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国产最新型涡喷14发动机又称昆仑


技术突破——涡喷13


上世纪70年代末80年代初,我国从埃及获得了米格一21MF和配套发动机P-13,并打算加以仿制。但由于材料与工艺上的原因,最后结合涡喷7系列的特点参照研制成功了涡喷13系列发动机。当时涡喷13主要是为了配装参照米格一21MF仿制的歼7Ⅲ战机,其次才考虑到歼8的大改需要,作为其后续改进型号的动力装置。涡喷13的设计研制工作1978年开始,1987年结束,历经10年。研制过程中共制造19台发动机,总运转2500小时以上。1984年12月至1985年1月通过了150小时设计定型国家鉴定试车,1987年8月在跨国飞行试验研究院完成了设计定型试飞,1988年2月国家批准设计定型。首翻期150小时。


涡喷13主要在涡喷7的基础上改进设计了压气机,增大了空气流量、扩大了发动机的稳定工作裕度。而且在压气机部件上应用了钛合金,减轻发动机重量;各部件、系统的结构也有所改进,使发动机的使用可靠性、耐久性和操纵灵活性大为改善。 


从结构上看,相比涡喷7系列,涡喷13的高压压气机增加2级,压比也增加到9;依然采用环管形燃烧室,相比当时流行的环形燃烧室落后不少;在涡轮叶片上采用比较先进的无余量精铸工艺,材料为定向凝固合金;加力燃烧室的火焰稳定器采用高歌教授提出的沙丘驻涡技术。可以说涡喷13代表了当时中国航空发动机制造的最高技术,但相比美俄采用的单晶涡轮叶片、粉末冶金涡轮盘等技术而言还是落后不少。

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之后,黎阳公司又在涡喷13的基础上改进研制了涡喷13B系列发动机。该发动机的研制始于1991年,1995年进行性能摸底试车,当时达到的加力推力为68.65千牛(7吨),不加力推力达到47.56千牛(4.859吨),整机重量为1.28吨。1996年春节过后,涡喷13B发动机在高空台用了2个月的时间进行10次高空模拟试验,4月12日返回黎阳进行150小时长期试车的考验,1999年被军方列为重点型号,2002年6月16日进行全寿命考核长期试车,2003年定型 涡喷13B已经发展出数个改进型号:涡喷13BⅡ属于增推型号,推力约为7300公斤.涡喷13FⅡ为适应性单发改型,1997年8月顺利通过地面试车,1998年6月8日配装歼7FS首飞。从性能来看,该型发动机最大状态推力提高了14.3%,加力推力提高了8_3%,推重比提高了8.3%,发动机最大耗油率保持或低于原型发动机,加力l状态耗油率与原型发动机相比降低4.5%。 应该说涡喷13B的推力指标还是不错的,但问题在于推比还是过低,实际推比也就在6左右,油耗也难以满足超7对大航程的需求。


跨越颠峰——涡喷14


1984年,沈阳航空发动机研究所为了满足歼7和歼8系列战机改进型号对发动机推力增长的要求,开始研制涡喷14发动机,这是中国人独立研制航空发动机的开始。1986年沈阳航空发动机研究所完成验证机阶段工作,转入型号研制。在研制过程中,作为中国第一款贯彻国军标的发动机,沈阳航空发动机研究所为涡喷14发动机付出了辛勤的努力和劳作。该型发动机1993年开始装机试飞,并于2002年定型,代号“昆仑”。“昆仑”发动机的研制成功对于中国航空动力来说是一次跨越,正是因为有了它,中国才能成为世界发动机生产大国的五强之一。可以说“昆仑”发动机是中国航空动力一块坚实的地基。

涡喷14“昆仑”发动机选用了涡喷13发动机的3级低压压气机和缩小的“斯贝”发动机前7级高压压气机的叶片造型。另外,根据涡扇6以及涡喷15等发动机的经验,设计出燃烧室、高低压涡轮和加力燃烧室等部件。研制初期,高低压压气机的不匹配成为最大的一道难关,最后设计出新的第四级低压压气机才解决了这个问题。研制过程中,高压涡轮叶片根部断裂的问题也十分突出,在1987底至1998年初的试车中,就出现了类似问题。由于“昆仑”发动机在国内首次采用了定向凝固无余量精铸复合空心冷却涡轮叶片技术以及气膜冷却技术,之前虽然有这方面的研究基础,但还没有工程应用经验。断裂故障的发生就是由于叶片根部壁厚超差、气膜孔再铸层微裂纹及孔边锐角形成疲劳源等综合因素造成。原因找到后,运用改进创新工艺、严格控制操作规程和无损检测等措施,使这一重大技术难题得到圆满解决。经过5000多次冷热冲击循环试验,叶片完好无损。此后通过大量考核,证明故障原因分析正确、排故措施有效,终于摘下这颗“王冠上的明珠”。

进入空中试飞后,随着试验环境的改变、试验项目的增加和试验难度的不断加大,以及对发动机研制规律认识方面的不足,发动机先后出现了管路渗漏油、空中滑油消耗量大、舱温高等问题。以后随着飞行包线范围的扩大,又出现了部分加力脉动、加力点火成功率低、高空大速度飞行喘振停车、高空小速度切断加力停车等十几项重大技术问题。

与此同时,研制人员还按国军标的要求作了几百项试验,如滑油中断试验、电源故障试验、超温试验、输油管路着火试验、吞入大气中液态水试验等,都比实际飞行使用的条件苛刻。不少试验在我国是首次进行,甚至连试验设备都没有,只能先从设计试验设备入手,接着制造、调试,有的仅设备调试工作就要花好几年时间。设备调试完成后,要进行试验,但国内尚没有掌握试验技术,国外则严格保密,在资料上不可能查到,还要进行试验技术的研究。有的试验开始前就要经过2~3年的先期准备,所以原型机研制时间就比较长。就拿滑油中断试验来说,国军标的要求是最高转速时滑油中断30秒,发动机不出现任何损坏,而实际要做到这点是相当难的。俄罗斯AL一31F发动机也只能做到中断17秒,最终我国的研制人员还是成功了。


1997年底在高空大马赫数试飞中,“昆仑”发动机出现喘振停车故障。总部机关成立以发动机总师严成忠为组长的联合攻关组。严成忠仔细查阅分析数以千计的试飞数据,从纷繁复杂的数百条曲线和壁面静压分布中,找出了末激波的位置,确定进气道的工作状态,计算出进气道与发动机的调整量。在联合攻关组会上,他详细分析了故障现象、物理本质和原因,并提出了具体排故措施,但部分同志有疑虑。为了尽快统一认识,决定首先对“昆仑”进行喷水逼喘试验,进一步验证发动机的喘振裕度。1998年新年前夕,严成忠飞回沈阳。他办的第一件事就是组织力量日夜赶班设计和制造喷水逼喘试验设备,从设计、加工到安装调试结束,原来说需要3个月,结果只用了18天。


虽然“昆仑”发动机的研制最终胜利完成,但18年的研制过程太长了。就80年代的超7战斗机而言,选用“昆仑”发动机显然可望而不可及。即使时至今日,考虑到涡喷发动机的耗油率问题,“昆仑”发动机还是无法满足要求。对发动机的急迫需求,使中国航空人的眼光瞄向了国外。