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涡扇发动机是在涡喷发动机的基础上加装风扇和外涵道的一种新型航空动力装置。由于这种发动机较涡喷发动机具有推力大、耗油率低、噪音小及使用寿命长的特点,从20世纪70年代开始就已逐步取代涡喷发动机,成为了新型战斗机的标准动力装置。因此,世界上性能先进的三代及四代战机上装备的全部是涡扇发动机,是否装有涡扇发动机成为衡量是否为三代机的一个重要标志。我国研制涡扇发动机的时间并不晚,在研制多种涡喷发动机的同时,就已开始了多种涡扇发动机的研制工作。但由于种种原因,最终研制的大部分型号几乎全都没能最后完成,成为我国涡扇发动机研制中无法弥补的遗憾。《国防报》微信公众号:guofangnews首发

一、涡扇5发动机

涡扇5是我国研制的第一种涡轮风扇发动机,1962年,有关部队提出用涡喷6发动机改型为涡扇发动机来改装轰-5飞机。当时涡扇发动机已是航空动力的发展方向,各国都在加紧研制各自的第一代产品,我国与世界同行站在了同一条起跑线上,也跟上了时代的变化。之所以用涡喷6为原型进行改进设计,主要是想使研制工作在时间及技术上得以简化,保证研制工作的成功。1963年1月,沈阳航空发动机设计所提出了改型方案,并被命名为涡扇5发动机,随后开始了全面的设计研制工作。

与涡喷6相比,涡扇5取消了加力燃烧室部分,增加了后风扇部件,去掉了压气机放气装置,增加了零级导流叶片等。改型后,发动机的性能有了很大提高,与涡喷6相比,发动机的最大推力提高到了35. 3千牛,耗油率下降了30%。由于压气机的效率提高和耗油率下降,如果将其装在当时的轰-5飞机上的话,其航程和作战半径可分别提高30%和24%,发动机的工作范围更大,起动加速性能更好,飞机的综合性能将会有很大的提高。

涡扇5的第一台样机于1965年总装完成,在随后的调试过程中,出现了由于振动导致风扇叶片根部裂纹的故障,经工厂技术人员攻关,在1965年7月解决了这个问题。1966年进行了最大推力和耗油率的测试,均达到了设计指标。1970年通过了长期试车考核。1971年开始整机试飞阶段,一架轰-5飞机上装一台涡扇5发动机,开始先进行跑道滑跑试验,证明发动机的状态良好,没有出现任何问题。但就在即将进行升空试飞时,使用部门却取消了轰一5飞机换装发动机的计划,从而使涡扇5发动机的研制工作在1973年中止了。

涡扇5的研制工作虽最终没能完成,但在超、跨音速风扇设计、压气机可调叶片技术和叶片调节器等关键设计上有了突破性的进展,在以后研制的多种发动机上得到了广泛的应用。涡扇5的中比研制,使我国自行设计的涡扇发动机的装备使用推迟了近30年,实在令人惋惜。

二、涡扇6发动机

1964年,我国开始了新一代歼击机和强击机的研制工作,即歼一9和强一6的研制计划。为了满足这两种飞机的性能要求,需要一种新型发动机作为其动力装置。沈阳航空发动机设计研究所提出了双轴涡喷、单轴涡喷和涡扇三类共22个设计方案进行对比,认为只有涡扇型可以满足这两种飞扫L的性能要求,遂将其命名为涡扇6型发动机。这也是我国第一次设计大推力发动机,其设计为双轴内外涵混合加力式涡扇发动机,设计最大推力70. 6千牛,加力推力121. 5千牛,推重比为6,在当时来说是一种性能十分先进的大推力发动机。

涡扇6于1964年10月开始进行初步设计,1966年完成了全部图纸设计。1966年初开始由沈阳航空发动机厂进行样机试制,1969年完成了2台试验机的制造工作。涡扇6的初步调试在1968年就已开始,整个调试工作包括运转试车、性能调试、持久试车、高空台及飞行台试验、国家定型试验等5部分。在五年多的运转调试期问,先后解决了压气机部件性能差和高压压气机喘振裕度小的问题、起动及中转速喘振等故障。1974年,发动机达到了100%转速,进入高转速运转试车。但此时又出现了高压转子振动大、高转速喘振和涡轮前温度超过设计值等问题。1979年11月,所出现的各种问题相继被解决,发动机实现了高转速长时间稳定运转。

1980年,涡扇6开始进入性能摸底试验阶段,试验中所得到的最大推力、耗油率均达到或超过了设计指标,1981年进行了加力燃烧室试验,发动机加力推力达到了123. 5千牛,达到了加力状态的设计性能。1973年,由于歼一9飞机的设计指标进行了修改,性能有了进一步的提升(达到了双2. 5,即升限2. 5万米,速度2. 5马赫),加之为满足1976年上马的歼一13飞机的研制需要,1980年又拟定了对涡扇6发动机的改型方案,即涡扇6G。改进工作主要是在保持原发动机外形尺寸小变的情况卜,将发动机的最大推力增加到138. 2千牛,最大推力提高到83. 3千牛,推重比提高到7. 0,性能比涡扇5有了很大的提高,并且在可靠性、维护陛及耗油率方面保持不变。1982年2月,首台涡扇6G进行了地面试验,实测其最大推力和加力推力均达到预期指标,可以进行实机飞行试验,为其进一步发展铺平了道路。

然而,在80代初期,由于空军装备体制发生变化,歼一9和强一6飞机计划相继下马,作为其配套动力的涡扇6失去了使用对象。1983年7月,涡扇6发动机的研制工作全部中比,1984年初,研制计划被取消。这一种性能优秀且很有发展前途的涡扇发动机再次被取消研制,使我国又一次与涡扇发动机失之交臂,再次错过了缩短与世界先进水平差距的机会。《国防报》微信公众号:guofangnews首发


三、涡扇9发动机

它是我国70年代中期根据从英国罗尔斯?罗伊斯公司购买的“斯贝”MK202型涡扇发动机的生产许可证生产的一种中等推力发动机,也是我国第一种从西方国家以许可证方式引进的发动机,提高了我国航空发动机的研制水平。70年代,我国航空发动机工业受到“文化大革命”的影响,这个时期所生产的航空发动机的质量明显下降,性能上与当时的国际先进水平相比存在着很大差距。对这种不利的状况,周恩来总理在8月份召开的航空产品质量座谈会上语重心长地指出,“飞机的关键在发动机,发动机是心脏,心脏不好,问题不解决,何以打仗”。

周总理的话一针见血。会后,全国包括航空发动机厂在内的航空制造单位开始了全面的质量整顿,以保证现阶段研制生产的航空产品的质量要求,并考虑从国外引进先进技术的问题。从当时的国际环境看,要从国外航空发达国家引进先进发动机是有很大困难的,直接引进较先进的军用航空发动机的可能性较小。

1972年,我国开始与英国接触,讨论引进其“斯贝”MK511型民用涡扇发动机的可能,并考虑引进后再在其基础上发展出自己的军用型涡扇发动机。1974年,双方进入了实质性的谈判阶段,出人意料的是,英方主动提出可以直接向我提供“斯贝”MK511型的军用型“斯贝”MK202型发动机的生产许可证,这对于我国无疑是一个意外的惊喜。1975年12月13日,中、英双方签订了“斯贝”MK202型发动机的引进合同,中国可以按许可证在国内生产组装该型发动机。“斯贝”MK202型是英国在60年代中期研制的一种性能较为先进的涡扇发动机,长5025毫米,直径1093毫米,重1850千克,最大推力54. 5千牛,加力推力91. 1千牛,推重比5. 05,最大军用耗油率0. 684千克/牛?小时,最大加力耗油率2. 0千克/牛?小时,涵道比0. 62,与当时国内的涡喷发动机相比,具有推力大、耗油低、可维护性好、使用寿命长的特点。英国在70年代初用该型发动机换装了从美国引进的F4K战斗机上的J59涡喷发动机,美国也引进了该型发动机的制造权,经改进后用在A-7攻击机上。

“斯贝”MK202引进后,由西安航空发动机厂负责试制生产,国内称其为涡扇9发动机。为了保证研制工作的顺利进行,国家组织相关单位对引进的技术资料进行了详细的翻译校核,对生产工艺制造方而也给予了很大的帮助,并为工厂的设备改造划拨了专项资金,对工厂的加工生产装配工艺进行了大量改进,并引进了一批性能先进的生产加工设备,从而使西安航空发动机厂的发动机制造水平达到了世界70年代中期的先进水平,缩短了我国航空发动机制造业与世界先进水平的差距,使随后的生产装配工作得以较为顺利的进行。

西安航空发动机厂从1976年开始涡扇9发动机的全面研制工作,先后攻克了76项关键技术。其中,与航空工艺研究所合作研究的钛合金热成型技术使涡扇9的工艺比“斯贝”MK202发动机所规定的工艺更为先进独特,充分体现出中国人的聪明才智。1979年10月,2批4台涡扇9发动机装配完成,同年12月,中英双方共同完成了150小时的持久试车考核。1980年2月到5月,又在英国进行了长达3个月的高空模拟试车、零下40度条件下的起动试车及5大部件循环疲劳强度试验,结果全部符合技术要求,达到了英国“斯贝”MK202发动机的技术性能水平。至此,涡扇9发动机的研制工作已获得圆满成功。《国防报》微信公众号:guofangnews首发

涡扇9发动机的研制成功,不仅使我国拥有了一种性能先进的中等推力涡扇发动机,还使我国在航空发动机的制造水平上达到了一个全新的高度。就在涡扇9的研制工作紧张进行时,其所配套飞机的研制又一次出现了问题,以致引进的数十台“斯贝”MK202发动机被迫长期处于停产及闲置状态,也使涡扇9的进一步试制生产几乎再次面临中途天折的命运。好在这次没有再次错过难得的机遇,到了1984年,随着新国防战略的制定,我国急需一种攻防兼备的远程飞机,要求具备歼击机和轰炸机的双重功能。这时,曾被一度中止的歼轰一7飞机的研制再次启动,并被列为国家重点项目加快了研制速度,为其配套的涡扇9的研制工作也得以“柳暗花明”。

随着歼轰一7飞机研制生产的顺利进行,当初引进的数十台“斯贝”MK202也被用到了第一批生产的飞机上。随后,为满足歼轰一7未来生产改型的需要,西安航空发动机(集团)有限公司在90年代初期又开始进行涡扇9的全面国产化工作,标志着涡扇9发动机进入了一个全新的阶段。经过西航集团公司五年的努力,1995年11月,部分国产化的涡扇9发动机顺利完成150小时试车,性能完全符合技术要求。但此时涡扇9的国产化率只达到了70%,仍有一部分设备不能生产。因此在1999年下半年,涡扇9发动机全面国产化工作启动,西航集团公司以航空报国为己任,狠抓质量和管理,先后攻克了精铸(锻)无余空心量叶片、数字式电子控制系统等一系列技术难关,为涡扇9发动机全面国产化扫清了障碍,确保了总装需要。西航集团公司总装人员仅用了20天时间就按要求完成了总装任务,在成功进行两次冷运转后,于2000年底一次成功点火启动;随即开始的150小时工艺试车于2001年初圆满结束,试车检验结果表明各项性能及技术指标均达到试车验收标准,国产化的涡扇9发动机被重新命名为“秦岭”发动机。2002年6月1日上午,凝聚着西航航空人无数心血和汗水的“秦岭”发动机首飞成功;经过几十个架次的科目飞行,2003年7月,“秦岭”发动机国产化工程在西安通过技术鉴定。

中国航空发动机的研制(下)



经验与教训

半个多世纪以来,我国的航空发动机制造业取得了举世瞩目的伟大成就,不仅在一片空白的基础上建立了一批科研试验基地和可观的生产能力,试制、改型、研制、生产了一大批多种型号的喷气发动机,基本上满足了我国战斗机配套的需要,同时还培养和锻炼了一支具有较强研发能力的科技队伍,取得了宝贵的实践经验,为在新世纪发展新型航空发动机、进一步缩小同世界先进水平的差距、更好地保证我国新型作战飞机的研制工作打下坚实的基础。

90年代以前的近40多年的时间,是我国航空发动机制造业教训极为深刻的一段发展时期,这其中既有政治上的因素,也有资金上、技术上的因素。一些本来可能研制成功并装备部队的发动机型号中途下马,使得我国海空军装备的战机在进入新世纪后仍以涡喷发动机这种较为落后的动力装置为主,严重影响了我国海空军航空兵现代化作战能力的提高。

回顾这段时期所走过的一些弯路,其中主要的问题体现在以卜几个方面:其一,缺乏稳定的长远规划,计划多变不定,不能量力而行,研制工程中途停止,技术经验不能得到有效的积累,产品性能难以提高。其二,科研试验条件建设滞后,试制加工能力及科研经费不足,使一些新机型的研制工作明显被拖慢。其三,对航空发动机的发展特点及其规律性认识不足,特别是对航空发动机应作为相对独立的制造业这一点缺乏足够的认识,常常把发动机的研制工作从属于飞机的研制,这对我国航空发动机的技术发展是极为小利的。像50年代研制的涡扇5, 70年代研制的涡扇6及其改型就是由于所配套的飞机研制计划被取消而中止了研制。如果当时能将两者的研制工作坚持做下来,可以说,我国航空发动机的现状绝不会处于这种不利的处境。一般来说,航空发动机的研制周期较长且复杂程度一般都较大,如果在飞机研制的同时才开始发动机型号的研制,是无法满足飞机研制进度的。而等发动机研制出来后,飞机的性能可能随着时间的推移而已显落后,可能需重新设计,这必然又要使整个飞机的研制方案长期难以确定下来,以致陷入十分被动的境地,最终的结果很可能就是取消整个飞机及发动机的研制计划。最好的例证就是我国歼一7、歼一8飞机及各种改型的研制,由于其所配备的涡喷7系列和涡喷13系列发动机之间多少具有些继承性,研制速度较快,飞机的研制没有受到发动机的影响。而上文所提到的歼一9和强一6飞机,就当时的技术条件来说,这两种飞机的性能指标都是非常先进的,研制的进度也较快,其最终下马虽有很多原因,但所配套的涡扇6发动机研制周期过长、不能保证飞机研制的进度也是最为重要的一个原因。

此外,发动机的配套单一,一种发动机只能用在一种飞机上,而国外在研制一种先进发动机后,往往可以开发出多种不同的派生机型,供不同飞机使用,大大提高了发动机的可利用率。像美国研制的F110-GE-100型发动机就可同时装在F-15和F-16两种战机上,具有很好的互换性,这对战时的后勤保障来说是非常方便快捷的。因此,发动机的研制必须先于飞机,并要相对独立地进行,只有这样,发动机的研制才能和飞机的研制协调发展,才能更好地满足飞机的需要。另一方面是研究的技术途径问题。长期以来,我国的航空发动机在使用发展方面取得了一些成绩和经验。但总体上看,我国对预研工作的重视程度仍然小够,往往是在技术储备不足的情况卜就开始高性能发动机的研制,而在一些核心机、关键部件甚至加工工艺方面都还没有过关之前就开始整机研制,结果往往是事与愿违。进入80年代以后,我国在这方面的预研工作有了一定的加强,一些关键技术及核心机的研究取得了重大进展,“昆仑”发动机的研制成功就是坚持这一指导思想的体现。

目前,我国正处于历史上最好的发展时期,政治稳定,国力增强,科技研究和制造能力都达到了较高的水平,只要我们吸取过去的经验教训,就一定能在不远的将来,使我国航空发动机的研制能力达到世界先进水平,在航空发动机这个高技术领域辟出一片“自己的天空”。《国防报》微信公众号:guofangnews首发

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