ⅱ采用同一种动力的话,那在发动机通用性以及维修便利性方面都是不无裨益的。即使就当时航空工业部门的想法而言,能引进F404并能够加以仿制的话,无疑是雪中送炭。先进的第三代战斗机动力装置不是涡喷7之类的发动机所能比拟的,但后来的事实证明,国际政治关系始终是决定超7动力命运的无形绳索。最终,F404方案没有成功。


PWl216 该发动机加力推力7425公斤,最大推力5400公斤,推重比6.6,单价1 30万美元。PW1216发动机是在PWl212基础上研制的双轴加力式涡喷发动机,是1962年研制的A-4攻击机非加力发动机J-52的改进型。普·惠公司为参加“佩刀”II的竞争,提出在PWl212发动机基础上配用涡喷7BM或涡喷13发动机的加力简体及相应系统,构成PWl216,以满足巴空军的需求。该发动机总寿命可达8000d~时,飞机进气道与机身无需作任何改动。普·惠公司认为该发动机具有很强的竞争能力,除参加座谈会外,还讨论了与中国联合生产以及与成飞公司协调了PWl216发动机装在歼7PC上的技术方案。笔者手上关于PWl216的资料并不多。不过,既然是J52的加力改进型,不妨先分析一下J52。


J52(普·惠公司编号为JT8)最早是为空射导弹研制的,后来在美国海军的攻击机和战斗机上找到了用途。普·惠公司于1955年开始从海军取得研制J52的资金。第一代J52,即J52-P-3于1955年12月首次台架运转,1959年装在北美罗克韦尔公司制造的“猎犬”式空射导弹上首次飞行。自那时起,为适应拟装飞机更大推力的要求,前后研制了J52-P-6/P-408/P-409等不同型别。从J52-P-3发展到J52-P-408,发动机外廓直径没有变化,长度增加不到40毫米,重量仅增加78.5公斤,推力却增大了50%。J52系列具有起动迅速、维护简便、使用泼辣等优点。在70年代,该发动机在美国海军喷气发动机中的使用效率最高,每月的单台飞行时数超过了海军当时所用的其他任何发动机。配装这种发动机的A.4M曾创造了1小时之内和1日之内拦阻着舰次数最高纪录。


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